巢湖沉積物與水體重金屬分配特征及影響因素研究

摘 要：為了探究巢湖水環(huán)境重金屬污染狀況、分配特征及影響因素，連續(xù)4個(gè)季節(jié)采集全湖水體和沉積物樣品，分析As、Cr、Co、Ni、Cu和Zn的含量。結(jié)果表明，巢湖水體重金屬濃度較低，基本滿足GB 3838—2002中最嚴(yán)限值的要求。沉積物重金屬含量全湖均值超背景值，Zn和As的超標(biāo)倍數(shù)相對(duì)較高。各元素在沉積物-水體中的分配系數(shù)為Crgt;Cogt;Nigt;Zngt;Cugt;As，Cr和As分配系數(shù)季節(jié)性差異較明顯，受水體和沉積物理化性質(zhì)影響較大。

關(guān)鍵詞：巢湖；季節(jié)性；分配特征；影響因素

中圖分類號(hào)：X 82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

重金屬在環(huán)境中毒性較強(qiáng)，易對(duì)身體健康造成損害[1-2]。重金屬通過污水排放、地表徑流以及大氣沉降等途徑進(jìn)入河流、湖泊和海洋等水環(huán)境中，并因其難降解和環(huán)境持久性而在其中不斷累積。重金屬在水環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化過程相當(dāng)復(fù)雜，與各環(huán)境要素密切相關(guān)。水體中溶解態(tài)和非溶解態(tài)重金屬通過吸附、沉淀、共沉淀以及沉降等過程匯集到沉積物中，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，沉積物中的元素形態(tài)可能會(huì)發(fā)生改變而重新回到水體中。

巢湖位于安徽省合肥市，是我國五大淡水湖之一，對(duì)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。有研究表明，巢湖已受到了較為明顯的人為重金屬污染[3-5]。本研究以巢湖為例，探究巢湖水體和沉積物中重金屬的含量水平、重金屬在沉積物-水體之間的分配特征及其主要影響因素，以期為巢湖重金屬污染防治提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析測(cè)試

基于網(wǎng)格布點(diǎn)法在巢湖湖區(qū)設(shè)置20個(gè)點(diǎn)位，在冬季（2023年1月）、春季（2023年4月）、夏季（2023年8月）和秋季（2023年10月）分別采集表層水（水面以下約0.5m）和表層沉積物（0cm～5cm）樣品各20個(gè)，置于保溫箱暫存（裝有冰袋），并及時(shí)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室處理分析。采用YSI水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀（EXO2）現(xiàn)場測(cè)定各點(diǎn)位水樣的溶解氧（DO）、pH值、電導(dǎo)率、氧化還原電位（ORP）以及藻密度等理化參數(shù)。采用玻璃電極pH計(jì)（pHSJ-3F，上海）測(cè)定沉積物樣品的pH值（NY/T 1377—2007），采用電導(dǎo)率儀（DDSJ-308A，上海）測(cè)定沉積物電導(dǎo)率（HJ 802—2016），采用馬弗爐測(cè)定沉積物干樣的燒失量（LOI，代表沉積物有機(jī)質(zhì)）。按照HJ 680—2013和HJ 803—2016規(guī)定的方法對(duì)重金屬總量分析測(cè)試。

1.2 重金屬分配系數(shù)

分配系數(shù)是表征重金屬在沉積物與水體間分配行為的指標(biāo)，是描述重金屬在水環(huán)境中行為的重要物理化學(xué)特征參數(shù)，其值越高說明顆粒物對(duì)重金屬的吸附能力越強(qiáng)；其值越低，說明重金屬從固相釋放到水體成為溶解態(tài)的趨勢(shì)越明顯。計(jì)算方法為體系達(dá)到平衡時(shí)重金屬在沉積物中的含量（mg/kg）與表層水中濃度（mg/L）的比值。為了方便對(duì)比分析，取其對(duì)數(shù)值表示（lgKp）。

1.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析（Correlation Analysis）通常用來研究多個(gè)變量之間是否存在某種關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過具體有關(guān)聯(lián)關(guān)系的變量探討其相關(guān)方向及關(guān)聯(lián)程度。采用變量進(jìn)行相關(guān)性分析的前提是變量相互之間需具備一定的聯(lián)系或概率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過Microsoft Excel 2021、IBM SPSS Statistics 25和Origin2021等軟件對(duì)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及繪圖。

