石臼湖表層沉積物營養鹽與重金屬分布及污染評價

李志清，吳蘇舒，諸曉華，郭劉超，肖 鵬，徐季雄

(1.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017； 2.江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

近年來隨著經濟的快速發展，農村城市化的進程加速推進，區域河網水質污染嚴重，湖泊流域正經歷前所未有的變化，水生態問題日益凸現[1-4]，主要表現為湖泊富營養化和重金屬污染。水體富營養化可導致沉水植被衰退、藍藻水華暴發和水質惡化等危害[5-7]；重金屬具有毒性大、易富集和難分解等特性，而且能通過生物放大作用進入食物鏈，危害巨大[8-12]。

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中，重金屬通過吸附沉降作用富集在沉積物中。當水體中營養鹽和重金屬累積到一定程度時，在風浪擾動、底棲擾動和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[13-16]，重金屬則通過形態改變、濃度擴散、界面特性改變、釋放和溶解等作用，由間隙水進入上覆水，成為湖泊的內源污染[17-19]。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，即使無外源污染，湖泊依然可能在數年內呈現富營養化和重金屬高污染化狀態[20-22]。因而研究表層沉積物中營養鹽和重金屬的含量、分析空間分布特征和進行污染評價，對湖泊防止富營養化和抑制重金屬污染都具有重要意義。

石臼湖為長江下游唯一的直接通江湖泊，位于長江右岸水陽江入江尾閭，地處南京市域西南部。由于受到流域人類活動以及湖區的漁業養殖的干擾，湖泊水生態出現退化趨勢。當前對石臼湖水生態研究較少，特別是針對表層沉積物營養鹽和重金屬污染的研究鮮有報道。本文基于2018年2月從石臼湖表層沉積物采集的樣品，分析表層沉積物營養鹽和重金屬空間分布特征，以期為石臼湖湖泊生態治理提供數據支撐。

1 材料與方法

石臼湖又名北湖，歷史上曾經是古丹陽湖的一部分，湖區東北、東南及西部片區行政分屬江蘇省溧水區、高淳區和安徽省當涂縣。石臼湖匯水區域內主要入湖河道有新橋河、天生橋河、石固河等。石臼湖屬于構造型淡水湖泊，湖盆呈不規則四邊形，東西向最長約22 km，南北向最寬約14 km，湖泊面積214.7 km2，正常蓄水位 5.04 m，相應庫容3.4億m3，主要功能為防洪調蓄、水資源供給、維護生態、航運、漁業養殖、旅游等。

1.1 采樣點設置

只有科學合理地在湖區內布設采樣點，才能使獲取的數據客觀反映湖泊生態環境現狀，為此，采樣點按以下原則布設：①重點突出原則，即主要的出入湖河口、養殖區、水源保護區等均應設置采樣點；②全面覆蓋原則，依據《江蘇省省管湖泊保護規劃》(蘇政復〔2006〕99號)對石臼湖生態功能區的劃分(生態養殖區、生態凈化與恢復區、資源保留區和漁業資源繁保區)，保證每個生態功能區都有采樣點，石臼湖安徽段沒有劃分功能區，考慮到采樣點應分布到整個湖區，安徽段布設采樣點10、11和12。全湖共設置12個采樣點，如圖1所示。

圖1 石臼湖采樣點分布Fig.1 Distribution of Shijiu Lake sampling points

1.2 樣品采集與分析方法

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。

有機質(OM)、總磷(TP)和總氮(TN)質量比分別采用重鉻酸鉀容量法、鉬銻抗分光光度法和凱式定氮法測定；重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb采用電感耦合等離子體質譜儀測定，As和Hg采用熒光分光光度計測定。

1.3 評價方法

國內尚無系統針對湖泊沉積物營養鹽的生態風險評價標準，加拿大安大略省1992年制定了《水生環境沉積物污染評價與控制指南》[23]，本文營養鹽污染評價參考該指南進行，重金屬污染評價采用潛在生態風險指數法[24]。

1.3.1《水生環境沉積物污染評價與控制指南》

加拿大安大略省根據生態毒性效應制定了《水生環境沉積物污染評價與控制指南》，其對OM、TP和TN評價標準見表1，表中wL為低效應水平，該水平為大多數底棲生物的耐受質量比；wS為嚴重影響水平，在此質量比下污染物可能對底棲生物產生不利影響。當污染物質量比低于wL時，為無污染風險；當污染物質量比在wL與wS之間時，為較低污染風險；當污染物質量比高于wS時，為較高污染風險。

表1 沉積物OM、TP、TN污染評價標準Table 1 Criteria for evaluating OM, TP and TN in sediments mg/kg

1.3.2潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法綜合考慮了重金屬的毒性、評價區域對重金屬污染的敏感性以及重金屬區域背景值的差異，可用于評價沉積物中重金屬的潛在生態影響。潛在生態風險指數分為單項重金屬潛在風險指數和綜合重金屬風險指數，計算公式為

(1)

(2)

