褚向乾，李紅娜，呂衛(wèi)光，鄭憲清，李雙喜，張娟琴，王全華，張翰林

（1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403；2上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 201418；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4農(nóng)業(yè)部上海農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海 201403；5上海市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，上海 201403）

0 引言

水豐湖位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣東南部，全長162 km，總蓄水量122億m3，在保障丹東市近245萬人口飲用水安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。水豐湖位于中朝兩國邊界線上，其環(huán)境保護(hù)工作對于防止跨界水污染糾紛及促進(jìn)中朝水資源開發(fā)利用等具有重要的意義[1]。

營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬進(jìn)入水體后，易被水體中的顆粒物吸附，形成沉積物，進(jìn)而在底質(zhì)中大量富集，因此，沉積物和底質(zhì)已經(jīng)成為評價(jià)水體污染狀況的重要指標(biāo)[2]。通過研究水體沉積物與底質(zhì)中富營養(yǎng)化和重金屬的污染程度可以了解水體的污染狀況與未來發(fā)展趨勢，在評價(jià)水體環(huán)境質(zhì)量中具有重要作用[3]。

針對中國很多湖泊河流底質(zhì)已經(jīng)開展了污染評價(jià)研究。王巖等[4]在洞庭湖設(shè)置了13個(gè)取樣點(diǎn)連續(xù)采樣半年，發(fā)現(xiàn)洞庭湖局部地區(qū)的總氮和總磷含量較高，有富營養(yǎng)化趨勢。王莉等[5]在清潩河流域選取30個(gè)采樣點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)清潩河流域內(nèi)沉積物重金屬的含量差異較大，其中部分地區(qū)Hg、Cd、Zn等金屬含量較高，有重金屬積累的趨勢。鄭睿等[6]發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)香溪河不同重金屬之間的來源可能相同，但其生態(tài)危害程度仍較低，還未發(fā)生重大重金屬污染。然而，針對水豐湖的沉積物和底質(zhì)污染評價(jià)還鮮有報(bào)道。

筆者對不同季節(jié)水豐湖沉積物和底質(zhì)中主要營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、有機(jī)物和重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg)含量進(jìn)行分析測定，采用水體底質(zhì)有機(jī)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，研究其富營養(yǎng)化和重金屬積累情況，以期為水豐湖水體環(huán)境污染防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

水豐湖屬東北區(qū)遼河—鴨綠江水系，水面面積415 km2，最深水位124.22 m，流域有大小河流將近300條。流域總?cè)丝?1.02萬人，其中農(nóng)業(yè)人口19.02萬人。水豐湖流域的工業(yè)以硼、鋅、鐵、鎂等采礦業(yè)為主，種植業(yè)以玉米、大豆、中藥材、煙草、蔬菜等為主，養(yǎng)殖業(yè)以養(yǎng)豬、雞、鴨為主[1]。

1.2 樣品的采集與處理

因水豐湖湖面面積超過100 km2，按照沉積物和底質(zhì)布點(diǎn)采樣原則[7]，由東向西選取9個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），其中5個(gè)為入湖河流采樣點(diǎn)（石柱子河、楊木桿河、小荒溝河、坦甸河、北江）、4個(gè)為水豐湖主體流域采樣點(diǎn)（渾江、碑溝、太平灣、鴨綠江河）。樣品采集時(shí)間為2014年5月（平水期）、8月（豐水期）和11月（冰封期）。

圖1 豐湖采樣點(diǎn)位分布

采用抓斗式采泥器在采樣點(diǎn)上下游20～30 m范圍內(nèi)采集3個(gè)以上子樣合并為一個(gè)樣品。沉積物和底質(zhì)樣品送交實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干。當(dāng)天未能進(jìn)行制備的樣品放于-20℃的冷凍柜中保存[8]。

1.3 樣品測試方法

pH采用電位法測定（水土體積比2.5:1），總磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法；總氮(TN)采用凱氏定氮法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，Cu、Zn、Cr、Ni采用火焰原子吸收分光光度法測定，Cd、Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Hg采用冷原子吸收法測定，As采用硼氫化鉀-硝酸銀分光光度法測定[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與評價(jià)方法

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 16.0 for Windows等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

水體底質(zhì)有機(jī)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]如表1。

表1 水體底質(zhì)有機(jī)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法評價(jià)重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。單一元素污染參數(shù)Cf計(jì)算如式(1)。

式中，Cl為湖泊沉積物中的實(shí)測值，Cn為湖泊底質(zhì)中的實(shí)測值。Cf＜1，污染程度低；1≤Cf＜3，中等污染；3≤Cf＜6，較高污染；Cf≥6，重度污染。

單一污染元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Er計(jì)算如式(2)。

式中，Tr為單個(gè)污染元素的毒性響應(yīng)參數(shù)，根據(jù)Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg的毒性響應(yīng)參數(shù)分別為5、1、5、30、2、5、10和40。Er＜40，低風(fēng)險(xiǎn)；40≤Er＜80，中等風(fēng)險(xiǎn)；80≤Er＜160，較高風(fēng)險(xiǎn)；160≤Er＜320，高風(fēng)險(xiǎn)；Er≥320，很高風(fēng)險(xiǎn)。

沉積物污染程度Cd計(jì)算如式(3)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI計(jì)算如式(4)。

表2 多種污染元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及對應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度

