太湖东部湖区不同湖湾间环境差异明显,其中胥口湾为草型湖区,水生植被丰富,水质清澈; 而东太湖作为上海、 苏州等城市的重要水源地的同时,其湖湾内迅速发展的网围养殖也带来一系列水体环境问题^[15]. 东太湖和胥口湾近年均实施了局部湖区底泥生态疏浚工程,据此于2012年2月,在东太湖(D₁、 D₂、 D₃)和胥口湾(X₁、 X₂)共设置5个采样点(图 1). 东部湖区各点位疏浚工程的实施时间为2003、 2004和2010年,采用环保绞吸式挖泥船进行疏浚,工程疏浚深度为20~30 cm(表 1). 在每个采样点随机采集0~5 cm的表层沉积物各3份,将3份样品混合,作为该采样点表层沉积物的代表性样品; 同时,使用柱状采泥器(内径8 cm)采集0~20 cm的柱状样,密封后带回实验室以2 cm间距进行分样. 样品自然风干,研磨后过100目筛,待测定.

图 1

Fig. 1

图 1 太湖东部疏浚湖区采样点分布示意Fig. 1 Sampling sites for the sediments in the eastern dredging region of Lake Taihu

表 1(Table 1)

表 1 太湖东部疏浚湖区点位描述与底泥理化特性 Table 1 Description of sampling sites and physicochemical properties in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu 点位 湖区 疏浚时间 疏浚深度/cm 水草生物量/kg·m-2 ρb/g·cm-3 TOC/g·kg-1 TN/g·kg-1 TP/g·kg-1 D1 东太湖 未疏浚 / 1.13 0.49 33.38 3.63 0.64 D2 东太湖 2010年 20 0.83 1.02 5.48 0.69 0.42 D3 东太湖 2004年 30 4.44 0.56 13.80 1.82 0.58 X1 胥口湾 未疏浚 / 9.61 0.88 12.17 1.18 0.50 X2 胥口湾 2003年 30 2.89 0.82 5.58 0.63 0.49

表 1 太湖东部疏浚湖区点位描述与底泥理化特性 Table 1 Description of sampling sites and physicochemical properties in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu

沉积物待测样品采用HNO₃-HF-HClO₄法进行消解,重金属元素铬(Cr)、 铜(Cu)、 镍(Ni)、 铅(Pb)、 锌(Zn)和总磷(TP)采用ICP-AES原子发射光谱仪测定; 镉(Cd)采用石墨炉原子吸收分光光度法测定. AFS原子荧光光谱仪测定. 沉积物总有机碳(TOC)、 总氮(TN)采用CE440 型元素分析仪测定; 干容重(ρ/b)采用环刀法测定,利用环刀取样称重后放入烘箱,105~110℃烘干6~8 h后再称重计算. 样品测试过程中,均加入国家标准土壤参比物质(GBW-07404)进行质量控制,样品分析误差均小于10%,分析结果符合质控要求. 实验所用试剂均为优级纯,实验用水为超纯水.

本研究采用瑞典学者Hakanson^[16]于1980 年提出的潜在生态风险指数法(risk index,RI)对沉积物重金属进行生态风险评估. 该方法综合考虑了沉积物中重金属的毒性、 生态效应与环境效应,并采用具有可比的、 等价属性指数分级法进行评价,定量地区分出潜在生态危害程度,已成为目前沉积物重金属污染质量评价中应用广泛的一种方法. 计算公式为:

计算潜在生态风险指数RI时,一般选择全球工业化以前的沉积物重金属最高值或当地沉积物的背景值为参考值. 污染物背景值的地区性强,以当地重金属背景值为参比值可以相对定性地反映出底泥的污染程度^[17]. 本研究采用江苏省土壤重金属背景值^[18]作为参比(表 2),对太湖东部疏浚湖区的底泥重金属潜在生态风险进行评价. 重金属参比值C^ri、 毒性响应系数Tri与潜在生态风险指数等级划分标准如表 2、表 3所示^[14]. 数据分析采用Microsoft Excel 2007和SPSS(11.5)统计软件.

