水丰湖流域沉积物、底质营养物及重金属含量调查与评价

褚向乾，李红娜，吕卫光，郑宪清，李双喜，张娟琴，王全华，张翰林

（1上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2上海师范大学生命科学学院，上海 201418；3中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；4农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海 201403；5上海市农业环境保护监测站，上海 201403）

0 引言

水丰湖位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县东南部，全长162 km，总蓄水量122亿m3，在保障丹东市近245万人口饮用水安全方面发挥着举足轻重的作用。水丰湖位于中朝两国边界线上，其环境保护工作对于防止跨界水污染纠纷及促进中朝水资源开发利用等具有重要的意义[1]。

营养物质和重金属进入水体后，易被水体中的颗粒物吸附，形成沉积物，进而在底质中大量富集，因此，沉积物和底质已经成为评价水体污染状况的重要指标[2]。通过研究水体沉积物与底质中富营养化和重金属的污染程度可以了解水体的污染状况与未来发展趋势，在评价水体环境质量中具有重要作用[3]。

针对中国很多湖泊河流底质已经开展了污染评价研究。王岩等[4]在洞庭湖设置了13个取样点连续采样半年，发现洞庭湖局部地区的总氮和总磷含量较高，有富营养化趋势。王莉等[5]在清潩河流域选取30个采样点，发现清潩河流域内沉积物重金属的含量差异较大，其中部分地区Hg、Cd、Zn等金属含量较高，有重金属积累的趋势。郑睿等[6]发现三峡库区香溪河不同重金属之间的来源可能相同，但其生态危害程度仍较低，还未发生重大重金属污染。然而，针对水丰湖的沉积物和底质污染评价还鲜有报道。

笔者对不同季节水丰湖沉积物和底质中主要营养物质氮、磷、有机物和重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg)含量进行分析测定，采用水体底质有机污染评价标准和Hakanson潜在生态风险评价方法，研究其富营养化和重金属积累情况，以期为水丰湖水体环境污染防控提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

水丰湖属东北区辽河—鸭绿江水系，水面面积415 km2，最深水位124.22 m，流域有大小河流将近300条。流域总人口21.02万人，其中农业人口19.02万人。水丰湖流域的工业以硼、锌、铁、镁等采矿业为主，种植业以玉米、大豆、中药材、烟草、蔬菜等为主，养殖业以养猪、鸡、鸭为主[1]。

1.2 样品的采集与处理

因水丰湖湖面面积超过100 km2，按照沉积物和底质布点采样原则[7]，由东向西选取9个采样点（图1），其中5个为入湖河流采样点（石柱子河、杨木杆河、小荒沟河、坦甸河、北江）、4个为水丰湖主体流域采样点（浑江、碑沟、太平湾、鸭绿江河）。样品采集时间为2014年5月（平水期）、8月（丰水期）和11月（冰封期）。

图1 丰湖采样点位分布

采用抓斗式采泥器在采样点上下游20～30 m范围内采集3个以上子样合并为一个样品。沉积物和底质样品送交实验室后自然风干。当天未能进行制备的样品放于-20℃的冷冻柜中保存[8]。

1.3 样品测试方法

pH采用电位法测定（水土体积比2.5:1），总磷(TP)采用酸溶-钼锑抗比色法；总氮(TN)采用凯氏定氮法测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，Cu、Zn、Cr、Ni采用火焰原子吸收分光光度法测定，Cd、Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg采用冷原子吸收法测定，As采用硼氢化钾-硝酸银分光光度法测定[9]。

1.4 数据处理与评价方法

数据采用Excel和SPSS 16.0 for Windows等软件进行统计分析。

水体底质有机污染评价标准[10]如表1。

表1 水体底质有机污染评价标准

采用Hakanson潜在生态风险评价方法评价重金属环境风险[11-12]。单一元素污染参数Cf计算如式(1)。

式中，Cl为湖泊沉积物中的实测值，Cn为湖泊底质中的实测值。Cf＜1，污染程度低；1≤Cf＜3，中等污染；3≤Cf＜6，较高污染；Cf≥6，重度污染。

单一污染元素的潜在生态风险参数Er计算如式(2)。

式中，Tr为单个污染元素的毒性响应参数，根据Hakanson潜在生态风险评价方法，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg的毒性响应参数分别为5、1、5、30、2、5、10和40。Er＜40，低风险；40≤Er＜80，中等风险；80≤Er＜160，较高风险；160≤Er＜320，高风险；Er≥320，很高风险。

