2019, Vol. 40
2. 上海海洋大学水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室, 上海 201306;
3. 上海海洋大学水产科学国家级实验教学示范中心, 上海 201306;
4. 安徽省水利水电勘测设计院, 合肥 230088
, XU Fan1,2,3 , XIE San-tao4 , GUO Tian-xing1,2,3 , PENG Jiu-zan1,2,3 , LEI Qi1,2,3 , ZHANG Wei1,2,3
, WANG Li-qing1,2,3
2. Key Laboratory of Exploration and Utilization of Aquatic Genetic Resources, Ministry of Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
4. Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Hefei 230088, China
滨湖湿地是湖泊的天然屏障, 具有维持生物多样性、保护生态链、蓄洪防旱、调节水质和降解污染物等重要生态功能[1].近年来, 滨湖湿地受人类活动干扰加剧, 生态环境被严重破坏, 面积逐渐萎缩, 功能逐渐退化, 且出现了水体富营养化和重金属含量超标等现象[2].因此, 滨湖湿地的健康状况与功能恢复引起了社会越来越广泛的关注.
沉积物是湿地生态系统的重要组成部分, 同时也是重金属和营养盐等污染物的主要蓄积库[3].沉积物中的营养盐虽是水生生物生长的必要条件之一[4], 但由于环境条件的改变和水流的扰动, 过量的营养盐常常导致下游水体污染严重并引发富营养化现象; 重金属具有难降解、易积累和毒性大等特点, 且通过二次释放对水质产生持续影响[5].因此, 研究沉积物营养盐和重金属的含量分布, 对了解其对水质的影响和评估湿地生态健康具有重要意义.近年来, 许多学者已对不同类型水体的沉积物进行研究, 例如一些浅水湖泊[6~8]、河流[9, 10]、滨海湿地[11~13]、内陆天然湿地[14~16]和水库[17, 18]等.然而, 对于大型浅水湖泊入湖口滨湖湿地的研究还鲜有报道.
十八联圩湿地位于合肥市肥东县, 紧靠南淝河入巢湖口, 总面积约为27.6 km2, 是一个从2016年开始经过“退耕还湿”初步形成的大型人工湿地.该区域在“退耕”前, 有多个村落, 主要有在滨湖区围垦形成的农田、养殖池塘(曾拥有2814渔场等水产养殖产业)和小型加工厂, 受人为干扰严重.巢湖自20世纪80年代以来, 富营养化的问题愈演愈烈, 已成为国家水污染的重点治理对象之一[19, 20].十八联圩湿地的建成, 将有助于削减南淝河入巢湖的污染负荷, 保护巢湖生物多样性, 并可能成为缓冲巢湖洪水的“前置库”[21, 22].目前, 该湿地处于初步形成阶段, 未有外来污水进入; 对该湿地生态系统健康状况的整体认知比较缺乏, 而涉及沉积物中营养盐和重金属含量的本底研究更是尚未开展.
本文根据十八联圩湿地的地理特征, 将其分为湿地内部水体和外部水体, 对表层沉积物营养盐和重金属含量的分布特征进行研究, 并对沉积物营养盐和重金属污染的潜在生态风险进行评价, 同时对其污染来源进行了分析, 以期为后续十八联圩湿地发挥削减巢湖污染负荷和保护物种多样性等功能提供基础资料.
1 材料与方法 1.1 采样点布设本研究于2018年7月对十八联圩湿地采用全球定位系统(GPS)设定72个采样位点(见图 1), 包括池塘、农田沟渠、河道和湖滨等有代表性的位点.其中, 在湿地内部水体布置了47个断面, 包含了51个采样点(1~51号), 包括一道撇洪沟、姚埠圩十字沟、兴隆桥大河、店子口大河以及原2814渔场等重要水域; 外部水体由南淝河、巢湖滨水区、二道撇洪沟以及沙河这4个重要水域构成, 共设置10个断面, 包含了21个采样点(52~72号).
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图 1 十八联圩湿地表层沉积物采样位点示意 Fig. 1 Sampling sites for surface sediments of the Shibalianwei Wetland |
利用彼得森采泥器, 采集水底0~15 cm表层沉积物样品, 取中部样品放入干净的自封袋内冷藏储存并运回实验室, 挑出杂物后将样品风干并研磨过80目筛, 继而进行营养盐和重金属的测定.沉积物总氮(TN)和总磷(TP)分别采用半微量法和钼锑抗比色法测定, 有机质(OM)测定采用灼烧法; 重金属经HNO3-HClO4消解后, Cu、Pb、Cd、Cr和Mn利用原子吸收仪PinAA 900T, As和Hg分别采用原子荧光光度计AFS-9130和AFS-9230进行分析测试[23].
