不同风扰动下太湖梅梁湾沉积物重金属分布变化研究

郑莎莎

（江苏联合职业技术学院南京分院，南京 210019）

湖泊水体和沉积物中的重金属分布和形态能够反映自然活动和人类活动对湖泊的影响，对湖泊生态环境质量具有重要指示作用。浅水湖泊沉积物极易受到风扰动的影响而发生再悬浮，研究不同风扰动下再悬浮过程中沉积物重金属的总量变化和形态分布变化有助于厘清沉积物中重金属的释放及相应的生态风险，对湖泊生态系统的保护和管理非常重要。太湖是我国第三大淡水湖泊，梅梁湾周边入湖河道众多，其中，武进港、直湖港和梁溪河污染较为严重。已有研究表明[1]，梅梁湾的重金属污染在太湖中处于较高水平，生态风险较大。本文探讨了10 种风速条件下梅梁湾沉积物重金属总量变化和形态分布变化，以期为不同风扰动下沉积物重金属的分布变化研究做出贡献。

1 材料和方法

1.1 现场观测与样品采集

2021年5月1日至10日的09:00-10:00，在江苏太湖湖泊生态系统国家野外科学观测研究站梅梁湾观测点（31°25′19″N，120°12′37″E）分别观测风速、风向。风速和风向采用手持式风速风向仪测定，每2 min 记录一次。使用采泥器采集表层沉积物样品。新鲜沉积物样品的pH 和氧化还原电位（Eh）立即用pH 自动检测仪和氧化还原电位自动监测仪测定。然后，将沉积物样品迅速送回实验室进行处理和分析。

1.2 样品分析方法

称取一定量的新鲜沉积物样品，在105 ℃温度下烘干24 h，再次称重，两次质量差即为含水量，含水量与沉积物鲜重的比值即为含水率。沉积物样品的粒径分布用激光粒径分析仪分析，总有机碳（TOC）含量采用总有机碳分析仪分析。沉积物酸可挥发性硫化物（AVS）的含量参照相关研究[2]给出的方法进行测定。利用冷冻干燥机对适量新鲜沉积物样品进行冷冻干燥，干燥后的沉积物样品放入聚乙烯瓶中备用。

BCR 分级提取法是欧洲参考交流局（European Community Bureau of Reference）提出的较新的划分方法，将重金属形态分为4 种，即酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态。沉积物中重金属分级提取一般采用BCR 分级提取法，本文采用改进的BCR 分级提取法对沉积物中重金属进行分级提取，具体操作步骤参考王沛芳等[3]的研究成果。沉积物重金属总量测定方法与残渣态提取方法相同。所有前处理得到的消解液均由电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）来测定其中的重金属浓度（Cd，Pb，Cr，Ni，Cu 和Zn）。

2 结果与讨论

2.1 风况统计与分析

观测期间，5月1日至10日平均风速分别为1.75 m/s、1.18 m/s、4.16 m/s、5.37 m/s、3.67 m/s、6.07 m/s、6.98 m/s、4.47 m/s、2.48 m/s 和4.79 m/s，瞬时风速最小值为0.3 m/s，最大值为8.7 m/s，主导风向是东南偏东（ESE）、东南（SE）和东南偏南（SSE），占全部风向频率的66%。具体分析见前期研究成果[4]。

2.2 沉积物物理化学参数变化特征

在不同风扰动条件下，沉积物的理化性质会发生变化。沉积物中与重金属行为有关的5 种典型特征参数如表1所示。pH 结果显示，在弱碱性范围内，随着扰动风速的增加，沉积物的pH 均呈现出逐渐下降的趋势。Eh结果表明，在10 种风扰动条件下，沉积物均处在弱还原环境中，当扰动风速增大时，Eh值也随之增大。这是由于当扰动风速增强时，水体紊动也随之增强，水中氧气含量增加，表层沉积物与氧气接触的机会增加，Eh值也逐渐增大。AVS 是影响沉积物中重金属行为的重要因子，吴松峻等[5]对太湖沉积物的AVS 进行调查，发现其值介于0.08～6.74 μmol/g，不同湖区差别较大。试验结果显示，梅梁湾沉积物AVS 值处于中等偏低水平，当扰动风速小于4 m/s（Eh小于100 mV）时，AVS 值大于2 μmol/g，说明低风速能够促进SO42-的还原。总体来说，沉积物TOC 含量偏低，变化幅度也不大，含水率处于正常水平。

