粵西供水水庫沉積物營養(yǎng)鹽負(fù)荷及重金屬污染特征

粵西供水水庫沉積物營養(yǎng)鹽負(fù)荷及重金屬污染特征

引用格式：王杰、王勝、唐喜鵲、張華軍、羅杰、魏桂峰、彭亮、楊浩文；廣東省三個(gè)主要供水水庫的沉積物養(yǎng)分養(yǎng)分負(fù)荷和重金屬污染特征[j]。生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014年，23（5）：834-841。WANGMiao,WANGSheng,TANGQuehui,ZHANGHuajun,LUOGai,WEIGuifeng,PENGLiang,YANGHaowen.CharacteristicsofsedimentNutrientsloadingandheavymetalspollutioninthreeimportantreservoirsfromthewestcoastofGuangdongProvince,SouthChina[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2014,23(5):834-841.水庫相對(duì)于河流、湖泊有較長的水力滯留時(shí)間和較高的沉積速率,通常被認(rèn)為是營養(yǎng)鹽和重金屬的主要儲(chǔ)存庫(Kaushik等,2009;Burford等,2012)。進(jìn)入水庫的營養(yǎng)鹽和重金屬,大部分經(jīng)沉淀、吸附、生物吸收等作用最終沉積在水庫沉積物中(Yuan等,2011),一般情況下,水庫沉積物處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),但是當(dāng)環(huán)境條件如氧化還原電位、水體溫度、pH和溶氧等改變時(shí),沉積物中的營養(yǎng)鹽和重金屬可能會(huì)再次釋放出來,成為二次污染源(羅先香等,2011;Varol和Sen,2012),導(dǎo)致水庫水體中營養(yǎng)鹽和重金屬的質(zhì)量濃度升高,嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)T發(fā)藻類水華和重金屬污染事件(Sharma和Subramanian,2010),威脅供水安全(趙勝男等,2013)。因此,研究水庫沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬的質(zhì)量濃度及其分布特征,了解其對(duì)水庫水質(zhì)的影響具有理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。粵西沿海地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)區(qū),水資源時(shí)空分布不均,同時(shí)粵西是廣東省農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū),粗放式農(nóng)業(yè)用水需求量大,水資源供需矛盾逐漸凸顯。近年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水庫受到各種點(diǎn)源和面源的污染不斷增加,大量營養(yǎng)鹽和重金屬進(jìn)入水庫,導(dǎo)致水庫水體富營養(yǎng)化和重金屬污染問題日趨嚴(yán)重。為揭示粵西地區(qū)水庫沉積物營養(yǎng)鹽和重金屬污染特征,本文選取該地區(qū)3座典型供水水庫為對(duì)象,分析柱狀沉積物中營養(yǎng)鹽和主要重金屬(Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr和Hg)質(zhì)量濃度的垂直變化,并對(duì)重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià),同時(shí)初步分析其主要來源,以期為水庫富營養(yǎng)化與重金屬污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1研究領(lǐng)域的總結(jié)粵西沿海地區(qū)高州水庫、鶴地水庫和大水橋水庫3座水庫的具體情況及采集沉積物的主要參數(shù)如表1所示。3座水庫如圖1所示。1.2重金屬含量測(cè)定2008年6月,采用奧地利產(chǎn)Uwitec柱狀采泥器(PVC管長60cm,直徑6cm)在高州水庫、鶴地水庫和大水橋水庫壩前湖泊區(qū)垂直采集未受擾動(dòng)的柱狀沉積物,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)以4cm為間隔進(jìn)行分樣,然后用聚乙烯封口袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍干燥。沉積物樣品冷凍干燥后,去除雜質(zhì),經(jīng)瑪瑙研缽研磨后過100目尼龍篩保存?zhèn)溆??？偟?Totalnitrogen,TN)、總磷(Totalphosphorus,TP)和有機(jī)質(zhì)(Organicmatter,OM)的含量測(cè)定根據(jù)文獻(xiàn)(金相燦和屠清瑛,1990)進(jìn)行,重金屬Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr的含量利用ICP-MS(型號(hào)ELANDRC-e)測(cè)定,每批按照20%的比例隨機(jī)選取樣品做平行,其中重金屬元素的重復(fù)性測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%。Hg測(cè)定:稱取0.2g樣品經(jīng)王水水浴(95℃)消解,加入氯化溴將各形態(tài)Hg氧化后(李仲根等,2005),取上清液測(cè)定Hg的含量,同時(shí)測(cè)量水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW-07305(GSD-5),以保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。1.3土壤環(huán)境重金屬安全性評(píng)價(jià)潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家Hǎkanson(Hǎkanson,1980)提出,用來評(píng)價(jià)重金屬污染程度及潛在生態(tài)危害,該方法考慮了重金屬的毒性以及重金屬區(qū)域背景值的差異。