2014, Vol. 35
2. 北京大学城市与环境学院, 北京 100871
2. Collage of Urban and Environmental Science, Peking University, Beijing 100871, China
滇池是我国著名的高原湖泊. 近20年来，由于受到流域经济发展、 人口增长的影响，滇池水质恶化程度不断加剧，在人为环境干扰的作用下，滇池沉积物中污染物含量已远超出土壤本底值，且整体污染情况逐年加重[1]. 沉积物会再悬浮造成内源污染，如营养盐、 重金属的释放[2]，从而进一步影响到湖泊水质、 水环境安全与健康. 针对滇池沉积物的研究开展较多. 李宝等[3]研究了滇池沉积物内源营养盐的释放通量，李仁英等[4]揭示了滇池沉积物重金属污染物的形态分布，邵晓华等[5]探讨了滇池沉积物中污染物的时空分布情况，陈云增等[6]对滇池沉积物重金属污染进行了生态风险评价. 但针对滇池沉积物中污染物含量的时间演变模式，尤其是结合人类活动对沉积物变化的成因进行分析，却鲜见报道.
沉积物污染的历史，可以反映湖泊污染的发展过程，同时记录了流域内人类活动与自然环境的相互作用[7]. 通过研究过去20 a滇池沉积物主要污染物的时间分异性，结合入湖污染负荷、 污染源普查数据、 滇池治理等相关资料进行讨论，可以更好地剖析滇池沉积物污染物的整体变化过程，评判人类活动对沉积物中污染物的影响方式与程度.
1991-2010年每年3月，对滇池草海、 外海共10个监测点(图 1)进行采样，采用北京新地标土壤设备有限公司生产的活塞式柱状沉积物采样器，进行表层沉积物取样、 样品保存、 运输、 风干、 初粉碎、 缩分，细粉碎，过100目样筛. 按文献[8]分别对沉积物中的Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Pb、 Sn、 Zn、 TP、 KN进行含量分析测定. 考虑到底泥相对于水质较稳定的特征，每年1次采样可基本代表当年的污染变化情况.
 | 图 1 滇池沉积物监测点位示意Fig. 1 Monitor stations for Lake Dianchi sediment survey |
1991-2010年间，滇池沉积物中主要污染物含量呈现出波动变化，且有明显尖峰的特征. 从空间分布情况看，监测点间的空间分异性不强，主要表现为草海与外海沉积物含量的差异(表 1)， 但变化趋势无显著差别. 从沉积物主要污染物时间变化趋势看，污染物的变化模式可以分为3类：①先上升后下降再回升模式; ②先上升后下降模式; ③波动变化模式.
 | 表 1 滇池沉积物空间分类情景1)Table 1 Spatial classification of sediments in Lake Dianchi |
沉积物Sn、 Cr含量呈先升后降再回升的趋势[图 2(a)、 2(b)]. 对于大多数监测点，Sn含量在1996-1999年间达峰值(文中所指峰值均在含量分布的10%之外)，随后下降，2003-2005年起开始小幅回升. Cr含量在2005-2006年间达到峰值，后快速下降，2008年起开始小幅回升.
 | 图 2 1991-2010年滇池沉积物主要污染物含量变化Fig. 2 Concentrations of major sediments in Dianchi during year 1991 to 2010 |
沉积物Cd含量呈先上升，后下降的变化趋势[图 2(c)]. 在1991-1995年间Cd含量逐渐上升，1999-2010年间波动回落，含量在1996-1998年间达到(除罗家营监测点)最高.
沉积物Hg、 Pb、 Cu、 Zn含量呈现无规律波动变化[图 2(d)~2(g)]. Hg含量峰值集中在1996-1998、 2005-2006年2个时间段内. Pb含量峰值较为分散，集中在1996-1998、 2002-2007年间. Cu含量峰值非常分散，不同监测点峰值在1993、 1996-1999、 2007-2009年间均有出现. Zn含量峰值主要集中在1996-1998年、 2005-2007年内.
综上所述，滇池沉积物重金属污染物的变化模式虽不尽相同，但各类重金属含量峰值多集中出现在为1996-1999、 2005-2007年2个时间段内.
滇池底泥KN含量呈先升后降再小幅上升的变化趋势. 除罗家营外，其他点位的N含量在1996-1999年维持较高水平. 从图 2(h)可看出，KN含量自2000年起有明显回落过程，2002-2004年间各监测点含量普遍维持在相对较低水平，2005年后再度回升.
