武漢市渣子湖沉積物中重金屬、氮、磷和有機質的分布特征及污染評價

楊 俊，盧明明，程婉蕓，李 曄*

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056；2.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070)

水體沉積物又稱底泥，可作為檢測水體污染的重要指標。輸入水體的氮、磷等營養物質一部分被水生植物吸收利用，另一部分以不同形式存在于水體中，剩余部分以沉降的形式積累到沉積物中[1]；輸入水體的重金屬約85%會最終積累沉降在沉積物中[2]。重金屬元素在環境中的毒性、持久性、不可降解性和生物積累性已引起了廣泛關注[3]。重金屬污染是導致水生生物大量死亡、水體生態功能退化的重要原因[4-5]。此外，重金屬會通過食物鏈的生物富集作用傳遞到人體，嚴重危害人類健康[6-7]。底泥沉積物作為湖泊生態系統的重要組成部分,既是匯也是源[8-10],其污染狀況和污染物的存在形式與水體污染情況和浮游動植物的生存關系密切[11]。當pH值、溫度、氧化還原電位、溶解氧(DO)和各種污染物濃度等條件發生一定變化時，沉積物中的重金屬可能會釋放到上覆水體中，從而對上覆水體造成 “二次污染”[12-13]。

許多學者采用不同方法對沉積物中重金屬、氮、磷和有機質的污染程度進行了評價。如陳雯等[14]采用綜合污染指數法對福州市城區0～20 cm表層土壤中5種典型重金屬的污染程度進行了評價，結果表明福州市各功能城區綜合污染指數為工業區>交通區>居住區>公園區；李家兵等[15]采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對閩江河口潮間帶沉積物中鈷(Co)和釩(V)的污染狀態和生態危害進行了評估，結果顯示兩者均屬于輕度污染，潛在生態風險較低；白冬銳等[16]對蘇州古城區河道底泥沉積物中氮、磷類污染物進行了分析，根據單因子指數法和內梅羅污染指數法顯示底泥處于中度污染狀態，底泥中總磷(TP)超標達90%；Liu等[17]對大武水源地沉積物中重金屬污染特征進行了分析，結果顯示該水源地沉積物中重金屬污染程度表現為Hg>Cd>Pb>As>Ni>Cr，部分水源區沉積物中存在Ni、Cd、Hg、Pb輕度污染和Hg重度污染，內梅羅綜合污染指數為2.41；吉芬芬等[18]對小微水體青山湖湖泊沉積物中重金屬進行了污染特征分析，結果發現工業污染是青山湖主要的污染來源，且沉積物中Cd污染嚴重，需對其嚴格管控；劉祺等[19]對張家港市3個小微水體進行了監測，從DO、透明度、氧化還原電位、氨氮濃度等指標評價其水質，結果顯示其中一個小微水體為重度黑臭污染水平，另外兩個小微水體為中度黑臭污染水平；劉昭等[20]采用地質累積矢量模型分析了鄂西地區典型錳礦河流表層沉積物中重金屬的分布特征，結果顯示丹水、沿頭溪兩河流表層沉積物中重金屬的主要貢獻因子為Mn、Cd、As。

為了研究武漢市經濟與技術開發區(漢南區)(以下簡稱為“武漢經開區(漢南區)”)小微水體底泥沉積物的污染情況，通過對渣子湖底泥現場布點采樣，分析了底泥沉積物中重金屬、氮、磷和有機質的含量及其分布特征，并采用地累積指數法、潛在生態危害指數法對渣子湖沉積物中重金屬綜合污染程度和生態風險水平進行了評價，采用綜合污染指數法、有機污染指數法對渣子湖沉積物中氮、磷和有機物的污染等級進行了評估，以期對渣子湖水體質量進行多方位評估，為武漢小微水體沉積物污染評價與分析提供理論參考。