表1 不同风扰动条件下太湖梅梁湾沉积物物理化学参数变化

2.3 沉积物重金属总量变化

沉积物受到外界作用力影响而发生再悬浮时，重金属会随之再悬浮进入上覆水，形成二次污染。风扰动下，太湖沉积物重金属总量的变化如表2所示。沉积物中不同重金属的含量相差较大，由大到小的排序依次为Zn ＞Cr ＞Ni ＞Pb ＞Cu ＞Cd。与前人对梅梁湾沉积物重金属的研究相比[1]，本研究中Cd 含量略高，而Cr 和Ni 的含量略低，其余重金属含量相当。当扰动风速增大时，太湖沉积物重金属含量呈下降趋势，这是由于沉积物受到的扰动增强后，部分不稳定结合态的重金属释放进入水体。同时，沉积物的再悬浮也会直接带走部分重金属进入水体。

表2 不同风扰动条件下太湖沉积物重金属总量变化

当扰动风速增大时，沉积物pH 有所下降（见表1），从而促进沉积物中酸可交换态重金属的释放。当沉积物pH 下降时，部分金属阳离子会不断析出，进入间隙水中。GREEN 等[6]研究发现，Fe 氧化物发生还原溶解的临界Eh值为100～120 mV。当扰动风速从1.18 m/s 增大到6.98 m/s 时，沉积物Eh值从63.52 mV 增大至135.78 mV（见表1）。尽管Eh值的增大会减弱Fe 氧化物的还原效果，但是部分金属离子还是从Fe 氧化物中释放进入水体。表1 数据显示，当风扰动增强时，沉积物AVS 含量不断下降，说明部分硫化物结合态重金属释放进入水体。WANG 等[7]研究也发现，在缺氧环境中，沉积物中AVS 控制着某些二价阳离子重金属的分布。

2.4 沉积物重金属形态变化

沉积物中重金属导致的生态风险不仅与其总量有关，更与其形态有关。本研究利用BCR 分级提取法，对太湖沉积物重金属进行分形态提取，依次分为可交换态、可还原态、可氧化态和残渣态。不同风扰动下，太湖沉积物中6 种重金属形态分布的百分比如图1所示。由图1 可以看出，沉积物中Cd 的最主要形态为可交换态，其次为可还原态，可氧化态和残渣态比例较小。可交换态Cd 主要为弱酸态和碳酸盐结合态，当扰动风速为1.18～6.98 m/s 时，其变化范围为62.6%～68.7%。已有研究显示[8]，太湖沉积物中Cd 也呈现出相似的形态分布。Cd 在pH 偏弱碱性的条件下易形成CdCO3，在偏酸性条件下又会发生反应释放出Cd 离子[9]。因此，可交换态Cd 对于pH 变化非常敏感。当扰动风速增大时，沉积物pH有所下降（见表1），促进碳酸盐结合态Cd 释放进入水体。

图1 不同风扰动条件下太湖沉积物重金属形态分布（BCR 分级提取法）

沉积物中Pb 的主要形态是可还原态（50.4%～57.1%）和残渣态（37.1%～45.9%），而可交换态Pb 的比例不到4%。沉积物中可还原态Pb 含量与Fe、Mn氧化物含量密切相关，当外界环境条件改变时，Pb 容易从该形态中释放出来进入水体[10]。当风扰动增强时，不断下降的AVS 含量表明，此过程不断有金属离子从硫化物结合态中释放进入水体。徐程等[11]研究指出，沉积物中Pb 与硫化物的联系十分密切，因此沉积物中可氧化态Pb 的比例明显下降。

