高郵湖表層沉積物污染分析及重金屬生態(tài)風(fēng)險評價

賈 軍，畢 凡

（江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京，210036）

引言

湖泊沉積物主要受外源輸入和水生生物殘留等因素影響形成，其含有大量污染物和營養(yǎng)鹽，例如重金屬、氨、磷等[1]，同時還存在難以被降解的有機(jī)物。因此，湖泊沉積物是導(dǎo)致湖泊中營養(yǎng)鹽積累的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)水中的溶解氧濃度較低（DO<1 mg/L）時，沉積物中的氨營養(yǎng)鹽會被釋放，導(dǎo)致水體再次受到污染，從而加劇水體富營養(yǎng)化問題。此外，沉積物粒度是衡量沉積介質(zhì)能量和沉積盆地能量的一種代用指標(biāo)，可以真實地反映污染物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化過程[2]。高郵湖湖底普遍存在表層沉積物，主要來自于湖西入湖河流所挾帶進(jìn)入湖區(qū)的泥沙及水產(chǎn)養(yǎng)殖、岸邊水土流失等帶來的污染及降塵等[3]。

以高郵湖作為研究對象，本文選取10個表層沉積物監(jiān)測點位，研究測定了2022年4個季度表層沉積物中總氮、總磷、粒度以及重金屬（Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Ni）含量，分析時空分布對表層沉積物污染的影響。通過對湖泊表層沉積物中各項污染物進(jìn)行監(jiān)測和評價，明確其污染水平，分析其污染物來源，對強(qiáng)化湖泊管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

本次調(diào)查在高郵湖設(shè)置10個表層沉積物采樣點，以一年4個季度為周期，每個季度采集1次，共計采樣4次。湖泊樣點數(shù)目以及位置的選取是結(jié)合高郵湖水域面積、形態(tài)、入湖河流等自然屬性和水環(huán)境常規(guī)監(jiān)測點分布定出。使用Shipek抓斗采集表層沉積物樣品，并將采集到的表層沉積物樣品迅速置于1 L廣口瓶中密封，返回實驗室后立即進(jìn)行樣品前處理。

1.2 研究方法

檢測指標(biāo)包括表層沉積物總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)以及重金屬含量，還包括沉積物粒度空間分布和粒徑大小等方面。本研究沉積物待測樣品采用過硫酸鹽氧化法測定總氮和總磷；采用HNO3-HF-HClO4法進(jìn)行消解，重金屬元素鉻、銅、鎳、鉛和鋅采用ICP-AES原子發(fā)射光譜儀測定；鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；汞采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法消解，砷采用H2SO4-HNO3消解，均采用HG-AFS原子熒光光譜儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷污染

2.1.1 總氮和總磷的季節(jié)污染

通過對2022年的4次調(diào)查進(jìn)行分析，各采樣點各季度表層沉積物總氮含量介于1 034.7～2 833.7 mg/kg，全湖平均值為2 005.6 mg/kg，參考《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調(diào)查評價》，均值高于2 000 mg/kg的為四級斷面。從各點位的季度變化情況來看（圖1），夏季高郵湖總氮含量較高，各點位均值為2 187.6 mg/kg；冬季總氮含量較低，各點位均值為1 894.0 mg/kg。

圖1 高郵湖各點位表層 沉積物總氮（上）、總磷（下）含量的季節(jié)變化

各采樣點各季度表層沉積物總磷含量介于290.5～563.1 mg/kg，參考《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調(diào)查評價》，各點位總磷的監(jiān)測結(jié)果都為低于730 mg/kg的一級斷面，全湖表層沉積物總磷平均值為445.7 mg/kg，為一級斷面。從各點位的季度變化情況來看（圖1），冬季高郵湖總磷含量較高，各點位均值為472.2 mg/kg；秋季總磷含量較低，各點位均值為423.9 mg/kg。

