中国北方某湖泊底泥污染分析及重金属潜在生态风险评价

韩继博，张晟瑀，周昊，田宇，冯立民

1.吉林大学 新能源与环境学院，长春 130021；2.吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021；3.吉林大学 水资源与环境研究所，长春 130021;4.白山市水旱灾害防御中心，吉林 白山 134300

0 引言

底泥作为湖泊生态系统的组成部分，能够在日积月累的沉积活动中不断接纳水体中的各项物质，与此同时也会向上覆水体源源不断地释放这些物质，从而完成生物地球化学循环。正因如此，污染物质会通过底泥的“源”、“汇”特性发生迁移、扩散和转化，对水体造成二次污染，对生态系统造成一定的威胁[1]。底泥中丰富的氮磷元素向上覆水体扩散，极易造成水体富营养化[2]。通过对湖泊底泥中各项污染物进行监测和评价，明确其污染水平，分析其污染物来源，对强化湖泊的管理具有重要意义。

以中国北方A湖为研究对象，笔者选取10个底泥监测点位(图1)，研究测定了底泥中总氮、总磷及5种重金属(Pb、Cr、As、Cd、Ni)含量，分析其空间分布与污染程度，并通过测定间隙水中对应污染物含量，分析底泥中污染物向上覆水体中扩散的可能性，对于控制和应对水体污染问题具有重要的参考意义。

图1 底泥监测点位分布Fig.1 Distribution of sediment monitoring points

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

使用抓泥斗采集表层底泥样品，并将采集到的底泥样品迅速置于1 L广口瓶中密封，返回实验室后立即进行样品前处理。

首先，于厌氧环境下取1份重量为1.000 0 g底泥密封在100.00 mL锥形瓶内，待测AVS(酸性挥发硫)含量；其次，取2份适量底泥置于铝箔中，1份待测含水率，1份自然风干制备风干样；再次，取适量底泥置于50.00 mL离心管内，在10 000 r/min条件下离心30 min，用0.45 μm微孔滤膜过滤，得到间隙水样品低温(4℃)保存，待测各污染物含量。

1.2 研究方法

检测指标包括底泥样品挥发性硫化物、同期提取重金属含量及含水率，底泥间隙水中总氮、总磷及重金属含量，风干底泥样中总氮、总磷含量。检测方法及使用仪器如表1所示。

表1 研究方法及仪器汇总

1.3 评价方法

1.3.1 总磷污染评价方法

总磷采用单因子指数法评价，通过磷污染指数(Pi)进行评价[3]。计算公式为:

Pi=Ci/Coi

(1)

式中：Ci为总磷实际检测浓度，mg/kg；Coi为环境评价标准值，mg/kg，取 440 mg/kg[4]。评价标准如表2所示。

表2 总磷污染评价标准

1.3.2 总氮污染评价方法

总氮污染情况采用有机污染指数法，通过有机指数与有机氮指数进行综合评价[5]。有机指数用于评价底泥污染情况[6]，是水体底泥环境受有机物污染程度的重要评价指标；有机氮指数则主要用作评定氮污染的程度大小。计算公式为:

OI=OC×ON

(2)

OC=OM/1.724

(3)

ON=TN×0.95

(4)

式中：OI为有机指数；ON为有机氮指数, %；OC为有机碳, %；OM为有机质, %；TN为总氮, %。评价标准如表 3所示。

表3 总氮污染评价标准

1.3.3 重金属污染评价方法

研究采用SEM/AVS比值法、地累积指数法及潜在生态风险指数法综合评价A湖表层底泥中重金属生态风险。

(1)SEM/AVS比值法是通过SEM/AVS的摩尔浓度比来评价重金属污染程度，其数值<1时，表明沉积环境中的AVS(酸性挥发硫)过量，底泥中二价重金属离子(Me2+)均会与底泥中的S2-发生反应，形成稳定沉积物；反应过程如式(5)所示。

Me2++S2-→MeS

(5)

此间隙水及上覆水体中的重金属自由离子含量相对较低，对底栖生物没有毒害作用，可认为其无生物毒性；反之，则有生物毒性。

(2)地累积指数法(Muller指数)同时兼顾自然过程与人为活动造成的重金属污染，主要用于评价沉积物中重金属的污染程度[7-8]。计算公式为：

Igeo=log2[Ci/(k×Bi)]

(6)

式中：Ci为底泥中重金属元素的含量， mg/kg；Bi为重金属元素含量的背景值，mg/kg，以《中国土壤元素背景值》作为参考[9]；因实际环境中的岩石差异可能致使背景值发生变化，因而取一参数k进行调整，k=1.5。评价标准如表4所示[10]。

表4 地累积指数法评价标准

(3)潜在生态风险指数法是由瑞典科学家L.Hakanson于1980年提出的[11]，在众多沉积物重金属评价方法中尤为全面，不但可以评价单个重金属的污染程度及毒性响应情况，而且能够对底泥多种重金属的生态危害潜力进行评价[12]。计算公式为：

(7)

(8)

表5 潜在生态风险指数法评价标准

2 结果与分析

2.1 氮磷污染及富营养化风险

由研究区表层底泥中总氮、总磷含量测定结果(表6,图2)可知，总氮含量除A9点极低外(38.80 mg/kg)，其余采样点的总氮含量范围在447.71～1 174.65 mg/kg之间，平均值为708.96 mg/kg，含量最高的3个点位均超过1 000.00 mg/kg，分别为A4、A6、A7，其位置处于研究区域的中部。总磷含量范围在378.08～721.88 mg/kg之间，平均值为544.08 mg/kg， 含量最高的3个点位均超过700.00 mg/kg，分别为A1、A3、A8，其位置处于研究区域的西侧。

