（生态学专业论文）水生植被恢复对沉积物重金属迁移转化的影响.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r d e g r e ef o r2 0 1 1e c n u i | i i llli l ll iti rlr lj il ll y 19 0 2 5 6 2 u n i v e r s t i yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5l0 8 0 8 0 2 0 0 2 e f f e c t so f a q u a t i cv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o no n m i g r a t i o na n d t r a n s f o r m a t i o no f h e a v y m e t a l s i ns e d i m e n t s b y d uj i n g s u p e r v i s e db y a s s c o c i a t ep r o d e n gh o n g p r o d al i a n g ja n i nt h em a j o ro f e c o l o g y d e p a r m e n to fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，c h i n a m a y , 2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文水生植被恢复对沉积物重金属迁移转化的影响，是 在华东师范大学攻读雹7 博士请勾选学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：如1 1 年岁月1 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 水生植被恢复对沉积物重金属迁移转化的影响系本人在华东师范大学攻读学位期间 在导师指导下完成的硬壬博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所 v 有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构 如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文 共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方 式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文幸， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 l ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名奎望二 h f l 年r 月j f 日 幸“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 杜堡硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 宋永昌教授华东师范大学主席 由文辉教授华东师范大学 顾泳洁副教授华东师范大学 摘要 快速城市化进程使逐渐恶化的城市水环境问题凸显，其中重金属污染是当前 关注的热点。随着人们对水污染过程及内在机理认识的不断深入，目前对受污染 水体的治理已经发展到生态修复阶段，其中以水生植被恢复为首要措施。本论文 采用野外调查取样结合室内模拟的方法研究了水生植被恢复对沉积物重金属迁 移转化的影响，为全面认识水生植被重建过程中污染物的净化机制，进一步完善 水生态修复技术提供科学依据。主要研究结果如下： ( 1 ) 曹杨环浜p b 含量为丽娃河的2 3 倍，p b 的形态分布特征为：可还原态 残渣态 可氧化态 弱酸提取态，可还原态p b 所占比例达6 0 7 0 。弱酸提取 态p b 含量在上层中低于下层，可还原态、可氧化态p b 含量在上层高于下层。 ( 2 ) 城市河流的植被恢复时间对沉积物重金属的形态分布有显著影响，恢复时 间越长，沉积物中p b 向可氧化态转化的趋势越高，在受根系直接作用的上层沉 积物中最为明显。水生植被的生长还提高了沉积物中p b 的活性，使残渣态p b 向活性更高的弱酸提取态、可还原态等转移。沉积物中重金属的迁移转化还与水 生植物的生活型有关。以睡莲为代表的浮叶型水生植物具备较强壮根茎，其根系 泌氧能力更强，沉积物中弱酸提取态和可还原态p b 比例较高；而菹草等沉水植 物，根系不发达，对沉积物的影响较小。 ( 3 ) 通过等温吸附试验发现城市河道沉积物对重金属p b 和z n 有很强的吸附能 力，尤其是p b ，说明沉积物是城市河流重金属污染的汇。两种沉积物对铅 和锌的吸附都均符合f r e u n d l i c h 方程，说明沉积物对重金属的吸附既包括物理吸 附也包括化学吸附，是多种作用力的结果。 ( 4 ) 不同氧化还原条件对沉积物中z n 的形态转化影响主要表现在：厌氧处理使 沉积物中上清液p h 下降，并促进了弱酸提取态f e 和z n 的释放；长期厌氧后的 沉积物在受到氧化作用后，沉积物中的z n 可能会大量释放到水体中，带来一定 的环境风险。 关键词：水生植被沉积物重金属迁移转化 a b s t r a c t u r b a nw a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u sn o w a d a y sb e c a u s eo f r a p i du r b a n i z a t i o np r o c e s s ，h e a v ym e t a lp o l l u t i o nh a sc a u s e das e r i e so fp u b l i ch a z a r d i n c i d e n t sw h i c hr a i s e sc o n c e r n s a st h ep r o c e s sa n di n t e r n a lm e c h a n i s mo fw a t e r p o l l u t i o na r es t u d i e d ，c u r r e n tt r e a t m e n to fc o n t a m i n a t e dw a t e rb o d i e sh a v eb e e n d e v e l o p e dt ot h es t a g eo fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n t h ep r i m a r ym e a s u r e sa r ea q u a t i c v e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n i nt h i st h e s i s ，f i e l ds u r v e ys a m p l i n gm e t h o d sa r ec o m b i n e d w i t hi n d o o r s i m u l a t e d e x p e r i m e n t st os t u d yh o wa q u a t i cv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n e f f e c to nm i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fh e a v ym e t a l s ，w ew a n tt ok n o wt h e p u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fp o l l u t a n t si na q u a t i cv e g e t m i o nr e s t o r a t i o nt of u r t h e r i m p r o v et h ew a t e rp o l l u t i o nr e s t o r a t i o na n dp r o v i d es c i e n t i f i cb a s ef o re c o l o g i c a l r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c h a r a c t e r i s t i c so ft h el e a df r a c t i o u sa r e ：r e d u c i b l e r e s i d u a l o x i d i s a b l e a c i ds o l u b e t h ep r o p o r t i o no fr e d u c i b l el e a da c c o u n t sf o r6 0 t o7 0 t h e c o n c e n t r a t i o no fa c i ds o l u b l el e a di nt h eu p p e rs e d i m e n ti sl o w e rt h a ni nt h