2.1.2 總氮、總磷的空間分布

從各點位表層沉積物總氮、總磷分析結(jié)果可知，GY-2點位的總氮均值最低，污染較輕，均值為1 271.7 mg/kg；GY-5、GY-7、GY-10點位均值較高，均值分別為2 356.2 mg/kg、2 582.3 mg/kg、2 466.6 mg/ kg，這三個點位位于高郵湖的東部，其余點位總氮均值均在1 782.25～2 126.50 mg/kg之間。總磷的空間分布情況與總氮類似，GY-2、GY-8點位的總磷均值較低，分別為351.4 mg/kg、383.1 mg/kg；GY-5、GY-7、GY-10點位均值較高，均值分別為475.00 mg/kg、501.50 mg/kg、493.25 mg/kg，其余點位總磷均值均在421.75～2 126.50 mg/kg之間。

高郵湖總氮含量的空間分布差異特征較為明顯，主要富集區(qū)在湖體東部和東北部寶應(yīng)湖入湖區(qū)，中部地區(qū)污染程度相對較低，但仍高于西部區(qū)域，整體來看從東向西污染程度逐漸降低；總磷污染空間分布未呈現(xiàn)明顯的地理特征，呈整體偏低的特點，且區(qū)域差異較小，東部地區(qū)污染程度相對較高。

湖水在流經(jīng)從淮河入江水道、寶應(yīng)湖等河流入湖到東部區(qū)域的過程中，其所攜帶的氮、磷等污染物質(zhì)會向沉積物中沉降、富集，加之高郵湖湖水年交換率較高，湖水流速較太湖、鄱陽湖、巢湖等淺水型湖泊快，入湖的污染物并不會全部在入湖口處沉積，而是隨湖水徑流從入湖至出湖分布于主要湖泊流域，導(dǎo)致了這些區(qū)域沉積物中氮、磷污染的積累。

2.1.3 總氮、總磷污染評價

高郵湖表層沉積物總氮、總磷的單項污染指數(shù)（STN、STP）范圍分別為1.03～2.83和0.69～1.34，平均值分別為2.01和1.06，分別達(dá)到重度污染和中度污染水平。全湖范圍內(nèi)總磷約有30%的監(jiān)測點處于輕度污染的水平，70%的監(jiān)測點處于中度污染的水平?？偟奈廴厩闆r比總磷更加嚴(yán)重，約有7.5%的監(jiān)測點達(dá)到輕度污染，52.5%的監(jiān)測點總氮達(dá)到了中度污染水平，40.0%的監(jiān)測點總氮達(dá)到了重度污染的水平。高郵湖表層沉積物的營養(yǎng)鹽污染情況較為嚴(yán)重，沉積物綜合污染指數(shù)范圍為1.14～2.75，平均值為2.07，約有92.5%的監(jiān)測點處于中度至重度污染水平。有機(jī)污染指數(shù)（OI）范圍在0.11～0.84之間，平均值為0.47，95%的監(jiān)測點處于中度至重度污染水平。營養(yǎng)鹽的綜合污染與有機(jī)污染分布情況與總氮、總磷濃度的空間分布情況相一致。

2.2 重金屬污染以及粒度分布

2.2.1 粒度分布

高郵湖各點位粒徑小于4 μm的含量占比為6.38%～60.49%，平均值為20.66%；粒徑為4～8 μm的含量占比為3.32%～18.57%，平均值為9.38%；粒徑為8～16 μm的含量占比為4.02%～20.39%，平均值為12.18%；粒徑為16～32 μm的含量占比為11.01%～26.59%，平均值為17.08%；粒徑為32～64 μm的含量占比為6.76%～38.94%，平均值為22.62%；粒徑大于64 μm的含量占比為2.20～39.45%，平均值為18.08%。各點位中值粒徑變化范圍為1.9～50.82 μm，平均中值粒徑為26.33 μm。

