長蕩湖表層沉積物營養鹽與重金屬分布及污染評價

李志清，王 俊，吳蘇舒，吳沛沛，徐季雄，肖 鵬

(江蘇省水利科學研究院，南京 210017)

湖泊是一個受巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈綜合影響的復雜系統，湖泊底泥的形成是湖泊及流域受物理、生物和化學等綜合作用的結果。近年來，由于工業污染，養殖污染，農業和生活污染，大量外源污染物持續不斷的進入湖泊，在湖泊中積累，超過湖泊天然自凈能力，導致湖泊污染嚴重[1]。湖泊污染主要表現在兩方面，一方面為湖泊富營養化嚴重，典型表現為藍藻水華爆發，另外一方面表現為重金屬污染，因重金屬具有難降解、高毒性、易富集等特點，釋放出來的重金屬不僅會污染水體，還會通過生物富集和生物放大作用進入食物網，進而對生態系統健康造成危害并危及人類社會，危害巨大[2-4]。

水體中的營養鹽(主要為碳氮磷)，通過沉降，擴散等形式匯入沉積物，重金屬通過吸附沉降作用富集在沉積物。當水體中營養鹽和重金屬累積到一定程度時，在風浪擾動、底棲擾動、氧化還原環境改變等條件下，營養鹽通過擴散、對流和再懸浮等形式不斷向上覆水體釋放，重金屬通過形態改變、濃度擴散、界面特性改變、釋放和溶解等作用，由間隙水進入上覆蓋水，成為湖泊的內源污染[5-7]；諸多治湖經驗表明，在沉積物內營養鹽和重金屬未有效降低前，即使沒有外源污染，湖泊依然可能在數年呈現富營養化和重金屬高污染化狀態[8-10]?？梢?，研究底泥中營養鹽的含量，分析重金屬風險，對闡明水生態系統中營養鹽的循環、轉移和積累過程，以及在防止富營養化、控制“內負荷”，抑制重金屬污染方面都具有重要意義。

長蕩湖地跨金壇、溧陽兩縣市，湖型為長茄型。具有蓄洪泄澇、供水、漁業等功能，近年來，由于湖泊開發強度大，湖泊水生態出現退化趨勢，沉水植物大面積消失，湖水污染嚴重。當前針對長蕩湖水體富營養鹽的研究較多，而對表層沉積物營養鹽和重金屬污染的研究較少。本文基于此，在2017年12月從長蕩湖取底泥表層沉積物，分析碳氮磷和重金屬含量，分析空間特征，并對污染特征進行評價，以期為長蕩湖湖泊治理提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 樣點設置

根據江蘇省人民政府實施的《江蘇省省管湖泊保護規劃》(蘇政復[2006]99號)，依據該規劃對長蕩湖生態功能區的劃分(資源保留區，漁業資源繁保區，生態養殖與景觀娛樂區和生態凈化與恢復區)，綜合考慮不同的生態功能區、地理位置(湖心，湖邊)和主要出入湖河道(丹金溧漕河、湟里河和北干河等)，共設置10個采樣點(cdh-1～cdh-10)。

圖1 長蕩湖采樣點分布Fig.1 Location of sampling sites in Lake Changdang

1.2 樣品采集

用柱狀取泥器采集表層0～5 cm沉積物，取樣后立即用聚乙烯袋密封，經冷凍干燥機處理后，去除雜物，用瑪瑙研體研磨至粉末狀，過200目尼龍網網篩后儲備使用。

1.3 分析方法

有機質(OM)含量測定采用重鉻酸鉀容量法；總氮(TN)采用凱氏定氮法；總磷(TP)采用堿溶-鉬銻抗分光度法。

重金屬的測定參照水利行業標準SL 394-2007進行，Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb在電熱板上經過HCl-HNO3-HF-HClO4完全消解后采用電感耦合等離子體質譜儀測定， As和Hg使用熒光分光光度計測定。

1.4 評價方法

營養鹽污染評價參考《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》進行，重金屬污染評價采用地積累指數法進行評價。

1.4.1 《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》介紹

中國水利水電科學研究院周懷東、郝紅和王雨春等人對全國水系906個監測斷面的底泥營養鹽進行了檢測和評價，編寫了《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》，其中其對有機質(OM)、總磷(TP)和總氮(TN)評價標準見表1。

