巢湖沉積物與水體重金屬分配特征及影響因素研究

摘 要：為了探究巢湖水環境重金屬污染狀況、分配特征及影響因素，連續4個季節采集全湖水體和沉積物樣品，分析As、Cr、Co、Ni、Cu和Zn的含量。結果表明，巢湖水體重金屬濃度較低，基本滿足GB 3838—2002中最嚴限值的要求。沉積物重金屬含量全湖均值超背景值，Zn和As的超標倍數相對較高。各元素在沉積物-水體中的分配系數為Crgt;Cogt;Nigt;Zngt;Cugt;As，Cr和As分配系數季節性差異較明顯，受水體和沉積物理化性質影響較大。

關鍵詞：巢湖；季節性；分配特征；影響因素

中圖分類號：X 82 文獻標志碼： A

重金屬在環境中毒性較強，易對身體健康造成損害[1-2]。重金屬通過污水排放、地表徑流以及大氣沉降等途徑進入河流、湖泊和海洋等水環境中，并因其難降解和環境持久性而在其中不斷累積。重金屬在水環境中的遷移、轉化過程相當復雜，與各環境要素密切相關。水體中溶解態和非溶解態重金屬通過吸附、沉淀、共沉淀以及沉降等過程匯集到沉積物中，當環境條件改變時，沉積物中的元素形態可能會發生改變而重新回到水體中。

巢湖位于安徽省合肥市，是我國五大淡水湖之一，對流域社會經濟發展具有重要作用。有研究表明，巢湖已受到了較為明顯的人為重金屬污染[3-5]。本研究以巢湖為例，探究巢湖水體和沉積物中重金屬的含量水平、重金屬在沉積物-水體之間的分配特征及其主要影響因素，以期為巢湖重金屬污染防治提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析測試

基于網格布點法在巢湖湖區設置20個點位，在冬季（2023年1月）、春季（2023年4月）、夏季（2023年8月）和秋季（2023年10月）分別采集表層水（水面以下約0.5m）和表層沉積物（0cm～5cm）樣品各20個，置于保溫箱暫存（裝有冰袋），并及時運至實驗室處理分析。采用YSI水質多參數測定儀（EXO2）現場測定各點位水樣的溶解氧（DO）、pH值、電導率、氧化還原電位（ORP）以及藻密度等理化參數。采用玻璃電極pH計（pHSJ-3F，上海）測定沉積物樣品的pH值（NY/T 1377—2007），采用電導率儀（DDSJ-308A，上海）測定沉積物電導率（HJ 802—2016），采用馬弗爐測定沉積物干樣的燒失量（LOI，代表沉積物有機質）。按照HJ 680—2013和HJ 803—2016規定的方法對重金屬總量分析測試。

1.2 重金屬分配系數

分配系數是表征重金屬在沉積物與水體間分配行為的指標，是描述重金屬在水環境中行為的重要物理化學特征參數，其值越高說明顆粒物對重金屬的吸附能力越強；其值越低，說明重金屬從固相釋放到水體成為溶解態的趨勢越明顯。計算方法為體系達到平衡時重金屬在沉積物中的含量（mg/kg）與表層水中濃度（mg/L）的比值。為了方便對比分析，取其對數值表示（lgKp）。

1.3 相關性分析

相關性分析（Correlation Analysis）通常用來研究多個變量之間是否存在某種關聯關系，并通過具體有關聯關系的變量探討其相關方向及關聯程度。采用變量進行相關性分析的前提是變量相互之間需具備一定的聯系或概率。

1.4 數據分析

通過Microsoft Excel 2021、IBM SPSS Statistics 25和Origin2021等軟件對試驗相關數據進行處理、分析以及繪圖。

2 分析與討論

2.1 巢湖水體重金屬濃度及季節性變化特征

巢湖表層水體各季節重金屬濃度統計見表1。根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）對重金屬濃度進行評價（對水體中可溶態Cr評價參考標準中Cr6+的限值要求），全湖As、Cr以及Cu各季節濃度均符合Ⅰ類標準；Zn除春季為滿足Ⅱ類標準之外，其余3個季節均符合Ⅰ類標準；Ni和Co濃度遠低于集中式生活飲用水地表水源地特定項目標準限值。從季節變化來看，水體中As濃度在秋季最大，Cr、Ni、Cu和Zn濃度春季最大，而Co濃度冬季最大。從各季節各元素在水體中濃度分布變異系數來看，春季Cu、Cr較大，夏季和秋季均是Zn、Cr較大，冬季Cr、Co、As以及Zn變異系數均較大，均超過40%；說明巢湖水體各元素濃度在冬季時空間分布差異相對較大，離散程度較高，Cr元素各季節濃度空間分布均較大。

2.2 巢湖表層沉積物重金屬含量及季節性變化特征

巢湖表層沉積物各季節重金屬含量統計見表2。與江淮流域沉積物背景值[6]相比，各元素全湖全年含量均值均超過背景值，Zn和As的超標倍數最高，分別超1.52和0.98倍；Cr、Ni和Cu超過背景值，Co略超背景值。從季節變化來看，冬季沉積物中的As含量明顯高于其他季節，夏季Cr含量最高，春季Co含量明顯低于其他季節，Ni、Cu含量季節性差異不大，夏季的Zn含量遠低于其他季節。從各季節各元素在沉積物中含量空間分布變異系數來看，春、夏、秋均為Zn最高，冬季則為Cr和Zn較高。總體來說，重金屬在沉積物中含量空間分布差異性不大，其變異系數整體遠低于在水體中的濃度空間分布變異系數。

