高邮湖表层沉积物污染分析及重金属生态风险评价.pdf

环境污染与治理-109-高邮湖表层沉积物污染分析及重金属生态风险评价贾 军，毕 凡（江苏省苏力环境科技有限责任公司，江苏 南京，210036）摘要：本文以高邮湖为例，选取湖区10个表层沉积物监测点位，研究测定2022年4个季度表层沉积物中总氮、总磷、粒度以及重金属（Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Ni）的含量，并采用综合污染指数法评价总氮和总磷，采用潜在生态风险指数法评价重金属的潜在风险。结果表明：总氮、总磷的单项污染指数（STN、STP）范围分别为1.032.83和0.691.34，平均值分别为2.01和1.06，分别达到了重度污染和中度污染水平。总氮含量的空间分布差异特征较为明显，主要富集区在湖体东部和东北部，总磷污染空间分布未呈现明显的地理特征。全湖各个点位除Cd处于中度风险外，其他重金属均处于低风险状态。重金属的综合生态风险RI值为108.5，略高于低风险阈值，处于中度风险水平。关键词：表层沉积物；氮和磷；重金属；潜在生态风险中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-15-36Pollution Analysis of Surface Sediments and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Gaoyou LakeJia Jun,Bi Fan(Jiangsu Suli Environmental Science and Technology Co.,Ltd.,Nanjing 210036,China)Abstract:Taking Gaoyou Lake as an example,ten surface sediment monitoring sites in the lake area were selected to study the total nitrogen,total phosphorus,grain size,and heavy metal(Hg,Cu,Zn,Pb,Cr,Cd,As,Ni)contents of surface sediments in four quarters of 2022.The comprehensive pollution index method was used to evaluate total nitrogen and total phosphorus,and the potential ecological risk index method was used to evaluate the potential risk of heavy metals.The results show that the single pollution index of total nitrogen ranges from 1.03 to 2.83,with an average of 2.01.The degree of total nitrogen is severe;total phosphorus ranges from 0.69 to 1.34,with an average of 1.06.The degree of total phosphorus is medium.The spatial distribution difference of total nitrogen content is obvious.The main enrichment areas are in the eastern and northeastern parts of the lake,and the spatial distribution of total phosphorus pollution doesnt show obvious geographical characteristics.All the heavy metals in the lake are in low risk except for Cd,which is in moderate risk.The integrated ecological risk index(RI)of heavy metals was 108.5,slightly exceeding the low-risk threshold and reaching a moderate risk level.Key words:surface sediment;nitrogen and phosphorus;heavy metals;potential ecological risk引 言湖泊沉积物主要受外源输入和水生生物残留等因素影响形成，其含有大量污染物和营养盐，例如重金属、氨、磷等1，同时还存在难以被降解的有机物。因此，湖泊沉积物是导致湖泊中营养盐积累的关键因素之一，当水中的溶解氧浓度较低（DO1 mg/L）时，沉积物中的氨营养盐会被释放，导致水体再次受到污染，从而加剧水体富营养化问题。此外，沉积物粒度是衡量沉积介质能量和沉积盆地能量的一种代用指标，可以真实地反映污染物在湖泊生态系统中的迁移、转化过程2。高邮湖湖底普遍存在表层沉积物，主要来自于湖西入湖河流所挟带进入湖区的泥沙及水产养殖、岸边水土流失等带来的污染及降尘等3。