2.2.2 重金屬污染

根據(jù)2022年針對高郵湖表層沉積物的四次調(diào)查結(jié)果，Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Ni的均值分別為：0.051、34.36、92.12、29.50、101.97、0.25、16.67、49.44 mg/kg，與江蘇省沉積物重金屬背景值對比，除了Hg元素，其余元素均超過背景值，但超出幅度都不大，均不超過1倍。根據(jù)高郵湖表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評估（圖2），重金屬單項生態(tài)風(fēng)險系數(shù)Er顯示，全湖各個點位除Cd處于中度風(fēng)險以外，其他重金屬均處于低風(fēng)險狀態(tài)。Cd元素處于中度污染狀態(tài)，并且即將達(dá)到高度污染狀態(tài)的原因可能與我國尚未制定湖泊沉積物污染物的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，現(xiàn)階段所做的表層沉積物重金屬的污染評價均基于土壤環(huán)境的重金屬背景值來進(jìn)行評價，這也導(dǎo)致了Cd的超標(biāo)不一定準(zhǔn)確。同時，雖然土壤環(huán)境中Cd的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值較低，但是Cd很容易以其主要化學(xué)形式在沉積物內(nèi)溶解和遷移，這導(dǎo)致了Cd元素更容易跟隨水土流失而進(jìn)入到水體中[4]。重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險RI值為108.5，略超過低風(fēng)險閾值，處于中度風(fēng)險水平。自20世紀(jì)80年代以來，高郵湖流域城鎮(zhèn)的發(fā)展帶來消耗性產(chǎn)品的大幅增長，這些產(chǎn)品包括油漆、焊料、管道、陶瓷材料和建筑材料等，含有大量有害重金屬，其中部分重金屬元素隨著工業(yè)廢水和城市生活污水的排放進(jìn)入湖泊水體，導(dǎo)致湖泊沉積物中重金屬元素含量的升高[5]。

圖2 高郵湖表層沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評估

2.2.3 高郵湖表層沉積物理化性質(zhì)與重金屬元素的相關(guān)性

理化性質(zhì)中的總氮、有機(jī)質(zhì)幾乎和所有金屬元素存在顯著相關(guān)性、總磷與金屬元素的相關(guān)性較小，這可能是由于農(nóng)業(yè)（包括水產(chǎn)養(yǎng)殖等）生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥的流失及生活污水（未經(jīng)處理或者簡單處理）產(chǎn)生的氮源性污染對表層沉積物的特性改變有較大影響。粒徑和所有金屬元素呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，這表明重金屬更傾向分布于粒徑較小的細(xì)顆粒物質(zhì)上，表現(xiàn)出沉積粒度效應(yīng)[6]。從重金屬離子相關(guān)性來看：Cu、Zn、Cr三元素兩兩之間，Pb、As、Cd三元素兩兩之間都存在顯著的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)大都在0.75以上，顯示它們具有一定的同源性。Ni與其它重金屬元素之間雖然呈一定的正相關(guān)關(guān)系，但無統(tǒng)計學(xué)差異。這一方面可能與Ni的污染源不同有關(guān)，另一方面也可能與重金屬性質(zhì)以及表層沉積物吸附性質(zhì)的不同有關(guān)。Cu、Cr、Cd、Ni等受人類活動影響較大，且含量都超過背景值。從總體上看，TN和有機(jī)質(zhì)是影響重金屬元素分布和富集的主要因素。詳見圖3。

圖3 高郵湖沉積物物理化學(xué)性質(zhì)與重金屬元素的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

結(jié)論如下：（1）高郵湖夏季表層沉積物總氮含量較高，冬季含量較低，總氮含量的空間分布差異特征較為明顯，主要富集區(qū)在湖體東部和東北部寶應(yīng)湖入湖區(qū)，整體來看從東向西污染程度逐漸降低；冬季總磷含量較高，秋季總氮含量較低，總磷污染空間分布未呈現(xiàn)明顯的地理特征。表層沉積物總氮、總磷的單項污染指數(shù)（STN、STP）范圍分別為1.03～2.83和0.69～1.34，平均值分別為2.01和1.06，分別達(dá)到重度污染和中度污染水平。（2）全湖各個點位除Cd處于中度風(fēng)險以外，其他重金屬均處于低風(fēng)險狀態(tài)。重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險RI值為108.5，略超過低風(fēng)險閾值，處于中度風(fēng)險水平?？偟?、有機(jī)質(zhì)幾乎和所有金屬元素存在顯著相關(guān)性，總磷與金屬元素的相關(guān)性較小。Cu、Zn、Cr三元素兩兩之間，Pb、As、Cd三元素兩兩之間都存在顯著的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)大都在0.75以上，顯示它們具有一定的同源性。Ni與其它重金屬元素之間雖然呈一定的正相關(guān)關(guān)系，但無統(tǒng)計學(xué)差異。