2.3 重金屬在沉積物-水體的分配特征及變化趨勢分析

分配系數（Kp）可以分析重金屬在沉積物與水體之間的分配趨勢。各元素沉積物-水體間的lgKp統計如圖1所示。各元素分配系數全湖全年均值大小為Crgt;Cogt;Nigt;Zngt;Cugt;As，Cr、Co分配系數較高，說明巢湖沉積物對這2種元素的固定能力較強，相對不易從沉積物中釋放進入水體；As分配系數最低，表明As從沉積物釋放到水體中的趨勢相對最明顯。從不同季節來看，各元素分配系數變化規律不同，冬季的As元素、秋季的Zn元素、夏季的Cr元素分配系數明顯高于其他季節，表明這幾種元素在該季節更易從水體遷移至沉積物中；Co、Ni、Cu各季節分配系數相差不大，說明這3種元素在沉積物與水體中的濃度分配關系相對穩定。

2.4 分配特征影響因素分析

研究表明，重金屬的分配系數除與其化學特性、賦存形態有關外，還與水體和沉積物理化性質（例如溫度、pH、氧化還原電位以及電導率）等有關。巢湖湖區水體理化參數DO水體、電導率水體、pH水體、ORP水體、藻密度和沉積物理化參數pH沉積物、電導率沉積物和LOI全年監測結果統計見表3、表4。由表3、表4可知，DO水體為冬季gt;春季gt;秋季gt;夏季，即溫度越高，水體DO含量越低。ORP水體為冬季gt;秋季gt;夏季gt;春季，水體中的ORP除與DO有關外，還與水溫、pH值、鹽度以及溶解的氧化劑（如臭氧）密切相關，因此ORP水體與DO水體變化趨勢并不是完全一致的。pH水體和藻密度均為夏季gt;秋季gt;春季gt;冬季，變化趨勢與DO水體正好相反；夏季溫度高，有利于藻類尤其是藍藻大量繁殖（藍藻最適生長繁殖水溫為 25 ℃～35 ℃），藻類通過光合作用消耗水中的CO2，致使水體pH升高，藻類死亡后腐爛分解則會導致水體DO、ORP降低。電導率水體為春季gt;秋季gt;夏季gt;冬季，變化規律與水體中離子濃度密切相關。pH沉積物為春季gt;冬季gt;夏季gt;秋季，LOI為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季。電導率沉積物季節性變化特征與pH水體和藻密度一致。水體和沉積物理化參數變化規律總體趨勢為溫度越高的季節水體DO越低、pH和藻密度越高，沉積物pH越低、LOI越高。從各參數全年波動范圍來看，湖區水體電導率、沉積物電導率和藻密度全湖全年波動幅度較大。

為了探究巢湖湖區重金屬在沉積物-水體中分配系數的主要影響因素，對各采樣點重金屬分配系數與水體、沉積物各理化參數進行相關性分析。首先，對各參數進行夏洛克-威爾克正態性檢驗，結果顯示僅Ni和pH表層水符合正態分布，因此采用斯皮爾曼相關系數法進行相關性分析，結果見表5。一般認為，相關系數在0.8～1.0是極強相關，0.6～0.8是強相關，0.4～0.6是中等程度相關，0.2～0.4是弱相關，0.0～0.2則是極弱相關或無相關，本研究重點分析中等強度及以上的相關關系。由表4可知，DO水體與As、Cr的分配系數分別呈中等正相關和中等負相關；pH水體與As分配系數為強負相關，即水體pH升高能夠促使As從沉積物往水體中釋放；電導率水體與Cr、Co、Ni分配系數均呈中等負相關，即水體電導率可一定程度促使這3種元素從沉積物釋放至水體；ORP水體與Cr、Co分配系數呈中等正相關；藻密度、ORP沉積物、電導率沉積物與各元素分配系數的相關性不明顯；LOI與Cu分配系數呈中等正相關，即沉積物中有機質含量升高有利于Cu從水體向沉積物遷移。總體來說，水體電導率和ORP對6種元素在沉積物和水體之間的遷移轉化均有影響（水體電導率對As除外）且相關性相對較高；As、Cr分配系數受水體和沉積物理化性質影響較大。

3 結語

巢湖水體中重金屬濃度較低，各季節As、Cr、Cu和Zn濃度基本滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002） Ⅰ類標準（春季Zn為滿足Ⅱ類標準），Ni和Co濃度遠低于特定項目標準限值。沉積物中各元素全年全湖含量均值均超背景值，Zn和As的超標倍數最高。各元素在水體和沉積物中含量存在季節性差異。Cr、Co在沉積物-水體中分配系數較高，As分配系數較低，As、Cr分配系數季節性差異較大。水體電導率和ORP對6種元素分配系數影響較明顯，As、Cr分配系數受水體和沉積物理化性質影響較大。巢湖治理應重視沉積物中As的累積污染及夏、秋季易往水體中釋放的風險。

參考文獻

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