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发布时间：2022-01-07 10:55所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘 要： 研究以江苏太湖流域 49 个水生态功能分区为评估单元，通过综合污染指数法、地积累指数法以及潜在生 态风险分析、多元聚类分析对沉积物中营养盐及重金属的污染状况进行调查和评估。 结果表明：流域沉积物中总 氮(TN)均值为 1 171 14 mg / kg，各级区按 TN 含量
摘 要： 研究以江苏太湖流域 49 个水生态功能分区为评估单元，通过综合污染指数法、地积累指数法以及潜在生 态风险分析、多元聚类分析对沉积物中营养盐及重金属的污染状况进行调查和评估。 结果表明：流域沉积物中总 氮(TN)均值为 1 171 14 mg / kg，各级区按 TN 含量由大到小排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级区;总磷( TP) 均值为 878 99 mg / kg，级区排序情况与 TN 相反;除 Cr 外，重金属平均含量均高于环境背景值。 综合污染指数表明Ⅰ、Ⅱ级区内 TN、TP 污染程度均较重，Ⅲ、Ⅳ级区内 TP 为主要污染因素。 地积累指数法表明 Cd、Hg、Pb 污染较重;潜在生态风 险分析表明 Cd、Hg 是主要的生态风险贡献因子，Ⅲ级区综合潜在生态风险程度最高。 多元聚类分析将沉积物污染 因素分为 5 类，第一类为 Cu、Zn、Cr、TP，第二类为 Cd、As，第三类为 TN、有机质(OM)，第四类为 Pb、Se，第五类为 Hg，分别来自不同的污染源。
关键词： 水生态功能分区;营养盐;重金属;污染评估;聚类分析
底泥是水生态系统的重要组成，是污染物和营养 物质“汇”与“释”的重要场所，是水生动植物生长繁 殖的重要栖息地。 重金属是一类易扩散、不易降解的 污染物，通常通过点源、线源、面源[1] 扩散进入水体 中，水体中的重金属通过物理沉降、化学吸附、生物摄 取等方式由液态转变为固态[2⁃4] 。
当水体的物理状态 和化学状态等发生变化时，沉积物中的重金属会被重 新释放到水体中，成为潜在的污染源[5⁃7] ，对生态环境 健康产生危害。 营养盐是水生植物生长的重要营养 物质，其含量过高会引发藻类大量生长，严重时形成 “水华”。 水体中的营养盐大多沉积在底泥中，当外 界环境发生变化，营养盐重新释放到水体中，致使水 体中 N、P 浓度升高，延续富营养化现象[8⁃9] ，严重时 还会导致水体自净能力下降，致使湖泊水体恶化。 太湖流域人口密集，工业化、城镇化发展迅速， 同时人类活动也对太湖流域水环境产生较大干扰， 引起一系列的环境污染问题。
近年来，针对太湖流 域沉积物中重金属和营养盐污染的研究日趋增加， 方斌斌等[10]和于佳佳等[11] 发现重金属 Cr、Cu、Zn、 Cd、Pb 生态风险指数较低，Cd、Hg 是最主要的生态 风险贡献因子。 张杰等[12] 以太湖流域的 6 个水系 为研究对象，研究表明沉积物中 Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、 As、Cd 和 Hg 平均含量均高于环境背景值，重金属 含量变化主要受人类活动的影响。
杨洋等[13] 发现太湖流域有机氮污染和综合污染程度较为严重。 2016 年，江苏省基于“十二五”期间研究成果， 遵循水质与水生态保护并重、生态保护与生态修复 并举等原则将江苏太湖流域划分为 49 个水生态功 能分区，分区涉及太湖湖体，苏州市、无锡市、常州 市和丹阳市的全部行政区域，镇江市区、丹徒区、句 容市，南京高淳区在内的对太湖水质有影响的区 域[14] ，并按照生态功能多参数评价等方法对 49 个 分区的生态功能与服务功能进行判定，将 49 个分区(陆域 43 个、水域 6 个)划分为健全水生态功能区 (Ⅰ级区)、较健全水生态功能区(Ⅱ级区)、一般水 生态功能区(Ⅲ级区) 和较低水生态功能区(Ⅳ级 区)4 个等级。
其中 I 级区 5 个、Ⅱ级区 10 个、Ⅲ级区 20 个、Ⅳ级区 14 个，实施差别化的流域产业结构调 整与准入政策，对Ⅰ、Ⅱ级区重点实施生态保护， Ⅲ、Ⅳ级区重点实施生态修复[14] 。 本文以 49 个水 生态功能分区为对象，通过对应布点采样，对沉积 物中的营养盐和重金属污染状况进行系统评估分 析，希冀为当地政府部门针对生态环境管控、修复 提供支撑依据。
1 材料与方法
