太湖竺山灣底泥中有害物質含量與環境污染評價

張明禮,楊 浩,林振山,崔文靜,陳勁松,王小雷 (南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 210046)

太湖竺山灣底泥中有害物質含量與環境污染評價

張明禮,楊 浩*,林振山,崔文靜,陳勁松,王小雷 (南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 210046)

對太湖竺山灣湖泊中重(類)金屬、磷、硫元素、有機有毒物質的含量及放射性元素的放射強度進行了檢測,通過對比雪堰段與周鐵段的相關物質含量,分析了有害物質含量差異的原因,并對其環境污染進行了評價.結果表明:太湖竺山灣底泥中重(類)金屬含量總體較低,其中雪堰段比周鐵段含量高;有機毒物HCHs、DDTs、PCBs、PAHs由于來源不同,兩地相關物質含量不同,但總體上含量較低;湖泊底泥中放射性元素鉛、銫的放射性強度低,符合我國開放場址土壤中剩余放射性可接受水平的規定.湖泊底泥中含有較高的磷元素,清淤過程應減輕底泥中磷的釋放對水體造成的污染.本結果對太湖底泥沉積物的測量,特別是對放射性元素放射強度的檢測,有利于全面了解該湖泊沉積的環境污染現狀;評價其污染程度,并為太湖污染治理、清淤底泥的后續利用、風險管理提供科學數據和決策支持.

太湖竺山灣；湖泊底泥；重金屬；有機有毒物質；放射性強度

太湖是一個淺水、多湖灣的湖泊,地處地區經濟發達、城市群密集區域,長期以來,大量的點源和面源污染物通過徑流、大氣沉降等進入水體,沉積在底泥中構成了嚴重的內源污染威脅[1].沉積物中重金屬、有機毒物及磷、硫等物質,會對湖泊生態系統造成長期的影響[2-3].

有關太湖沉積物中重金屬以及有毒有害等物質含量的研究,國內已經開展了大量的工作[4-8].這些研究為治理太湖提供了科學依據.為全面反映湖泊底泥沉積物的整體污染狀況,本研究在前人研究的基礎上,通過檢測太湖竺山灣底泥沉積物中主要重(類)金屬、有機有毒物質含量等,特別是對放射性元素放射強度的檢測,有利于全面了解該湖區沉積物的環境污染現狀;以獲取的測量數據為基礎,評價其污染程度,為太湖污染治理、清淤底泥的后續利用、風險管理提供決策支持.

1 材料和方法

1.1 樣品采集

太湖竺山灣位于太湖西北部,是太湖上游來水的主要湖區.采樣在竺山灣的兩個區域進行,一處靠近竺山灣的東北部,為常州市武進區雪堰鎮(樣點TH1～TH5);另一處位于竺山灣西岸,屬無錫宜興市周鐵鎮(樣點TH6～TH8).2008年10月,在太湖竺山灣用重力采樣器采集長度為10cm的沉積柱,使用奧地利產的聚丙烯筒式沉積物取樣器(內徑6cm)采集太湖沉積物柱芯,共采集樣品8個(圖1).將樣品置于密封塑料袋中,帶回實驗室.

圖1 竺山灣在太湖中的位置及采樣地點Fig.1 Sampling positions in Zhushan Bay, Taihu Lake

1.2 樣品處理及分析

采集到的土樣待自然風干后,剔除動植物殘體和石塊,研磨、過100目篩,分批次進行沉積物中有毒有害物質檢測.

土壤重金屬測定:運用荷蘭PANalytical公司生產的EPSILON5(Axios X型)對樣品進行壓餅制樣后,再運用X熒光光譜儀(PW2403)完成測試.各全樣品約取4g,其中測定了土壤重金屬污染主要包括 Pb、Cr、Cu、Zn等,分析測定中均加入國家標準土壤標樣進行分析質量控制,分析結果符合質量控制要求,測量誤差小于10%.

放射性元素的測定:用高純鍺γ譜儀測試,該儀器為美國阿美特克公司生產ORTEC牌高純鍺探測器,擁有數字化譜儀多通道分析系統.137Cs、210Pb的比活度分別由661.6,46.5keV處的γ射線譜峰面積獲得,標準樣品由中國原子能研究院提供.該譜儀的主要指標:對60Co 1.33 MeV的能量分辨率為2.25keV;相對探測效率為55%;峰康比60:1.

以上測試項目在南京師范大學地理科學學院江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室完成.

