引用本文
何军, 李福林, 陶良, 张傲, 赵永波. 典型内陆湖泊沉积物氮、磷和重金属分布特征及生态风险评价——以武汉市武湖为例[J].中国地质调查, 2022,9(2): 110-118.
HE Jun, LI Fulin, TAO Liang, ZHANG Ao, ZHAO Yongbo. Distribution characteristics and ecological risk assessment of nitrogen, phosphorus and heavy metals in sediments of typical inland lakes: A case study of Wuhu Lake in Wuhan[J].Geological Survey of China, 2022,9(2): 110-118.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2022.02.11
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典型内陆湖泊沉积物氮、磷和重金属分布特征及生态风险评价——以武汉市武湖为例
何军1, 李福林1, 陶良2, 张傲1, 赵永波1
1.中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205
2.武汉市测绘研究院,湖北 武汉 430022

第一作者简介: 何军(1984—),男,高级工程师,主要从事环境地质调查评价工作。Email: 05302105h@163.com。

收稿日期: 2021-08-13 修回日期: 2021-09-06
基金资助: 中国地质调查局“武汉多要素城市地质调查(编号: DD20190282)”项目资助
摘要

城市内陆型湖泊湿地对城市生态系统具有重要的作用。以武汉市武湖为例,采用数理统计、营养盐指数、地累积指数和潜在生态风险指数等方法,对武湖表层沉积物中的氮、磷、有机质和重金属的平面分布特征、影响因素、富集污染程度、生态风险进行评价。结果表明: 武湖西北部表层沉积物中总氮、总磷和有机质的含量明显高于东南部,武湖周边地表径流和农田是营养元素的主要来源,旱地较水田有利于沉积物中总磷的富集; 武湖沉积物中有机质为内源水生植物和外源陆生植物的混合来源,与总氮具显著正相关关系; 沉积物中重金属含量总体较低,局部呈现高镉,平面上总体北部高于南部; 沉积物中重金属富集程度和潜在风险较低,局部地区镉和铅为轻微富集,镉和汞具中等潜在风险; 沉积物的潜在生态风险为低至中等,潜在生态风险与沉积物中镉的分布高度一致。

关键词: 内陆湖泊; 氮; 磷; 重金属; 武湖
中图分类号:P595;X171 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2022)02-0110-09
Distribution characteristics and ecological risk assessment of nitrogen, phosphorus and heavy metals in sediments of typical inland lakes: A case study of Wuhu Lake in Wuhan
HE Jun1, LI Fulin1, TAO Liang2, ZHANG Ao1, ZHAO Yongbo1
1. Wuhan Center, China Geological Survey, Hubei Wuhan 430205, China
2. Wuhan Geomatics Institute, Hubei Wuhan 430022, China
Abstract

Urban inland lake wetland is important for urban ecosystem. The authors in this paper have taken Wuhu Lake of Wuhan as an example to evaluate distribution characteristics, influencing factors, enrichment pollution degree and ecological risk of nitrogen, phosphorus, organic matter and heavy metals in surface sediments by mathematical statistics, nutrient index, geoaccumulation index and potential ecological risk. The results show that the contents of total nitrogen, total phosphorus and organic matter in the surface sediments in the northwest of Wuhu Lake were significantly higher than those in the southeast. The surface runoff and farmland may be main sources of nutrients around Wuhu Lake, and the paddy field was more conducive to the enrichment of total phosphorus in sedimentary. The mixed sources of organic matter in the sedimentary were endogenous aquatic plants and exogenous terrestrial plants, displaying a significant positive correlation with total nitrogen. The content of heavy metals in the sedimentary was generally low, with high Cd content in local parts, and the content is generally higher in the north than in the south. The enrichment and potential risk of heavy metals in sedimentary were generally low, with low enrichment of Cd and Pb in local parts and moderate potential risks of Cd and Hg. The potential ecological risk of sedimentary was low to medium, and the distribution of potential ecological risk is highly consistent with content of Cd in sedimentary.

