太湖沉積物中重金屬的累積特征及其成因

太湖沉積物中重金屬的累積特征及其成因

關(guān)于太湖沉積物中重金屬污染和分布的初步和最全面的調(diào)查是由2004年至1981年江蘇省環(huán)境科學(xué)院和南京市地理與湖泊研究所聯(lián)合組織的太湖環(huán)境質(zhì)量調(diào)查研究。從流域的角度，本研究全面分析了土壤、工業(yè)污染、非點(diǎn)源污染、河流、湖泊水質(zhì)、沉積物中重金屬、養(yǎng)分和鉻的污染，重點(diǎn)是分析沉積物中的污染。因此，一些河口和梅良灣地區(qū)有輕微的重金屬污染，99%的行政區(qū)域是一個相對清潔的湖泊。1988年，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所再次調(diào)查了太湖沉積物的重金屬污染，并確定無錫、蘇州和長興海岸是重金屬污染的主要領(lǐng)域。2000年代前后，太湖沉積物中的重金屬污染再次受到關(guān)注。袁旭音等人比較了湖岸土壤和表面沉積物中重金屬含量之間的關(guān)系。范志新等人評估了太湖西岸宜津河流域主要河流沉積物的重金屬污染現(xiàn)狀。戴秀麗等人評估了太湖北部湖泊、迪山灣和貢山灣表面沉積物的重金屬污染。王海等人研究了太湖表面沉積物中重金屬的生物有效性。根據(jù)太湖表面沉積物分析結(jié)果，張玉平、石景哲等人還根據(jù)太湖表面沉積物分析結(jié)果進(jìn)行了太湖重金屬污染調(diào)查。這些研究基本上反映出太湖的重金屬污染，表明北部湖泊比其他湖泊大，河流地區(qū)比非河口地區(qū)大。然而，這些研究是在調(diào)查表面沉積物的污染現(xiàn)狀時進(jìn)行的。沒有研究沉積物數(shù)據(jù)集上的重金屬污染歷史。此外，由于太湖有許多河流，堿性沉積物占總湖區(qū)的69.83%，因此大部分研究缺乏對太湖的全面了解。劉恩峰等人通過對太湖馬跡山南部金石沉積物巖心的年齡分析和重金屬含量測定，反映了湖泊作為一個整體的污染，但在湖泊作為一個整體的污染下，如太湖、上游湖區(qū)和下游草類湖區(qū)等典型湖區(qū)的污染狀況尚不清楚。在這項工作中，我們分析了210pb和137cs沉積物的年齡，并分析了太湖不同區(qū)域沉積物中重金屬的污染狀況及其積累規(guī)律。我們必須了解太湖地區(qū)人類活動與湖泊反應(yīng)之間的關(guān)系。1材料和方法1.1水質(zhì)、環(huán)境特征西部、西南部、西北部為太湖的主要入流區(qū),小梅口附近入流的苕溪、大浦口附近入流的宜溧河每年的入流水量占太湖年入湖水量的90%以上.東部為太湖的主要出水區(qū),與東太湖相連的太浦河是太湖的主要出口,其次是與貢山灣相連的望虞河及與胥口灣相連的胥江.梅梁灣、竺山灣是太湖污水的主要入流區(qū),直湖港、太滆運(yùn)河、漕橋港、太滆南運(yùn)河是污水的主要入湖河道,這幾條河入湖的磷占主要入湖河流輸入量的75%.水質(zhì)和生態(tài)類型上,太湖具有明顯的空間異質(zhì)性,這也是淺水湖泊所共有的一個特征.水質(zhì)上梅梁灣水體懸浮物濃度高于湖心區(qū),湖心區(qū)高于東太湖,生態(tài)特征上北部太湖的梅梁灣、竺山灣及大浦口一帶頻繁暴發(fā)大面積的藍(lán)藻水華,呈現(xiàn)藻型湖泊特征;東太湖、胥口灣的部分區(qū)域、貢山灣的部分區(qū)域等東部湖區(qū)則呈現(xiàn)出草型湖泊的特征,部分湖區(qū)甚至出現(xiàn)沼澤化的跡象;西南太湖受上游來水及沉積物特征的影響,除沿岸帶零星分布蘆葦?shù)韧λ参锿?主要湖面的水草和藻類分布都不多,水質(zhì)多呈黃渾狀態(tài).本研究考慮到污染狀況和水質(zhì)、生態(tài)類型因素,2002年5月11-25日在太湖北部的梅梁灣(31.48381°N,120.20176°E)、西部的夾浦(31.20686°N,119.95415°E)、東部的胥湖灣(31.16069°N,120.39750°E)采集沉積物柱狀樣品進(jìn)行研究(圖1).采樣期間梅梁灣采樣點(diǎn)大面積暴發(fā)藍(lán)藻水華,夾浦采樣點(diǎn)風(fēng)浪大,水質(zhì)黃渾,有明顯的泥沙,胥口灣采樣點(diǎn)分布著成片的馬來眼子菜等水草,水質(zhì)清澈.