表 2(Table 2)

表 2 重金属的参比值Cir和毒性响应系数Tri Table 2 ReferencesCir and toxic coefficientTri of different heavy metals 项目 As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn 参比值Cir/mg·kg-1 10.00 0.13 77.80 22.30 0.29 26.70 26.20 62.60 毒性系数Tri 10 30 2 5 40 5 5 1

表 2 重金属的参比值Cir和毒性响应系数Tri Table 2 ReferencesCir and toxic coefficientTri of different heavy metals

表 3(Table 3)

表 3 潜在生态风险指数等级划分 Table 3 Classification of potential ecological risk index 单一污染物潜在生态风险系数Eir 潜在生态风险指数RI 阈值区间 生态风险程度 阈值区间 生态风险程度 Eir40 轻微 RI150 轻微 40≤Eir80 中等 150≤RI300 中等 80≤Eir160 强 300≤RI600 强 160≤Eir320 很强 RI≥600 很强 Eir≥320 极强

表 3 潜在生态风险指数等级划分 Table 3 Classification of potential ecological risk index

底泥营养盐的释放是影响湖泊富营养状态的重要因素,分析沉积物中有机质及氮磷含量的变化,有助于了解营养盐的迁移转化过程以及重金属的来源与分布规律^[19]. 太湖东部疏浚湖区沉积物的理化特征见表 1和图 2. 研究区表层沉积物中TOC、 TN和TP含量分别介于5.48~33.38、 0.63~3.63和0.42~0.64 g·kg^-1之间,且整体上东太湖养殖湖区的有机碳及氮磷含量高于胥口湾草型湖区. 东太湖是太湖水产养殖发达地区,该湖区渔网密布,加上河蟹养殖所需的大量沉水植物衰亡后分解,水体及沉积物受面源营养盐污染较为严重^[15].

底泥疏浚能有效去除东部清淤湖区表层沉积物中的营养盐含量,其中东太湖疏浚点位D₂、 D₃的TOC、 TN和TP含量均低于未疏浚的D₁,胥口湾中疏浚点位X₂低于未疏浚的X₁. 疏浚时间对表层沉积物碳、 氮含量亦有显著影响. 其中疏浚时间较长的D₃,[JP2]有机质重新积累,其沉积物中的TOC含量达13.80 g·kg^-1; 而2010年新疏浚点位D₂的TOC含量较低,仅为D₃的39.7%. 从图 2可看出,各点位沉积物理化性质在垂直剖面上的分布趋势存在明显差别. 东太湖未疏浚点位D₁,其表层0~10 cm的TOC、 TN含量为32.58~40.49 g·kg^-1,而疏浚点位D₂、 D₃在相同深度的TOC、 TN含量明显低于D₁,分布范围仅为1.93~14.50 g·kg^-1,可见底泥疏浚能显著去除湖底的表层浮泥及沉积物中的营养盐含量. 与东太湖相比,疏浚对胥口湾底泥中碳、 氮的整体去除效果并不明显,除表层0~2 cm外,X₁沉积物中的TOC、 TN[LL]和TP含量与X₂在垂向分布上接近,这主要与草型湖区底泥的营养盐负荷较低相关^[20].

图 2

Fig. 2

图 2 太湖东部疏浚湖区底泥中TOC、 TN、 TP 和容重ρb的垂向分布Fig. 2 Vertical distributions of TOC, TN, TP andρb in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu

对太湖东部疏浚湖区沉积物样品中 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb和Zn这8种重金属进行测定,重金属含量及其垂向分布特征如表 4和图 3所示. 东部湖区未疏浚点位D₁和X₁表层沉积物中重金属的平均含量由高到低依次为Zn>Cr>Pb>Ni>Cu>As>Cd>Hg,其中Cr、 Hg平均含量低于太湖沉积物背景值,As与背景值相近,Cd、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn则高于背景值. 自1980年代以来,太湖流域经济快速发展,一些工农业生产活动包括金属冶炼加工、 化石燃料燃烧以及工业废水和城市生活污水排放等,均可导致Cu、 Ni、 Zn等重金属进入水体环境并在底泥中沉积和富集^[19]. 东部未疏浚湖区重金属Cd 的污染最为严重,其含量平均值高出背景值约3.0倍,随着太湖周边电镀、 塑料稳定剂和电子工业的不断发展,大量含Cd废水排入湖泊而造成Cd污染^[21]. 底泥中Pb含量较高的原因则可能与太湖航运以及汽车等排放的含Pb尾气的大气沉降相关. 但东太湖与胥口湾等东部湖区与太湖北部、 西部湖区相比,其重金属含量相对较低,表明东部湖区受人类活动的影响较小,重金属污染程度较轻^[14,19].

