2024, Vol. 45
2. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
3. 北京市科学技术研究院分析测试研究所（北京市理化分析测试中心）, 北京 100094;
4. 江西省林业科学院湿地生态资源研究中心, 南昌 330032
, SUN Chen1,2 , BI Jia-le1,2 , ZHANG Bo-tao2
, LIU Yan3 , SHAO Peng3 , LIU Tong1,2 , WANG Sheng-rui2 , ZHONG Wen-jun4
2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
3. Institute of Analysis and Testing, Beijing Academy of Science and Technology(Beijing Center for Physical & Chemical Analysis), Beijing 100094, China;
4. Wetland Ecological Resources Research Center, Jiangxi Academy of Forestry, Nanchang 330032, China
多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs）是一类含有2个及以上苯环的芳香烃类化合物, 是重要的有机化工基础原料, 主要应用于医药品制造、染料、塑料制品、杀虫剂、橡胶以及油漆等.其来源分为自然源和人为源：自然源主要来自陆地、水生植物和微生物的生物合成过程, 另外森林和草原的天然火灾及火山的喷发物和化石燃料、木质素和底泥中也存在PAHs；与自然源相比, 人为源是PAHs最为主要的来源, 主要包括各种矿物燃料（如煤、石油和天然气等）、木材、纸以及其他含碳氢化合物的不完全燃烧以及车辆和船舶运输中尾气的排放等[1, 2].由于PAHs具有辛醇-水分配系数大、溶沸点高、溶解度小、亲脂性强、蒸气压大和易挥发等特点, 导致其容易在不同的环境介质中积累, 并可随大气沉降进行远距离迁移[3].又因PAHs具有潜在毒性、致癌性、致突变性和生物蓄积性[4], 可通过摄入、皮肤吸收和吸入等方式进入人体从而影响人类健康, 因此根据PAHs的危害性, 美国环保署（United States Environmental Protection Agency, US EPA）于1976年将16种PAHs列为优先控制污染物[5], 我国也将7种PAHs列入优先控制污染物名单.
鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊, 也是我国最大的淡水湖, 位于长江中下游南岸, 江西省中北部, 位于东经115°49′~116°46′、北纬28°24′~29°46′之间.鄱阳湖承纳赣江、抚河、信江、饶河和修河等五大河及博阳河、漳田河和潼津河等小支流之来水, 构成完整的鄱阳湖水系[6], 经湖口注入长江.鄱阳湖水系呈辐射状, 其流域面积162 225 km2, 约占长江流域面积的9%, 涉及赣、湘、闽、浙和皖等5省, 其中江西省境内面积15.67万km2, 占整个鄱阳湖水系的96.6%.鄱阳湖的多年平均注入长江的水量为1 436亿m³, 约占长江干流多年平均径流量的15.6%, 其水量超过黄、淮和海三河入海水总和[7].鄱阳湖湖面随季节变化, 最大水深29.19 m, 平均水深5.1 m, 水位落差大（7 m以上）, 是典型的过水性、吞吐型和季节性湖泊, 具有“高水湖相、低水河相”, “洪水一片、枯水一线”的自然地理特征[8].
本课题组研究了鄱阳湖1996~2016年间湖体与出入湖河流之间水质的关联性[9], 发现湖体与5条主要支流的总氮和总磷之间存在较强的相关性；区铭亮等[10]对鄱阳湖5条主要支流重金属出入湖通量进行了研究, 发现湖体与支流的重金属含量之间存在较强相关性；Wang等[11, 12]采用去趋势交叉互相关分析及重标度极差分析对鄱阳湖进出口高锰酸盐指数进行了研究, 结果表明湖体与出入湖河流高锰酸盐指数之间存在明显相关性.Zhang等[13]研究了鄱阳湖雨季和旱季不同环境介质（土壤、水、空气和沉积物）中PAHs的时空分布情况, 并使用特征分子比值法对PAHs进行源解析研究；Li等[14]使用特征分子比值法和正定矩阵因子分解模型法对鄱阳湖表层及柱状沉积物样品中PAHs进行研究, 分析了鄱阳湖PAHs的潜在来源.通过文献调研发现, 目前缺乏对鄱阳湖入湖河流和湖体PAHs之间关系和鄱阳湖PAHs时空分布的研究.探讨其与经济发展之间关系, 将对研究区的环境管理及其环境修复工作具有重要的指导价值.