1 1 研究区域点位分布
流域表层沉积物调查范围覆盖太湖流域江苏 省区域，在 2018 年 10 月平水期共布设点位 201 个， 其中 I 级区 18 个、Ⅱ级区 26 个、Ⅲ级区 91 个、Ⅳ级 区 66 个。
1 2 样品采集及保存 使用手持 GPS 定位仪对各采样点进行精准定位，用彼得森采泥器采取水体表层沉积物，采样深 度为 0～10 cm，装入洁净的聚丙烯酰胺袋中(排出 空气)，放置在容量为 800 L、温度为 4 ℃ 的冰箱中 暂时进行低温保存，同时记录下各采样点的水体名 称、采样编号、时间、经纬度。 将底泥样品于室温 (20 ℃ )下自然风干，用玻璃棒在称量纸上压散沉积 物样品，剔除贝壳、大小砾石及动植物残体等杂质， 经烘箱烘干，用玛瑙研钵研磨后过 8×10 -4 μm 和 8× 10 -3 μm 的筛网， 用 四 分 法 进 行 缩 分， 低 温 保 存 待用[15] 。
1 3 样品测定与数据分析
碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮 (TN)、总磷(TP)的含量(质量分数);重铬酸钾容量 法测定有机质(OM) 的含量(质量分数);重金属 As、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Cr 的含量(按样品中重金属 质量分数(w)计，下同)使用电感耦合等离子体质谱 仪( ICP MS 7700x，美国 Agilent)测定，Hg 的含量 使用全自动测汞仪 ( Hydra c， 美国 Leeman) 测 定[16] 。 所有玻璃器皿和塑料器皿均经 2 mol / L 的 HNO3 浸泡 24 h 并清洗后才可使用，所有试剂均为 分析纯，所有样品分析均重复 3 次。
1 4 沉积物污染评估方法
1 4 1 有机氮污染评价方法 有机氮评价是评价水域沉积物是否遭受氮污 染的重要指标，相应计算方法参见文献[17 18]。
1 4 2 营养盐综合污染指数评价 综合污染指数法是表征表层沉积物受 TN、TP 共 同污染程度的评价方法，相应的计算方法参见文献 [19 20]，TN、TP 环境质量评价标准参见文献[13]。
1 4 3 地积累指数法 Muller [21]提出的地积累指数法不仅考虑了环境 地球化学背景值、人为影响因素，还特别考虑了自 然成岩作用引起背景值的变化，定量评估重金属污 染程度，给出很直观的重金属污染级别，相应计算 方法参见文献[22]。
1 4 4 潜在生态风险评价指标 Hakanson [23]提出的潜在生态风险指数法，全面 考虑了重金属在沉积物中的迁移转化规律、重金属 环境背景值和环境区域对重金属的敏感性，可以综 合反映重金属对区域环境的潜在生态影响，相应计 算方法参见文献[24 26]。
1 4 5 沉积物质量基准法 MacDonald 等[27]提出的沉积物质量基准法，主要内容涉及效应范围低值( ERL)、效应范围中值 (ERM)、 临界效应含量 ( TEL) 和可 能 效 应 含 量 (PEL)等关键阈值，相应计算方法参见文献[28]。 1 5 统计分析 使用 Spss22 0 等软件对营养盐和重金属的污 染状况及相关性做出统计分析，使用 Arcgis10 2 分 析空间分布特征。
2 结果与讨论
2 1 表层沉积物含量及空间分布特征
2 1 1 营养盐含量及分布特征 太湖流域表层沉积物营养盐含量及分布特征。太湖流域 TN 平均含量为 1 171 14 mg / kg，水生态功能区按 TN 平均含量由大 到小排序为Ⅰ(1 648 04 mg / kg)、Ⅱ(1 413 73 mg / kg)、 Ⅲ(1 131 88 mg / kg)、Ⅳ(972 27 mg / kg)级区。
其中 Ⅰ 04(阳澄湖，2 288 89 mg / kg) 的 TN 含量最高， 主要原因是此生态区域内有很多河蟹围网养殖且 周边人口数量、农田面积较大，饲料的投加、动植物 残体及污水的排放等使得此生态区域 TN 含量高， 这与蒋豫等[29] 的结论一致;其次为Ⅱ 03(宜兴蜀 水大港桥，2 054 00 mg / kg)，此功能区包含宜兴太 湖服务区和多家企业，生活污水及工业废水排放量 大，致使 TN 含量高。 水生生物的生物量、多样性对底泥中 TN 含量的动态变化有重要影响，两者具有 较好的正相关性，但对 TP 的影响不明显[30⁃31] 。