以高邮湖作为研究对象，本文选取10个表层沉积物监测点位，研究测定了2022年4个季度表层沉积物中总氮、总磷、粒度以及重金属（Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Ni）含量，分析时空分布对表层沉积物污染的影响。通过对湖泊表层沉积物中各项污染物进行监测和评价，明确其污染水平，分析其污染物来源，对强化湖泊管理具有重要意义。1材料与方法1.1样品的采集与处理本次调查在高邮湖设置10个表层沉积物采样点，以一年4个季度为周期，每个季度采集1次，共计采样4次。湖泊样点数目 第一作者简介：贾军（1987-），男，硕士，工程师，研究方向：环境监测。环境污染与治理-110-以及位置的选取是结合高邮湖水域面积、形态、入湖河流等自然属性和水环境常规监测点分布定出。使用Shipek抓斗采集表层沉积物样品，并将采集到的表层沉积物样品迅速置于1 L广口瓶中密封，返回实验室后立即进行样品前处理。1.2研究方法检测指标包括表层沉积物总氮、总磷、有机质以及重金属含量，还包括沉积物粒度空间分布和粒径大小等方面。本研究沉积物待测样品采用过硫酸盐氧化法测定总氮和总磷；采用HNO3-HF-HClO4法进行消解，重金属元素铬、铜、镍、铅和锌采用ICP-AES原子发射光谱仪测定；镉采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；汞采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法消解，砷采用H2SO4-HNO3消解，均采用HG-AFS原子荧光光谱仪测定。2结果与分析2.1氮、磷污染 2.1.1 总氮和总磷的季节污染图1高邮湖各点位表层 沉积物总氮（上）、总磷（下）含量的季节变化通过对2022年的4次调查进行分析，各采样点各季度表层沉积物总氮含量介于1 034.72 833.7 mg/kg，全湖平均值为2 005.6 mg/kg，参考全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价，均值高于2 000 mg/kg的为四级断面。从各点位的季度变化情况来看（图1），夏季高邮湖总氮含量较高，各点位均值为2 187.6 mg/kg；冬季总氮含量较低，各点位均值为1 894.0 mg/kg。各采样点各季度表层沉积物总磷含量介于290.5563.1 mg/kg，参考全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价，各点位总磷的监测结果都为低于730 mg/kg的一级断面，全湖表层沉积物总磷平均值为445.7 mg/kg，为一级断面。从各点位的季度变化情况来看（图1），冬季高邮湖总磷含量较高，各点位均值为472.2 mg/kg；秋季总磷含量较低，各点位均值为423.9 mg/kg。2.1.2 总氮、总磷的空间分布从各点位表层沉积物总氮、总磷分析结果可知，GY-2点位的总氮均值最低，污染较轻，均值为1 271.7 mg/kg；GY-5、GY-7、GY-10点位均值较高，均值分别为2 356.2 mg/kg、2 582.3 mg/kg、2 466.6 mg/kg，这三个点位位于高邮湖的东部，其余点位总氮均值均在1 782.252 126.50 mg/kg之间。总磷的空间分布情况与总氮类似，GY-2、GY-8点位的总磷均值较低，分别为351.4 mg/kg、383.1 mg/kg；GY-5、GY-7、GY-10点位均值较高，均值分别为475.00 mg/kg、501.50 mg/kg、493.25 mg/kg，其余点位总磷均值均在421.752 126.50 mg/kg之间。高邮湖总氮含量的空间分布差异特征较为明显，主要富集区在湖体东部和东北部宝应湖入湖区，中部地区污染程度相对较低，但仍高于西部区域，整体来看从东向西污染程度逐渐降低；总磷污染空间分布未呈现明显的地理特征，呈整体偏低的特点，且区域差异较小，东部地区污染程度相对较高。湖水在流经从淮河入江水道、宝应湖等河流入湖到东部区域的过程中，其所携带的氮、磷等污染物质会向沉积物中沉降、富集，加之高邮湖湖水年交换率较高，湖水流速较太湖、鄱阳湖、巢湖等浅水型湖泊快，入湖的污染物并不会全部在入湖口处沉积，而是随湖水径流从入湖至出湖分布于主要湖泊流域，导致了这些区域沉积物中氮、磷污染的积累。2.1.3 总氮、总磷污染评价高邮湖表层沉积物总氮、总磷的单项污染指数（STN、STP）范围分别为1.032.83和0.691.34，平均值分别为2.01和1.06，分别达到重度污染和中度污染水平。全湖范围内总磷约有30%的监测点处于轻度污染的水平，70%的监测点处于中度污染的水平。总氮的污染情况比总磷更加严重，约有7.5%的监测点达到轻度污染，52.5%的监测点总氮达到了中度污染水平，40.0%的监测点总氮达到了重度污染的水平。高邮湖表层沉积物的营养盐污染情况较为严重，沉积物综合污染指数范围为1.142.75，平均值为2.07，约有92.5%的监测点处于中度至重度污染水平。有机污染指数（OI）范围在0.110.84之间，平均值为0.47，95%的监测点处于中度至重度污染水平。营养盐的综合污染与有机污染分布情况与总氮、总磷浓度的空间分布情况相一致。