南四湖不同湖区底泥中重金属和营养盐的空间分布特征

南四湖不同湖区底泥中重金属和营养盐的空间分布特征

湖底泥记录了湖泊环境变化的丰富信息，其中重金属成分反映了流域生产对湖泊环境的影响。营养盐是湖泊富营养化过程的象征。除了一些重金属和养分可以通过水生生物的捕获带外，大部分沉积物沉积在湖泊的底泥中。因此，湖泊沉积可以视为环境变化的文件，通过对湖泊底泥的研究来评估人类活动对废物的影响。南四湖位于山东省西南部,为南阳、独山、昭阳和微山4个相互连贯的湖泊总称.该湖总面积1266km2,平均水深1.46m.自1960年在湖腰处建成二级坝后,把南四湖分成上下级湖,坝北为上级湖注入河流29条,集流面积26934km2,占总集流面积的88.4%,目前入湖污染物主要集中于此自二级坝建成以后,南四湖成为我国华北地区面积最大的一座水库性湖泊,同时,也成为现代湖泊环境研究的理想基地.作者通过对南阳湖、独山湖和昭阳湖3个湖区采取的20个表层底泥样品中的重金属和营养元素沉积数据的分析,结合调查和监测资料,阐述表层底泥中重金属和营养元素在空间分布上的差异;识别湖区污染的重点区域,分析可能的污染来源,并且能给南水北调东线南四湖段湖区生态环境的整治与改善提供参考信息.1样品采集与分析1.1环境背景研究利用重力采样器采集样品.1～4号点位于昭阳湖区,5～13号点位于独山湖区,14～20号点位于南阳湖区.采取底泥表层1cm厚的样品,置于密封的塑料袋中,带回实验室4℃冷藏以备分析测试.南四湖湖盆本身为洼地被黄河泛滥的泥沙淤塞而成,因此采用黄河沉积物的地球化学基础资料作为研究湖区沉积底泥的环境背景值.1.2样品处理和分析方法分析项目包括总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)和金属元素(汞、砷、铅等).将事先研磨并过100目筛的样品,加入5%的稀盐酸多次搅拌浸泡1昼夜,用中性去离子水洗至中性(pH=7),烘干后研磨,称一定量的样品用CE440型元素分析仪测定样品的TOC、TN.样品自然风干后,在55℃下烘干,经磨细<100目,在Berghofmws-3微波消解系统中反应,最后将溶液定容至25mL.采用ICP-AES原子发射光谱仪测定总磷和重金属元素.Hg和As由中国科学院南京土壤研究所分析测试中心采用HG-AFS原子荧光光谱仪测定.为检查化学分析过程的可靠性,将标准参考材料同样品一起测试,分析结果系统地与被鉴定的总值相吻合.2结果2.1不同环境背景值的分离,其废水含量与环境背景值比相减,样品含量测定,可以相对含量较高,但废水样品中,其含量测定的所存气比,均为5.由表1可见,汞、砷、铅、钴含量为0.01～20mg/kg;铬、铜、镍、钒、锌含量为20～100mg/kg;铁、锰、镁、锶、钛含量为100mg/kg以上;汞、砷、铅、铜、钒、锶的总平均值均高于环境背景值,镍、锌的平均值与环境背景值相近,而铬则小于环境背景值.汞、砷、铅在表层沉积物中的浓度与环境背景值的比值(浓缩比)分别为1.7、1.1、1.0倍以上(表1).汞、砷、铅是生物毒性显著的元素,其含量的增高,意味着环湖居民生活环境的恶化.汞在南阳湖中的含量特别高,平均值为0.121mg/kg,高出环境背景值近8倍,最大值高出11倍;在独山湖的平均值为0.074mg/kg,高出环境背景值近5倍,在昭阳湖浓度最低,平均值为0.043mg/kg,高出环境背景值约3倍.