基于此, 本文以鄱阳湖及其入湖河流为研究对象, 研究表层和柱状沉积物中的PAHs含量、组成和分布特征, 探究其与人类活动之间的关系.根据鄱阳湖的地势和水文特征等对鄱阳湖进行区域划分, 利用皮尔逊相关性分析研究各入湖河流与湖体不同区域之间的关系.利用冗余分析研究PAHs与重金属、盐度和有机质等其他环境因子之间的关系.使用特征分子比值法和正定矩阵因子分解模型法对鄱阳湖不同区域表层沉积物中PAHs潜在来源进行解析, 以期为鄱阳湖生态环境保护和治理提供科学依据, 并为国内外其他连通性湖泊, 例如我国的洞庭湖、呼伦湖及南美洲的马拉开波湖和非洲的恩加米湖等的相关研究提供重要借鉴.
1 材料与方法 1.1 样品采集本研究分别于2021年4月下旬的平水期和2021年7月下旬丰水期, 对鄱阳湖表层沉积物和柱状沉积物进行采样, 根据鄱阳湖流域的地势、独特的水文条件、受长江及“五河”来水的影响、现场勘探情况以及各采样点位之间的相关性分析结果, 将其空间分为A、B、C、D和E这5个主要区域, 其中A区为受长江影响较大的鄱阳湖北部区域, B区为鄱阳湖国家自然保护区及其毗邻水域, C区为南矶湿地国家级自然保护区及其毗邻水域, D区位于都昌县与鄱阳县以南、长山群岛以北湖区, E区为受饶河影响较大的长山群岛以南的区域, R为入湖河流采样点, Z1为柱状样品采样点, 采样点位如图 1.
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图 1 鄱阳湖采样点位示意 Fig. 1 Sampling sites of Poyang Lake |
采用不锈钢抓斗底泥采样器获取鄱阳湖表层沉积物样品.将2 kg沉积物样品转移并密封至样品容器中, 并置于带有冰袋的保温箱中, 样品于12 h内转移至冰箱中冷冻至-20℃.采用自制重力岩芯采样器在湖中心采集柱状沉积物样品（预估深度为60 cm左右）, 转移至实验室进行分片处理, 按顺序分成2 cm或5 cm的薄片, 用铝纸进行包裹, 放入密封袋进行封存.用多参数水质分析仪（Horiba U-50, 日本）测量同点位物理化学值, 如温度（T）、pH、溶解氧（dissolved oxygen, DO）和氧化还原电位（oxidation-reduction potential, ORP）.所有沉积物样品在船上时均保存在带冰袋的保温箱中, 并尽快转移到实验室进行下一步处理.
1.2 样品前处理和分析方法使用FD-1A-50+型冷冻干燥机（博医康, 北京）对沉积物样品进行48 h的冷冻干燥, 冷冻干燥后的样品放入玛瑙研钵中研磨, 研磨均匀后, 通过50目不锈钢筛网, 去掉石块和树根等大颗粒物质, 过筛后的样品储存于广口茶色玻璃瓶中密封, 转移至冰箱中冷冻-20℃保存.
使用加速溶剂萃取系统（accelerated solvent extraction, ASE, 350, Thermo Fisher Scientific, 美国）萃取沉积物中的PAHs.ASE操作条件为：萃取溶剂为正己烷和丙酮（体积比, 1∶1）；提取温度100℃；提取压强为：10.34 MPa；静态提取时间5 min；冲洗体积60%；循环次数2次；吹扫时间60 s.