用手持式沉積物泥芯采樣器采集沉積物柱狀樣,取柱狀樣的表層約30cm進(jìn)行年代學(xué)研究.用于粒度測定的小梅口(31.05083°N,120.06067°E)沉積物柱狀樣品于2001年6月采集(圖1).采集表層26cm的沉積物樣品,自上而下每2cm分為一層,共分13層,用于沉積物粒度分析.1.2沉積年齡的確定按照自上而下每1cm一個樣品進(jìn)行分層,稱取沉積物的鮮重,自然風(fēng)干,再稱取每層沉積物的干重,以獲得層沉積物的含水率和干重.樣品研磨后,對表層30cm的樣品,稱取約5g樣品用ORTEC高純鍺低本底γ能譜儀210Pb、137Cs含量測定,來確定沉積物的沉積年代.梅梁灣、胥口灣的沉積物柱樣的年代測定的有效深度為28cm,夾浦為25cm.1.3前處理和粒度分析樣品風(fēng)干、研磨、105℃烘干后,550℃灼燒5h,測定燒失量(LOI),用以估算有機(jī)質(zhì)含量.灼燒后的樣品用35ml1mol/L的優(yōu)級純鹽酸溶液振蕩提取16h(振幅5cm,頻率為250次/min).LeemanLabsProfileICP-AES測定提取液中Al、Ca、Fe、Mn、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量.其中Al、Ca、Fe、Mn主要反映沉積物的基本性質(zhì),Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn為重金屬元素.分析GSD-9、GSD-12地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)樣,用以了解提取的效率及重現(xiàn)性.沉積物粒度分析用MalvernMasterisizer2000激光粒度儀測定.2分析的結(jié)果2.1受風(fēng)動力擾動的儲層三個沉積物柱的137Cs和210Pb測定結(jié)果見圖2.除夾浦沉積物柱中的210Pb垂向變化規(guī)律較亂外,其余沉積物的137Cs和210Pb較為穩(wěn)定.夾浦沉積物柱中的210Pb垂向變化規(guī)律不好的原因很容易被歸結(jié)為是沉積后的擾動作用引起,包括水動力擾動和人類活動擾動.作為一個大型的淺水湖泊,太湖的水動力作用對沉積物的擾動比較大.據(jù)觀測,在風(fēng)速6.5m/s以上時,風(fēng)浪可以引起湖水中懸浮物濃度提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍,而風(fēng)速在6.5m/s以上的情況在太湖是相當(dāng)常見,頻繁的風(fēng)浪擾動使得太湖的表層沉積物反復(fù)地發(fā)生沉積、再懸浮、再沉積,這給湖泊的沉積年代確定帶來了困難.就風(fēng)浪擾動強(qiáng)度而言,夾浦由于在湖面開闊的大太湖,所以受風(fēng)浪擾動的強(qiáng)度要大于其余兩個樣點(diǎn).另外,太湖的風(fēng)生流的流速一般在2cm/s以上(風(fēng)速在3m/s以上),盡管這樣的流速對于沉積物的再懸浮影響較小,對于懸浮物的遷移作用還是相當(dāng)明顯的.比較三個采樣點(diǎn)湖流特征,胥江灣和梅梁灣由于都處于湖灣中,而太湖風(fēng)生流主要是在大太湖區(qū)形成一個環(huán)流,因此夾浦受湖流等水動力的擾動頻率和強(qiáng)度都要大于其余兩點(diǎn).太湖的捕魚、捉蝦、淘螺螄等人類活動頻繁.這些沉積后的擾動可能會引起沉積物210Pb垂向分布的無規(guī)律.然而,水動力擾動引起夾浦沉積物中210Pb沉積層序擾動的解釋似乎還不能成立.因為,就人類活動的強(qiáng)度而言,梅梁灣、胥江灣地區(qū)顯然要大于夾浦一帶,而梅梁灣和胥江灣的210Pb沉積層序尚可.另外,就夾浦沉積物柱本身而言,137Cs的記錄情況也比較好,并未顯示出表層明顯受到擾動的特征,只是210Pb的沉積規(guī)律混亂.