1.3 数据处理与分析在Excel 2016中进行数据的记录和处理; 采用ArcGIS 10.2的柱状图描述沉积物营养盐和重金属的空间分布特征; 采用Origin 2017对表层沉积物营养盐污染指数、有机污染指数、重金属潜在生态风险指数和潜在生态风险系数的图表进行绘制; 利用SPSS 17中Pearson相关性分析方法检验沉积物营养盐和重金属之间的相关性.
1.4 环境风险评价方法 1.4.1 营养盐污染评价方法利用单因素污染指数法和综合污染指数法[24]对沉积物氮磷营养盐的污染程度进行评价.其计算公式为：
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式中, Si为单因子评价指数或标准指数, Si大于1表示因子i含量超过评价标准值, Ci为因子i的实测值; Cs为因子i的评价标准值. TN的标准值取1 000 mg ·kg-1, TP的标准值Cs值取420 mg ·kg-1[9]. F为n项污染指数平均值(STN和STP的平均值); Fmax为最大单因子污染指数(STN和STP中最大者).单因素污染程度和综合污染程度评价标准见表 1.
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表 1 沉积物营养盐污染程度评价标准[10] Table 1 Assessment standards for the degree of nutrient pollution for sediments |
1.4.2 有机污染指数评价
有机污染指数[17]通常作为评价水体沉积物环境质量的指标之一, 评价标准见表 2.其计算公式为：
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表 2 沉积物有机污染指数评价标准 Table 2 Assessment standards for the organic pollution index for sediments |
式中, OI为有机指数, %; OC为有机碳, %; ON为有机氮, %.
1.4.3 重金属潜在生态风险评价方法采用Hakanson[25]提出的沉积物污染评价法对十八联圩湿地表层沉积物重金属含量进行潜在生态风险评价.其计算公式为：
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式中, RI为潜在生态风险指数; Eri为第i种元素的潜在生态风险系数; Tri为第i种元素的毒性相应系数; cri为第i种元素的污染指数; ci为底泥中第i种元素的实测值; cni为第i种元素的背景值.合肥市重金属的背景值[26]和毒性系数[27]见表 3, 重金属潜在生态风险程度评价标准见表 4.
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表 3 重金属评价背景值和毒性系数 Table 3 Reference values and toxicity coefficients of heavy metals |
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表 4 沉积物重金属潜在生态风险程度评价标准[7] Table 4 Assessment standards of the degree of potential ecological risk of heavy metals in sediments |
2 结果与分析 2.1 沉积物营养盐的空间分布特征
十八联圩湿地内部水体沉积物营养盐含量在各采样点之间存在较大的差异(见图 2).其中, TN含量的变幅为42.66~25 042.89 mg ·kg-1, 平均值为2 108.87 mg ·kg-1, 最高值出现在36号(兴隆桥河). TP变幅为378.02~5 267.06 mg ·kg-1, 平均值为1 448.82 mg ·kg-1, 最高值出现在4号(姚埠东河).原2814渔场(包括12~15、25和26号)区域TN和TP平均含量最高, 分别为935.58 mg ·kg-1和3 082.95 mg ·kg-1.湿地外部水体TN平均含量为2 305.81 mg ·kg-1, 是内部水体的1.09倍; TP平均含量为1 268.46 mg ·kg-1, 内部水体TP平均含量是其1.14倍.
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图 2 十八联圩湿地表层沉积物营养盐的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of nutrients in surface sediments of the Shibalianwei Wetland |
在湿地内部水体中, 沉积物OM含量主要呈现为中间比外围高, 北部比南部高的趋势. OM变幅为24.0~196.0 g ·kg-1, 平均值为86.2 g ·kg-1, 最高值出现在20号(姚埠圩十字沟), 含量较高区域集中在姚埠圩十字沟附近原2814渔场、兴隆桥大河及附近养殖水体、农田沟渠和池塘等类型水体中.其中, 原2814渔场区域OM平均含量最高, 达到146.8 g ·kg-1.然而, 外部水体OM平均含量为59.9 g ·kg-1, 仅为内部水体的0.69倍.