eb o a o m ， r e d u c i b l ea n do x i d i s a b l el e a di sh i g h e ri nt h eb o r o ms e d i m e n t s ( 2 ) r e s t o r a t i o nt i m eh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nd i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l si n s e d i m e n t s t h el o n g e rt h er e s t o r a t i o nt i m ei s ，t h el e a d i ns e d i m e n t sw i l lt r a n s f o r m m o r es i g n i f i c a n t l yt ob eo x i d i s a b l e ，a n dt h i st r e n di sm o r eo b v i o u si nu p p e rs e d i m e n t s w h e r et h er o o t se f f e c td i r e c t l y v e g e t a t i o ng r o w t ha l s oh e l p si n c r e a s et h ea c t i v i t yo f l e a di ns e d i m e n t s a sar e s u l t ，r e s i d u a ll e a dt r a n s f o r m st oa c i de x t r a c t a b l e ，r e d u c i b l e w i t hl e s sa c t i v i t y d i f f e r e n tf o r m so fh y d r o p h y t e se f f e c t so ns e d i m e n t sd i f f e r e n t l y f o r e x a m p l e ，f l o a t i n gp l a n ts u c ha sp o n dl i l yh a ss t r o n gr o o t sa n di sm o r ec a p a b l eo f r a d i a lo x y g e n ，t h ep r o p o r t i o no fa c i ds o l u b l ea n dr e d u c i b l ef o r m sa r es i g n i f i c a n t l y l o w e rt h a no t h e rk i n do fh y d r o p h y t e s t h ei m p a c to ns e d i m e n t sf r o ms u b m e r g e d p l a n t ss u c ha sp o t a m o g e t o nc r i s p u sw i t hs m a l l e rr o o ti sl e s s ( 3 ) i s o t h e r mt e s t sa r ef i n i s h e da n dt h es e d i m e n t si nu r b a nr i v e r sa r ef o u n dt ob eo f s t r o n ga d s o r p t i o nc a p a c i t yo fl e a da n dz i n c ，t h a tm e a n st h ec o m p o s i t i o na n d a d s o r p t i o nm e c h a n i s mo fs e d i m e n t si sc o m p l e x ，t h ea d s o r p t i o ni st h er e s u l to fa v a r i e t yo ff o r c e s ( 4 ) m i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fz i n ca n di r o ni ns e d i m e n t sa r ed i f f e r e n tu n d e r d i f f e r e n tr e d o xt r e a t m e n t a n a e r o b i ct r e a t m e n td e c r e a s et h ep hi ns e d i m e n t s s u p e m