南四湖不同湖區(qū)底泥中重金屬和營養(yǎng)鹽的空間分布特征

南四湖不同湖區(qū)底泥中重金屬和營養(yǎng)鹽的空間分布特征

湖底泥記錄了湖泊環(huán)境變化的豐富信息，其中重金屬成分反映了流域生產(chǎn)對湖泊環(huán)境的影響。營養(yǎng)鹽是湖泊富營養(yǎng)化過程的象征。除了一些重金屬和養(yǎng)分可以通過水生生物的捕獲帶外，大部分沉積物沉積在湖泊的底泥中。因此，湖泊沉積可以視為環(huán)境變化的文件，通過對湖泊底泥的研究來評估人類活動對廢物的影響。南四湖位于山東省西南部,為南陽、獨山、昭陽和微山4個相互連貫的湖泊總稱.該湖總面積1266km2,平均水深1.46m.自1960年在湖腰處建成二級壩后,把南四湖分成上下級湖,壩北為上級湖注入河流29條,集流面積26934km2,占總集流面積的88.4%,目前入湖污染物主要集中于此自二級壩建成以后,南四湖成為我國華北地區(qū)面積最大的一座水庫性湖泊,同時,也成為現(xiàn)代湖泊環(huán)境研究的理想基地.作者通過對南陽湖、獨山湖和昭陽湖3個湖區(qū)采取的20個表層底泥樣品中的重金屬和營養(yǎng)元素沉積數(shù)據(jù)的分析,結(jié)合調(diào)查和監(jiān)測資料,闡述表層底泥中重金屬和營養(yǎng)元素在空間分布上的差異;識別湖區(qū)污染的重點區(qū)域,分析可能的污染來源,并且能給南水北調(diào)東線南四湖段湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的整治與改善提供參考信息.1樣品采集與分析1.1環(huán)境背景研究利用重力采樣器采集樣品.1～4號點位于昭陽湖區(qū),5～13號點位于獨山湖區(qū),14～20號點位于南陽湖區(qū).采取底泥表層1cm厚的樣品,置于密封的塑料袋中,帶回實驗室4℃冷藏以備分析測試.南四湖湖盆本身為洼地被黃河泛濫的泥沙淤塞而成,因此采用黃河沉積物的地球化學(xué)基礎(chǔ)資料作為研究湖區(qū)沉積底泥的環(huán)境背景值.1.2樣品處理和分析方法分析項目包括總有機碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)和金屬元素(汞、砷、鉛等).將事先研磨并過100目篩的樣品,加入5%的稀鹽酸多次攪拌浸泡1晝夜,用中性去離子水洗至中性(pH=7),烘干后研磨,稱一定量的樣品用CE440型元素分析儀測定樣品的TOC、TN.樣品自然風(fēng)干后,在55℃下烘干,經(jīng)磨細<100目,在Berghofmws-3微波消解系統(tǒng)中反應(yīng),最后將溶液定容至25mL.采用ICP-AES原子發(fā)射光譜儀測定總磷和重金屬元素.Hg和As由中國科學(xué)院南京土壤研究所分析測試中心采用HG-AFS原子熒光光譜儀測定.為檢查化學(xué)分析過程的可靠性,將標(biāo)準參考材料同樣品一起測試,分析結(jié)果系統(tǒng)地與被鑒定的總值相吻合.2結(jié)果2.1不同環(huán)境背景值的分離,其廢水含量與環(huán)境背景值比相減,樣品含量測定,可以相對含量較高,但廢水樣品中,其含量測定的所存氣比,均為5.由表1可見,汞、砷、鉛、鈷含量為0.01～20mg/kg;鉻、銅、鎳、釩、鋅含量為20～100mg/kg;鐵、錳、鎂、鍶、鈦含量為100mg/kg以上;汞、砷、鉛、銅、釩、鍶的總平均值均高于環(huán)境背景值,鎳、鋅的平均值與環(huán)境背景值相近,而鉻則小于環(huán)境背景值.汞、砷、鉛在表層沉積物中的濃度與環(huán)境背景值的比值(濃縮比)分別為1.7、1.1、1.0倍以上(表1).汞、砷、鉛是生物毒性顯著的元素,其含量的增高,意味著環(huán)湖居民生活環(huán)境的惡化.汞在南陽湖中的含量特別高,平均值為0.121mg/kg,高出環(huán)境背景值近8倍,最大值高出11倍;在獨山湖的平均值為0.074mg/kg,高出環(huán)境背景值近5倍,在昭陽湖濃度最低,平均值為0.043mg/kg,高出環(huán)境背景值約3倍.砷、鉛在獨山湖中的含量最高,分別為14.2、20.1mg/kg.鉻與其背景值(60mg/kg)沒有明顯的變化,濃縮比為1.0左右.