使用岛津气相色谱-质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS, QP-2010, Shimadzu, 日本）对16种目标PAHs的保留时间和特征离子峰进行定性和定量研究, 表 1为16种目标PAHs的理化性质信息.色谱条件为：进样口温度为250℃, 进样方式为不分流；升温程序：将气相烘箱的温度设置在60℃, 持续1 min, 然后在20℃·min-1时提高到220℃, 在5℃·min-1时提高到280℃；载气：氦气, 流速为1.0 mL·min-1, 压力为57.4 kPa；色谱柱：DB-5MS色谱柱（30.0 m×0.25 mm, 0.25 μm）.质谱条件为：EI离子源, 离子源温度为250℃, 接口温度为280℃, 溶剂延迟时间为5 min, 检测器电压为0.15 kV.数据采集方式选择离子扫描模式（SIM）.
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表 1 16种PAHs的理化性质信息 Table 1 Information on the physicochemical properties of 16 PAHs |
1.3 其他参数测定方法
使用高纯锗伽马能谱仪（GWL-120-15, Ortec, 美国）测定柱状沉积物样品中210Pb和137Cs的活度, γ能谱仪的测定范围为10 keV~10 MeV, 能量峰效率刻度为46.84 keV, 测定时间在24 h以上, 测量误差小于5%.
使用荧光光谱仪（X-MET8000, 日立, 上海）测定表层沉积物样品中金属的含量, 每个样品平行测定3次, 相对偏差在-3.7%~1.4%之间, 数据稳定, 重现性好.
使用烧失重法测定沉积物的有机质（sediment organic matter, SOM）, 有机质含量的计算公式见式（1）.
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(1) |
式中, M0为坩埚置于烘箱中于105℃下恒温干燥至恒重, 冷却至室温后的重量, M1为称取5 g沉积物样品于坩埚中, 置于烘箱中于105℃下恒温干燥至恒重, 冷却至室温后的重量, M2为装有样品的坩埚在马弗炉中煅烧2~3 h（450℃）, 冷却至室温后的重量.
使用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000, Malvern, 英国）测定沉积物样品的粒径, 测定范围为0.02~2 000 μm, 样品平行分析误差 < 5%, 样品粒度组成按以下粒径范围划分：黏土（< 4 μm）、粉砂（4~63 μm）和砂（> 63 μm）.
1.4 质量控制整个实验过程中所用耗材为玻璃、不锈钢或者聚四氟乙烯材质.为保证数据的准确性, 在分析过程中采用空白实验、加标回收和平行样品等方法控制测定质量, 本研究中所有样品采用3个平行样品进行检测, 空白实验中未检测出目标物质, PAHs回收率为75.7%~103.6%, 16种PAHs的检出限范围为1.8~9.7 ng·kg-1, PAHs含量以沉积物干重表示.
1.5 源解析方法采用特征分子比值法和正定矩阵因子分解模型法（positive matrix factorization, PMF）对鄱阳湖表层沉积物中PAHs进行源解析.特征分子比值法是判定环境中PAHs来源的最广泛的方法之一, 其判定标准如表 2所示[15].
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表 2 PAHs来源判定标准 Table 2 Criteria for determining the source of PAHs |
PMF模型是Paatero和Tapper在20世纪90年代初提出的一种经典的多元因子分析工具, 可应用于大气、土壤和沉积物中PAHs的定量源解析[16, 17].本研究使用美国环保署发布的PMF 5.0模型对鄱阳湖沉积物PAHs的潜在来源进行分析, 其计算方法如式（2）所示：
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(2) |
式中, Xij为原始矩阵, 代表第i个样品的第j个测定指标的含量；Gik为源贡献矩阵, 代表k对第i个样品的贡献率；Fkj为源成分矩阵, 代表k中第j个样品的测定含量；Eij为残差矩阵.