a t a n ta n dp r o m o t er e l e a s eo fa c i ds o l u b l ei r o na n dz i n c i ft h es e d i m e n t sh a v e b e e ni na n a e r o b i cc o n d i t i o n sf o ral o n gt i m e ，t h ez i n cw i l lb er e l e a s e dt ow a t e r n u m e r o u s l ya n db r i n g sr i s ko n c et h ee n v i r o n m e n tb e c o m e sa e r o b i c k e yw o r d ：a q u a t i cv e g e t a t i o n ；s e d i m e n t s ；h e a v ym e t a l s ；m i g r a t i o na n d t r a i l s f o r m a t i o n i i i 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 i 1 1 城市河流重金属污染l 1 2 沉积物中重金属的化学行为、赋存形态及其影响因素2 1 3 植物生长对重金属形态和活性的影响3 1 4 本研究的主要内容及其目的、意义4 1 4 1 本研究的目的、意义4 1 4 2 本研究的主要内容4 第二章水生植被恢复对沉积物p b 的迁移转化影响 2 1 研究区域概况6 2 2 研究方法7 2 2 1 样品的采集与预处理7 2 2 2 研究方法j 9 2 3 结果与分析1 0 2 3 1 丽娃河、曹杨环浜现场调查数据1 0 2 3 2 丽娃河、曹杨环浜沉积物中总有机碳含量分布特征1 0 2 3 3 丽娃河、曹杨环浜沉积物中重金属的形态分布l l 2 3 4 不同植被生长状况对沉积物中p b 的影响1 6 2 4 讨论18 2 4 1 丽娃河、曹杨环浜沉积物中p b 的形态分布特征1 8 2 4 2 丽娃河、曹杨环浜中水生植物生长对沉积物中p b 形态的影响。1 9 2 4 3 沉积物中f e 对各形态p b 含量的影响2 l 2 5 小结2 3 第三章城市河流沉积物对p b 、z n 的等温吸附研究 3 1 研究方法2 4 3 2 结果与分析2 5 3 2 1 沉积物p b 2 + 吸附特性2 5 i v 3 2 2 沉积物z n 2 + 吸附特性2 6 3 3 讨论2 8 3 4d 、结2 8 第四章不同氧化还原条件对z n 的迁移转化影响。3 0 4 1 材料与方法一3 0 4 2 结果与分析。3l 4 2 1 不同氧化还原条件培养下上清液理化指标3 1 4 2 2 不同氧化还原条件培养下上清液z n 2 + 、f e 2 + 含量3 2 4 2 3 不同氧化还原条件培养下沉积物中z i l 、f e 的形态变化3 5 4 3 讨论与小结3 9 4 3 1 不同氧化还原条件培养对沉积物z n 、f e 的迁移的影响3 9 4 3 2 不同氧化还原条件培养对沉积物z n 、f e 的形态转化的影响。4 0 4 3 3 不同氧化还原条件培养下沉积物f e 对p b 迁移转化的影响4 0 4 4 吖、结4 1 第五章总结 5 1 结论4 3 5 2 展望4 4 参皇学文南r 4 5 致谢。 v 4 9 1 1 城市河流重金属污染 第一章绪论 随着城市化、工业化进程的加快，城市经济高速发展，由于城市人口居住 密集，工业生产发达，大量的城市生活污水及工业生产污水直接排入城市河道， 地面径流、车辆废气、垃圾、大气沉降物等也随暴雨径流冲刷进入河道，使城市 河流受到严重的污染和破坏。据2 0 0 0 年统计，我们国家城市河道7 0 - - ，8 0 受 到严重污染，由此每年损失近4 0 0 亿元。重金属在地表环境中不能被微生物降解， 通过食物链在生物体内产生富集，具有累积效应，而且生物会将重金属转化毒性 更大的化合物。城市河流的主要重金属污染包括c u 、p b 、z n 、c r 、h g 等，主要 分为自然来源和人为来源。自然来源的重金属含量很低，城市河流的重金属污染 主要是人为来源。c d 主要来源有电镀、采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业等 排放的废水，具有移动性大、毒性高的特点，c d 的所有化学形态对人和动物都 有毒，损害肝脏、肾脏、骨骼、胃肠道和生殖系统，并具有致癌性；h g 主要来 源于仪表厂、食盐电解、贵金属冶炼等，h g 及其化合物毒性很大，尤其是汞的 有机化合物甲基汞，进入人体后遍布全身各器官组织，主要侵害神经系统，甲基 汞还可通过胎盘屏障侵害胎儿，使胎儿先天性汞中毒后导致畸形或痴呆( 李兆辉 等，2 0 1 0 ) 。