Keyword: inland lake; nitrogen; phosphorus; heavy metals; Wuhu Lake
0 引言

湖泊湿地作为地球三大生态系统之一[1], 在调蓄洪水、改善水质、维持生态等方面起着重要作用[2]。城市内陆湖泊是城市生态系统的关键组成部分, 城市湖泊数量和面积急剧减少, 也会造成湖泊淤积严重、水质恶化, 湖泊的自然生态功能退化[3]。武汉市是我国典型的内陆型湖泊城市, 素有“ 百湖之市” 的美誉。随着武汉市城市的发展和扩张, 大规模的围湖垦殖、围湖建房和填湖造地使河湖湿地面积不断萎缩, 健康状况不断恶化[4]。然而, 对河湖湿地生态质量的评价多局限于水质分析, 往往忽视了沉积物的污染分析。湖泊沉积物对各种污染物具有较强的吸附能力, 在一定的环境条件下释放至水体中, 形成二次污染[5, 6]。因此, 湖泊沉积物的污染特征可作为反映城市水体环境状态与安全的重要指标[7], 对湖泊沉积物进行污染物的化学特征、来源解析以及污染状况评价具有重要的现实意义。

较早公开发表湖泊沉积物与地表水之间相关关系研究的文献是Mortimer于1941年发表的关于湖泊泥水间可溶性铁磷物质交换的研究[8]。随着各种分析测试技术的完善, 近20 a来, 众多国内外学者开展了大量的不同环境因子控制下沉积物和水之间的物质迁移转化机理和营养元素、重金属等的生态风险评价研究[9, 10, 11, 12]。近年来出现了环境科学与生物学的交叉学科, 在湖泊沉积物重金属污染的研究中采用空间分析、多种评价指标、地理信息系统等大数据技术, 探讨湖泊沉积物污染特征、影响因素及其与微生物、底栖生物、浮游生物之间的关系以及湖泊鱼类对污染物的蓄积性研究[13, 14]。前人围绕武汉市的湖泊生态环境开展了大量的工作, 主要包括典型湖泊的水质分析[15, 16, 17]、湖泊沉积物的氮、磷和重金属的污染特征和风险评价等[18, 19], 取得了众多的成果。但前人的研究多集中于中心城区, 不同的城市发展阶段对湖泊的影响具有较大的差异, 中心城区的湖泊和城市郊区的湖泊在污染源、污染途径和污染程度上均有不同。武湖位于武汉市城区与郊区的过渡地带, 是即将规划建设的长江新城的核心区, 负有重要的生态功能, 因此对其分蓄洪作用和生态系统的健康方面关注较多[20, 21]。由于武湖是长江的重要物质来源之一, 其周边尚未有大规模的城市发展, 以武湖为研究对象, 一方面可以丰富城市不同污染类型湖泊的研究, 另一方面也可以为将来城市发展前后的对比研究奠定基础, 因此, 开展武湖沉积物中氮、磷和重金属的污染特征分析, 研究武湖周边人类活动对水体沉积物的影响, 对于长江新城的规划和长江生态保护与修复具有重要的支撑意义和显著的社会效益。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

武湖被称为长江绿谷, 是世界自然基金会湿地自然保护区, 为河流堰塞湖。20世纪50年代初, 该湖面积为121.2 km2, 经多次围垦后现有面积为21.2 km2; 最大水深4.2 m, 平均水深2.6 m, 蓄水量0.55×108 m3。武湖自然保护区属于亚热带湿润季风气候区, 年平均降雨量1 240 mm, 夏秋季为丰水期, 汛期来水量多达2.3×108 m3, 冬春季为枯水期, 水深2 m, 形成滩涂、沼泽与人工湿地相连的生态系统。湖水依赖北岸10余条区间溪流和湖面降水补给, 集水面积562.0 km2, 出流经双河口于阳逻附近排入长江。

1.2 采样和测试

采用自制的抓斗式采样器于2019年8月至10月采集武湖表层0~20 cm深度的沉积物样品, 按均匀分布式采集表层沉积物样品65件(图1), 野外采集的样品风干后充分混合, 四分法留取2 kg以上, 用木棍碾压过20目筛。制备正、副2份样品, 正样送往实验室分析, 副样长期保存。

图1 研究区位置(a)及采样点分布(b)Fig.1 Location of the study area (a) and sediment sampling distribution (b)