沉积物污染程度Cd计算如式(3)。潜在生态风险指数RI计算如式(4)。

表2 多种污染元素潜在生态风险指数及对应的生态风险程度

2 结果与分析

2.1 水丰湖沉积物与底质富营养化分析

2.1.1 水丰湖沉积物与底质氮磷含量分析 2014年（平水期）、8月（丰水期）和11月（冰封期）水丰湖流域沉积物和底质中总氮、总磷如图2所示。水丰湖沉积物总氮含量在0.1%～0.29%之间，平均值为0.172%；底质总氮含量在0.07%～0.24%之间，平均值为0.167%；沉积物与底质在冰封期的总氮含量相对最高，可能由于水温下降、流速降低，导致总氮的积累[13]。底质总氮含量丰富的标准值为0.15%，含量中等的标准值为0.075%。在9个样点的3个时期的平均值中，浑江口和石柱子河底质总氮含量分别为0.096%和0.13%，含量中等，其余均为含量丰富，其中以北江与小荒沟为最高，分别为0.21%和0.24%。碑沟、太平湾和石柱子河沉积物中总氮含量高于底质，有增加污染的趋势。

图2 水丰湖流域各时期沉积物与底质总氮、总磷百分比含量

水丰湖沉积物总磷含量在0.15%～0.27%之间，平均值为0.192%；底质总磷含量在0.14%～0.21%之间，平均值为0.174%；沉积物与底质总磷含量与总氮含量一样，在冰封期的相对最高，温度下降与流速降低也导致总磷的积累[13]。底质总磷含量丰富的标准值为0.15%，含量中等的标准值为0.075%。在9个样点的3个时期的平均值中，仅太平湾在丰水期的总磷含量低于总磷含量丰富的标准值，为0.14%，其余的全部高于该值。仅坦甸河与鸭绿江口沉积物中总磷浓度低于底质，其余7个采样点均有污染加剧的趋势。

2.1.2 水丰湖沉积物与底质有机质含量分析 水丰湖沉积物和底质有机质含量如图3所示。水丰湖沉积物中有机质的含量范围在20.48～40.2 g/kg，均值为29.85 g/kg，水丰湖底质中有机质的含量范围在12.5～39.3 g/kg，均值为27.87 g/kg，根据水体底质有机污染评价标准，按照平均值计算，除碑沟、小荒沟和坦甸河属于轻污染外，其他点位均属于无污染。可见水丰湖流域并未或者受到轻微的有机污染，有机污染并不是污染主体。沉积物的平均数据显示，杨木杆河、小荒沟、北江、坦甸河和碑沟的沉积物有机质含量达到轻污染状态，且浑江口、石柱子河、北江、坦甸河、碑沟和太平湾沉积物较底质有机质含量要高，有机污染有加重的趋势。

2.2 水丰湖底质重金属含量分析

2.2.1 单一元素污染现状分析 水丰湖流域底质重金属单一污染参数评价如表3所示。浑江口和鸭绿江口底质基本不受到重金属离子污染；北江主要是Cd和Hg离子积累，Cf分别为1.22和2.5，达到中度污染；碑沟在Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、As和Hg都有不同程度的积累，其中Hg的积累最为严重，Cf为2；小荒沟有较严重的Cu的积累，Cf达到3.22，为较高污染程度，并且在Pb、Cr、Ni和Hg方面有不同程度的积累；太平湾除Pb污染程度低外，其他重金属都有一定程度的污染；坦甸河有Cu、Zn和Hg的积累，Cf分别为2.11、1.4和2；杨木杆和石柱子河都有Hg的较多积累，Cf分别为2和2.33，其中石柱子河还有Cu和As的较多积累，Cf分别为1.74和2.39。

单一污染元素的潜在生态风险参数表4所示。除Hg以外的7种重金属均属于低生态风险，Hg在北江河、碑沟、坦甸河、杨木杆河以及石柱子河均存在较高生态风险，在小荒沟和太平湾属于中等生态风险，说明在水丰湖主体部分，由于水量充沛，底质中积累重金属并不明显，入湖河流则由于流量相对较小而普遍受到Hg超标的生态风险威胁，但暂时对水丰湖主体部分威胁较小。