2.2 沉积物重金属的空间分布特征由十八联圩湿地水体的重金属含量分布可知, 各采样点的重金属含量同样存在着很大的差异(见图 3).重金属Mn、Cr、Cu、Pb、Cd、As和Hg在内部水体中的范围分别为：173.30~1 635.95、11.75~308.36、6.37~58.39、10.23~42.37、0.04~2.65、1.61~13.20和0.004~0.461 mg ·kg-1, 高低顺序为Mn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg; 在外部水体中的范围分别为：83.95~992.95、11.70~175.96、9.13~45.11、12.87~67.40、0.90~7.69、2.70~14.40和0.005~0.203 mg ·kg-1, 高低顺序为Mn>Cr>Pb>Cu>As>Cd>Hg.其中Mn、Cr和Hg含量均为内部水体>外部水体, 其余元素含量均为外部水体>内部水体.在湿地内, Mn含量的较高值主要分布在一道撇洪沟及池塘(4~7、10和11号); Cr含量的较高值主要分布在一道撇洪沟与姚埠圩十字沟交界处和七甲圩(5~8和49~51号); Cu含量的较高值主要分布在兴隆河大桥北部的河流与池塘(1、4~6和10~14号); Pb和As含量的较高值主要分布在一道撇洪沟与姚埠圩十字沟北部的养殖水体(1、5、6、10、11和32号); Cd含量的较高值主要分布在一道撇洪沟、姚埠圩的养殖水体和七甲圩的河流(1~3、11~14、50和51号); Hg含量的较高值主要分布在一道撇洪沟与姚埠圩十字沟交界处和长圩的池塘(4、8、22、24、47和49号).
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图 3 十八联圩湿地表层沉积物重金属的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of heavy metals in surface sediments of the Shibalianwei Wetland |
由表 5和表 6可知, 在十八联圩湿地内部水体表层沉积物中, TP含量和OM含量与Cu呈极显著正相关(P < 0.01), 且OM含量与Pb呈显著正相关(P < 0.05), 而TN含量与重金属的相关性并不明显; 在湿地外部水体表层沉积物中, TN含量与Mn呈极显著正相关, TP含量与Cu和Pb呈极显著正相关(P < 0.01), 与As呈显著正相关(P < 0.05), 而OM含量与重金属的相关性并不明显.整体而言, TN、TP和OM含量与As均呈正相关.
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表 5 十八联圩湿地内部水体沉积物营养盐与重金属的相关性1)(N =51) Table 5 Correlation between nutrients and heavy metals in surface sediments of the internal water of Shibalianwei Wetland |
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表 6 十八联圩湿地外部水体沉积物营养盐与重金属的相关性1)(N =21) Table 6 Correlation between nutrients and heavy metals in surface sediments of the external water of Shibalianwei Wetland |
2.4 沉积物营养盐污染指数评价
十八联圩湿地沉积物营养盐STN、STP、FF和OI评价各位点污染等级百分比组成见图 4.湿地内部水体沉积物STN范围为0.05~27.28, 平均值为2.30; STP范围为0.55~7.69, 平均值为2.12. 11.76%的采样点TN含量处于重度污染, 1.96%为轻度污染, 其余为清洁; 而TP的污染情况明显劣于TN, 53%的采样点为重度污染, 12%为中度污染, 其余均为轻度污染.湿地外部水体STN平均值为2.51, 重度污染的比例达到33%; STP平均值为1.85, 重度污染的比例达到52%.相比较而言, 湿地内TN的污染水平相对较低, 而TP的污染水平相对较高.根据综合污染指数评价方法来看, 湿地内FF达到重度污染比例为41.18%, 中度污染和轻度污染的采样点比例均为11.76%;而在湿地外FF达到污染程度的比例超过内部水体, 为81%.有机污染指数OI在湿地内范围为0.01%~12.97%, 平均值为1.09%, 处于中度至重度污染的占49.02%;而湿地外部水体中度至重度污染的占61.90%, 远高于内部水体.