p b 主要来源于各种油漆、涂料、蓄电池、冶炼、五金等行业。低浓 度p b 使人的学习、记忆功能障碍。长期低铅染毒造成p b 中毒性心肌损伤，肾上 腺皮质、甲状腺、垂体前叶的功能也会受损，并可能损害生殖系统( 霍霞，2 0 0 9 ) 。 z n 的主要污染源有锌矿开采、冶炼加工、机械制造以及镀锌、仪器仪表、有机 会合成和造纸等工业的排放，汽车轮胎磨损以及煤燃烧产生的粉尘、烟尘中均含 有锌及化合物。 城市河道的水环境污染污染问题日益严重，对城市河道水体重金属污染的研 究和防治工作备受重视，但经过整治的河流沉积物中重金属污染风险依然存在。 扬州古运河下游因曾经工厂聚集，经综合整治后，c d 、h g 的潜在生态危害仍然 很高( 彭涛等，2 0 1 0 ) ；由于沿江城市工业废水和生活污水的大量排放，长江重 庆城区段底泥受到c u 、p b 、z n 的污染，其中高浓度的c - u 污染，使研究区域的 潜在危害性超过了我国五大湖( 张兴梅等，2 0 1 0 ) ；位于成都市中心城内的三条 河流也不同程度受到h g 、c d 、c u 、p b 的污染( 尚英男等，2 0 0 5 ) 。 1 2 沉积物中重金属的化学行为、赋存形态及其影响因素 重金属进入水体后，不易被微生物降解，绝大部分迅速地转移至沉积物或悬 浮物中，并最终进入沉积物( 王静雅，2 0 0 4 ) 。进入水体的重金属会受到吸附解 吸、沉淀溶解、氧化还原等各种化学作用，以及颗粒凝聚、差异性沉降和有选择 性的再悬浮等沉积动力过程的影响，同时，生物吸收、新陈代谢、生物死亡残体 的矿质化释放等生物作用也会产生影响，这些因素使重金属在沉积物水界面重 新分配和累积。沉积物是重金属污染物的载体和“蓄积库 ，研究重金属污染现 状、分布规律，追踪可能的重金属污染源方面，沉积物在这些研究中都有重要的 理论研究价值和现实意义。 元素的总浓度可以间接反映其污染程度，但重金属元素在沉积物中常以不同 的化学形态存在，不同的化学形态具有不同的环境行为和生物可利用性( 张淑香， 1 9 9 9 ) ，并不是所有形态的重金属都能能被生物吸收并产生危害，也就是说，沉 积物中重金属的毒性和生物有效性取决于它在沉积物中的赋存形态。测定重金属 在特定样品中的存在形态，才能全面评价痕量元素对环境的影响。水体中重金属 的赋存形态对其在沉积物水界面的迁移转化还有着直接的影响。因此，研究重 金属的形态分布，对全面评价污染物可能产生的环境效应，预测重金属的迁移转 化动向具有重要意义。 重金属在沉积物中的化学行为及赋存形态受沉积物基本性质、水体环境等的 影响。c u 被沉积物吸附的速率会随着反应温度的升高而升高( 金相灿，1 9 8 4 ) ， 水体泥沙浓度增大，c u 、c d 的吸附速率会变大，而解吸速率降低( 金相灿，1 9 8 7 ) ； 沉积物中的粘土百分含量越高，沉积物的吸附能力也会提高( 田玉红，1 9 9 9 ) ； 沉积物中交换态重金属随着p h 值升高而减少，碳酸盐结合态重金属随p h 升高 而升高，同时，较低的p h 有利于重金属在沉积物中的解吸( 陈松，1 9 9 9 ) ，当 p h 在5 以上时产生吸附作用，吸附量随p h 值的升高而增大( 庄云龙，2 0 0 3 ) ， 铁锰氧化物结合态重金属还与p h 呈正相关( 刘霞，2 0 0 2 ) ；交换态沉积物中重 金属吸附解吸行为还受到氧化还原电位( e h ) 的影响，f e 、m n 、a 1 的水和氧 2 化物比表面积大，吸附的重金属多，这类氧化物对氧化还原电位的变化很敏感， 极小的变化就能促进沉积物中重金属的吸附和释放( 栾兆坤，1 9 9 0 ) ，在溶氧量 高的水体中，重金属更易迁移( r y s s e a le ta l ，1 9 9 8 ) ；有机质能与金属离子形成 简单络合物及混合配位络合物，大大增强吸附能力( b e r t i ne ta l ，1 9 9 5 ) ，交换态、 有机结合态重金属均与有机质含量呈正相关，有的甚至达到显著水平，而碳酸盐 结合态重金属与有机质含量呈负相关( 符建荣，1 9 9 3 ) ，有机质可使金属氧化物 中的金属还原为低价态，增加其溶解性，释放出吸附的重金属，重金属离子能与 有机酸形成可溶性络合物和胶体悬浮物；水体中天然有机物的分解产物对重金属 从沉积物中的释放有一定的影响( 钟爱平，2 0 0 7 ) ，此外，离子强度( 张岚，2 0 0 3 ) 、 盐度( 陈松等，1 9 9 1 ) 、水流紊乱程度都会对重金属的迁移转化产生影响。 1 3 植物生长对重金属形态和活性的影响 应用植被恢复的方法，利用湿地植物进行河流生态系统的重建，维持其结构 和功能的稳定，是目前热门的生态恢复手段。湿地植物在治理湿地重金属污染中 起着十分重要的作用。