式中：Eri為重金屬i的潛在生態風險指數；Tri為重金屬i的毒性響應系數，反映重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度;wi為重金屬i質量比的實測值，mg/kg；wni為重金屬i質量比的背景值，mg/kg；IR為綜合潛在生態風險指數。重金屬As、Hg、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd的Tri分別為10、40、2、5、5、5、1、30。重金屬污染生態危害程度劃分標準見表2。

表2 重金屬污染生態危害程度劃分標準Table 2 Classification standard for ecological harm degree of heavy metal pollution

2 結果分析

2.1 營養鹽空間分布特征和污染評價

石臼湖表層沉積物營養鹽的質量比如表3所示，空間分布如圖2所示。從表3和圖2可知，采樣點表層沉積物OM空間分布呈現南部區域高于北部區域；TP和TN變異系數較小，空間分布較均勻，南部和東北部區域TP質量比略高，東南部區域氮質量比相對略高?？傮w而言，東部區域的營養鹽質量比相對較高，尤其是采樣點8和9附近。采樣點9位于生態養殖區，靠近駱山，駱山附近有駱山村、山北史家村和小陳家村等村落，居民較多，漁業養殖過程中餌料投喂導致大量的氮、磷和有機質匯入湖泊，并不斷在沉積物中累積，加上人類活動產生的生活污染侵入湖泊，從而造成該區域附近營養鹽質量比較高。

表3 石臼湖表層沉積物營養鹽監測結果Table 3 Nutrient monitoring results of surface sediments in Shijiu Lake

參考加拿大安大略省《水生環境沉積物污染評價與控制指南》，TP為無污染風險級別，OM和TN處于低污染風險級別，總體情況良好。采樣點8、9區域營養鹽質量比相對較高，建議采取生態清淤等措施，以降低表層沉積物內源污染的風險。

2.2 重金屬空間分布特征和污染評價

表層沉積物重金屬質量比統計結果如表4所示，重金屬Zn的平均質量比最高，Hg最低。從變異系數角度來看，空間分布差異性不大，變異系數在0.2附近。與江蘇省的土壤重金屬背景值[25]相比，8種重金屬質量比均超過了背景值，Cd、Zn、Hg、As、Cu和Pb質量比分別達到了背景值的2.01、1.92、1.88、1.75、1.64和1.63倍；對照圖3，從空間分布角度來看，東部區域的重金屬質量比較高，尤其是采樣點5附近區域污染嚴重，重金屬質量比都比較高，該區域附近的采樣點8、9的重金屬質量比也較高。采樣點5區域附近污染嚴重可能是由于駱山附近的村鎮(駱山村、山北史家村、小陳家村等)企業排污、農業污染和入湖的幸福河污染等共同導致的結果，需加強治理。

(a) OM

(b) TP

(c) TN圖2 不同采樣點表層沉積物中營養鹽的質量比(單位：mg/kg)Fig.2 Mass ratio of nutrients in surface sediments at different sampling points (unit: mg/kg)

表4 石臼湖表層沉積物重金屬監測結果
Table4ResultsofheavymetalsmonitoringinsurfacesedimentsinShijiuLake

(a) Cr

(b) Ni

(c) Cu

(d) Zn

(e) As

(f) Cd

(g) Hg

(h) Pb圖3 不同采樣點表層沉積物重金屬的質量比分布(單位：mg/kg)Fig.3 Mass ratio distribution of heavy metals in surface sediments from different sampling points(unit: mg/kg)

采用潛在生態風險指數法對重金屬污染水平和生態危害進行評價,單項重金屬潛在風險指數結果表明，Hg和Cd污染相對較重，8種重金屬毒性從大到小順序為Hg、Cd、As、Cu、Pb、N、Cr、Zn，對照表2，Hg和Cd為中等危害等級，其余重金屬為輕度危害等級。綜合重金屬風險指數為180.01，為中等危害等級，這主要是因為Hg和Cd的污染貢獻較大，需及時治理。Hg污染較重的采樣點為3、5、6、7和12，采樣點3附近的入湖河道為天生橋河，采樣點5、6附近的入湖河道為新橋河，采樣點7、12附近的入湖河道為石固河；Cd污染較重的為采樣點4、8和9，采樣點4、9附近的入湖河道為飲水河，采樣點8附近的入湖河道為幸福河，可見控制入湖河道的污染對于湖泊的重金屬污染治理具有重大意義。

3 結 論

a. 各采樣點營養鹽變異系數較小，分布相對均勻，OM、TP和TN質量比相對不高，參考加拿大安大略省《水生環境沉積物污染評價與控制指南》，TP為無污染風險級別，OM和TN處于低污染風險級別，總體情況良好。

b. 8種重金屬質量比均超過江蘇省的土壤重金屬背景值，空間分布差異性不大。Hg和Cd污染相對較重，全湖為中等危害等級。

c. 東部區域的采樣點8、9營養鹽質量比較高，重金屬質量比較大，需控制重金屬污染。