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图 4 十八联圩湿地表层沉积物STN、STP、FF和OI的污染等级百分比 Fig. 4 Percentage of different degrees of pollution in surface sediments of the Shibalianwei Wetland based on STN, STP, FF, and OI |
十八联圩湿地沉积物重金属Eri和RI见图 5.根据重金属的潜在生态风险系数评价标准, 可得出重金属Mn、Pb、Cu、As和Cr均处于轻微风险程度.在内部水体中, 重金属Cd有12%的位点达到极强风险程度, 小于Cd在外部水体中的污染程度：均达到了很强或极强的风险程度; 重金属Hg在8号(姚埠东河)和47号(长圩)两个位点达到极强生态风险程度.重金属对RI的平均贡献大小依次为：Hg>Cd>As>Pb=Cu>Cr>Mn.湿地内部水体沉积物重金属RI变幅为62.33~856.21, 平均值为283.43, 有6%的位点处于很强生态风险, 处于强生态风险程度的位点达到31%, 其余基本处于强生态风险以下; 而湿地外部水体沉积物重金属RI平均值为833.27, 最高达2 403.17, 均处于强生态风险以上, 约一半的位点处于很强风险程度, 其中南淝河有3个位点(62、64和68号)达到了极强生态风险, 占外部水体的14%.
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>A：极强; A~B：很强; B~C：强; C~D：中等; ＜D：轻微；a：梅龙坝; b：一道撇洪沟; c：李六村、孙合村、洪葛村区域; d：2814渔场; e：姚埠圩; f：马新圩; g：秀才圩; h：黄夏村; i：兴隆桥大河; j：店子口大河; k：草沙区域; l：长圩; m：七甲圩; n：巢湖滨水; o：沙河; p：南淝河; q：二道撇洪沟 图 5 十八联圩湿地表层沉积物重金属潜在生态风险系数和潜在生态风险指数 Fig. 5 Potential ecological risk coefficient (Eir) and potential ecological risk index (RI) of heavy metals in surface sediments of the Shibalianwei Wetland |
十八联圩湿地内部水体中, 沉积物的营养盐含量相对较高(见表 7). TN平均含量高于北方的内蒙古乌梁素海、天津海河和山东天鹅湖, 南方的云南程海和广东珠江口以及邻近的江苏太湖、洪泽湖、张家港河和湖北洞庭湖, 甚至高于2014年调查合肥巢湖全湖区的营养盐含量, 而低于南方的云南滇池和广东高州水库以及邻近的江苏天目湖和滆湖; TP平均含量仅低于云南滇池, 而高于其余水体.相比较而言, 大型湖泊和水库等水体类型, 水流速度较慢易引起营养盐的沉积; 受人为干扰严重的水体, 营养盐含量相对较高.根据STN、STP和FF评价结果来看, 湿地内TN整体处于轻度至中度污染水平, TP整体处于重度污染水平, 营养盐整体处于中度至重度污染水平.结合实地调查结果, 分析得出十八联圩湿地内部水体沉积物的营养盐来源主要分为4方面：水产养殖业和稻田种植、农村生活污水的排放、水草的死亡腐烂以及沟渠、河道等连接不畅.有研究表明, 水产养殖中, 鱼类仅能吸收饲料中30%的磷, 其余均可以游离或颗粒状态残留在水中, 最后沉积于底泥[11].农药化肥的使用, 最终也会通过降雨和径流进入河道中, 增加水中氮和磷含量[28].湿地内曾拥有2814渔场和大量农田, 这可能是沉积物中氮和磷含量较高的主要原因.同时, 生活污水的无序处置, 也会增加了水系统中氮磷营养盐的含量[7].调查发现, 湿地内小型水系中挺水植物较多, 特别是生物入侵种如双穗雀稗和空心莲子草等分布广, 生物量大, 导致河道淤塞; 且覆盖度过高易引起水体溶解氧的耗竭, 植物腐败会释放大量的氮磷物质, 继而沉降累积于沉积物中[29].湿地内河道也常年无人管制及清淤, 导致内部沟渠连接不畅, 水流缓慢, 水体的自净能力较弱[30].
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表 7 不同类型水体表层沉积物平均TN和TP含量对比 Table 7 Comparison of mean TN and TP contents in the surface sediments from different types of water bodies |
由表 8可知, 与其他湿地相比, 十八联圩湿地内水体表层沉积物中的OM含量较高.根据OI评价结果来看, OM整体处于中度至重度污染水平.水体沉积物的OM来源又广又杂, 既包含水体自身所产生的OM, 如细菌等微生物、非维管束植物和含维管束的水生植物等[29], 也包括外源性输入的OM[32].沉积物不但可以储存OM, 也是OM矿化最直接的场所[33, 34].