沉積物有機有毒污染物的測定:用氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)定量分析,對沉積物中有機有毒污染多氯聯苯(PCBs)、多環芳烴(PAHs)、有機氯農藥(DDTs、HCHs)分析測定.有機有毒污染物的測試在中國科學院南京土壤研究所分析測試中心完成.

2 結果與分析

2.1 底泥中沉積物重(類)金屬及P、S含量

圖2 雪堰段與周鐵段底泥中重(類)金屬及P、S含量對比Fig.2 The comparison of heavy mental, P and S content in sediment near Xueyan and near Zhoutie town

由表 1可見,Pb、Cr、Sr的含量變異較小,而 Cu、Ni、Zn、Cs的變異較大.從采樣地區來看,周鐵段重金屬污染物質的平均含量均略低于雪堰段(圖2).湖泊水體環境中,As、P與S非元素含量也與湖泊環境質量狀況緊密相關,且存在水體與底泥之間的交換過程.底泥樣品中,As的含量為 3.1～10.3mg/kg,其平均含量為 7.8mg/kg,變異系數為 31.1%;P是沉積物主要營養元素之一,也是反映湖泊污染程度的重要指標,其最高含量1532.6mg/kg,最低為 332.0mg/kg,有較大的變異,變異系數為 52.3%;硫的含量為 69.9～2051.9mg/ kg,變異系數為80.4%.從采樣地區看,雪堰段底泥中檢測重(類)金屬的含量均高于周鐵段,且非金屬元素異常值的出現區域和金屬元素高值區“疊置”,可能是與無錫市發達的工業及城市居民的大量的生活污水排入有關.

2.2 有機有毒物質的含量

太湖竺山灣底泥沉積物中,檢測的主要有機有毒污染物有機氯農藥(OCPs)、多氯聯苯(PCBs)、多環芳烴(PAHs)等含量如表2所示.

表2 太湖竺山灣底泥HCHs、DDTs、PCBs、PAHs含量(μg/kg)Table 2 The content of HCHs, DDTs, PCBs, PAHs in Zhushan Bay sediment, Taihu Lake(μg/kg)

OCPs主要指HCHs和DDTs等,由于HCHs和DDTs的疏水親脂性,進入水環境后,大部分被水中懸浮顆粒物吸收并進入沉積環境.湖泊底泥中 HCHs的含量變化范圍 0.037～0.758μg/kg, DDTs的含量除幾個采樣點未檢出o.p'-DDT外,其余各點均檢測到,DDTs檢測到的變化范圍為0.027～0.92μg/kg.PCBs在熱穩定性、絕緣性等方面具有較高性能,所以在工業中有廣泛應用;又由于其具有脂質親和性高的特點,擴散到水體中的PCBs次第被蓄積到動物體內與沉積物中.PCBs含量變化范圍為 0.01～0.345μg/kg.PAHs易具有親脂性、難降解的特點,容易污染水體,并在土壤等介質中滯留和累積.沉積底泥中 PAHs含量變化范圍為0.515～40.3μg/kg,濃度差別大,其中雪堰段為6.91～40.3μg/kg,周鐵段0.52～8.89μg/kg. 2.3 沉積物放射性物質強度

由表 3可見,210Pb具有較強的放射性強度,其值介于90.9～306.5 Bq/kg之間;而137Cs放射性強度范圍是 12.1～43.6Bq/kg,放射性相對較弱.從區域分布來看,依然是雪堰段底泥中放射性元素的放射性較強,而周鐵段湖底底泥放射性較弱.

表3 太湖竺山灣湖底底泥鉛與銫的放射性強度(Bq/kg)Table 3 The radioacitivity intensity of lead and ceasium elements in Zhushan Bay, Taihu Lake(Bq/kg)

3 討論

由于疏浚后的底泥沉積物有相當一部分還田或他用,因此引用國家《土壤環境質量標準》[9]中的土壤分為3類,來評價疏浚底泥的質量安全.土壤質量共分3級,其中Ⅰ類土壤主要適用于國家規定的自然保護區、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護區,土壤質量基本上保持自然背景水平;Ⅱ類土壤主要適用于一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等,土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染.二級標準規定的Ⅱ類土壤是保護農業生產、維護人體健康的土壤限定值,也是個警示值,低于此值一般來說不會有污染問題,對高于此值的樣點應予充分重視.而對超過土壤環境背景值的樣點,也應及早關注,以防污染進一步發展.