砷、铅在独山湖中的含量最高,分别为14.2、20.1mg/kg.铬与其背景值(60mg/kg)没有明显的变化,浓缩比为1.0左右.铜、镍、钴、钒、锌等为毒性一般的元素,在昭阳湖、南阳湖中含量较高,而在独山湖中含量较低.2.2主成分分析和结论对原始数据归一化,得到原始数据矩阵;然后对相关矩阵的特征向量提取,取特征值大于1,累积方差已达87.406%的前3个成分作为主成分,依次为:PC1、PC2、PC3,结果见表2.由表2,表3可见,第1主成分PC1占方差的56.807%,主要与镍、铁、钴、铬、钒、钛、铜、镁、锌相关,与有机碳、总氮、总磷负相关.镍、钴、铬、钒、铁、钛、铜、镁、锌在主成分分析中组成了连贯的一组,且与PC1有较强相关性,这说明在表层底泥中它们有着明显共变联系.结合当地污染源调查结果,这组元素主要与湖区周围的土壤侵蚀和东部山区的岩石风化释放源有关.第2主成分占方差的17.831%,与TOC、TN、铅、砷相关,与其他元素弱相关.铅、砷与沉积物中的有机物相结合,因此PC2反映出铅、砷与TOC、TN的共变关系.由于煤的燃烧是铅、砷的重要来源,铅和砷的共同来源在PC2中也能得到体现.第3主成分PC3主要与汞、TP相关,占方差的12.768%.南四湖汞的浓缩比高于其他元素的浓缩比,这一现象在第3主成分中得到突出反映.发电厂及工商业和住宅锅炉煤的燃烧是汞的主要来源,也与济宁市的生活污水及工业废水直接排放,通过河流进入南阳湖有关.这3个主成分是众多个原始变量的线性组合.把第2主成分作为横坐标,第3主成分作为纵坐标,获得关于20个样点的主成分分析得分图(图1).由图1可以看出,南阳湖的7个底泥的样品点(14～20)在主成分PC3上有较高的表现,说明南阳湖是受汞和TP污染严重的湖区;采样点3～13代表独山湖区和邻近的昭阳湖一部分,这一部分湖区显示出受第2主成分所表现出的因素影响较大,即与铅、砷及营养元素含量有关;点1、2所在的昭阳湖中部地区受PC2和PC3因素影响较小,即受污染较轻.3表层底泥中铅的来源长期监测资料表明,南四湖湖区内主要13条入湖河流均呈程度不等的有机污染,化学耗氧量超标率达92.3%,生化耗氧量超标率为83.3%.据1994年调查结果,济宁、枣庄、菏泽3地排放的污水总量为28.752×104万t.这些废水大多未经处理直接排入河流最终汇入南四湖上级湖,这是导致上级湖水体整体恶化的重要原因.独山湖是南四湖中水产养殖业发达地区.该湖区除航道外其余区域渔网密布,且生长大量的大型水生附着植物.与南阳湖相比,较高的TOC和TN浓度可能与未分解的植物残体有关,众多的大型水草大量吸收磷酸盐,而这些水草被当地的居民打捞到岸上利用是TP相对南阳湖低的主要原因之一.这种表层底泥中高TOC、TN低TP含量的现象在太湖湖区的东太湖也存在.南四湖东部地区是华东地区最重要的煤田能源基地,无论电厂发电,还是民用燃烧,燃烧1t煤,排放到大气中的铅约为其含铅量的2/3,流域中大气沉降的铅由于雨水冲刷,汇入河流最终进入南四湖,成为水体中铅的主要来源.过去含铅汽油的使用也是湖区铅的重要来源.据调查,济宁市的医药、化肥、纺织和印染等行业产生的含砷废水及燃煤企业向大气排放的砷,是底泥砷的重要来源.相对南阳湖和独山湖而言,昭阳湖具有较低的重金属污染和营养盐含量,这与南四湖湖水是由南阳湖、独山湖汇流向昭阳湖有关.排入南阳湖的污水经南阳湖和独山湖的逐级沉积净化,最后到达昭阳湖的湖水水质相对较好,因而表层底泥的重金属及营养盐污染较