从表 4可以看出,底泥疏浚能够显著降低表层沉积物中的重金属含量. 对于疏浚过的点位D₂、 D₃和X₂,所测定的各重金属元素含量总体上均低于未疏浚的D₁和X₁. 以重金属Cd为例,D₂、 D₃沉积物中的Cd含量仅为D₁的21.0%和44.3%,X₂中的Cd含量则为X₁的31.7%. 而姜霞等^[22]在太湖北部梅梁湾底泥疏浚的研究中发现疏浚后沉积物中的重金属含量降低了32%~51%,这与本次东部疏浚湖区的调查结果相似. 在水生生态系统中,由于重金属具有环境持久性且能够在水生生物中富集放大,是水环境中重要的污染物,而底泥疏浚能够有效地削减沉积物中重金属含量,减少重金属在水土界面的释放通量^[23]. 但在太湖东部湖区,底泥疏浚对重金属的去除效果随疏浚结束时间的推移逐渐减弱,2004年进行过底泥疏浚的D₃,其沉积物中的重金属含量明显高于2010年新疏浚的点位D₂. 疏浚工程结束后,水体中的重金属污染物可以随悬浮颗粒物一起沉降到湖泊底部,或被疏浚后的表层沉积物直接吸附,因此D₃经过较长时间的积累后,重金属污染物重新在疏浚湖区的表层底泥中富集^[23]

表 4(Table 4)

表 4 太湖东部疏浚湖区表层沉积物重金属含量与潜在生态风险指数 Table 4 Heavy metal contents and potential ecological risk index in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu 点位 重金属含量/mg·kg-1 潜在生态风险系数Eri RI As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn D1 12.86 0.50 59.25 25.18 0.11 27.55 30.99 87.75 12.9 120.2 1.5 5.6 15.3 5.2 5.9 1.4 168.0 D2 9.31 0.11 46.31 12.04 0.06 16.36 17.03 42.75 9.3 25.3 1.2 2.7 8.5 3.1 3.2 0.7 54.0 D3 10.53 0.22 68.00 21.87 0.08 28.53 24.05 74.81 10.5 53.3 1.7 4.9 11.5 5.3 4.6 1.2 93.1 X1 12.67 0.51 86.65 30.90 0.10 37.04 36.41 104.26 12.7 120.4 2.2 6.9 14.0 6.9 6.9 1.7 171.8 X2 10.37 0.16 69.07 20.51 0.07 28.99 17.02 72.10 10.4 38.2 1.8 4.6 10.2 5.4 3.2 1.2 75.0 平均 11.15 0.30 65.86 22.10 0.09 27.69 25.10 76.33 11.1 71.5 1.69 4.96 11.90 5.19 4.79 1.22 112.3

表 4 太湖东部疏浚湖区表层沉积物重金属含量与潜在生态风险指数 Table 4 Heavy metal contents and potential ecological risk index in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu

沉积物重金属含量在垂向上的分布趋势如图 3所示. 未疏浚点位D₁、 X₁的沉积物剖面中,重金属As、 Cd、 Hg的含量自表向下呈下降趋势,表明这几种元素在沉积物表层富集较多. 完成底泥疏浚的点位D₂、 D₃和X₂,各金属元素在垂向分布上基本保持稳定; 仅D₂在表层0~4 cm间表现出较为明显的重金属积累现象. 与表层沉积物的重金属分布趋势一致,底泥疏浚亦显著降低了柱状沉积物中的重金属含量. 疏浚点位D₂、 D₃和X₂的重金属元素含量在垂向上基本均低于各自的对照组D₁和X₁. 值得关注的是,在垂直剖面上草型湖区胥口湾X₁的重金属含量最高,且整体上略高于东太湖的D₁,这与其底泥营养盐含量的分布特征存在明显差别. 胥口湾水生植物丰富,但附近有太湖重要航道经过,湖泊沉积物可以通过水生植被的生物化学过程将船舶等排放到水体中的重金属吸附,并随着水生植物的腐烂分解在底泥中沉积和富集^[24,25]

图 3

Fig.3

图 3 太湖东部疏浚湖区底泥中重金属含量的垂向分布Fig. 3 Vertical distributions of heavy metal contents in sediments of the eastern dredging region of Lake Taihu

太湖东部疏浚湖区所测柱状沉积物重金属元素之间的相关系数如表 5所示. 可以看出,8种重金属之间均呈极显著正相关关系,表明各金属元素间关系密切且具有较好的同源性. 有研究认为,一定区域内的沉积物重金属元素含量及其之间的比率相对稳定,当沉积物的来源相同或相似时,其重金属元素之间具有显著的相关性,且通过对重金属元素及沉积物理化特征参数之间的相关性分析,可以确定沉积物中重金属的来源及其含量变化的控制因素^[26]. 从表 5的分析发现,沉积物中的重金属元素与底泥营养盐含量具有较为密切的关系,除元素Cr、 Ni外,As等6种金属元素均与沉积物TOC、 TN和TP达到显著正相关. 这表明沉积物中有机质与重金属在水环境中的行为存在密切关系,重金属可以通过表面吸附、 阳离子交换及螯合反应等吸附于颗粒沉积物中^[27],例如沉积物中Hg与TOC、 TN的相关性最高,显示出Hg与沉积物中的有机质具有较强的结合力. 李玉等^[28]在胶州湾的研究结果也认为,沉积物中有机质的存在是影响重金属分布与富集的重要因子.