2 结果与讨论 2.1 鄱阳湖表层沉积物中PAHs含量及影响因素 2.1.1 鄱阳湖表层沉积物中PAHs含量及与入湖河流之间的关系鄱阳湖表层沉积物中16种PAHs含量范围及检出率如表 3所示, 16种PAHs均有检出.在入湖河流中, 除Phe未检出外, 有4种PAHs的检出率高达100%, 其余7种PAHs的检出率在42.9%~71.4%之间, ω (∑16PAHs)范围为7.34~306.58 μg·kg-1, 平均值为108.50 μg·kg-1.在鄱阳湖湖体中, Nap、BaP和DahA这3种PAHs的检出率高达100%, 其余13种PAHs的检出率在24.5%~96.2%之间, ω (∑16PAHs)范围为5.71~2 112.03 μg·kg-1, 平均值为321.71 μg·kg-1.无论入湖河流还是鄱阳湖湖体, 16种PAHs中以Nap、BaP和DahA的检出率最高, 均为100%, 表明这3种PAHs在整个鄱阳湖流域广泛存在；在入湖河流中, 以ω（BbF）、ω（BaA）和ω（InP）的平均值最高, 分别为15.26、13.77、9.82 μg·kg-1；在鄱阳湖湖体中, 以ω（BbF）、ω（Flua）和ω（Pyr）的平均值最高, 分别为53.50、42.57、36.42 μg·kg-1.与国外湖泊表层沉积物中PAHs含量相比[18, 19], 鄱阳湖表层沉积物中PAHs含量低于加拿大密歇根湖（均值2 467.0 μg·kg-1）和欧洲埃斯库拉湖（均值456.5 μg·kg-1）中PAHs含量, 高于欧洲拉卡尔德拉湖（均值142.3 μg·kg-1）和日本镇海湾（均值208.0 μg·kg-1）中PAHs含量；与我国湖泊表层沉积物中PAHs含量相比[20~25], 鄱阳湖表层沉积物中PAHs含量低于太湖（均值1 630.0 μg·kg-1）、洞庭湖（均值738.3 μg·kg-1）和呼伦湖（均值596.5 μg·kg-1）中PAHs含量, 高于博斯腾湖（均值262.3 μg·kg-1）中PAHs含量.
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表 3 鄱阳湖湖体和入湖河流沉积物中PAHs含量及检出率1） Table 3 Concentration and detection rate of PAHs in the sediment of lake and inlet rivers of Poyang Lake |
采用皮尔逊相关性分析研究了8个入湖河流采样点（R1~R8）和鄱阳湖湖体5个主要区域（A~E区）之间的关系, 可以得出R1和R2采样点与B区各采样点存在强显著的正相关关系, 相关性系数在0.718~0.969（P < 0.01）之间.R1和R2分别位于修河和赣江北支, 修河是江西省九江市境内最大的河流, 也是长江中下游重要的水源涵养地和沿岸居民的生产和生活用水取水地；赣江作为长江的重要支流, 是长江下游流域的重要水源, 由于赣江上游是我国有色金属矿产资源十分丰富的地区, 矿产资源的大规模开采导致周边水土环境受到不同程度的污染.湖体B区与修河及赣江北支接界, 从而受这两条入湖河流的影响较大, 三者之间存在显著正相关关系.R3~R7与C区81.8%的采样点之间存在强显著正相关关系, 相关性系数在0.626~0.977（P < 0.01）之间, R3~R7分别位于赣江中支、赣江南支、抚河西干渠、抚河东干渠和信江, 抚河位于江西省东部, 是鄱阳湖水系主要河流之一, 是江西省第二大河流, 流域农业和矿产资源丰富；信江是江西省境内较大河流之一, 也是鄱阳湖水系五大河流之一, 流域内农业、森林和矿产资源丰富.湖体C区与这几条河流及支流接界, 从而受其影响较大.R8与D区和E区部分采样点之间存在强显著正相关关系, R8与D区45.5%的采样点之间的相关性系数在0.627~0.977（P < 0.01）之间, 与D区27.3%的采样点之间的相关性系数在0.558~0.608（P < 0.05）之间；R8与E区40%的采样点之间的相关性系数在0.627~0.959（P < 0.01）之间, 与E区50%的采样点之间的相关性系数在0.518~0.614（P < 0.05）之间.R8位于饶河, 饶河流域广大, 是赣东北地区重要的水源地, 流域内有大型水库及配套灌溉渠系, 对与其接界的E区及处于E区上游的D区影响较大.A区位于鄱阳湖北部, 与长江相连, 更多受到长江来水及渔船和航运等因素的影响[26].总体来看, 鄱阳湖湖体沉积物中PAHs含量高于入湖河流沉积物中, 表明河流输入可能是污染物进入鄱阳湖湖体的重要途径[27], 湖区径流带入的污染物相对较少.