滇池底泥P含量呈波动变化趋势见图 2(i)，除海口西和滇池南监测点外，其余监测点峰值出现在2007、 2008年，海口西、 滇池南监测点分别在2004、 2007以及2007、 2008年内出现谷值(<10%).
考虑到沉积物污染物指标较多，且污染物通常具有协同排放特点，不同监测指标会包含重复信息[12]，导致分析准确性的降低，故采用因子分析对原始数据进行降维.
KMO检验(KMO=0.87)、 Bartletts球形检验(P<0.05)表明本文数据适合进行因子分析. 当总累计方差>80%时，共提取4个因子，解释总体方差的85.13%，较好地反映了原始变量. 经最大方差旋转后，得到因子1代表Sn、 Hg、 Pb、 Cd、 Cu和Zn，因子2代表KN，因子3代表P，因子4代表Cr(表 2).
| 表 2 因子载荷矩阵1)Table 2 Rotated component matrix (varmix) |
对经因子分析处理过的数据进行SOM分类，根据David-Boulding指数可以确定最优分类数，滇池沉积物中重金属时间变化的SOM分类结果如图 3所示，当分类数为4时，David-Boulding指数最小，实现最优分类 (图 3).
 | 图 3 滇池沉积物时间变化的SOM分类结果及最优分类数确定Fig. 3 Stages of major sediments in Dianchi using SOM method and the optimal number of categories |
根据原始分类结果并经校正后，可将1991-2010年划分为4个阶段(表 3)，第一阶段1991-1995年; 第二阶段1996-2001年; 第三阶段2002-2006年; 第四阶段2007-2010年. 第一阶段，各类污染物含量较低; 第二阶段，污染物含量开始上升，且含量较高; 第三阶段，各类污染物含量变化趋势不统一，多为波动变化; 第四阶段，各类污染物含量总体呈下降趋势.
| 表 3 滇池沉积物主要污染物时间演变阶段表Table 3 Stages of major sediments in Lake Dianchi |
湖泊是流域上各物质搬运的最后归宿[13]. 污染物进入湖泊底层的途径主要有两种：①在重力的作用下，水相中的污染物通过沉积作用沉入湖泊底层; ②在水力冲刷的作用下，入湖河道中的沉积物冲刷进入湖泊，并在湖流作用下，在湖泊底泥中进行分布. 目前，滇池入湖河流年均输沙量在36.94万m3[14]，占湖体沉积物总量的0.4%.
相关分析表明，滇池沉积相污染物含量和水相污染物浓度相关性较低. 比较草海中心、 断桥、 灰湾中3个监测点入湖口沉积物污染物含量，与同点位湖泊水体、 入湖河流水体以及入湖河流沉积物污染物含量的相关性，发现湖泊沉积物与入湖河流沉积物中污染物的含量呈显著相关(表 4). 散点图分析可以看出，上述两者在变化趋势上亦具有较高一致性(以断桥监测点为例，图 4)，入湖河流沉积物含量峰值较湖体沉积物提前0-2 a出现.
| 表 4 滇池水体、 入湖口水体、 入湖口底泥与滇池底泥主要污染物含量相关性(R)1)Table 4 Correlation between the concentrations of major pollutants in lake sediment, lake water, river water and river sediment |
 | 图 4 断桥监测点入湖河流底泥沉积物与湖体底泥沉积物含量变化Fig. 4 Concentrations of major sediments in lake and river at Duanqiao station |
湖泊沉积物含量仅表现为与入湖河流沉积物含量相关性高的原因可能是：①重金属污染物在排入水体后会迅速沉降在河道内[15]，沉降后的重金属污染物可随河道底泥在水力冲刷作用下再迁移[16]，最终进入湖泊. ②滇池入湖河流pH值均值为7.94. 通常，在碱性条件下沉积物中重金属不易再释放进入水相[17]，因而水相中重金属污染物含量很低. ③对于N、 P营养盐，在水相和沉积相间发生着复杂、 密切的转换过程，但沉积相含量远高于水相浓度，因此这两者难以呈现出简单的线性相关关系(表 4).
1991-2010年间，滇池流域经历了区域快速繁荣的20 a，在此期间，流域人口年均增长率为3.3%，GDP年均增长率18%，城市化率提高了17%[18]. 但经济的飞速发展带给滇池流域巨大的环境压力[19]. 滇池流域的工业自1980年代初开始大规模发展，初期主要以冶金、 化肥等粗放式工业为主[19]，到1990年代初期，滇池周边厂矿遍布，产生的大量污染物未经任何处理便排入滇池，造成滇池水质迅速恶化. 1970年代中后期滇池外海、 草海水质为Ⅲ类，但至1990年代，已全面恶化为劣Ⅴ类[21]，湖泊沉积物环境质量也呈现出污染加剧的趋势[22].