1 研究區概況與樣品采集

1.1 研究區概況

武漢市素有“百湖之城”的美譽，境內不僅有166個湖泊，還有許多小微水體。以武漢經開區(漢南區)為例，近年來部分水質明顯提升，但仍有過半水體水質不達標。

武漢經開區(漢南區)位于武漢市西南部，地處武漢三環線和武漢外環線之間，緊鄰長江黃金水道，東經113°35′～114°9′、北緯30°11′～30°29′。2016年環保部門的監測數據顯示：武漢經開區(漢南區)2條重點河流水質監測斷面水質均未達到水質管理目標；26個重點湖泊中水質劣于IV類水質標準的湖泊有16個，水質達到水質管理目標的湖泊僅8個，不到湖泊總數的30%。部分湖泊水體仍有惡化趨勢，氮、磷超標較突出，水體生態結構被破壞，生態功能退化[21]。2021年5月武漢市生態環境局發布的《地表水環境質量狀況報告》顯示：在實際監測的109個湖泊中，Ⅱ類水質湖泊3個，占2.8%；Ⅲ類水質湖泊23個，占21.1%；Ⅳ類水質湖泊50個，占45.9%；Ⅴ類水質湖泊32個，占29.3%；劣Ⅴ類水質湖泊1個，占0.9%。其中，隸屬于武漢經開區(漢南區)的三角湖、南太子湖、萬家湖、西邊湖、硃山湖水質均為Ⅴ類水質，未達到規定的Ⅳ類水質標準；后官湖水質為Ⅳ類水質，未達到規定的Ⅲ類水質標準；未進行功能區劃分的壇子湖、狀元湖水質也為Ⅴ類水質且有輕度營養化。即在武漢經開區(漢南區)監測的15個湖泊中，僅有7個湖泊達到水質管理目標，達標率為46.67%，隨著武漢經開區(漢南區)發展規模的進一步擴大，帶來的湖泊水質污染也會隨之加重，湖泊水質的污染防治與治理任務將會更加嚴峻。

為了研究武漢水微水體沉積物中重金屬、氮、磷和有機質的污染狀況，本文以渣子湖為研究區進行分析。渣子湖位于武漢經開區(漢南區)，東徑114°6′30″～114°6′50″、北緯30°24′50″～30°25′30″， 其與篙草湖、土地湖、陳朗湖、下烏丘四湖相連，屬于郊野湖泊，是武漢市根據水污染防治要求最新提出的一批小微水體名錄中收錄的小微水體之一。

1.2 沉積物樣品采集

研究區域和沉積物采樣點位置如圖1所示。

圖1 渣子湖沉積物采樣點位置圖

根據渣子湖底泥受污染的感官程度和自然沉降特征，將其由上而下劃分為污染層、過渡層和正常層。其中，污染層底泥有臭味，顏色黑—灰黑色，呈現稀漿、流塑狀；過渡層底泥呈黑—灰色、軟塑、密實；正常層底泥層呈黃、灰黃顏色，質地密實。使用采泥器采集每層底泥中間三分之一左右的底泥樣品，去除石塊、塑料、雜草等，將剩余底泥迅速裝入密封袋中，迅速運回實驗室，在避光、干燥條件下保存。渣子湖沉積物各取樣點及其分層狀況，見表1。

表1 渣子湖沉積物各取樣點及其分層狀況

將取樣得到的渣子湖沉積物在避光條件下風干、研磨、過篩后，按照《農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)中用于污染評價的監測進行檢測，所有操作嚴格按照相關技術要求執行，并采用原子吸收分光光度法、原子熒光分光光度法、紫外分光光度法和人工滴定法等方法對沉積物樣品進行檢測分析。

2 研究方法

本研究從重金屬和有機質兩個方面對渣子湖沉積物的污染狀況進行分析。采用地累積指數法和潛在生態風險指數法主要評價渣子湖沉積物中重金屬的污染毒性；采用綜合污染指數法和有機指數法主要評價渣子湖表層沉積物中氮、磷和有機物污染等級。