4 个 水生态功能区比较，等级越优，生物多样性、生物量 越大，TN 含量也越高，水生态功能区 TN 含量的排 序与其等级的划分较为匹配。 TN 空间分布差异较 大，变幅为 188 00 ～ 4 230 00 mg / kg，变异系数为 54 19%，TN 在湖泊和太浦河(连接太湖和黄浦江的 人工河道)内含量分布较高。
太湖流域 TP 平均 含 量 为 878 99 mg / kg，各级区 TP 平均含量的分布与 TN 相 反，按 TP 平均含量由大到小的排序为Ⅳ( 951 63 mg / kg)、Ⅲ ( 888 78 mg / kg)、Ⅱ ( 827 23 mg / kg)、 Ⅰ(692 15 mg / kg)级区，其 中 Ⅳ 03 ( 锡 武 城 镇， 1 799 25 mg / kg)和Ⅲ 10(滆湖南岸，1 500 00 mg / kg)的 TP 含量较高。
Ⅳ 03(锡武城镇，包含无锡惠 山区、江阴市及常州武进区等)工业企业数量多，人 口密集，生活污水和工业废水混合排放量大，这同 吴攀等[32]结论一致;Ⅲ 10 区域内存在围湖养殖且 农业面源污染较多，另外城镇居民生活污水排放量大等，都使 TP 含量增大，熊春晖等[31]也得出一致结 论。 TP 空间分布差异也较大， 变幅为 137 00 ～2 650 00 mg / kg，变异系数为 45 56%，TP 在太湖北 部和东部含量分布较高。
2 1 2 重金属含量及分布特征
太湖流域表层沉积物中，8 种重金属 按照平均含量由大到小排序为 Zn(83 70 mg / kg)、 Pb(37 93 mg / kg)、 Cr ( 35 49 mg / kg )、 Cu ( 29 27 mg / kg)、 As ( 10 99 mg / kg )、 Cd ( 0 46 mg / kg )、 Se(0 26 mg / kg)、Hg(0 12 mg / kg)，分别是各自环 境背 景 值 的 1 29、 1 73、 0 47、 1 25、 1 17、 5 43、 2 70、4 77 倍。
其中各采样点的 Se 含量全部高于 对应的背景值，仅有 7 69%采样点的 Cr 含量高于环 境背景值，Cd、Hg、As、Cu、Pb 和 Zn 含量高于环境背 景值 的 采 样 点 占 比 分 别 为 94 12%、 99 55%、 63 35%、 38 46%、 62 90%、 52 49%， 可 得 重 金 属 Cd、Hg 污染较重。 重金属在空间分布上具有相似 的规律性，Cd、As、Hg、Pb 呈现由东向西、由南向北 逐渐降低的趋势，Cr、Cu、Zn、Se 呈现由东向西、由北 向南逐渐降低的趋势。
重金属在各水生态功能区含量分布，空间分布差异较大的重金属中，水生态功 能区按 Cd 平均含量由大到小排序为Ⅰ(0 56 mg / kg )、 Ⅱ ( 0 55 mg / kg )、 Ⅲ ( 0 53 mg / kg )、 Ⅳ(0 30 mg / kg)级区，最大值位于Ⅲ 07(西氿，5 5 mg / kg)，此处是汽车工业园聚集区，排放的工业废 水中含有较多的 Cd，沉积在底泥中引起 Cd 含量严 重超标[33] 。
水生态功能区按 Pb 平均含量由大到小 的排序为 Ⅱ ( 41 12 mg / kg)、 Ⅳ ( 40 21 mg / kg)、 Ⅰ(37 00 mg / kg)、Ⅲ(35 39 mg / kg) 级区，最大值 位于Ⅳ 13(南麻漾，146 07 mg / kg)，此处位于综合生活功能区，生活污水和工业废水的排放引起 Pb 污染[34] ;水生态功能区按 Cu 平均含量由大到小的 排 序 为 Ⅳ(33 24 mg / kg)、 Ⅲ ( 30 61 mg / kg )、 Ⅰ(23 22 mg / kg)、Ⅱ(20 02 mg / kg) 级区，最大值 位于Ⅳ 09(走马塘，169 10 mg / kg)，此处属于吴中 区工业园区，多为机械、合金材料制品公司，底泥中 Cu 含量达到水生态功能区的最大值，其他重金属含 量也较高，此处应为重点管控区域[34] 。
2 2 表层沉积物污染评价结果
2 2 1 有机氮污染评价结果 参考文献[17 18]计算得到，太湖流域有机氮污 染指数变化范围为 0 018～0 402，均值为 0 111，整体 处于轻度污染程度。
水生态功能区按有机氮污染 严重程度由大到小排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级区。 Ⅰ、Ⅱ级区均 为有机氮污染状态，其中Ⅰ级区处于有机氮重度污染 的采样点占 63 64%;Ⅱ级区处于有机氮重度污染的采样点占 46 43%，中度污染采样点占 39 29%。 Ⅲ、Ⅳ级 区有机氮污染程度大部分为轻度 中度污染，其中Ⅲ、 Ⅳ级区中度污染采样点分别占 50 00%、53 42%，轻度 污染分别占 20 21%、30 14%。