因此,沉積后擾動可能不完全是影響夾浦沉積物柱中210Pb沉積混亂的原因,也許是沉積物在沉積過程中發(fā)生了選擇性沉積,或者是流域輸入變化等沉積本身的原因造成的.2.2環(huán)境分析中各元素的提取效率及相對誤差1mol/L的鹽酸溶液提取并不能將沉積物中的金屬元素全部得到提取,但是能夠?qū)⑵渲械拇蟛糠稚镉行B(tài)提取出來,類似的提取在土壤重金屬研究和沉積物磷的分析中都有應(yīng)用.不同的元素,鹽酸提取的效率不同,不同性質(zhì)的沉積物,鹽酸提取的效率也不同.GSD-9、GSD-12水系沉積物地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)樣中各元素的鹽酸可提取部分的含量(EHCl)及標(biāo)準(zhǔn)含量(Estd)見表1.鉻的提取效率較低,主要是因為沉積物中Cr的活性較低所致.GSD-9的Cd因含量過低使得其測定誤差很大(表1).其余元素的提取效率基本在30%以上.在環(huán)境分析中,這種提取效率基本上是可以接受的,代表了沉積物中大部分的生物有效態(tài)含量,未被提取出來的殘渣部分一般很難重新進(jìn)入生物地球化學(xué)循環(huán)中.盡管各元素的提取百分比各不相同,但EHCl的提取比例還是比較穩(wěn)定的,標(biāo)準(zhǔn)偏差一般都大大小于其含量.相比較而言,GSD-9由于污染很輕,重金屬含量很低,其相對誤差明顯高于GSD-12,相對誤差最高的是Cr,達(dá)30%,其次是Ni,達(dá)25%,Cu的相對誤差21%(表1).其余元素則都在20%以內(nèi)(表1).GSD-12中,所有元素的相對誤差均在10%以內(nèi)(表1).沉積物重金屬的微量分析,這一誤差也是基本可以接受.2.3重金屬含量與沉積相的關(guān)系梅梁灣、夾浦、胥口灣三個沉積物柱狀樣品中沉積物容重、沉積速率、燒失量及各元素含量的垂向分布見圖3.需要說明的是,沉積年代是根據(jù)210Pb、137Cs分析結(jié)果推斷的參考年代,而并非精確年代.根據(jù)各指標(biāo)的垂向分布特征,梅梁灣的沉積物重金屬累積大致可以分為四個時段(圖3).1920-1940年,除Cu出現(xiàn)一個單點(diǎn)峰值外,多數(shù)元素的累積速率比較平穩(wěn),沉積物的質(zhì)量沉積速率也比較平穩(wěn).這反映出該時段太湖流域人類活動比較緩和.個別層位Cu出現(xiàn)峰值,很可能是由于偶然因素引起的增高,如船舶丟棄物等偶然事件所致,不可能是整個水域水體含量出現(xiàn)如此大的波動所致.1940-1959年,沉積物中Pb、Cu、Cd等重金屬均出現(xiàn)一個明顯的累積峰值,說明該時段梅梁灣已經(jīng)受到流域重金屬的污染.這很可能是該時段無錫市工業(yè)的發(fā)展所致.建國以前無錫市的工業(yè)主要涉及面粉、紡織和機(jī)械工業(yè),工業(yè)已經(jīng)頗具規(guī)模.Fe、Mn含量的峰值與重金屬含量峰值一致.自1959年至1978年間,對大部分重金屬來說都是一個低累積速率時期.只有Zn出現(xiàn)了一個峰值.而自1978年至2000年,所有重金屬元素都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢.這一現(xiàn)象與20世紀(jì)80年代以來,無錫、常州等太湖北部湖區(qū)的主要污水來源區(qū)的工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展及梅梁灣水質(zhì)的不斷惡化的趨勢一致.與之相對應(yīng)的是,沉積物L(fēng)OI和P含量也表現(xiàn)出同樣的趨勢,而Fe的增加趨勢并不明顯.這說明梅梁灣近二十多年來的重金屬污染與水體的有機(jī)污染是同步進(jìn)行的.夾浦沉積物中重金屬的垂向分布則比梅梁灣的要復(fù)雜得多.從圖3可以看出,該湖區(qū)重金屬的累積大體上可以分為6個時段:1942年以前,絕大多數(shù)重金屬的含量都很高,幾乎是沉積物柱中含量最高的一段.與之對應(yīng)的是,該時段沉積物中有機(jī)質(zhì)、鋁、鈣、鐵、錳的含量也幾乎是最高的,與重金屬的變化非常一致.這說明,1943年以前的沉積物地球化學(xué)性質(zhì)與后期沉積的差異很大,其中有機(jī)質(zhì)和鐵、鋁、錳等粘土礦物、碳酸鈣等的含量都比現(xiàn)在要高,同時也富集了重金屬.