湿地植物对重金属的影响包括对重金属的吸收作用和植物 生长的根际效应对重金属形态的影响。d e lr i o 等人( d e lr i oe ta l ，2 0 0 2 ) 对 9 9 种湿地植物吸收重金属p b 、z n 、c d 等的情况进行了比较，发现某些种类对重 金属具有超强的吸收能力，吸收量超过一半植物的1 0 0 倍以上。 湿地植物由于长期生活在水体环境中，根部一直处于高度还原环境，根系发 达，植物体制造的氧气很大部分传输到根部，氧气通过根部皮层细胞扩散到周围 环境中，形成根际微氧环境，对重金属离子的迁移转化具有一定的影响。o t t e 等 ( o t t ee ta l ，1 9 9 1 ) 的研究发现，湿地植物具有发达的通气组织，能向根际释 放氧气和氧化物质，改变根际氧化还原电位，使大量的二价铁被氧化为三价铁， 促进金属离子与氢氧根形成沉淀，金属氢氧化物会继续结合a s 、z n 等重金属， 降低其在根际的浓度，d o y l e 等( d o y l ee ta l ，1 9 9 7 ) 研究了有机物对湿地z n 、 a s 的积累作用，发现氧化铁左右着这两种重金属的积累状况，从而间接地说明 湿地植物的泌氧能力在重金属的稳定中所起的作用。植物的根际作用能够改变根 际的微域环境，使根土界面的物理、化学和生物学性质发生改变，导致土壤 中不同形态的重金属受到影响，进而影响其迁移活性和生物有效性。陈有缢等( 陈 有缢等，2 0 0 1 ) 采用根垫法研究了玉米、大豆和小麦根际环境对污灌土壤中铜、 镉、铅、锌形态的影响，发现作物根际土壤中交换态铜含量呈现增加趋势，碳酸 盐态和铁锰氧化物态金属则表现为减少趋势，形态变化的幅度与植物种类有关。 马卓荦( 马卓荦，2 0 0 7 ) 通过根际袋土培实验比较了七种植物渗氧对根际土壤中 z n 、p b 形态的影响情况，认为根际土壤中的z n 有由紧密结合态向松散结合态转 化的趋势，而p b 有由松散结合态向紧密结合态转化的趋势。 1 4 本研究的主要内容及其目的、意义 1 4 1 本研究的目的、意义 快速城市化进程使逐渐恶化的城市水环境问题凸显，近年来太湖蓝藻大爆发 给城市居民的生活带来了严重的威胁，再次敲响了水环境保护的警钟。对受污染 的江河湖库水体进行修复成为社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。随着人 们对水污染过程及内在机理认识的不断深入，目前对受污染水体的治理已经发展 到生态修复阶段，即在控制外源污染负荷的基础上，恢复水生生态系统结构和功 能，其中以水生植被恢复为首要措施。上海也在 2 0 0 6 2 0 2 0 年的中长期科学和 技术发展规划纲要中已将进一步发展污染水体的生态修复技术列为中长期技术 创新的主要任务之一。尽管水生植被恢复对改善河湖及湿地地表水环境质量具有 重要作用，水生植被通过与沉积物的相互作用，同时还可能促进根际污染物如重 金属等的释放。水生植物对沉积物污染物迁移转化的影响因素非常复杂，其中根 系泌氧驱动的根际氧化过程最为典型。根际氧化使沉积物各类化合物( 如铁锰氧 化物、硫化物等) 数量及比例发生变化，从而影响污染物在不同的形态间发生转 化和再分配，并最终决定沉积物中污染物的释放。本论文研究水生植被生长对沉 积物重金属迁移转化的影响，为全面认识水生植被恢复过程中污染物的净化机 制，进一步完善水生态修复技术提供科学依据。 1 4 2 本研究的主要内容 本论文通过野外采样和室内模拟研究水生植物恢复对城市河流沉积物重金 属迁移转化的影响。 ( 1 )选择具有不同生态恢复年限的城市河流，根据植被分布状况分析沉 4 积物重金属( p b 2 + 、f e 2 + ) 形态，研究植被恢复对重金属迁移转化的作用。 ( 2 )实验室设置不同的氧化还原条件，模拟水生植物生长旺盛期根际氧 化状态和水生植物停止生长后的根际缺氧状态，研究根际氧化氧化还原变化对沉 积物中重金属( z n 2 + 、f e 2 + ) 迁移转化的作用。 ( 3 )通过等温吸附实验研究受水生植物恢复影响的沉积物对重金属的吸 附解吸能力。 5 第二章水生植被恢复对沉积物p b 的迁移转化影响 2 1 研究区域概况 本论文选择上海市境内的天然湖泊及河流为对象，根据生态修复实施的时间 梯度，选择了修复7 年的丽娃河及修复2 0 年以上曹杨环浜( 见图2 1 ) ，研究水生 植被恢复对沉积物形态的影响。 ( 1 ) 丽娃河，修复时间7 年 丽娃河位于上海市华东师范大学普陀校区校园内，由于长期受到校内生活 污水的直排，污染物大量积累，远远超过水体的自净能力，突出表现在水体的 氮、磷等营养物质超标。由于与外界水体分隔，除梅雨季节开闸行洪外，丽娃 河逐步成为一个封闭性水体，至2 0 0 3 年之前，水中藻类滋生，夏季藻华严重甚至 出现黑臭。