3.1 沉積物重(類)金屬及P、S元素的污染評價

對照國家土壤環境質量標準中規定的元素含量[10],從圖3可以看出,湖底底泥中所測化學元素的含量均沒有超過國家規定的二級土壤質量標準值,但均接近于一級土壤質量標準的上限值,其中銅的含量還超過了Ⅰ類土壤所規定的標準.從我國農業行業的標準來看,其含量也均未超過無公害食品水稻、茶園、蔬菜產地環境條件[9,11-12]的要求.由于太湖是長江三角洲重要的飲用水源地,為保證水源地水質的飲用要求,宜執行土壤質量一級標準.太湖流域土壤背景值中[13],Cu的含量為21.6mg/kg,實測值41.2mg/kg,超出背景值含量近一倍;Pb的背景值為 25.72mg/kg,實測值為29.5mg/kg;Cr為62.11mg/kg,實測值為79.1mg/kg.這幾種湖泊沉積物污染的重金屬元素均超出當地背景值,應引起足夠重視.少數超標的物質,如Cu的含量較高,需采取一定的措施,減少其含量,以降低其危害性.

對于P、S非金屬元素,由于其復雜的化學行為特性,土壤環境質量標準中未對其含量做出規定.但底泥中含量較高的磷、硫等元素在湖泊內源污染中起到重要作用.在對湖泊富營養化的長期研究中,人們逐漸認識到水體中“超負荷”的氮磷等營養元素引起湖泊水生生態系統初級生產力的異常發展,其中湖泊底泥的內源污染起著重要的作用[14].根據Redfiedf[15]的假設,一個典型的藻類分子式應為(CH2O)106(NH3)16(H3PO4),臨界點氮磷比按元素計應為16:1,按重量記為7.2:1.理論上講,如果氮磷比例小于該比值,氮將限制藻類增長;如果氮磷比例大于該比值,則磷會成為藻類增長的限制因素.在一般情況下,由于水體中大多數藻類具有從大氣中同化氮氣的能力,因此把磷的含量作為衡量湖泊富營養化的重要標志.根據OECD的研究,80%的湖泊富營養化受磷元素的制約[16].沉積物與水體間營養物質循環對水體初級生產力產生很大的影響,沉積物中磷的釋放在一定程度上與藍藻的爆發相關[17].故磷對湖泊水體富營養化以及藍藻水華的暴發有很大的影響.S是生命必須的營養元素之一,在環境中有單質硫、無機硫化合物、有機硫化合物三種形態,其在不同的條件下可轉化為硫化氫或者硫酸,進入環境后會對人體有較大危害.

圖3 太湖竺山灣底泥重(類)金屬元素含量與土壤質量國標的對比Fig.3 The comparison of elements content between Zhushan Bay, Taihu Lake and enviromental quanlity standard for soils

3.2 湖泊沉積物有機有毒物質污染評價

各種有機有毒物質的含量,以該種物質的各種異構體或者衍生物的總量計算.有機氯農藥中,所檢測到的HCHs含量是4種異構體總量,DDTs含量為4種衍生物總量(表4).作為植物病蟲害防治中應用早、使用廣泛的殺蟲劑,由于降雨與徑流作用,大量農藥流入湖泊并部分被底泥吸附.雪堰段湖泊底泥中HCHs平均含量為0.705μg/kg,周鐵段為 1.169μg/kg;雪堰段 DDTs平均含量為1.042μg/kg,周鐵段為 0.647μg/kg.比照國家標準,HCHs、DDTs含量均未超過土壤質量一級標準.2地采樣數據對比發現,HCHs與DDTs含量有所不同,這可能是2地傾向使用農藥種類的差別造成的.雪堰段湖泊底泥中 PCBs平均含量為0.271μg/kg;周鐵段為 0.496μg/kg.從湖泊沉積底泥的位置來看,竺山灣北部的雪堰段低于西部的周鐵段.雪堰段湖泊底泥中 PAHs平均含量為55.456μg/kg;周鐵段為9.683μg/kg,竺山灣北部的雪堰段湖泊底泥PAHs含量是西部周鐵段含量的近6倍.疑為雪堰段緊靠無錫市武進區有關,該區是太湖沿岸主要工業中心區域之一,工業生產密集,交通運輸便利.