处理完成后的样品经氢氟酸、盐酸、硝酸和高氯酸消解后, 分别用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和电感耦合等离子体质谱仪测定总磷、Ni、Cr和Cd、Pb、Cu、Zn; 经王水消解后用原子荧光光谱仪测定As和Hg; 总氮和有机质采用容量法测定; 样品经无二氧化碳蒸馏水浸溶后用离子选择电极测定pH。所有分析测试工作均由湖北省地质实验测试中心(自然资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成。

1.3 地累积指数法

地累积指数法(Index of Geoaccumulation, Igeo)又被称为Muller指数, 是20世纪60年代晚期由德国科学家Muller提出的一种研究沉积物中重金属的定量评价方法[22], 是最为常见的沉积物重金属评价模型。其计算公式为

Igeo=lbCn/K×Bn。 (1)

式中: Cn代表元素n在沉积物中的质量分数, mg/kg;K是为了消除岩石岩性差异可能会引起背景值差异的转换系数, 通常为1.5;Bn代表黏质沉积岩中该元素的地球化学背景值, 本文选用湖北省土壤重金属背景值作为计算标准[19, 23], Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As的背景值分别为0.172、86.00、30.70、0.08、37.30、26.70、83.60、12.30, 单位均为mg/kg。根据计算得到地累积指数值(Igeo), Igeo≤ 0表示无污染, 0<Igeo ≤ 1为轻度污染, 1<Igeo ≤ 2为偏中度污染, 2<Igeo ≤ 3为中度污染, 3<Igeo ≤ 4为偏重度污染, 4<Igeo ≤ 5为重度污染, Igeo> 5表示极重污染。

1.4 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数(Potential Ecologicalrisk Index, RI)法是由瑞典学者Hakanson根据重金属元素的性质及其环境行为特点, 从沉积学角度对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的一种方法[24]。该方法将土壤重金属含量与重金属的生态效应及毒理学联系在一起, 是一种应用较为广泛的重金属污染评价方法之一, 计算公式为

RI=∑j=1nEij=∑j=1nTj×Cfj=∑j=1nTi×CijCaj。 (2)

式中: RI为多金属潜在生态风险指数;Eij为i样点第j种重金属的单项潜在生态风险指数;Tj为第j种重金属的毒性系数;Cfj为第j种重金属的污染指数;Cij为i样点土壤第j种重金属的实测含量;Caj为第j种重金属的参比值。Hg、Cd和As的毒性系数分别为40、30和10, Cu、Pb和Ni的毒性系数均为5, Cr和Zn的毒性系数分别为2和1[24]。本次研究采用湖北省土壤重金属背景值作为参比值,Eij和RI的分级标准见表1。

表1 潜在生态风险指标分级标准 Tab.1 Grading standard of potential ecological risk indicators
2 结果与讨论
2.1 氮、磷的分布特征

城市污水排放、地表径流以及湖泊水生生物的死亡残骸, 部分导致湖泊底泥中营养盐逐步积累, 容易形成内陆湖泊营养盐的内负荷。当入湖营养盐负荷量减少或完全被截污以后, 底泥中的营养盐会逐步被释放出来, 仍然可以发生水体富营养化[12]。武湖表层沉积物中总氮(TN)含量多数在1 719~2 996 mg/kg之间, 最大值为3 517 mg/kg, 最小值为1 190 mg/kg, 均值为2 394 mg/kg; 总磷(TP)含量多数在763~1 076 mg/kg之间, 最大值为1 581 mg/kg, 最小值为641 mg/kg, 均值为935 mg/kg(图2)。与长江中游地区的其他内陆型湖泊相比, 武湖中的氮、磷处于中低含量水平[25]。

图2 武湖表层沉积物总氮(左)和总磷(右)含量分布Fig.2 Distribution of total nitrogen (left) and total phosphorus (right) in surface sedimentary of Wuhu Lake