随着对污染控制及滇池水体保护工作的不断开展，尤其是“九五”期间，国家和地方开展了大量治理工作. 2000年前后，治理成效开始逐渐体现，湖泊水质呈现出好转趋势，BOD、 TN浓度开始大幅降低[23]. 潘珉等[24]研究了1960-2006年间滇池水质与流域人口和GDP之间的相关关系，发现滇池水体的TN、 TP浓度与流域人口数和GDP密切相关，但2000年后，相关性有所减弱. 众多相关资料表明[25, 26, 27]， 1999-2000年前后是滇池水质的一个转折点[20]，自1998年国务院对滇池“流域水污染防治九五计划”及“2010年规划”做出正式批复后，多项污染源治理措施在滇池流域展开. 1999年流域开展了“零点行动”，清理关闭了云南印染厂、 昆明造纸厂、 昆明冶炼厂等重点污染源，将昆明农药厂、 福保造纸厂制浆生产线等迁出滇池流域. 同时在昆明市兴建4座污水处理厂，加大了对城市生活污水的处理力度. 1998-03-1999-03，滇池草海进行了底泥疏浚工程，直接去除草海污染底泥量424万m3[25, 26].
上述多项治理措施的效果一定程度反映在沉积物含量的变化上. 自2001年后滇池沉积物含量进入了波动、 下降的阶段，尤其以KN、 Sn、 Cu的下降趋势最为明显. 虽然大部分污染物在2002-2006年间仍以波动变化为主，这是因为影响底泥污染物的因素较多，外源污染物浓度削减效果往往需要一定时间才能反映在沉积物含量变化上[27]. 随着“十五”、 “十一五”治理项目的进一步开展，污染控制措施进一步严格，滇池湖体水质从2004年起逐步转向Ⅳ类[28]，2007年后，各类底泥污染物含量也相应呈现出较明显的下降趋势.
重金属污染物在1991-2010年间含量出现了较大幅度波动. Wei等[29]研究了滇池流域重金属的本底值(mg ·kg-1)，Sn：3.50、 Hg：0.247、 Cr：115.18、 Pb：65.76、 Zn：153.95. 中国环境监测总站公布的云南土壤环境背景值(mg ·kg-1)，Cu：33.6、 Cr：57.6、 Cd：0.104、 Pb：36.0、 Hg：0.045、 Zn：80.5[30]. 从图 2中可以看出，滇池沉积物重金属污染物含量大多超出了土壤本底值，峰值均呈尖峰形式. 朱广伟等[31]对太湖沉积物重金属污染物的研究，认为超出本底值的尖峰多为人为因素造成的污染物含量激增. 高丽等[32]的研究认为，引起滇池底泥重金属污染物变化的主要因素是外源重金属排放，其中以工业污染排放为主.
根据郭怀成等[20]对滇池流域水环境与社会经济系统调查的结果，滇池流域内Cr、 Cd、 Pb、 Hg这4类重金属污染物表现出显著的行业特征性，并集中在特定行业的重点工业中. Cr是金属制品业的特征污染因子，主要的污染企业是昆明建芳工贸有限公司，其排放量占Cr排放总量的84.66%. Pb、 Cd、 Hg是有色金属冶炼及压延加工业的主要污染因子，其中仅云南铜业股份有限公司的排放量就分别占Pb、 Cd、 Hg排放总量的60.87%、 98.76%和93.70%.
滇池流域的重金属污染物具有显著的行业及重点工业特征，工业活动中产生的重金属污染物是流域重金属的主要来源，污染物随污水排放后会最终沉积到湖泊底泥中，造成湖泊沉积物含量变动. 以Cr为例[33]，工业源Cr排放总量的88.7%来自昆明建芳工贸有限公司，该公司成立于2003年，其后1-2 a中不同监测点底泥Cr含量出现同样的上升趋势，并于2005、 2006年达到峰值. 再以Sn为例，1988年滇池Sn超标率在33%~100%[33]， 1990年代初期开始治理云南冶炼厂、 昆明冶炼厂等高Sn排放量企业，1990年代后期，滇池底泥Sn含量呈现出较明显下降趋势. 滇池流域的主要重金属来源于工业废水，由于重金属污染物排放后具有稳定、 难降解的特征，因此流域工业生产中排出的重金属污染物在排放后0-2 a内会进入湖泊沉积物，并在湖泊底泥中进行累积.