2.2重金属污染以及粒度分布2.2.1 粒度分布高邮湖各点位粒径小于4 m的含量占比为6.38%60.49%，平均值为20.66%；粒径为48 m的含量占比为3.32%18.57%，平均值为9.38%；粒径为816 m的含量占比为4.02%20.39%，平均值为12.18%；粒径为1632 m的含量占比为11.01%26.59%，平均值为17.08%；粒径为3264 m的含量占比为6.76%38.94%，平均值为22.62%；粒径大于64 m的含量占比为2.2039.45%，平均值为18.08%。各点位环境污染与治理-111-中值粒径变化范围为1.950.82 m，平均中值粒径为26.33 m。2.2.2 重金属污染根据2022年针对高邮湖表层沉积物的四次调查结果，Hg、Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Ni的均值分别为：0.051、34.36、92.12、29.50、101.97、0.25、16.67、49.44 mg/kg，与江苏省沉积物重金属背景值对比，除了Hg元素，其余元素均超过背景值，但超出幅度都不大，均不超过1倍。根据高邮湖表层沉积物重金属的潜在生态风险指数评估（图2），重金属单项生态风险系数Er显示，全湖各个点位除Cd处于中度风险以外，其他重金属均处于低风险状态。Cd元素处于中度污染状态，并且即将达到高度污染状态的原因可能与我国尚未制定湖泊沉积物污染物的标准有关，现阶段所做的表层沉积物重金属的污染评价均基于土壤环境的重金属背景值来进行评价，这也导致了Cd的超标不一定准确。同时，虽然土壤环境中Cd的环境质量标准值较低，但是Cd很容易以其主要化学形式在沉积物内溶解和迁移，这导致了Cd元素更容易跟随水土流失而进入到水体中4。重金属的综合生态风险RI值为108.5，略超过低风险阈值，处于中度风险水平。自20世纪80年代以来，高邮湖流域城镇的发展带来消耗性产品的大幅增长，这些产品包括油漆、焊料、管道、陶瓷材料和建筑材料等，含有大量有害重金属，其中部分重金属元素随着工业废水和城市生活污水的排放进入湖泊水体，导致湖泊沉积物中重金属元素含量的升高5。图2高邮湖表层沉积物重金属的潜在生态风险指数评估2.2.3 高邮湖表层沉积物理化性质与重金属元素的相关性理化性质中的总氮、有机质几乎和所有金属元素存在显著相关性、总磷与金属元素的相关性较小，这可能是由于农业（包括水产养殖等）生产中化肥农药的流失及生活污水（未经处理或者简单处理）产生的氮源性污染对表层沉积物的特性改变有较大影响。粒径和所有金属元素呈现负相关性，这表明重金属更倾向分布于粒径较小的细颗粒物质上，表现出沉积粒度效应6。从重金属离子相关性来看：Cu、Zn、Cr三元素两两之间，Pb、As、Cd三元素两两之间都存在显著的相关性，且相关系数大都在0.75以上，显示它们具有一定的同源性。Ni与其它重金属元素之间虽然呈一定的正相关关系，但无统计学差异。这一方面可能与Ni的污染源不同有关，另一方面也可能与重金属性质以及表层沉积物吸附性质的不同有关。Cu、Cr、Cd、Ni等受人类活动影响较大，且含量都超过背景值。从总体上看，TN和有机质是影响重金属元素分布和富集的主要因素。详见图3。图3高邮湖沉积物物理化学性质与重金属元素的相关性分析注：*表示显著性相关（显著性水平P0.05），*表示极显著相关（显著性水平P0.01），1：TN，2：TP，3：粒径，4：有机质，5：Pb，6：Zn，7：As，8：Cd，9：Ni，10：Cr，11：Cu，12：Hg3结论结论如下：（1）高邮湖夏季表层沉积物总氮含量较高，冬季含量较低，总氮含量的空间分布差异特征较为明显，主要富集区在湖体东部和东北部宝应湖入湖区，整体来看从东向西污染程度逐渐降低；冬季总磷含量较高，秋季总氮含量较低，总磷污染空间分布未呈现明显的地理特征。表层沉积物总氮、总磷的单项污染指数（STN、STP）范围分别为1.032.83和0.691.34，平均值分别为2.01和1.06，分别达到重度污染和中度污染水平。（2）全湖各个点位除Cd处于中度风险以外，其他重金属均处于低风险状态。重金属的综合生态风险RI值为108.5，略超过低风险阈值，处于中度风险水平。总氮、有机质几乎和所有金属元素存在显著相关性，总磷与金属元素的相关性较小。Cu、Zn、Cr三元素两两之间，Pb、As、Cd三元素两两之间都存在显著的相关性，且相关系数大都在0.75以上，显示它们具有一定的同源性。Ni与其它重金属元素之间虽然呈一定的正相关关系，但无统计学差异。参考文献：1Liang T，Tong Y，Wang X H，et al.Release of reactive phosphorus from sediments in Dongting Lake linked with the Yangtze RiverJ.Environmental Chemistry，2017，14（1）：48.2曾凤连，杨刚，王萍，等.准河干流水环境质量时空变化特征及污染趋势分析J.水生态学杂志，2021，42（5）：86-94.3王佩，卢少勇，王殿武，等.太湖湖滨带底泥物氮、磷、有机质分布与污染评价J.中国环境科学，2021，32（4）：703-709.4薛娇，严玉林，刘操，等.北京市典型河道沉积物重金属污染评价J.北京水务，2020，45（4）：45-51.5王天欣，陆继龙，赵威，等.长春市建成区土壤重金属污染与生态风险评价J.世界地质，2021，40（2）：467-474.6谢飞，徐聪辉，时志强.高邮湖主要入湖河流对湖心区断面的总磷贡献分析J.环境科技，2021，34（3）：60-63.