對比該時段的沉積物資料沉積速率發(fā)現(xiàn),該時段沉積物的沉積速率明顯低于后期,推測在1943年以前,太湖上游流域的植被比較好,粗顆粒的泥沙輸入量較少,沉積物的沉積速率較低,而且含有更高比例的粘土礦物及有機(jī)質(zhì),他們富集了更多的重金屬.與夾浦水質(zhì)特征相似的小梅口采集的沉積物的粒度垂向分布(圖4),也證實(shí)了這種推測.下層沉積物的粒度明顯比較細(xì).1943-1952年,是一個突變期,各元素的含量迅速下降.1952-1967年,各指標(biāo)都出現(xiàn)了一個小峰,元素的峰值與有機(jī)質(zhì)(LOI)峰值明顯相關(guān).1967-1977年,各元素出現(xiàn)了一個更為明顯的峰值.這一峰值與Ca、Fe等的峰值非常一致,而有機(jī)質(zhì)的變化不大,這說明該峰值的出現(xiàn)與沉積物礦物性質(zhì)的變化相關(guān).1977年到1997年的20年間,沉積物中各元素的含量都是劇烈變化,但總體含量都比較低.同一時段沉積物有機(jī)質(zhì)的含量始終很低,該時段沉積物的質(zhì)量沉積通量卻處于最大時期.結(jié)合圖4的粒度變化規(guī)律可以推測,該時段主要沉積了大量粗顆粒礦物,由于粒度較粗,粘土礦物比例相對較少,使得該時段總體重金屬元素的含量偏低,同時粒度較粗也造成了沉積物化學(xué)成分間的不均勻,引起該時段沉積物中金屬元素含量變化劇烈.1997-2000年的表層沉積物中各元素的含量則再次出現(xiàn)峰值.從沉積物的干容重看,表層沉積物的干容重明顯偏低,說明表層沉積物的含水率較高.而元素含量較高可能是由于表層沉積物是一層含水率高、粒度較細(xì)的懸浮沉積物.除表層3cm外,胥口灣沉積物中各元素及有機(jī)質(zhì)含量都是由底層至表層總體下降.金屬元素的累積也大致可以分為5個時段(圖3):1887-1920年略有下降趨勢;1920-1957年多數(shù)元素變化仍比較平緩,但Cu、Pb則出現(xiàn)一個明顯的峰值,沉積物質(zhì)量沉積通量也線性增加;1957-1967年沉積物質(zhì)量沉積通量達(dá)到最大,沉積速率是1920年以前的一倍多,沉積物中有機(jī)質(zhì)含量、Fe、Mn含量出現(xiàn)一個短期峰值,沉積物中Cd的含量也出現(xiàn)一個峰值,反映出期間該湖區(qū)人類活動非常劇烈;1967-1990年各元素含量及沉積物有機(jī)質(zhì)含量都比較低,年際變化平緩;1990-2000年沉積物的沉積速率、含水率急劇下降,各元素的含量則明顯增加,這種現(xiàn)象與夾浦的表層富集現(xiàn)象一致.比較三個湖區(qū)沉積物的干容重和含水率(圖3),可以明顯地看出,梅梁灣沉積物中沉積物的干容重較小,且由表層至底層28cm處沉積物的干容重逐漸增大,表層約10cm(1978年以來)沉積物的干容重小于1,反映出梅梁灣沉積物中含水率和有機(jī)質(zhì)含量較高,比較松軟,在風(fēng)浪的作用下也容易被再懸浮起來.而正向草型化發(fā)展的胥口灣沉積物的干容重很大,除表層3cm外,下層沉積物的干容重基本都在1.2以上,而且近百年的變化不大.就沉積速率而言,梅梁灣的沉積速率一直處于較低水平,而夾浦和胥口灣則分別在1985和1963年前后達(dá)到一個峰值,峰值的強(qiáng)度可以超過梅梁灣1倍以上.說明相對于夾浦和胥口灣而言,梅梁灣的泥沙輸入量始終比較低.3不同年代的社會主義沉積物重金屬污染目前我國尚缺乏沉積物中重金屬的污染評價標(biāo)準(zhǔn),但可以參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995),以及太湖周圍土壤中重金屬的自然背景值,對三個沉積物柱狀樣中的重金屬含量進(jìn)行評價.從表2可以看出,與土壤標(biāo)準(zhǔn)相比,污染最嚴(yán)重的是Cd.沉積物中Cd的平均值均高于土壤標(biāo)準(zhǔn)中的一級標(biāo)準(zhǔn)限制值,但都低于二級標(biāo)準(zhǔn).沉積物中Cu的含量明顯低于太湖流域土壤自然本底值,與袁旭音等人的研究結(jié)果一致,即由流域土壤到湖泊沉積物,Cu的含量呈下降趨勢.沉積物中Cu