从武湖表层沉积物总氮和总磷的含量平面分布特征来看(图2), 西北部的含量明显高于东南部。TP的平面分布特征大致与TN一致, 总体是西北高于东南, 高值在中部地区相对较为集中。土地利用对湖泊水质具有重要的影响作用[16], 进而影响沉积物中TN和TP的分布, 农田、建设用地、水产养殖是主要的污染源, 建设用地的增加致使城市地表径流污染增加[15], 坑塘水面和绿地则能够有效地滞留、吸收污染物。从武湖周边的土地利用类型来看, 西部和北部地区以农田和村庄为主, 南部和东部沿岸分布大量的养殖坑塘, 因此城市地表径流和农田是武湖周边TN和TP的主要污染源, 水产养殖污染贡献相对较小。其中TP在西北部和北部局部地区含量较少可能与农业种植的方式有关。该区域以水田为主, 淹水种植导致土壤的通气条件较差, 减弱了土壤有机质的矿化, 水田的土壤易富集有机质[26], 而土壤中的氮素绝大部分为有机结合态, 有机质与氮元素的含量具有一定的相关性, 因此水田附近的湖泊水体易受地表淋虑作用的影响而呈现出较高含量的氮。磷元素在土壤中的吸附也受到有机质的影响, 有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位, 从而减少水田土壤对磷的吸附, 因此旱田附近的湖泊水体磷含量较水田的高。

2.2 有机质的分布特征

沉积物中有机质是重金属、有机物等污染物发生吸附、分配、络合作用的活性物质, 也是反映沉积物有机营养程度的重要标志[27]。武湖表层沉积物中有机质含量范围主要在2.28%~3.9%, 最大值为4.98%, 最小值为1.36%, 平均值为3.18%(图3), 平面上同样表现出西北高、东南低的特点, 大部分高值区集中于西部和西北角, 与总氮分布较为相似, 与总磷差别较大; 这也进一步验证了前文中对于氮、磷的分布特征与有机质含量有关的结论。总体有机质、氮和磷受湖泊周边农田的地表径流的影响, 导致大量岸坡耕作的农田中污染物进入湖泊, 进而导致沉积物中有机质、氮和磷的含量偏高, 局部受农田种植方式的影响, 氮和磷的分布呈现出不同的分布特征。

图3 武湖表层沉积物有机质含量分布Fig.3 Distribution of organic matter in surface sedimentary of Wuhu Lake

2.3 营养盐比值

湖泊沉积物的有机质和总氮的比值(营养盐比值)在一定程度上可以体现沉积物中有机质来源的差异性[28]: 营养盐比值越低, 表示有机质主要来自内源, 如含有较多的蛋白质的藻类、低等水生植物营养盐比值一般小于7; 营养盐比值越高, 则表示有机物主要来自外源性输入, 如维管束陆生植物的营养盐比值通常大于20[29]。武湖表层沉积物营养盐比值为11.19~16.04, 平均值为13.20, 一般东南部较西北部的小, 显示武湖沉积物中有机质为内源水生植物和外源陆生植物的混合, 且东南部偏内源, 西北部偏外源。

武湖表层沉积物中总氮与有机质之间存在着良好的正相关关系(图4), 其相关系数为0.930 8, 表明沉积物中总氮和有机质均有同源性, 因为氮、碳都是生物体的有机组成元素, 在生物体内含量比较恒定。总磷与有机质之间相关性较差, 线性相关系数为0.277 6, 表明武湖表层沉积物中磷主要以无机形态存在, 磷还存在人为活动的来源。

图4 有机质和总氮、总磷的关系Fig.4 Relationship between organic matter and total nitrogen and total phosphorus

2.4 重金属分布特征

武湖表层沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn8种重金属的平均值分别为16.33、0.42、103.70、40.76、0.083、50.73、42.27、113.38mg/kg, 由于目前没有明确的河流沉积物的国家标准, 根据沉积物样品的pH(以6.5≤ pH≤ 7.5为主), 参考土壤环境质量标准(GB15618— 2018)水田农用地风险筛选值, 仅有Cd超过了风险筛选值, 超标率为75.38%, 最大值为风险筛选值的2倍。从表层沉积物8种重金属含量的平面分布特征(图5)来看, 主要表现为4类: Cd、Hg和Pb表现为中间高四周低, Cr、Cu和Ni表现为中间低四周高, As表现为东北高西南低, Zn表现为西南高东北低。从8种重金属的变异系数来看, 仅有Cd达到26.62%, 其余均接近或小于10%, 表明武湖沉积物中重金属沉积主要为湖泊周边的地表径流和北部河流补给的自然因素, 仅Cd受少量的人类活动影响。重金属在武湖北部受河流补给和地表径流后在湖区北部迅速沉积, 被沉积物所吸附形成重金属, 总体为北部高于南部, 局部可能受人为活动的影响。8种重金属的相关性分析结果(表2)表明, Cd与Pb、Cr与Ni、Cu与Zn之间具显著正相关性。