总氮含量区域特征较为明显(图3)，研究区南部区域污染程度较低，东北及中部区域污染最为严重，西北区域污染则相对较低，但仍然高于南部区域；总磷污染呈整体偏高的特点(图4)，其西北及西部区域为重度污染区，东部区域污染程度相对较低，整体来看从西向东污染程度逐渐降低。

图2 各采样点总氮、总磷含量Fig.2 Contents of total nitrogen and total phosphorus at each sampling point

表6 各采样点总氮、总磷含量

图3 总氮污染空间分布Fig.3 Spatial distribution of total nitrogen pollution

图4 总磷污染空间分布Fig.4 Spatial distribution of total phosphorus pollution

经调查发现，A湖湖水在研究区域内流速缓慢且水深较深，底泥受湖水扰动较小，营养盐沉积后不易释放，这是导致研究区内氮磷污染较高的主要原因。对各监测点位底泥粒径分析后，发现粒径大小与总氮含量存在负相关关系(图5)，说明总氮含量的空间分布受到底泥粒径的影响较大。研究区水体的透明度较高、浊度较低，有利于藻类生长繁殖，藻类死亡后导致底泥中总磷含量整体较高，而研究区的西北与西部区域更靠近岸边，水体透明度更高、浊度更低，导致总磷含量高于其他区域。

图5 各采样点粒径与总氮含量关系Fig.5 Relationship between particle size and total nitrogen content of each sampling point

由单因子指数法及有机污染指数法的评价结果(表7)可知，在10个采样点中，总氮污染情况为无重度污染点位，中度污染点位占50%，轻度污染点位占40%，无污染点位占10%；总磷污染情况为：重度污染点位占30%，中度污染点位占40%，轻度污染点位占30%。A湖底泥整体氮磷污染情况均为中度污染。

氮磷含量是湖泊富营养化的主要影响因子，其中磷元素可以促进藻类大量繁殖，是湖泊富营养化的决定因子[14]。目前A湖营养级别处于中等营养状态，上覆水体总氮、总磷浓度分别为1.42 mg/L、0.09 mg/L。当水体受到扰动时，A湖表层底泥内沉积的大量氮磷元素向上覆水体迁移，势必会增加其富营养化的风险。

表7 总氮、总磷污染程度评价结果

2.2 重金属潜在生态风险

由研究区表层底泥中重金属含量测定结果(表8，图6)可知，含量最高的重金属为Cr(24.011 4～61.466 4 mg/kg)；含量最低的重金属为Cd(0～0.136 3mg/kg)；Pb、As、Ni 3种重金属的含量分别为8.027 9～14.246 6 mg/kg、1.958 6～4.842 2 mg/kg、7.467 4～24.221 2 mg/kg。

由SEM/AVS比值法结果(表9)表明，研究区内10个采样点的SEM/AVS值均<1，说明A湖表层底泥中有过量的 AVS存在，重金属几乎不会由底泥向间隙水释放，可以认为A湖底泥中重金属对底栖生物没有毒性。

图6 各采样点重金属含量Fig.6 Heavy metal content of each sampling point

表8 各采样点重金属含量

表9 SEM/AVS比值法评价结果

地累积指数法结果(表10)显示，所有采样点5种重金属元素的地累积指数均<0，说明A湖表层底泥中不存在重金属富集情况，人类活动没有对底泥造成重金属污染。

潜在生态风险指数法结果(表11)表明，单一重金属的潜在生态危害系数以Cd为最高，多数采样点值在30附近，其余4种重金属的值均<6，处于轻微危害区间(<40)。5种重金属的综合潜在生态风险指数值均远<150，处于轻微风险区间，说明A湖底泥重金属潜在生态风险极小。

表10 地累积指数法评价结果

2.3 间隙水污染分析

间隙水常作为介质将底泥中的溶解性物质经由表层扩散迁移至上覆水体之中[15]，由底泥间隙水中总氮、总磷及重金属(Pb、Cr、As、Cd、Ni)含量结果(表12，图7)可知，间隙水中总氮、总磷平均含量分别为47.44 mg/L和20.29 mg/L，明显高于上覆水(1.42 mg/L、0.09 mg/L)，说明底泥通过间隙水促进了氮磷由底泥向上覆水的扩散，同时增加了湖泊富营养化的风险；5种重金属离子平均含量均满足地表水环境质量Ⅰ类标准(表13)，进一步说明重金属均以硫化物形式存在于底泥中，潜在生态风险较低。

表11 潜在生态风险指数法评价结果

表12 各采样点对应间隙水总氮、总磷含量

图7 各采样点间隙水中氮、磷含量Fig.7 Contents of nitrogen, phosphorus in interstitial water of each sampling point

3 结论

(1)底泥10个监测点位的有机氮指数介于0.003 7～0.111 6之间，平均值为0.067 4；总磷污染指数介于0.86～1.64之间，平均值为1.24；氮磷污染程度均为中度污染。研究区内藻类堆积是氮磷污染较重的主要原因。底泥间隙水中总氮平均含量为47.44 mg/L，远高于上覆水1.42 mg/L；总磷含量为20.29 mg/L，同样远高于上覆水0.09 mg/L。底泥中氮磷元素通过间隙水向上覆水体迁移扩散，对湖泊富营养化具有一定潜在风险。

表13 间隙水重金属含量与地表水质量标准对比

(2)重金属评价因子SEM/AVS值均<1，地累积指数值均<0，潜在生态风险指数值均<150，SEM/AVS比值法与地累积指数法评价结果显示底泥无重金属污染，潜在生态风险指数法评价结果显示重金属潜在生态风险程度为最低级，3种评价方法相关性较好，一致表明底泥重金属潜在生态风险极低。底泥间隙水中未检测到Pb元素，Cr、As、Cd、Ni的含量极低，不存在重金属污染。