表1 沉積物營養鹽評價標準Tab.1 Assessment standards of nutrients in sediments

1.4.2 地積累指數法介紹

地積累指數法最早由德國科學家Müller提出，其計算公式為:

(1)

式中：Igeo為地積累指數;Bi為當地沉積物元素i的背景值，本研究采用江蘇省重金屬環境背景值(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg和Ni的背景值分別為23.4、64.8、22.0、75.6、0.085、9.4、0.025和32.8 mg/kg);Ci為元素i在待測沉積物中的實際含量；k為成巖作用引起的背景值波動參數，參考文獻[11]本研究取值為1.5。地累積指數與重金屬污染程度如表2所示。

表2 地積累系數與污染級別Tab.2 Igeo and pollution levels

2 結果與討論

2.1 營養鹽含量和空間分布特征

1長蕩湖表層沉積物營養鹽的含量如表3所示，空間分布如圖2所示，結果表明，總磷和總氮變異系數較小，空間分布較均勻。各采樣點底泥總磷含量介于523～883 mg/kg，平均值為695 mg/kg，西南部水域總磷含量略高；各采樣點底泥總氮含量介于712～1 297 mg/kg，平均值為995 mg/kg，南部水域測點氮含量相對略大；各采樣點底泥有機質含量介于0.97%～3.59%，平均值為2.47%，空間分布呈現東北部區域數值較低。總體而言，西部區域的cdh-4，cdh-7和cdh-10的營養鹽數值較高。

2.2 營養鹽污染評價

長蕩湖表層沉積物營養鹽統計結果如表3所示，有機質、總磷和總氮的平均值分別為2.47%、695和995 mg/kg，參考《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》，均可達到一級斷面標準，總體情況良好。

2.3 重金屬含量和空間分布特征

表層沉積物重金屬含量統計結果如表4所示，重金屬Zn的平均含量最高，其值為136.50 mg/kg，Hg的平均含量最低，其值為0.05 mg/kg。從變異系數角度來看，空間分布差異性不大，變異系數數值在0.2附近。與江蘇省的土壤重金屬背景值相比，8種重金屬含量均超過了背景值，Cd、 Hg和Zn三者含量最高，分別達到了背景值的4.35、2.12和2.11倍；對照圖3，從空間分布角度來看，西部區域的cd-4，cd-7和cd-10重金屬含量較高，這可能是由于周邊村鎮企業排污、附近的農業污染和入湖的丹金溧漕河污染共同導致的結果，需加強治理。

2.4 重金屬污染評價

采用地積累指數法對重金屬污染水平和生態危害進行評價的結果如表5所示，重金屬Cr、Ni、As和Pb全湖平均Igeo均低于0，處于清潔水平，Cu、Zn和Hg全湖平均Igeo小于1，處于輕度污染水平，Cd全湖平均Igeo小于2，處于偏中度污染。對照圖3可以看出，監測點cdh-4和cdh-7污染最嚴重，該區域附近村莊密集，有王家村、李家莊和湖溪村等，人類活動較為集中，村鎮企業排污和生活污水排泄入湖，造成重金屬的累積，需要加強治理，減輕污染。

圖2 不同點位表層沉積物中營養鹽的含量Fig.2 Nutrient content of surface sediments at each sampling site

表4 長蕩湖表層沉積物重金屬監測結果Tab.4 Heavy metals in surface sediments of Changdang Lake

表5 長蕩湖表層沉積物Igeo值Tab.5 Igeo in surface sediments of Changdang Lake

圖3 長蕩湖表層沉積物重金屬的含量分布(單位：mg/kg)Fig.3 Distributions of heavy metals in surface sediments of Changdang Lake

3 結 語

(1)營養鹽監測結果表明，各測點變異系數較小，分布相對均勻，OM、TP和TN含量相對不高，參照《全國河流湖泊水庫底泥污染狀況調查評價》，各測點的平均值都為一級斷面，情況良好。

(2)重金屬監測結果表明，與江蘇省的土壤重金屬背景值相比，8種重金屬含量均超過了背景值，變異系數角度來看，空間分布差異性不大。地積累指數法評價結果表明，Cd、Zn、Hg和Cu污染相對較重。

(3)從空間分布來看，總體而言，西部區域cdh-4，cdh-7和cdh-10，相對于其他監測點，營養鹽較高，重金屬含量較大，可以考慮生態清淤等措施，加以控制污染。