沉积物KN含量变化与人类活动也存在密切联系. 不同于重金属污染物，滇池流域TN排放以农业面源为主、 生活面源为辅，工业企业污染源所占比例较低[34]. 根据郭怀成等[20]对滇池流域水环境与社会经济调查的结果，1988-2009年间，滇池流域的污染物削减能力不断增强，在排放总量不断增加的情况下，TN入湖排放量从2000年起止升转降. 此外1999年，昆明市环保局开展了工业污染整治“零点行动”，清理关闭了如造纸厂、 印染厂等一些高氮污染物排放企业，大大降低了流域内的TN入湖量. 滇池流域TN排放量在2000年前后的下降趋势一定程度反映在沉积物含量的变动上，从图 2(h)中可以看出，在1995-2000年间，各监测点KN含量稳定维持在较高浓度水平，但从2000年起，沉积物KN含量呈现出与TN入湖排放量一致的回落趋势在2002-2009年间，流域内的TN入湖排放量浓度出现小幅度波动[19]，相应滇池各监测点沉积物KN含量在2002-2004年间普遍在较低水平波动，2005年后开始小幅波动上升. 总体来说，沉积物KN含量变化存在明显、 缓和的变化趋势，并与流域TN入湖排放量的变化趋势较为吻合.
滇池沉积物中总磷含量在1991-2006年间维持波动变化，部分监测点有小幅上升趋势，2007年前后多监测点磷沉积物含量出现明显峰值. 然而滇池湖体TP浓度在1991-2008年间呈逐步上升趋势[20]，并未在2007年前后出现明显的浓度激增，尚未找到非常合理的依据来解释2007年前后底泥磷含量出现的峰值.
此外，从沉积物含量的空间分布看，明显存在人类活动对沉积物污染物浓度的影响. 草海区域接纳了大量来自昆明市的生活污水和工业废水[35]. 从图 2中可以看出，滇池草海监测点沉积物各类污染物含量都远高于外海监测点沉积物含量，如Sn、 Cd、 Hg等污染物含量存在数量级上的差异.
本研究通过分析滇池10个监测点(1991-2010年)表层沉积物中主要污染物含量数据，将1991-2010年分为低含量、 高含量、 含量波动以及含量回落阶段. 其中大多数污染物浓度变化模式在2000年左右出现变化，结合滇池流域社会发展及污染调查数据可以看出，1999年前后，流域内开展了多项大规模的污染源治理，随之在2000年前后大多数沉积物含量停止了增长或转为下降趋势，尤其以KN变化最为明显. 通过对现有资料的分析，重金属沉积物如Cr、 Sn含量都表现出与流域内相关污染源排放量密切的关系，但限于资料有限，无法对各重金属沉积物的变化原因一一进行解释，也很难就短期内沉积物污染物含量与人类活动建立定量关系. 然而通过文中的分析，已经可以看出人类活动在很大程度上影响了滇池沉积物污染物含量变化，不仅是工业污染排放会造成沉积物含量的升高，污染控制及治理也可以有效降低沉积物污染物含量.
但本研究需改进之处尚多，如：①提高采样频率，获得更为准确的沉积物污染物含量数据; ②增加采样监测点，以更为全面反应滇池沉积物的情况; ③在沉积物直接来源的分析中，考虑河道水体以及底泥中的污染物时，可以再结合流量信息，考虑入湖负荷更为准确; ④本研究搜集到的滇池流域污染源排放数据、 污染普查数据以及重点污染企业排污情况等数据有待补充，以更好地找到人类活动与沉积物含量变化的关系，尤其是对与沉积物P的变化过程，现有资料无法解释.
(1)1991-2010年间滇池沉积物主要污染物的时间演变模式总体分为4个阶段，1991-1995年低含量阶段、 1996-2001年高含量阶段、 2002-2006年含量波动阶段以及2007-2010年含量回落阶段.
(2)重金属污染物含量峰值集中出现在1996-1999年、 2005-2007年， KN含量高值区集中在1996-1999年间，P含量峰值则出现在2006、 2007年前后.
(3)人类活动很大程度影响了滇池沉积物主要污染物含量的变化过程，沉积物含量会在人类活动产生影响后的1-2 a内出现相应的变化.
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