2.2.2 多元素潜在生态风险 水丰湖流域底质重金属污染程度和潜在风险程度表5所示。水丰湖流域底质普遍受到中等程度的重金属污染(7/9)，受重金属污染潜在风险程度为较高(7/9)，其中仅有浑江口和鸭绿江口污染程度为低。受重金属污染潜在风险程度为中等。

表5 水丰湖流域底质重金属污染程度和潜在风险程度

3 讨论

水丰湖主体流域采样点中沉积物的TN相对较高，而入湖河流的沉积物中的TN相对较低，这可能与其水深和水流速有关，当入湖河流在进入水丰湖时，河宽突然变宽，水速降低，随河流携带的泥沙等物质更容易沉淀在沉积物中[14]，导致氮素在水丰湖主体流域中积累。由于沉积物中的氮素过量积累，底质中的氮含量也会随着时间的推移增加。在TP含量分布来看，水丰湖主体流域和入湖河流差别不大，这可能是与其接受不同的外源输入有关[15]。而水丰湖流域的有机物含量整体较低，但有污染加重的趋势。水丰湖流域周围有较多的工厂、农业生产和生活生产，外源性输入氮、磷和有机质的数量不一，这也可能是不同采样点之间TN、TP和有机质含量差异的主要原因。

水体沉积物和底质中的重金属既有人为来源（生活排污、交通排放、工业废水等），也有自然来源（矿山）[16]。水丰湖污染物的主要来源于农村生活、农田径流、家禽养殖和工业等，其中家禽养殖对水体污染负荷最大，占总量的67%[1]。农村生活污水都是直接排入水体中，并没有经过污水处理装置的处理，所以由生活污水造成的污染负荷也较高。工业主要以采矿工厂为主，但都配备有响应的污水处理装置，对水体的污染负荷较小。整体而言，沉积物和底质某些重金属存在一定程度的富集，但目前水丰湖重金属污染并不严重。

水丰湖流域河网十分密集，雨量充沛，在农田过度施用的化肥、农药经过雨水的冲洗[17]，会流入水丰湖流域，加重其污染程度。随着农用生产的发展，如果不对肥料的过度和不科学施用加以管控，上述问题将日益凸显。水丰湖流域内13个乡镇的养殖场、养殖小区有大量的羊牛猪，而这些畜禽粪便基本没有进行无公害化处理，露天堆放现象普遍存在，排放的污染物未经处理直接进入河网，对水丰湖水质构成很大的威胁[18]。另外，水丰湖流域的网箱养殖也已经形成一定的规模，在为人类提供优质蛋白质的同时，也破坏了沿岸环境和湖泊水环境。养殖过程中喂食的残饵和养殖生物排泄物等大量积聚，使水体中N、P含量大幅度增加，加速了养殖水域的有机污染和富营养化进程，其自身污染程度也会随着养殖年限的增加而增大。

综上，水丰湖流域的生态环境保护应着重从农田面源污染控制、农村生活污水和生活垃圾综合管控、畜禽养殖废弃物综合治理、水产养殖规模合理控制和科学养殖等多个方面开展和强化[19]。同时，还要综合考虑工业企业废水处理达标率的稳定和保持、农村污水处理厂的建设使用以及环保投资的保证和增加，从而使得水丰湖生态质量一直处于安全区域。此外，水丰湖流域的生态安全状况还可以从新建污水处理厂、优化升级产业结构、持续增加环保投入、提高当地居民的环保意识和环保理念等方面进一步开展和完善[20]。

4 总结

（1）水丰湖流域底质整体氮磷含量相对丰富，其中碑沟、太平湾和石柱子的底质TN含量有增加的趋势，坦甸河和鸭绿江口的底质TP含量有增加的趋势，具有较高的潜在风险。底质有机质基本无污染，但是浑江口、石柱子河、北江、坦甸河、碑沟和太平湾的沉积物有机质含量高于底质有机质含量，有污染加重的趋势。

（2）水丰湖流域各采样点均有不同的重金属累积，其中Hg和Cu的污染较为严重，通过单一污染元素和多元素的潜在生态风险评估，除了浑江口和鸭绿江口为低程度污染，其他采样点为中等程度污染，潜在风险程度均为较高。