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表 8 不同湿地表层沉积物OM含量对比 Table 8 Comparison of mean organic matter content in the surface sediments from different wetlands |
在沉积物重金属方面, 十八联圩湿地内部水体重金属含量整体而言与其他湿地相差不大(见表 9).重金属Hg和Cd污染最为严重, 37%的位点的生态风险指数处于强生态风险以上.单丹[39]对向海湿地的研究同样发现, Cd属于极重度污染, 污染范围大, 浓度高, 具有较高的释放风险和毒性效应; Bai等[40]的研究也发现, 湿地中Cd含量最大, 且Cd易通过食物链产生富集作用, 影响附近生物及居民[12]. Feng等[41]的研究发现, Hg具有比Cd更高的毒性效应, 其释放风险和污染性更强.结合实地调查结果, 分析得出十八联圩湿地内部水体沉积物的重金属来源主要由于“退耕还湿”前村民的生产生活过程中所产生的污染物, 包括生活污水、稻田种植和施肥除草等产生的面源性污染以及少量工业废水的无序排放.有研究表明, 农药残留随径流流入水体, 并转移至沉积物中, 导致沉积物中的As与Cd含量升高[42]; 而Hg可能来自于水泥产品、冶金活动或处理和焚化废物等[43]; 且水体中的OM会增加沉积物对重金属的吸附转化[42].根据刘朋超等[43]对长江流域重金属污染的研究来看, 巢湖的Hg污染程度较为严重.
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表 9 不同湿地表层沉积物重金属含量背景值/mg ·kg-1 Table 9 Background values of heavy metals in surface sediments of different wetlands/mg ·kg-1 |
沉积物营养盐和重金属的含量和来源常常呈一定的相关关系[48].在十八联圩湿地内部水体表层沉积物中, TP和OM与Cu的相关性均达到极显著水平, 由于OM在沉积物氮和磷迁移转化等地球化学行为中起着至关重要的作用[49], OM和TP具有显著相关性, 这同样被张华俊等[50]在研究鹤地水库沉积物营养盐时报道.结合实地调查结果, Cu的主要来源为含铜农药和小型加工坊, 这与村民耕作和生活燃煤等关系密切[51].于佳佳等[52]研究太湖流域沉积物重金属中发现, Cu与As的相关性显著, 原因是它们具有相似的污染来源.李冰等[53]研究丹江口水库表层沉积物营养盐与重金属的相关性发现, TN与Mn呈极显著性正相关关系, 与Cu呈正相关; TP与Cr、Mn、Cu和Pb呈正相关关系; OM与Mn和Cu均呈正相关关系, 该研究结果与湿地外部水体表层沉积物中两者间的相关性情况一致, 说明TN、TP和OM与这4种重金属具有同源性, 可能来自同一污染.
根据对十八联圩湿地的生态风险评价, 人工湿地的建设及功能的呈现需要进一步的整治和管理.有研究表明, 底泥疏浚虽能在一定程度上降低表层沉积物中的营养物质和重金属含量, 但是疏浚方式的建立和潜在的生态风险均需在疏浚目标污染物时进行评估[7].目前, 许多研究表明, 生态修复的手段能良好地改善污染风险较高位点的生境, 例如种植水生植物法、人工浮床法、微生物修复法和水生动物操纵法等[54].对于十八联圩湿地, 关于营养盐, 可利用生态清淤与湿地生态农业相结合的方式, 先对淤积严重或沉积物营养程度较高的水体进行清淤, 继而种植湿地经济植物; 同时, 贯通水系, 增加水体流通性, 加强营养物质的循环; 特别在引入外源营养物质时, 应首先评价湿地系统的生态承载力.关于重金属, 建议取消投饵型和粗放式的养殖模式; 加大退耕护岸林和退耕还湿的力度, 减少或精致化肥的使用; 关注及控制高毒性系数的重金属使用和排放, 配合对南淝河等外部水体合理清淤, 防止重金属迁入巢湖.
4 结论(1) 十八联圩湿地内部水体TN处于轻度至中度污染; TP处于重度污染; 营养盐处于中度至重度污染; OM处于中度至重度污染.其中, 养殖水体(原2814渔场)的TN、TP和OM平均含量均为最高.湿地外部水体营养盐污染同样比较严重.
(2) 十八联圩湿地重金属对RI的平均贡献大小依次为：Hg>Cd>As>Pb=Cu>Cr>Mn.在湿地内, Cd与Hg均有一定的生态风险; 在湿地外, 重金属污染严重, 均达到强生态风险以上.
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