2 2 2 综合污染评价结果
各级区 TN、TP 以及综合污染评价情况，进行综合污染评价，得到太湖流域表层沉 积物中氮评价指数( STN )、磷评价指数( STP )以及综 合污染指数( FF) 的平均值分别为 1 74、 2 26 和 2 00，分别处于中度污染、重度污染和中度污染程 度，王佩等[19]根据综合污染评价的方法对太湖湖滨 进行评价，除东太湖和竺山湾外其他地区为轻、中 度污染。 根据综合污染评价，水生态功能区按污染 程度由大到小排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级区。
Ⅰ、Ⅱ级区 STN、STP处于重度污染的采样点占比较大，其中Ⅰ级 区分别为 63 64%、54 55%，Ⅱ级区分别为 50 00%、 64 29%;Ⅰ、Ⅱ级区分别有 63 63%、67 85%采样点 的 FF 处于中度 重度污染程度，Ⅰ、Ⅱ级区综合污染 指数较高与动植物残体和外污染的汇入息息相关[35] 。 Ⅲ、Ⅳ级区 STN的污染程度降低，处于清洁 轻度污染的采样点分别占 53 19%、60 81%;但是， STP 的 污 染 程 度 有 所 加 重， Ⅲ、 Ⅳ 级 区 分 别 有 80 85%、81 08%的采样点处于重度污染状态，这与 底泥中 TP 的释放和人类活动的干扰有关。
2 3 相关性分析
2 3 1 主成分分析
主成分分析(PCA)可以将大量的数据减少为几个 变量，有助于更好地分析环境中主要的污染因子及相 关性，同时保留了很大部分的原始信息，在提取的 11 个变量中，PCA 将 维数降至 3 个部分，解释了 68 21%的总方差。 主成分 1(PC1) 以 Zn、Cr、Cu、Pb 和 TP 含量为主，解释了 35 70%的总方差;主成分2(PC2)以 Cd、TP 和 OM 含量 为主，解释了 20 20%的总方差，其中 Cd 因子荷载低于 组内其他成分的因子荷载;主成分 3(PC3)以 Cd 和 As 含量为主，解释了 12 31%的总方差。
3 结论
1)TN 平均含量为 1 171 14 mg / kg，水生态功能 区按 TN 含量从大到小排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级区，与 水生 态 功 能 区 等 级 划 分 一 致; TP 平 均 含 量 为 878 99 mg / kg，级区含量分布与 TN 相反。
2)太湖流域表层重金属(除 Cr 外)平均含量均 高于环境背景值，其中 Cd、Hg 平均含量高于环境背 景值的采样点占比分别为 94 12%、99 55%，变异系 数分别为 126 83%、120 94%，表明 Cd、Hg 为主要 污染因素，且受人类影响较大;重金属在空间分布 上有一定的规律性，Cd、As、Hg、Pb 含量由东向西、 由南向北逐渐降低，Cr、Cu、Zn、Se 含量由东向西、由 北向南逐渐降低。
3)有机氮污染分析表明，Ⅰ、Ⅱ级水生态功能区 均为有机氮污染状态，Ⅲ、Ⅳ级水生态功能区污染 程度大部分为轻度 中度污染。 综合污染指数分析 表明，Ⅰ、Ⅱ级水生态功能区 STN、STP处于重度污染的 采样点占比较大，Ⅲ、Ⅳ级区 STN污染程度下降而 STP 污染程度加重。
4)潜在生态风险分析表明Ⅲ级区综合潜在生 态风险程度最高。 地累积指数法表明污染等级由 大到小排序为Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅰ级区。 Cd、Hg 是流域主要的生态风险贡献因子，Pd 也会对水生态功能区造 成一定的影响，其他重金属均处于清洁状态。 沉积 物质量基准法表明 As 最有可能对底栖生物产生不 良影响。 5)多元相关性分析表明：Cr、Cu、Zn、TP 主要来 自农业废水以及电镀、合金制造、钢铁生产业等产 生的工业废水;Cd 和 As 污染源主要为涂料、电池、冶炼等化学工业;Pb 和 Se 主要来自煤炭、石油的燃 烧以及电池、电子等工业废水的排放;Hg 主要来自 煤炭、化石燃料的燃烧。
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作者：姚春雨1 ，夏 霆1 ，朱 玲1 ，孙淑文1 ，陈宇飞1 ，徐 宁2 ，黄体斌2
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《太湖流域水生态功能分区沉积物污染评估》