沉积物中Cr 的残渣态比例大于85%，并且不含可交换态，可还原态比例为0.7%～3.6%，可氧化态比例为6.2%～9.9%，所占比例均很小。刘红磊等[10]在研究太湖梅梁湾沉积物中Cr 的形态分布时也得到类似结果。沉积物对Cr3+的吸附固定能力很强，而对Cr6+的吸附固定能力较弱，沉积物中Cr6+很容易被还原成Cr3+，进而在沉积物中稳定存留。沉积物中Ni的残渣态和可还原态所占比例均较大，尽管如此，可交换态Ni 的比例也占到22.3%～27.3%，显示出较强的可迁移性。沉积物中Cu 和Zn 的可交换态及残渣态比例相似，而可还原态和可氧化态比例差异较大。可还原态Cu 比例为2.1%～3.1%，可氧化态Zn 的比例为2.9%～3.9%，所占比例均很小，这也和刘红磊等[10]得到的结果相似。Cu 在自然界中极易与硫化物结合，因此，沉积物中Cu 的可氧化态比例较高。沉积物中Fe-Mn 氧化物吸附Zn 的能力较强，从而导致沉积物中可还原态Zn 的比例较高。

2.5 生态风险分析

本研究将重金属的不稳定态定义为可交换态、可还原态与可氧化态之和。一旦外界条件发生变化，不稳定态重金属就可能释放进入水体，对水环境带来生态风险。相反，残渣态重金属与矿物质晶格结合，非常稳定，一般认为没有生态风险。当扰动风速逐渐增大时，沉积物中Cd 和Pb 的不稳定态呈下降趋势，而Cr、Ni、Cu 和Zn 的不稳定态则呈现出先上升再下降又上升的趋势。

在所研究的6 种重金属中，按照不稳定态比例，重金属从大到小的排列顺序为Cd（90.3%～92.1%）＞Zn（67.1%～72.8%）＞Ni（61.4%～67.6%）＞Cu（60.4%～65.8%） ＞Pb（54.1%～62.9%） ＞Cr（6.9%～13.3%）。在本文研究的6 种重金属中，沉积物中Cd 的迁移能力最强，Cr 的迁移能力最弱。巫丹等[12]的研究也表明，Cd 在湖泊沉积物中的潜在生态风险非常高。YANG 等[13]还指出，沉积物中Ni 和Cu 的潜在生态风险也比较高。随着扰动风速的增大，表层沉积物的活动越来越剧烈，这就很容易导致不稳定态重金属释放进入水体，引起生态风险。

3 结论

本文研究10 种风速扰动下太湖梅梁湾沉积物重金属总量和形态的变化，结合沉积物中各物理化学参数的变化，分析重金属形态变化的内在原因，同时分析相应的生态风险。研究表明，扰动风速从1.18 m/s增大至6.98 m/s 时，太湖梅梁湾沉积物Cd、Pb、Cr、Ni、Cu 和Zn 总量变化范围分别为0.41～0.50 mg/kg、27.15～33.84 mg/kg、36.41～41.98 mg/kg、30.27～36.16 mg/kg、24.53～28.84 mg/kg 和91.62～108.67 mg/kg。随着扰动风速的增大，沉积物重金属总量出现下降趋势。太湖梅梁湾沉积物中，Cd最主要的形态为可交换态，Pb 的主要形态为可还原态和残渣态，Cr 的残渣态比例大于85%，Ni 的残渣态和可还原态所占比例均较大，Cu 和Zn 的可交换态及残渣态比例相似，而可还原态及可氧化态比例差异较大。6 种重金属按照不稳定态比例从大到小的排列顺序为Cd ＞Zn ＞Ni ＞Cu ＞Pb ＞Cr，说明太湖梅梁湾沉积物中Cd 向水体迁移的能力最强，Cr 向水体迁移的能力最弱。随着风扰动的增强，表层沉积物的活动越来越剧烈，不稳定态重金属释放进入水体的概率大大增加，引起生态风险。