2 分析與討論

2.1 巢湖水體重金屬濃度及季節(jié)性變化特征

巢湖表層水體各季節(jié)重金屬濃度統(tǒng)計(jì)見表1。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）對(duì)重金屬濃度進(jìn)行評(píng)價(jià)（對(duì)水體中可溶態(tài)Cr評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)中Cr6+的限值要求），全湖As、Cr以及Cu各季節(jié)濃度均符合Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)；Zn除春季為滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)之外，其余3個(gè)季節(jié)均符合Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)；Ni和Co濃度遠(yuǎn)低于集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。從季節(jié)變化來看，水體中As濃度在秋季最大，Cr、Ni、Cu和Zn濃度春季最大，而Co濃度冬季最大。從各季節(jié)各元素在水體中濃度分布變異系數(shù)來看，春季Cu、Cr較大，夏季和秋季均是Zn、Cr較大，冬季Cr、Co、As以及Zn變異系數(shù)均較大，均超過40%；說明巢湖水體各元素濃度在冬季時(shí)空間分布差異相對(duì)較大，離散程度較高，Cr元素各季節(jié)濃度空間分布均較大。

2.2 巢湖表層沉積物重金屬含量及季節(jié)性變化特征

巢湖表層沉積物各季節(jié)重金屬含量統(tǒng)計(jì)見表2。與江淮流域沉積物背景值[6]相比，各元素全湖全年含量均值均超過背景值，Zn和As的超標(biāo)倍數(shù)最高，分別超1.52和0.98倍；Cr、Ni和Cu超過背景值，Co略超背景值。從季節(jié)變化來看，冬季沉積物中的As含量明顯高于其他季節(jié)，夏季Cr含量最高，春季Co含量明顯低于其他季節(jié)，Ni、Cu含量季節(jié)性差異不大，夏季的Zn含量遠(yuǎn)低于其他季節(jié)。從各季節(jié)各元素在沉積物中含量空間分布變異系數(shù)來看，春、夏、秋均為Zn最高，冬季則為Cr和Zn較高?？傮w來說，重金屬在沉積物中含量空間分布差異性不大，其變異系數(shù)整體遠(yuǎn)低于在水體中的濃度空間分布變異系數(shù)。

2.3 重金屬在沉積物-水體的分配特征及變化趨勢(shì)分析

分配系數(shù)（Kp）可以分析重金屬在沉積物與水體之間的分配趨勢(shì)。各元素沉積物-水體間的lgKp統(tǒng)計(jì)如圖1所示。各元素分配系數(shù)全湖全年均值大小為Crgt;Cogt;Nigt;Zngt;Cugt;As，Cr、Co分配系數(shù)較高，說明巢湖沉積物對(duì)這2種元素的固定能力較強(qiáng)，相對(duì)不易從沉積物中釋放進(jìn)入水體；As分配系數(shù)最低，表明As從沉積物釋放到水體中的趨勢(shì)相對(duì)最明顯。從不同季節(jié)來看，各元素分配系數(shù)變化規(guī)律不同，冬季的As元素、秋季的Zn元素、夏季的Cr元素分配系數(shù)明顯高于其他季節(jié)，表明這幾種元素在該季節(jié)更易從水體遷移至沉積物中；Co、Ni、Cu各季節(jié)分配系數(shù)相差不大，說明這3種元素在沉積物與水體中的濃度分配關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定。

2.4 分配特征影響因素分析

研究表明，重金屬的分配系數(shù)除與其化學(xué)特性、賦存形態(tài)有關(guān)外，還與水體和沉積物理化性質(zhì)（例如溫度、pH、氧化還原電位以及電導(dǎo)率）等有關(guān)。巢湖湖區(qū)水體理化參數(shù)DO水體、電導(dǎo)率水體、pH水體、ORP水體、藻密度和沉積物理化參數(shù)pH沉積物、電導(dǎo)率沉積物和LOI全年監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3、表4。由表3、表4可知，DO水體為冬季gt;春季gt;秋季gt;夏季，即溫度越高，水體DO含量越低。ORP水體為冬季gt;秋季gt;夏季gt;春季，水體中的ORP除與DO有關(guān)外，還與水溫、pH值、鹽度以及溶解的氧化劑（如臭氧）密切相關(guān)，因此ORP水體與DO水體變化趨勢(shì)并不是完全一致的。pH水體和藻密度均為夏季gt;秋季gt;春季gt;冬季，變化趨勢(shì)與DO水體正好相反；夏季溫度高，有利于藻類尤其是藍(lán)藻大量繁殖（藍(lán)藻最適生長繁殖水溫為 25 ℃～35 ℃），藻類通過光合作用消耗水中的CO2，致使水體pH升高，藻類死亡后腐爛分解則會(huì)導(dǎo)致水體DO、ORP降低。電導(dǎo)率水體為春季gt;秋季gt;夏季gt;冬季，變化規(guī)律與水體中離子濃度密切相關(guān)。pH沉積物為春季gt;冬季gt;夏季gt;秋季，LOI為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季。電導(dǎo)率沉積物季節(jié)性變化特征與pH水體和藻密度一致。水體和沉積物理化參數(shù)變化規(guī)律總體趨勢(shì)為溫度越高的季節(jié)水體DO越低、pH和藻密度越高，沉積物pH越低、LOI越高。從各參數(shù)全年波動(dòng)范圍來看，湖區(qū)水體電導(dǎo)率、沉積物電導(dǎo)率和藻密度全湖全年波動(dòng)幅度較大。