2.1.2 鄱阳湖表层沉积物中PAHs组成图 2为鄱阳湖表层沉积物中PAHs同系物组成, 从中可以看出整个鄱阳湖流域以BbF、Flua和Pyr这3种PAHs同系物的含量最高, 与鄱阳湖湖体中平均浓度最高的前3种PAHs相一致, 三者总占比约为40%, 三者含量占∑16PAHs比例分别为16.52%、13.02%和11.13%.这主要与PAHs的理化性质有关, Flua和Pyr为4环PAHs, BbF为5环PAHs, 其相对分子质量均在200以上, 随着相对分子质量和苯环数的增加, PAHs单体的挥发性和溶解度减小, 疏水性增大, 具有沸点高、稳定性和亲脂性强等特点, 因此相较于低环PAHs, 具有较高环数的PAHs更容易在沉积物中形成高浓度积累[28], 这可能也是它们在表层沉积物中检出浓度更高的主要原因.其中BbF是2B类致癌物, 主要来源于汽车尾气的排放以及化石燃料燃烧不充分时作为副产物排放, 由于其在人类生活生产中来源广泛[29], 导致其在鄱阳湖流域16种PAHs中相对丰度最高, 这与国内其他湖泊沉积物PAHs中BbF相对丰度较高的结论相吻合.整体来说, 鄱阳湖PAHs环数比例大小依次排列为：4环 > 5环 > 6环 > 3环 > 2环, 4环PAHs组成占主导地位, 所占比例最大.相对分子质量高的大环数（≥4环）PAHs总量占∑16PAHs的比例高达86.11%, 相对分子质量低小环数PAHs含量占∑16PAHs的14.61%.
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图 2 鄱阳湖表层沉积物中PAHs同系物组成 Fig. 2 Composition of PAHs congeners in the surface sediments of Poyang Lake |
有研究表明, 环境介质中PAHs的迁移转化过程受水体理化性质（如温度、盐度、营养盐和溶解氧等）、气象条件变化（如温度、湿度、风向和风速等）和土壤/沉积物性质（如有机质、温度、含水率和粒径）的影响, 呈现出显著的空间分布特征和季节性污染差异[30].采用冗余分析（RDA）和皮尔逊相关性分析研究了鄱阳湖表层沉积物PAHs与其他环境因子之间的关系.从图 3和皮尔逊相关性分析结果可以看出, 大多数PAHs之间呈现显著正相关关系, 相关性系数在0.613~0.999（P < 0.01）之间.低环PAHs（2~3环）包括Nap、Acy、Ace、Flu、Phe和Ant, 以及部分4环PAHs包括Flua和Pyr与SOM之间呈现正相关关系（P < 0.01）, 同时与重金属Mn、Cu、Zn和Ni之间呈现正相关关系（图 3中绿色框）；高环PAHs（4~6环）包括Chr、BbF、BkF、BaP、DahA、BghiP和Incp与重金属As、Pb、Cr和Hg以及点位水深（depth）之间呈现正相关（P < 0.05）关系（图 3中橙色框）, 表明大部分PAHs在鄱阳湖表层沉积物中具有相似的空间分布, 其中低环PAHs更容易受到沉积物SOM的影响, 这与PAHs自身的理化性质如相对分子质量、熔沸点、lgKow和疏水性等有关.有研究表明, SOM的疏水位点可以通过疏水效应、静电相互作用和化学键与PAHs相互作用, 成为影响PAHs迁移扩散、生物累积及生物毒性的重要因素[31, 32].高环PAHs更容易受到样品深度影响, 且重金属As、Pb、Cr和Hg的分布相关, 这可能与鄱阳湖周边存在大量工矿企业有关[33].此外, Ace与黏土之间呈现负相关关系（P < 0.05）, 说明沉积物粒径越小, 越有利于Ace的富集.