2.1 地累積指數法

地累積指數法(Geoaccumulation Index)是一種綜合考慮了人為污染因素、自然成巖作用和地球化學背景值的研究方法，地累積指數常用作水環境中沉積物重金屬污染的衡量指標[22]。其計算公式如下：

Igeoi=log2[Ci/kBi]

(1)

式中：Igeoi為沉積物中重金屬元素i的地累積指數；Ci為沉積物中重金屬元素i的實測濃度(mg/kg)；Bi為沉積物中重金屬元素i的環境背景值(mg/kg)；k為考慮各地巖石差異可能引起環境背景值變動而取的常數，取k=1.5。

根據Igeo值的大小，可將沉積物中重金屬污染劃分為7個等級，見表2。

表2 地累積指數法沉積物中重金屬污染等級劃分標準

2.2 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法(Potential Ecological Risk Index )是一種用于水生(湖泊)環境污染控制的生態風險指數模型，能對湖泊或淡水系統中給定污染情況的潛在生態風險提供快速、準確的定量值，常用于水源污染控制的診斷[23]。潛在生態風險指數RI的計算公式如下：

(2)

表3 湖北省A層土壤中部分重金屬元素含量的算術平均值(mg/kg)

表4 沉積物中重金屬的潛在生態風險等級劃分標準

2.3 綜合污染指數法

采用綜合污染指數法評價表層沉積物中總氮(TN)、總磷(TP)的污染程度，先由單項污染因子公式[25]計算綜合污染指數(FF)[26]，再進行綜合污染程度分級。具體計算公式如下：

(3)

(4)

根據FF值的大小，將沉積物中TN和TP的綜合污染程度劃分為4級，見表5。

表5 綜合污染指數法沉積物中TN和TP污染等級劃分標準

2.4 有機污染指數法

綜合污染指數法將TN、TP綜合成一個指標來表征表層沉積物的污染狀況，相較單一污染指數法更具代表性，但忽略了有機物指標[27]，故而引入有機污染指數(OI)[28]對沉積物的有機污染狀況進行評價。其計算公式如下：

(5)

式中:OI為有機污染指數(%)；TN為總氮含量測定值(%)；OM為有機質含量測定值(%)。

根據OI值的大小，將沉積物中有機污染等級劃分為4級，見表6。

表6 有機污染指數法沉積物中有機污染等級劃分標準

3 研究結果與分析

3.1 渣子湖沉積物中重金屬污染程度評價

渣子湖沉積物中各重金屬殘留量均值ω測定結果如下：ω(Cr)=107.39 mg/kg>ω(Zn)=95.5 mg/kg>ω(Cu)=37.5 mg/kg>ω(Pb)=37.40 mg/kg>ω(Ni)=36.90 mg/kg>ω(As)=14.00 mg/kg>ω(Hg)=0.104 mg/kg。根據《中國土壤環境背景值》[28]中湖北省A層土壤中重金屬元素含量的算術平均值(見表3)判斷，除了未檢出的Cd外，只有Ni未超標，其中Cr、Zn、As、Hg、Cu、Pb較湖北省土壤環境元素背景值分別超標1.25倍、1.14倍、1.13倍、1.3倍、1.22倍、1.4倍。

參照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準試行》(GB 15618—2018)(見表7)，其執行標準為：當土壤中污染物含量低于篩選值時，農用地土壤污染風險低，一般情況下可忽略；當土壤中污染物含量高于篩選值時，可能存在農用地土壤污染風險，應加強土壤環境監測和農產品協同監測；當土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于篩選值、等于或者低于管制值時，可能存在食用農產品不符合食品質量安全標準等土壤污染風險，原則上應當采取農藝調控、替代種植等安全管控措施；當土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于管制值時，食用農產品不符合食品質量安全標準，原則上應采取禁止種植食用農產品、退耕還林等嚴格管控措施。《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中規定的農用地土壤中重金屬含量標準，見表7。渣子湖沉積物中除未檢出重金屬元素Cd外，其余重金屬元素含量均低于篩選值，表明渣子湖沉積物中重金屬污染風險低。