2 0 0 4 年开展了对丽娃河韵综合治理，在环境工程、生物强化治理等措 施的基础上，2 0 0 5 年开始实施以水生植被恢复为重点的生态修复工程。目前水生 植物长势良好，包括以荷花、睡莲为主的根著浮叶植物和以菹草、苦草、水盾草 为优势种的沉水植物。 ( 2 ) 曹杨环浜，修复时间超过2 0 年 曹杨环浜是位于上海市普陀区曹杨新村的一条环形封闭河道，全长2 2 0 8 m ， 所处地理位置及周边环境特征与丽娃河十分相近。自2 0 世纪8 0 年代开始，当地 政府组织对曹杨环浜实施了一系列综合整治工程，修建环河周边绿地和公园，并 于9 0 年代初开始构建水生植物净化水质生态体系，是上海市最早开展水生态修复 的城市河流，目前其水生植被恢复年限超过2 0 年，其中金鱼藻、轮叶黑藻、菹草、 睡莲等为优势种类。 6 2 2 研究方法 图2 1 研究区域及样点设置示意图 f i g 2 ls t u d ya r e aa n ds a m p l es i t e s 2 2 1 样品的采集与预处理 根据河道中植被生长状况，结合水质的初步观察，在有代表性的河段设置样 点。在丽娃河的大河共设置5 个样点，赤水河设置3 个样点，在曹杨环浜共设置 9 个样点。各样点水生植物分布情况见表2 1 。 表2 1 丽娃河、曹杨环浜各样点水生植物优势种分布情况 t a b l e 2 - ld o m i n a n ts p e c i e so fa q u a t i cp l a n t si nl i w aa n d c a o y a n gr i v e r 7 丽娃河和曹杨环浜在4 月水生植物生长旺盛，菹草、水盾草等密布整个河道。 河道中水生植物优势种为菹草、水盾草、苦草、黑藻等沉水植物，以及睡莲、荷 花等挺水植物。 分别于2 0 0 9 年4 月、9 月进行沉积物采样，使用沉积物柱状取样器 ( s e d i m e n tc o r e r ，德国h y d r o b i o s 公司) ( 图2 2 ) 采集丽娃河、曹杨 环浜河道中底泥，采得每个柱样约0 - 3 0 c m 。观察柱样发现其颜色随深度变化， 将柱顶呈黑色，处于水土界面的沉积物标记为上层，柱底呈灰黑色，质地较密实， 远离水面的底泥作为下层，分别取约5 0 0 9 装入自封袋内，做好标记，带回室内 后用冷冻干燥机冻干处理。样品冻干后剔除大颗粒沙砾及贝壳等杂物，研钵研磨 至过1 0 0 目尼龙筛，装入自封袋中密封保存。两次采样均详细记录每个样点附近 的水质状况、水深、植被生长状况、盖度等，在每个点用防水型p h 电导t d s 总固体溶解度盐度温度测试笔( e u t e c hi n s t r u m e n t sp c s t e s 仃3 5 ) 测定表层水体的 p h 、e c 、盐度、t s s ；用防水型大屏幕双排显示测试笔( e u t e c hi n s t r u m e n t so r p t e s t r 1 0 1 测定表层水体( 上层) 的e h ；用便携式溶解氧测定仪( 雷磁j p b j 6 0 8 ) 测定 表层水体( 上层) 的d o 。 图2 2 沉积物柱状取样器实物图 f i g 2 - 2s e d i m e n tc o r e r u s e di nt h i ss t u d y 2 2 2 研究方法 重金属形态的测定采用b c r 三步连续提取法，1 9 9 3 年由欧洲共同体标准物质 局( e u r o p e a nc o m m u n i t yb u r e a uo f r e f e r e n c e ) 提出( 刘恩峰等，2 0 0 5 ) ，该方法 使用反应性不断增强的萃取剂，逐级提取颗粒物样品不同生物可利用性的重金属 元素b c r 法将重金属赋存形态分成4 种：弱酸提取态、可还原态、可氧化态以及 残渣态( 冯素萍等，2 0 0 6 ； y u - y a n gl o n g ，2 0 0 9 ) ，提取流程见表2 2 。 表2 - 2 修正b c i e 步提取法分析流程 t a b l e2 - 2m o d i f i e db c rt h r e e - s t e pe x t r a c t i o np r o c e s s 第一步( 弱酸提取态) ：称取风干后的样品1 9 ，精确到0 0 0 0 1 ，置于1 0 0 m l 聚乙烯离心管中，加入2 0 m 1 0 1 1 m o l l 的乙酸，2 5 恒温振荡培养箱中振荡1 6 h ， j 振荡结束后靴, 1 5 m i n ( 3 0 0 0 r m i n ) ，上层清液经w h a t m a n 滤纸过滤，储于聚乙烯 瓶中，4 保存以备分析。往固体剩余物中加入2 0 m l 蒸馏水，振荡1 5 m i n ，离心 1 5 m i n ( 3 0 0 0 r m i n ) ，弃去上清液。 