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蓝色箭头为16种PAHs, 红色箭头为环境因子, 绿色及橙色框为相关性较强的指标 图 3 鄱阳湖表层沉积物PAHs与其他环境因子的关系 Fig. 3 Relationship between PAHs and other environmental factors in surface sediments of Poyang Lake |
使用ArcGIS绘制鄱阳湖表层沉积物中∑16PAHs的空间分布, 以说明不同采样点之间的PAHs浓度变化, 如图 4所示.较高PAHs浓度位于采样点位分区中的D区, 即东至饶河入湖口、西至主航道、南至余干县鄱阳湖大道和北至长山群岛一带区域, 2环和4环PAHs呈现出与∑16PAHs极为相似的空间分布规律.D区域位于湖体邻近都昌县与鄱阳县区域, 此区域地形相对封闭, 与周围区域水流交换量小, 不利于污染物的迁移、转化及降解[27, 34, 35]；且都昌县隶属江西省九江市, 位于江西省北部, 居南昌、九江和景德镇“金三角”中心地带, 人口密度约74万人, 人类活动产生的污染物含量较高；都昌县2021年GDP总值246.85亿元, 位于省内各县GDP排名前列, 第二产业发达且工业发展迅速；城市化进程快, 民间机动车保有量达70 826辆, 化石能源消耗逐渐增加, 城市工业的快速发展导致工业废水和生活污水排放量激增[36], 其中包含的污染物可能会通过河流进入湖体.此外, 5~6环PAHs呈现出较为相似的空间分布规律, 较高浓度都出现在A区, 即受长江影响较大的鄱阳湖北部区域.A区较高浓度的高环PAHs污染可能与它北通长江的重要地理位置有关, 该区域是鄱阳湖与长江唯一的连接口, 承担着繁重的航运运输工作, 因此可能会带来一部分原油污染.与其他环数的PAHs相比, 3环PAHs在空间分布上表现出明显差异, 较高浓度出现在C区和E区, C区为南矶湿地国家级自然保护区及其毗邻水域, E区为受饶河影响较大的区域, 且饶河下游流经景德镇焦化厂并与鄱阳湖主湖区主要污染源赣江毗邻, 这可能是导致该区域3环PAHs浓度较高的重要原因.一般来说, 低环PAHs是生物质燃烧不完全的产物, 例如Acy和Flu是木材燃烧的标志化合物, 因此这两个区域较高浓度的3环PAHs污染可能与周边城镇居民烹饪、取暖以及饶河水流带来的PAHs污染有关.总的来说, 邻近城市的大量人类活动、汽车尾气排放、工矿企业生产活动以及海洋交通运输业和养殖业的发展, 都可能对鄱阳湖的PAHs污染情况产生一定的影响, 说明陆源输入是影响污染物分布的一个重要因素.