其計(jì)算公式為:式中:Csi為表層沉積物中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度;Cni為重金屬i的背景值,為弱化不同地區(qū)差異,本文采用廣東省土壤環(huán)境重金屬的背景值(中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,1990);Tr(i)為重金屬i的毒性系數(shù),該值反映了該種重金屬的毒性水平及水體對(duì)其污染的敏感性(Hg、Cd、Ni、Pb、Cu、Cr、Zn的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為40、30、5、5、5、2、1);Er(i)為重金屬i的潛在生態(tài)危害系數(shù)。RI為多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)。其污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)詳見Hǎkanson(Hǎkanson,1980)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,采用0rigin8.0進(jìn)行繪制數(shù)據(jù)圖。2結(jié)果與分析2.1水庫總磷、ndp、tn-pbp-3-om、tp的相關(guān)性3座水庫沉積物中總氮、總磷和有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上呈現(xiàn)隨深度增加逐漸降低的趨勢(shì)(圖2)。大水橋水庫、鶴地水庫和高州水庫沉積物總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍分別為1.66~3.13、1.13~2.43、1.51~3.37mg·g-1;總磷變化范圍分別為0.36~0.54、0.22~0.66、0.37~0.77mg·g-1,有機(jī)質(zhì)變化范圍分別為15.31~20.37、11.83~15.34、13.36~18.01mg·g-1。3座水庫TN與OM、TP均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01),說明三者來源相近。大水橋水庫w(C)/w(N)平均值為4.6,鶴地水庫為5.3,高州水庫為4.8。大水橋水庫沉積物w(N)/w(P)平均值為4.9,鶴地水庫為3.3,高州水庫為4.0。2.2水庫沉積物重金屬含量分布隨深度的變化規(guī)律3座水庫表層沉積物各重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于廣東省土壤元素環(huán)境背景值(表2),除Hg外,各水庫沉積物各重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大,總體上隨著深度的增加而降低(圖3)。其中高州水庫和鶴地水庫沉積物中Zn明顯高于其他重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3座水庫沉積物重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Cr為39.48~265.44mg·kg-1,Cu為26.63~118.1mg·kg-1,其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為大水橋水庫>高州水庫>鶴地水庫>廣東省土壤背景值,其中Cu的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為背景值的7倍。Zn為82.29~878.46mg·kg-1,其最大值為廣東省土壤環(huán)境背景值的18.5倍,Cd為0.21~1.8mg·kg-1,Cd、Zn的平均值依次為高州水庫>鶴地水庫>大水橋水庫>廣東省土壤環(huán)境背景值,Pb為15.56~246.43mg·kg-1,其平均值大小順序?yàn)楦咧菟畮?gt;鶴地水庫>廣東省土壤環(huán)境背景值>大水橋水庫。3座水庫Hg的最大值出現(xiàn)在大水橋水庫為1.18mg·kg-1。Hg和Ni的平均含量大小順序與Cr和Cu一致。高州水庫沉積物中各重金屬(除Zn外)垂直變化不顯著(P>0.05),其變異系數(shù)(CoefficientofVariation,CV)大小為Pb>Cr>Cd>Hg>Zn>Cu>Ni(6.2%~36.3%)。Cd與Pb含量在底層沉積物(12~16cm)較高,并在(16~20cm)達(dá)到峰值,Zn在沉積物中波動(dòng)較大,Cr、Hg、Cu和Ni變化不顯著,最穩(wěn)定的是Hg。鶴地水庫沉積物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在垂直上變異系數(shù)大小為Zn>Hg>Cd>Cr>Pb>Cu>Ni,除Cu、Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與沉積深度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。其余5種重金屬垂直變化顯著,總體呈現(xiàn)隨深度增加而降低的規(guī)律,其中Zn的垂直變化幅度最大變異系數(shù)達(dá)到80.9%,而Ni的變異系數(shù)最小僅為7.2%。大水橋水庫沉積物重金屬Cr、Cu和Ni垂直變化無明顯規(guī)律,但均在24~28cm達(dá)到峰值,Cd、Pb、Zn垂直變化小,Hg的波動(dòng)幅度大,在10~20cm質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇增加。2.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水庫表層沉積物重金屬潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果表明(圖4),Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)最高,在高州水庫高達(dá)614.04,達(dá)到了極強(qiáng)生態(tài)危害程度,可能原因是是Cd的毒性系數(shù)最大,對(duì)環(huán)境的危害最大。其次3座水庫中Hg的生態(tài)危害程度也較高,此外Ni在大水橋水庫達(dá)到中等危害程度。3座水庫中其他重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于40,屬于低的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,鶴地水庫總體上要好于高州水庫和大水橋水庫,鶴地水庫處于高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),后2座水庫均達(dá)到很高的潛在生態(tài)危害程度,3座水庫中Cd和Hg的污染程度最高,是3座水庫沉積物RI的主要貢獻(xiàn)者。