第二步( 可还原态) ：向上一步残留固体中加入2 0 m l0 5m o v l n h 2 0 h h c i ( 用h n 0 3 调节p h 至1 5 ) ，用手振荡使离心管内残渣悬浮后，按第一步方法振荡、 离心、过滤并保存上清液，最后洗涤。 第三步( 可氧化态) ：往第二步的残留物中缓慢加入1 0 m 1 8 8 m o l l h 2 0 2 ( 用 h n 0 3 调节p h 至2 3 ) ，盖上离心管盖在室温下消化l h ，在消化过程中不断用手振 荡。然后再8 5 水浴中加热1 h ，前0 5 h 不断用手振荡，去除离心管盖，继续加热 直至离心管内液体减少到1 - 2 m l ，再加入l o m l 8 8 m o v l h 2 0 2 ，8 5 加盖水浴消化 9 1 h ，前0 5 h 不断用手振荡，去掉离心管盖，继续加热直至h 2 0 2 蒸发近干。待冷却 后。加入5 0 m 1 1 0 m o l l n h 4 a c ( 用h n 0 3 调节p h = 2 ) ，按第一步方法振荡、离心、 过滤并保存上清液，最后洗涤。 第四步( 残渣态) ：为分析测定残渣态中金属元素含量，在b c r - - - 步提取法 的基础上，采用了第四步提取方案。使用h n 0 3 h f h c l 0 4 法对前三步提取后剩 余的样品残渣进行消解，溶出存在于矿物晶格中的重金属元素。 提取结束后，使用原子吸收光谱仪测定提取液中重金属含量，其中p b 用石墨 炉法测定，f e 用火焰原子吸收分光光度法测定。所有测定均在华东师范大学河口 海岸学国家重点实验室完成。 总有机碳的测定使用重铬酸钾硫酸外加热法，详细方法参见土壤农化分析 ( 鲍士旦，2 0 0 5 ) 。 采用s p s s l 8 0 软件o n e - w a y a n o v a 分析沉积物t o c 含量及重金属形态受 不同沉积物层、植被生长状况影响的差异，采用其中的p e a r s o n 相关性分析重金 属百分比与t o c 含量及p b 和f e 含量、比例的相关性。 2 3 结果与分析 2 3 1 丽娃河、曹杨环浜现场调查数据 现场调查数据表明，丽娃河、曹杨环浜9 月河道中水体温度均明显高于4 月， 温差在1 0 1 3 ( 2 ，p n 在两次采样中偏碱性，各点存在一定差异。丽娃河、曹杨环 浜各点溶解氧含量有较大的差别，总体来说，4 月水体溶氧量高于9 月，其中丽娃 河水体9 月份溶解氧明显低于4 月，个别样点溶氧量低于2 0 。水体中e c 、t d s ( 可 溶性盐含量) 也呈现出4 月高于9 月的趋势，盐度相差不大。各样点e h 差异较大。 2 3 2 丽娃河、曹杨环浜沉积物中总有机碳含量分布特征 研究结果表明( 表2 4 ) ，曹杨环浜沉积物总有机碳含量显著高于丽娃河( 尸 o 0 5 ) ，同一个样点上层沉积物高于下层( 尸 可氧化态 弱酸提取态。p b 主要以可还原态形式存在，约 占所有形态的6 0 7 0 ，其次是残渣态，其量约占所有形态的2 0 3 0 ，弱酸提 取态含量最低；f e 的形态分布特征为：残渣态 可还原态 可氧化态 弱酸提 取态，以残渣态含量最多，约占所有形态的8 0 ，其次为可还原态，约占所有形 态的1 0 2 0 。 ( 1 ) 丽娃河、曹杨环浜沉积物中p b 的形态分布 由表2 5 可见，曹杨环浜p b 含量高于丽娃河，平均含量达丽娃河的2 3 倍，4 、 9 月份上层沉积物p b 平均含量分别高达1 2 9 4 2 士5 1 3 5 m g k 和1 7 4 7 7 + 8 3 4 3 m g k g ， 下层沉积物p b 含量低于上层，约为上层的l 2 ；丽娃河4 月份、9 月份上、下层 沉积物中p b 含量相差不大，上层略高于下层，而曹杨环浜9 月份沉积物中测得 的p b 含量更高，上、下层含量均是4 月的1 3 倍。 表2 - 5 沉积物中不同形态的p b ( m g k g ) 含量 t a b l e2 - 5c o n t e n t s o fd i f f e r e n tf o r m so fp b ( m g k g ) i ns e d i m e n t s 弱酸提取态可还原态可氧化态残渣态各形态总和 上层 4 月 丽下层 娃 河上层 变化范围 m e a n 士s d 变化范围 m e a n 4 , s d 变化范围 0 1 4 1 2 41 4 0 3 6 4 5 5 1 0 6 - 4 2 3 4 2 9 2 3 3l 2 5 7 7 8 7 3 5 o 5 1 4 - 0 3 42 9 2 7 + 1 5 3 62 1 4 4 - 1 2 31 4 1 5 + 4 2 94 6 0 6 4 - 1 9 4 0 0 1 1 1 9