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图 4 鄱阳湖表层沉积物PAHs空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of PAHs in surface sediments of Poyang Lake |
而采样点位分区中的B区（即鄱阳湖国家自然保护区及其毗邻水域）和C区（即南矶湿地国家级自然保护区及其毗邻水域）表层沉积物中PAHs浓度水平较低.鄱阳湖国家自然保护区建立于1983年, 1988年晋升为国家级, 1992年2月被《中国生物多样性保护现状评估》确认为具有全球意义的A级保护区, 并被国务院指定列入《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》国际重要湿地名录, 2000年被世界自然基金会定为全球重要生态区；南矶湿地国家级自然保护区于1997年经江西省人民政府批建为省级自然保护区, 2008年1月由国务院批准为国家级自然保护区, 地处赣江、鄱阳湖和长江的关键节点, 具有良好的通江性, 是鲤和鲫等经济鱼类的重要产卵和育肥场所以及长江中下游地区青、草、鲢、鳙、鳗鲡、刀鲚和凤尾鱼等洄游型鱼类的主要洄游通道和避难所, 对于鄱阳湖、赣江和长江渔业资源保护与可持续利用具有重要意义.这两个自然保护区区域人口密度较低, 受人类活动的影响较小, 且具有良好的气候和水文条件, 这可能是该区域PAHs浓度水平较低的主要原因.
2.2.2 鄱阳湖沉积物中PAHs的时间分布及其与人类活动之间的关系自然水体沉积物是地表物质长时间迁移的结果, 作为环境演变信息的载体, 沉积物连续精确地记录了湖泊和海洋等水体的生态环境演变过程, 在恢复历史气候和环境演化方面具有其他自然历史记录无法比拟的优势, 因此, 沉积物是水生环境中多环芳烃的天然“汇”和“库”[37].沉积物不仅是污染物主要的汇集地, 而且还记录了周围环境PAHs污染现状、排放历史及排放源等信息[38], 河口和湖泊中PAHs的沉积记录可以反映能源消耗和污染排放的历史变化特征, 从而可以提供当地经济发展的图景.根据210Pb定年和137Cs验证采样点位Z1柱状沉积物样品的同位素结果, 计算得出鄱阳湖沉积物的沉积速率为1.18 cm·a-1, 从而得到鄱阳湖柱状沉积物的年代序列为1970~2021年.柱状沉积物∑16PAHs的时间分布及其与江西省GDP之间的关系如图 5.
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图 5 江西省GDP与柱状样品∑16PAHs含量关系 Fig. 5 Relationship between GDP and column sample ∑16PAHs concentration in Jiangxi Province |
从图 5中可以看出, 江西省GDP的发展与历年来PAHs浓度水平的变化呈现出高度一致性, 总体来看, 鄱阳湖PAH含量与江西省GDP发展均呈现增长趋势.1970~2000年, 江西省GDP发展水平较低但处于稳步上升阶段, 从1970年的58.37亿元逐步增长到2000年的2 003.1亿元, 这一阶段由于当地经济发展水平低, 工业生产不发达, 人口密度低, 人类活动影响范围小[39], PAHs浓度水平也较低.而在“十一五”期间（2006~2010年）, 江西省包括鄱阳湖流域的经济建设取得较快发展, 根据2009年《江西省统计年鉴》初步核算, 2008年江西省GDP为6 934.2亿元, 鄱阳湖生态经济区实现地区生产总值3 948.17亿元, 占全省GDP的50%以上, 其经济增长速度领先于全省经济的发展速度, 而鄱阳湖PAHs含量也在这一阶段明显上升, 表明“十一五”期间经济的快速发展可能是导致当地PAHs含量增加的主要原因.2010年以后, 江西省城市化进程逐步加快, 常住人口数量增加, 工业发展提速, 化石燃料消耗量增加, 人们生活水平大幅提升；而鄱阳湖旅游产业逐渐发展, 旅游业规模不断扩大, 现代化建设不断增多[40].GDP的发展和人类活动的影响[41]可能是导致PAHs含量不断增加的主要原因.