3座水庫沉積物巖芯重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果表明(圖5),水庫自建庫以來均有不同程度的富集現(xiàn)象,其中鶴地水庫的RI值有明顯上升趨勢(shì),需引起重視。2.4沉積物理化性質(zhì)與cr、ni、hg、tn的相關(guān)性對(duì)3座水庫沉積物各重金屬與有機(jī)質(zhì)、TN和TP間進(jìn)行相關(guān)性分析(表3),結(jié)果顯示,3座水庫沉積物Cr與Ni、Cu、Hg和有機(jī)質(zhì)間含量顯著正相關(guān)(P<0.01),Cd、Pb和Zn具有顯著地正相關(guān)性(P<0.01),TN與OM、TP極顯著正相關(guān),還與Cr、Ni、Cu和Hg呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。3討論3.1水庫內(nèi)源有機(jī)質(zhì)來源與粵北、粵東地區(qū)相比,粵西3座水庫沉積物營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高(張華俊,2010);與富營養(yǎng)化的太湖相當(dāng)(趙興青等,2007);比重度富營養(yǎng)化的滇池稍低(高麗等,2004)。從沉積物營養(yǎng)鹽與有機(jī)質(zhì)垂直變化來看,自建庫以來,3座水庫沉積物內(nèi)源負(fù)荷不斷增大,富營養(yǎng)化趨勢(shì)明顯?；浳鞯貐^(qū)農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá),農(nóng)業(yè)面源污染較為嚴(yán)重,流域內(nèi)施肥過程中含大量氮磷營養(yǎng)鹽隨著地表徑流匯入水庫,多年沉積為內(nèi)源污染。有資料表明,我國在施肥過程中氮肥的損失率高達(dá)33.3%~73.6%(吳天馬,2000),流失的化肥大部分都是隨地面徑流進(jìn)入水體。沉積物w(C)/w(N)在某種程度上可用于判斷有機(jī)質(zhì)的來源(Sampei和Matsumoto,2001),通常水生無維管束植物碎屑的w(C)/w(N)為4~12,維管束植物碎屑的w(C)/w(N)>20,陸生禾木科或莎草科植物w(C)/w(N)可以高達(dá)45~50(王永華等,2004;朱松泉等,1993),浮游動(dòng)植物的w(C)/w(N)較低,一般為6~14(孫惠民等,2006;屠清瑛等,1990),3座水庫的w(C)/w(N)值在3.06~6.6之間,表明3座水庫沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源大部來自浮游動(dòng)植物等水生生物殘?bào)w,陸源有機(jī)質(zhì)較少。另一方面,3座水庫w(N)/w(P)比值均呈逐年增加趨勢(shì),在16~40cm隨深度波動(dòng)較小,而在0~16cm顯著增加,大水橋水庫w(N)/w(P)值顯著高于其他2座水庫,可能是與大水橋水庫二次擴(kuò)建,原來的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)變?yōu)閹靺^(qū)所致?？傮w上看,3座水庫w(C)/w(N)比值呈逐年減小趨勢(shì),而w(N)/w(P)比值呈逐年增大趨勢(shì),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量施用氮肥,并隨地表徑流直接進(jìn)入水庫沉積下來是其主要原因。3.2重金屬的富集和殘留重金屬是水體中一類重要的污染物,它們?cè)谒w中一般不發(fā)生降解,且毒性持久,對(duì)水生生物和人類易產(chǎn)生危害(Adhikari等,2007;Zhu等,2013)。進(jìn)入水體的重金屬99%以上都通過物理、化學(xué)以及生物作用轉(zhuǎn)移到沉積物中,成為沉積物的組成部分(Filgueiras等,2002),粵西3座水庫沉積物重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值均高于廣東省土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)背景值,但低于廣東省北部、中部和東部大中型水庫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(寧建鳳等,2009)。潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果與廣東省大部分地區(qū)水庫沉積物研究結(jié)果較一致(許振成等,2009;張華俊等,2012),均表明重金屬Cd和Hg的生態(tài)危害最為嚴(yán)重,沉積物重金屬已呈現(xiàn)一定程度的富集累積趨勢(shì)。重金屬Cd和Hg的潛在生態(tài)系數(shù)大,一方面可能是Cd和Hg的毒性系數(shù)大,影響危害較大;還有可能與土壤背景值選擇有關(guān)。此外,沉積物有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的環(huán)境行為也有一定的影響(朱廣偉和陳英旭,2001;夏偉霞等,2014),當(dāng)沉積物水界面氧化還原條件、溫度等發(fā)生改變時(shí),水庫沉積物中有機(jī)質(zhì)大量礦化分解,富含有機(jī)質(zhì)的沉積物會(huì)促進(jìn)重金屬活性增加,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)升高(Loska和Wiechula,2003)。水庫沉積物中重金屬來源于自然輸入和人為污染。自然輸入主要指巖石風(fēng)化、碎屑產(chǎn)物通過風(fēng)化、生物轉(zhuǎn)化等自然作用進(jìn)入沉積物中。3座水庫位于我國南亞熱帶地區(qū),降雨量大,土壤以易風(fēng)化的花崗巖、紫色頁巖、石灰石及抗蝕性弱的紅壤等為主,土壤中礦質(zhì)元素易向水庫內(nèi)遷移,增加沉積物中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(孫昕等,2008)。人為污染主要包括采礦冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、造革和染料、農(nóng)藥和化肥的使用等。3座水庫處于廣東省粵西地區(qū),工業(yè)污染源相對(duì)較少,但農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá),面源污染較嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用的化肥(主要是