表7 《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》中規定的農用地土壤中重金屬含量標準(mg/kg)

3.1.1 地累積指數(Igeo)法評價結果與分析

將渣子湖沉積物中各重金屬元素在各取樣點的平均殘留量實測值與湖北省A層土壤中重金屬元素環境背景值(見表3)代入公式(1)，可計算得到渣子湖沉積物中重金屬污染的Igeo值，再根據表2確定污染等級，其結果見表8。

表8 渣子湖沉積物中重金屬污染地累積指數(Igeo)和污染等級評價結果

由表8可知：渣子湖沉積物中除Cd未檢出外，其他重金屬Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn污染的Igeo值范圍分別為-0.28～-0.02、-0.11～-0.06、-0.53～0.31、-0.64～--0.21、-0.64～-0.58、-0.33～-0.27、-0.42～-0.38；整體來看沉積物中8種重金屬污染的地累積指數值均較低，表明渣子湖沉積物無重金屬污染。

3.1.2 潛在生態風險指數法評價結果與分析

將渣子湖沉積物中各重金屬元素在各取樣點的平均殘留量實測值與湖北省A層土壤中重金屬元素環境背景值(表3)代入公式(2)，可計算得到渣子湖沉積物中重金屬污染的Er、RI值，再根據表4確定重金屬污染的潛在生態風險等級，其結果見表9。

表9 渣子湖沉積物中重金屬污染的潛在生態風險指數(RI)和風險水平評價結果

由表9可知:渣子湖沉積物中除未檢出的Cd外，其他重金屬Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn風險的潛在生態危害指數Er值的范圍分別為2.5～2.5、7.0～7.2、10.4～12.1、36.6～41.9、4.8～5.0、6.0～6.2、1.1～1.6；根據RI值顯示，各取樣點位處沉積物中重金屬的潛在生態風險水平均為低風險，不會對環境造成影響；而取樣點位2、3處沉積物中Hg的Er值高于40，其潛在生態風險等級為中風險，這是因為淡水污泥中的無機汞在厭氧細菌的作用下會轉化為毒性更高的有機汞，應引起密切關注。

綜合上述兩種評價方法可知，渣子湖沉積物中重金屬含量均不高，接近土壤環境背景值。分析其原因為渣子湖所在的武漢經開區(漢南區)成立不久，尚未大力建設與發展重工業等污染嚴重的項目，故沉積物中重金屬污染并不明顯。