為了探究巢湖湖區(qū)重金屬在沉積物-水體中分配系數(shù)的主要影響因素，對(duì)各采樣點(diǎn)重金屬分配系數(shù)與水體、沉積物各理化參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。首先，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行夏洛克-威爾克正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示僅Ni和pH表層水符合正態(tài)分布，因此采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。一般認(rèn)為，相關(guān)系數(shù)在0.8～1.0是極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8是強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6是中等程度相關(guān)，0.2～0.4是弱相關(guān)，0.0～0.2則是極弱相關(guān)或無相關(guān)，本研究重點(diǎn)分析中等強(qiáng)度及以上的相關(guān)關(guān)系。由表4可知，DO水體與As、Cr的分配系數(shù)分別呈中等正相關(guān)和中等負(fù)相關(guān)；pH水體與As分配系數(shù)為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，即水體pH升高能夠促使As從沉積物往水體中釋放；電導(dǎo)率水體與Cr、Co、Ni分配系數(shù)均呈中等負(fù)相關(guān)，即水體電導(dǎo)率可一定程度促使這3種元素從沉積物釋放至水體；ORP水體與Cr、Co分配系數(shù)呈中等正相關(guān)；藻密度、ORP沉積物、電導(dǎo)率沉積物與各元素分配系數(shù)的相關(guān)性不明顯；LOI與Cu分配系數(shù)呈中等正相關(guān)，即沉積物中有機(jī)質(zhì)含量升高有利于Cu從水體向沉積物遷移?？傮w來說，水體電導(dǎo)率和ORP對(duì)6種元素在沉積物和水體之間的遷移轉(zhuǎn)化均有影響（水體電導(dǎo)率對(duì)As除外）且相關(guān)性相對(duì)較高；As、Cr分配系數(shù)受水體和沉積物理化性質(zhì)影響較大。

3 結(jié)語

巢湖水體中重金屬濃度較低，各季節(jié)As、Cr、Cu和Zn濃度基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002） Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)（春季Zn為滿足Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)），Ni和Co濃度遠(yuǎn)低于特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值。沉積物中各元素全年全湖含量均值均超背景值，Zn和As的超標(biāo)倍數(shù)最高。各元素在水體和沉積物中含量存在季節(jié)性差異。Cr、Co在沉積物-水體中分配系數(shù)較高，As分配系數(shù)較低，As、Cr分配系數(shù)季節(jié)性差異較大。水體電導(dǎo)率和ORP對(duì)6種元素分配系數(shù)影響較明顯，As、Cr分配系數(shù)受水體和沉積物理化性質(zhì)影響較大。巢湖治理應(yīng)重視沉積物中As的累積污染及夏、秋季易往水體中釋放的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳斌， 宋金明， 李學(xué)剛.黃河口表層沉積物中重金屬的環(huán)境地球化學(xué)特征[J]. 環(huán)境科學(xué)， 2013， 34（4）： 1324-1332.

[2]徐姍楠， 李純厚， 徐嬌嬌， 等.大亞灣石化排污海域重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)， 2014， 35（6）： 2075-2084.

[3]劉新，蔣豫，高俊峰，等.巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 湖泊科學(xué)， 2016， 28（3）： 502-512.

[4]何苗，劉桂建，吳蕾，等.巢湖流域豐水期可溶態(tài)重金屬空間分布及污染評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2021， 42（11）： 5346-5354.

[5]楊陽，李小龍，楊碧瑩，等.巢湖表層沉積物重金屬污染特征研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，40（04）：46-54.

[6]陳興仁，陳富榮，賈十軍，等.安徽省江淮流域土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值與背景值研究[J].中國地質(zhì)，2012，39（2）： 302-310.