表4 太湖竺山灣底泥OCPs、PCBs、PAHs總含量統計(μg/kg)Table 4 The total content of HCHs, DDTs, PCBs, PAHs in Zhushan Bay, Taihu Lake (μg/kg)

現行土壤質量標準中,有機物污染物只有有機氯農藥含量的標準.參考展覽用地土壤質量行業標準[18]判斷,PCBs、PAHs含量比較低,底泥可以作為田地、展覽用地等的土壤.

3.3 放射性評價

所謂放射性核素污染土壤修復標準是指放射性核素污染土壤經過各種技術手段修復后被法規確立和認可的含量,是一種對人體健康和生態系統不構成威脅的、法規和技術可接受的水平,也稱為“放射性核素污染土壤行動標準(水平)”.高于這一標準即需要進行修復[19].

目前,國外一些發達國家或機構已制定了放射性核素污染土壤的限制標準,如國際原子能機構(IAEA)、美國“鈾礦選冶尾礦輻射控制法案”(UMTRCA)[20]、美國環境保護署(EPA)與美國核管理委員會(NRC)等[21];但我國對放射性核素污染土壤的限制標準還沒有出臺,國家環保總局在2000年出臺了《擬開放場址土壤中剩余放射性可接受水平規定(暫行)》的暫行規定[22].本研究參照美國EPA與NRC、國家環境保護總局規定的標準,進行土壤放射性核素污染的評價.

表3中銫的放射性均未超標,鉛的放射性中,只有TH2點超出了環境保護總局制定的標準,但未超過美國EPA與NRC制定的含量標準.雪堰段湖底底泥中銫、鉛的平均放射性強度強度分別97.3,18.5Bq/kg,周鐵段的為23.3,164.5Bq/kg.從圖4看出,無論是雪堰段湖底底泥中放射性元素的平均放射性強度,還是周鐵段湖底底泥放射性元素的強度遠小于參照標準,竺山灣泊底泥中放射性元素的放射強度是安全的.

圖4 太湖竺山灣湖底底泥放射性強度與參照標準的對比Fig.4 The comparison of radioactivity intensity between Zhushan Bay, Taihu Lake and reference standards

4 結論

4.1 從太湖竺山灣湖底底泥中重(類)金屬以及磷、硫等元素含量來看,雪堰段比周鐵段含量高,但兩地區的含量都符合國家土壤環境質量標準中的二級標準要求; HCHs、DDTs、PCBs、PAHs由于來源不同,兩地含量不同,但總體上含量較低.

4.2 從放射性強度來看,湖泊底泥中放射性元素鉛、銫的放射性符合我國開放場址土壤中剩余放射性可接受水平的規定.

4.3 湖泊底泥中含有較高的磷元素,在進行湖泊治理如清淤時應盡力避免二次污染,減輕底泥中磷的釋放對水體造成的污染.

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Harmful substances residue and environmental pollution evaluation of Zhushan Bay, in Taihu Lake.

ZHANG Ming-li, YANG Hao*, LIN Zhen-shan, CUI Wen-Jing, CHEN Jin-song, WANG Xiao-lei (School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：852～857

Aseries of tests about the content of heavy metal element, phosphorus, sulfur, organic toxic substance and intensity of radioactivity of radio elements of sediments in Zhushan Bay, Taihu Lake was studied. Though compared those substances contents in Xueyan Area with those in Zhoutie Area, reasons concerning on difference of content and evaluated environmental pollution state was analyzed. The content of heavy metal was generally low, though it’s large in Xuanyan Area; overall, the content of organic toxic substance (HCHs、DDTs、PCBs、PAHs) was low in spite of different origins and contents; intensity of radioactivity of137Cs and210Pb were small, corresponded with the regulation for acceptable level of residual radionuclide in soil of site considered for release regulated by our country in opening site; sediment contains high phosphorus elements so that secondary pollution should be avoided in cleaning process to reduce water pollution which caused by phosphorus release. Testing of sediment elements, especially the intensity of radioactivity of radioelements was beneficial to fully understanding the actuality of environmental pollution state of the lake and evaluating pollution level, which also provided scientific date and decision support for pollution abatement, follow-up utilization of cleaned mud and risk management.

Zhushan Bay, Taihu Lake；sediment of lake；heavy metal；toxicant；radioactivity intensity

X824

A

1000-6923(2011)05-0852-06

2010-09-17

國家自然科學基金資助項目(41030751,40873071);江蘇省教育廳重大項目(09KJA170002);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

* 責任作者, yanghao@njnu.edu.cn

張明禮(1976-),男,山東沂水人,講師,博士,主要研究方向土壤侵蝕與環境效應.發表論文10余篇.