3.2 渣子湖沉積物中重金屬分布特征

3.2.1 沉積物中重金屬含量的水平分布特征

本文采用渣子湖沉積物中8種重金屬元素在各取樣點位三層底泥中的平均濃度來探討沉積物中重金屬元素含量在水平方向上的分布特征，其結果見圖2至圖5。

圖2 渣子湖沉積物中重金屬元素Pb、Ni、Cu含量的水平分布特征

圖3 渣子湖沉積物中重金屬元素Cr、Zn含量的水平分布特征

圖4 渣子湖沉積物中重金屬元素Hg含量的水平分布特征

圖5 渣子湖沉積物中重金屬元素As含量的水平分布特征

由圖2至圖5可知：渣子湖沉積物中Cu、Cr、Zn、Hg均在取樣點2處含量最高， Ni、As在取樣點4處含量最高，但仍在清潔水平范圍內，并未對水生環境造成污染。

3.2.2 沉積物中重金屬含量的垂直分布特征

本文采用渣子湖沉積物中8種重金屬元素在各取樣點各層底泥中的含量來分析沉積物中重金屬元素含量在垂直方向上的分布特征，其結果見圖6至圖12。

圖6 渣子湖沉積物中重金屬元素As含量的垂直分布特征

圖7 渣子湖沉積物中重金屬元素Cr含量的垂直分布特征

圖8 渣子湖沉積物中重金屬元素Cu含量的垂直分布特征

圖9 渣子湖沉積物中重金屬元素Hg含量的垂直分布特征

圖10 渣子湖沉積物中重金屬元素Ni含量的垂直分布特征

圖11 渣子湖沉積物中重金屬元素Pb含量的垂直分布特征

圖12 渣子湖沉積物中重金屬元素Zn含量的垂直分布特征

水體中的沉積物記載了歷史變遷，沉積物中重金屬元素含量的垂直分布特征反映了湖泊的污染歷史[30]。根據渣子湖沉積物中重金屬殘留量(見圖6至圖12)可知：沉積物中Pb、Ni、Cu 3種重金屬元素含量呈遞減趨勢，但變化較緩慢，其余重金屬元素并無明顯的變化，說明渣子湖受城市經濟活動和人類活動的影響并不大，基本上保持了潔凈的自身環境。

3.3 渣子湖沉積物中氮、磷和有機物污染評價

3.3.1 綜合污染指數法評價結果與分析

將渣子湖沉積物中TN、TP含量實測值代入公式(3)和(4)，可計算得到渣子湖沉積物中氮、磷污染的FF值，再根據表5確定綜合污染等級，見表10。

表10 渣子湖沉積物中氮、磷的污染指數和綜合評價結果

由表10可知：渣子湖沉積物中的磷污染處于輕度水平，39%點位達到清潔狀態，61%點位為輕度污染，其中污染最嚴重的是編號1的取樣點位1-1處，超出STP輕度污染指標40%；沉積物中的氮污染達到重度水平，其中污染最嚴重的是編號4的取樣點位2-1處，超出STN重度污染指標347%，污染層和正常層均被嚴重污染，急需治理；沉積物中氮、磷的綜合污染程度均為重度污染水平。

3.3.2 有機污染指數法評價結果與分析

將渣子湖沉積物中TN、OM實測值代入公式(5)，計算得到渣子湖沉積物中有機污染的OI值，再根據表6確定有機污染等級，見表11。

表11 渣子湖沉積物中有機污染評價結果

由表11可知：渣子湖沉積物中有機污染指數OI值均大于0.5，表明各取樣點各層均達到重度污染等級，其中污染最嚴重的是編號1、4和7的點位，這與綜合污染指數法的評價結果基本一致，可見渣子湖已遭受嚴重的有機污染，應予以高度重視。

4 結 論

(1) 渣子湖沉積物中除未檢出重金屬元素Cd外，其他7種重金屬元素Cr、Pb、As、Hg、Ni、Cu、Zn的含量測定值均與背景值相近，說明沉積物中重金屬對水體沒有明顯的影響，不會危害人類健康。

(2) 渣子湖沉積物中重金屬元素Cu、Cr、Zn、Hg均在取樣點2處含量最高，Ni、As在取樣點4處含量最高，但均在背景值范圍內，未對渣子湖生態環境造成嚴重的影響，其原因可能是在自然成巖過程中因地勢不均導致各取樣點重金屬含量的累積不均。

(3) 渣子湖沉積物中TP含量較低，基本未對渣子湖生態環境造成污染，而TN、OM含量極高，對渣子湖生態環境造成了嚴重的污染。沉積物中OM與TN呈顯著相關性，而沉積物中OM與TP、TP與TN均無顯著相關性。綜合污染指數法評價結果與有機污染指數法評價結果基本一致，表明該渣子湖水體沉積物已遭受嚴重的氮、磷污染。

(4) 整體來看，渣子湖沉積物中氮、磷污染程度在垂直方向上呈遞減態，說明近年來外源氮、磷排入對渣子湖造成了一定的污染。渣子湖屬于郊野湖泊，周邊沒有工業區，導致沉積物中氮、磷污染嚴重的原因可能是歷史上水產養殖過程中遺留的污染物未能及時處理，以及多年來雨水形成的徑流將周邊農業面源中殘留的氮肥等物質帶入湖中所致。