2.3 鄱阳湖沉积物多环芳烃源解析根据特征分子比值法的判定标准[42], 由Flua/（Flua+Pyr）值（0~0.4）、InP/（InP+Bghip）值（0~0.2）、Ant/（Ant+Phe）值（0.1~1）和BaA/（BaA+Chr）（0.2~0.4）的比值关系, 可以得出鄱阳湖PAHs的潜在来源为石油源与燃烧源.由于鄱阳湖面积大、覆盖范围广且鄱阳湖PAHs污染属于综合性污染, 采用PMF 5.0模型对鄱阳湖各分区PAHs的可能来源进行量化确认, 结果如图 6.PMF定量解析不同来源的贡献率依次是汽油燃烧占55%、生物质燃烧占22%、柴油燃烧占15%和石油挥发占8%, 因此, 汽油燃烧、生物质燃烧和柴油燃烧排放的贡献率较高.从图 6可以看出, 鄱阳湖A区（受长江影响较大的鄱阳湖北部区域）PAHs主要来源为汽油燃烧, 其次为生物质燃烧、柴油燃烧和石油泄漏/挥发, A区位于鄱阳湖主航道内, 向北直通长江, 是重要的船舶港口区, 周边渔船以及运输渔货的车辆消耗了大量的石油燃料, 渔船、机动车尾气的排放以及渔船上含油废水的直接排放和石油泄漏都有可能导致该区域受到PAHs污染[43, 44].B区（即鄱阳湖国家自然保护区及其毗邻水域）PAHs主要来源为煤炭燃烧和柴油燃烧, 其次为生物质燃烧, 这可能与B区与上游A区的水文交换及沉降过程有关[45], 生物质燃烧排放源可能是由周边城镇居民烹饪、取暖或露天焚烧秸秆等人类活动产生的.C区（即南矶湿地自然保护区及其毗邻水域）PAHs主要来源为生物质燃烧和柴油燃烧, 其次为煤炭燃烧和汽油燃烧, C区湿地与小型湖泊较多, 人口密度大, 与B区域相似, 周边城镇居民的生活排放以及交通尾气的排放可能是该区域PAHs的主要来源.D区（即邻近都昌县及鄱阳县且水文特征较为稳定的区域）PAHs主要来源为汽油燃烧, 其次依次为：煤炭燃烧、柴油燃烧、石油泄漏/挥发和生物质燃烧, 该区域周边存在许多燃煤工厂, 如有色金属冶炼厂、陶瓷厂和焦化厂等的燃煤排放, 这可能是该区域PAHs汽油燃烧源和煤炭燃烧源贡献率较高的主要原因.E区（即受饶河影响较大的区域）PAHs主要来源为煤炭燃烧, 其次依次为：汽油燃烧、生物质燃烧、柴油燃烧和石油泄漏/挥发, 饶河下游流经景德镇焦化厂, 周边居民生活使用的燃煤和交通尾气的排放以及露天焚烧秸秆[46]可能是造成煤炭燃烧、汽油燃烧及生物质燃烧污染的主要原因.
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图 6 鄱阳湖5个区域PAHs来源组成 Fig. 6 Composition of PAHs sources in five regions of Poyang Lake |
PAHs在鄱阳湖沉积物中广泛存在, 其中湖体中PAHs含量高于入湖河流中.鄱阳湖湖体不同区域受5条入湖河流的影响较大, 表明河流输入可能是污染物进入鄱阳湖湖体的主要途径.2~3环以及部分4环PAHs包括Flua和Pyr更容易受到SOM的影响, 4~6环PAHs更容易受到ORP及重金属等环境因子的影响.大部分PAHs在鄱阳湖表层沉积物中具有相似的空间分布, ∑16PAHs的高含量可能与污染物的理化性质、湖泊水文特征、人口密度和人类活动强度等因素有关.鄱阳湖PAHs含量随时间变化而不断增加, 并与江西省GDP的发展呈现出高度一致性, 表明经济快速发展和工业化进程加快等人类活动的影响可能是导致PAHs含量不断增加的主要原因.鄱阳湖表层沉积物PAHs的主要来源包括石油污染及石油、煤炭和生物质燃烧源, 不同区域PAHs来源存在差异, 航运、工矿企业及周边城镇的人类活动是影响各区域PAHs来源的主要原因.
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