图5-1 武湖表层沉积物重金属含量分布Fig.5-1 Distribution of heavy metals in surface sedimentary of Wuhu Lake

图5-2 武湖表层沉积物重金属含量分布Fig.5-2 Distribution of heavy metals in surface sedimentary of Wuhu Lake

表2 武湖表层沉积物重金属相关系数 Tab.2 Correlation coefficient of heavy metals in surface sedimentary of Wuhu Lake
2.5 重金属污染评价

通过计算武湖表层沉积物8种重金属的地累积指数, 得出沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn元素的地累积指数范围分别为-0.56~0.12、-0.23~1.24、-0.5~-0.17、-0.53~0.04、-1.21~-0.13、-0.42~0.01、-0.31~0.33和-0.53~0.06(图6)。各种重金属的富集程度依次为Cd> Pb> Ni> Zn> As=Cu> Cr> Hg, 其中As、Cr、Cu、Hg、Ni和Zn的地累积指数平均值小于0, 且仅有极少数的样品略超过0, 表明武湖表层沉积物基本上未受到这6种重金属的污染; Cd和Pb平均地累积指数在0~1之间, 表现出轻度污染。值得注意的是, 有19件样品Cd元素地累积指数在1~2之间, 显示出偏中度污染, 主要分布于武湖的中北部。

图6 武湖表层沉积物重金属地累积指数箱图Fig.6 Box plot of heavy metal geo-accumulation index in surface sedimentary of Wuhu Lake

武湖表层沉积物的8种重金属的单项潜在风险指数结果显示, 潜在风险指数的平均值大小排序依次是: Cd(73.07)> Hg(41.45)> As(13.27)> Pb(7.92)> Ni(6.80)> Cu(6.64)> Cr(2.41)> Zn(1.36), 这表明武湖表层沉积物中仅有Cd和Hg具有中等潜在风险, 其余6种重金属为低风险。Cd和Hg是研究区最重要的风险因子: Hg虽然含量较低, 污染程度也不高, 但因其毒性较强致使其具有一定的潜在风险, 而Cd在28件样品中都显示具有较高潜在风险。

武湖表层沉积物8种重金属的综合潜在生态风险指数为96.71~192.96, 平均值为152.91, 研究区表层沉积物具中等重金属潜在生态危害区域略超过半数, 约占53.85%(图7), 无较高和高潜在生态风险区。中等潜在生态风险区与沉积物中Cd的分布高度一致, 该区域沉积物Cd含量均超过了0.41 mg/kg, 空间分布呈现明显分区, 西北部具中等潜在生态风险, 东南部仅有低生态风险。

图7 武湖表层沉积物潜在生态风险指数分布Fig.7 Distribution of potential ecological risk index in surface sedimentary of Wuhu Lake

3 结论

(1)武湖西北部表层沉积物中总氮、总磷和有机质的含量明显高于东南部, 城市地表径流和农田是武湖周边营养元素的主要污染源, 降雨径流导致大量岸坡耕作的农田中的氮、磷和有机物等污染物进入湖泊, 旱地较水田有利于沉积物中总磷的富集。武湖沉积物中有机质为内源水生植物和外源陆生植物的混合, 总氮与有机质呈正相关关系, 显示总氮和有机质均有同源性。

(2)武湖表层沉积物中重金属含量总体较低, 局部地区Cd含量较高; 平面上总体北部高于南部, 主要以湖泊周边的地表径流和北部河流补给后自然沉积为主, 仅有局部地区的Cd受人类活动影响呈现高值。沉积物中仅有Cd和Pb为轻微富集, 表现出轻度污染, 局部Cd为中度污染。武湖沉积物重金属潜在风险较低, 仅有Cd和Hg具中等潜在风险。综合各种重金属潜在风险的研究成果, 研究区表层沉积物潜在生态风险为低-中等, 中等潜在生态风险分布于武湖西北部, 与沉积物中Cd的分布高度一致。

(责任编辑: 沈效群)

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