銅、鎳、鈷、釩、鋅等為毒性一般的元素,在昭陽湖、南陽湖中含量較高,而在獨山湖中含量較低.2.2主成分分析和結(jié)論對原始數(shù)據(jù)歸一化,得到原始數(shù)據(jù)矩陣;然后對相關(guān)矩陣的特征向量提取,取特征值大于1,累積方差已達87.406%的前3個成分作為主成分,依次為:PC1、PC2、PC3,結(jié)果見表2.由表2,表3可見,第1主成分PC1占方差的56.807%,主要與鎳、鐵、鈷、鉻、釩、鈦、銅、鎂、鋅相關(guān),與有機碳、總氮、總磷負相關(guān).鎳、鈷、鉻、釩、鐵、鈦、銅、鎂、鋅在主成分分析中組成了連貫的一組,且與PC1有較強相關(guān)性,這說明在表層底泥中它們有著明顯共變聯(lián)系.結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹凑{(diào)查結(jié)果,這組元素主要與湖區(qū)周圍的土壤侵蝕和東部山區(qū)的巖石風(fēng)化釋放源有關(guān).第2主成分占方差的17.831%,與TOC、TN、鉛、砷相關(guān),與其他元素弱相關(guān).鉛、砷與沉積物中的有機物相結(jié)合,因此PC2反映出鉛、砷與TOC、TN的共變關(guān)系.由于煤的燃燒是鉛、砷的重要來源,鉛和砷的共同來源在PC2中也能得到體現(xiàn).第3主成分PC3主要與汞、TP相關(guān),占方差的12.768%.南四湖汞的濃縮比高于其他元素的濃縮比,這一現(xiàn)象在第3主成分中得到突出反映.發(fā)電廠及工商業(yè)和住宅鍋爐煤的燃燒是汞的主要來源,也與濟寧市的生活污水及工業(yè)廢水直接排放,通過河流進入南陽湖有關(guān).這3個主成分是眾多個原始變量的線性組合.把第2主成分作為橫坐標(biāo),第3主成分作為縱坐標(biāo),獲得關(guān)于20個樣點的主成分分析得分圖(圖1).由圖1可以看出,南陽湖的7個底泥的樣品點(14～20)在主成分PC3上有較高的表現(xiàn),說明南陽湖是受汞和TP污染嚴重的湖區(qū);采樣點3～13代表獨山湖區(qū)和鄰近的昭陽湖一部分,這一部分湖區(qū)顯示出受第2主成分所表現(xiàn)出的因素影響較大,即與鉛、砷及營養(yǎng)元素含量有關(guān);點1、2所在的昭陽湖中部地區(qū)受PC2和PC3因素影響較小,即受污染較輕.3表層底泥中鉛的來源長期監(jiān)測資料表明,南四湖湖區(qū)內(nèi)主要13條入湖河流均呈程度不等的有機污染,化學(xué)耗氧量超標(biāo)率達92.3%,生化耗氧量超標(biāo)率為83.3%.據(jù)1994年調(diào)查結(jié)果,濟寧、棗莊、菏澤3地排放的污水總量為28.752×104萬t.這些廢水大多未經(jīng)處理直接排入河流最終匯入南四湖上級湖,這是導(dǎo)致上級湖水體整體惡化的重要原因.獨山湖是南四湖中水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū).該湖區(qū)除航道外其余區(qū)域漁網(wǎng)密布,且生長大量的大型水生附著植物.與南陽湖相比,較高的TOC和TN濃度可能與未分解的植物殘體有關(guān),眾多的大型水草大量吸收磷酸鹽,而這些水草被當(dāng)?shù)氐木用翊驌频桨渡侠檬荰P相對南陽湖低的主要原因之一.這種表層底泥中高TOC、TN低TP含量的現(xiàn)象在太湖湖區(qū)的東太湖也存在.南四湖東部地區(qū)是華東地區(qū)最重要的煤田能源基地,無論電廠發(fā)電,還是民用燃燒,燃燒1t煤,排放到大氣中的鉛約為其含鉛量的2/3,流域中大氣沉降的鉛由于雨水沖刷,匯入河流最終進入南四湖,成為水體中鉛的主要來源.過去含鉛汽油的使用也是湖區(qū)鉛的重要來源.據(jù)調(diào)查,濟寧市的醫(yī)藥、化肥、紡織和印染等行業(yè)產(chǎn)生的含砷廢水及燃煤企業(yè)向大氣排放的砷,是底泥砷的重要來源.相對南陽湖和獨山湖而言,昭陽湖具有較低的重金屬污染和營養(yǎng)鹽含量,這與南四湖湖水是由南陽湖、獨山湖匯流向昭陽湖有關(guān).排入南陽湖的污水經(jīng)南陽湖和獨山湖的逐級沉積凈化,最后到達昭陽湖的湖水水質(zhì)相對較好,因而表層底泥的重金屬及營養(yǎng)鹽污染較