2 結(jié)果與分析

2.1 水豐湖沉積物與底質(zhì)富營養(yǎng)化分析

2.1.1 水豐湖沉積物與底質(zhì)氮磷含量分析 2014年（平水期）、8月（豐水期）和11月（冰封期）水豐湖流域沉積物和底質(zhì)中總氮、總磷如圖2所示。水豐湖沉積物總氮含量在0.1%～0.29%之間，平均值為0.172%；底質(zhì)總氮含量在0.07%～0.24%之間，平均值為0.167%；沉積物與底質(zhì)在冰封期的總氮含量相對最高，可能由于水溫下降、流速降低，導(dǎo)致總氮的積累[13]。底質(zhì)總氮含量豐富的標(biāo)準(zhǔn)值為0.15%，含量中等的標(biāo)準(zhǔn)值為0.075%。在9個(gè)樣點(diǎn)的3個(gè)時(shí)期的平均值中，渾江口和石柱子河底質(zhì)總氮含量分別為0.096%和0.13%，含量中等，其余均為含量豐富，其中以北江與小荒溝為最高，分別為0.21%和0.24%。碑溝、太平灣和石柱子河沉積物中總氮含量高于底質(zhì)，有增加污染的趨勢。

圖2 水豐湖流域各時(shí)期沉積物與底質(zhì)總氮、總磷百分比含量

水豐湖沉積物總磷含量在0.15%～0.27%之間，平均值為0.192%；底質(zhì)總磷含量在0.14%～0.21%之間，平均值為0.174%；沉積物與底質(zhì)總磷含量與總氮含量一樣，在冰封期的相對最高，溫度下降與流速降低也導(dǎo)致總磷的積累[13]。底質(zhì)總磷含量豐富的標(biāo)準(zhǔn)值為0.15%，含量中等的標(biāo)準(zhǔn)值為0.075%。在9個(gè)樣點(diǎn)的3個(gè)時(shí)期的平均值中，僅太平灣在豐水期的總磷含量低于總磷含量豐富的標(biāo)準(zhǔn)值，為0.14%，其余的全部高于該值。僅坦甸河與鴨綠江口沉積物中總磷濃度低于底質(zhì)，其余7個(gè)采樣點(diǎn)均有污染加劇的趨勢。

2.1.2 水豐湖沉積物與底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量分析 水豐湖沉積物和底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量如圖3所示。水豐湖沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量范圍在20.48～40.2 g/kg，均值為29.85 g/kg，水豐湖底質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的含量范圍在12.5～39.3 g/kg，均值為27.87 g/kg，根據(jù)水體底質(zhì)有機(jī)污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照平均值計(jì)算，除碑溝、小荒溝和坦甸河屬于輕污染外，其他點(diǎn)位均屬于無污染。可見水豐湖流域并未或者受到輕微的有機(jī)污染，有機(jī)污染并不是污染主體。沉積物的平均數(shù)據(jù)顯示，楊木桿河、小荒溝、北江、坦甸河和碑溝的沉積物有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到輕污染狀態(tài)，且渾江口、石柱子河、北江、坦甸河、碑溝和太平灣沉積物較底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量要高，有機(jī)污染有加重的趨勢。

2.2 水豐湖底質(zhì)重金屬含量分析

2.2.1 單一元素污染現(xiàn)狀分析 水豐湖流域底質(zhì)重金屬單一污染參數(shù)評價(jià)如表3所示。渾江口和鴨綠江口底質(zhì)基本不受到重金屬離子污染；北江主要是Cd和Hg離子積累，Cf分別為1.22和2.5，達(dá)到中度污染；碑溝在Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、As和Hg都有不同程度的積累，其中Hg的積累最為嚴(yán)重，Cf為2；小荒溝有較嚴(yán)重的Cu的積累，Cf達(dá)到3.22，為較高污染程度，并且在Pb、Cr、Ni和Hg方面有不同程度的積累；太平灣除Pb污染程度低外，其他重金屬都有一定程度的污染；坦甸河有Cu、Zn和Hg的積累，Cf分別為2.11、1.4和2；楊木桿和石柱子河都有Hg的較多積累，Cf分別為2和2.33，其中石柱子河還有Cu和As的較多積累，Cf分別為1.74和2.39。

單一污染元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)表4所示。除Hg以外的7種重金屬均屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Hg在北江河、碑溝、坦甸河、楊木桿河以及石柱子河均存在較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，在小荒溝和太平灣屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，說明在水豐湖主體部分，由于水量充沛，底質(zhì)中積累重金屬并不明顯，入湖河流則由于流量相對較小而普遍受到Hg超標(biāo)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)威脅，但暫時(shí)對水豐湖主體部分威脅較小。

2.2.2 多元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 水豐湖流域底質(zhì)重金屬污染程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)程度表5所示。水豐湖流域底質(zhì)普遍受到中等程度的重金屬污染(7/9)，受重金屬污染潛在風(fēng)險(xiǎn)程度為較高(7/9)，其中僅有渾江口和鴨綠江口污染程度為低。受重金屬污染潛在風(fēng)險(xiǎn)程度為中等。

表5 水豐湖流域底質(zhì)重金屬污染程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)程度

3 討論

水豐湖主體流域采樣點(diǎn)中沉積物的TN相對較高，而入湖河流的沉積物中的TN相對較低，這可能與其水深和水流速有關(guān)，當(dāng)入湖河流在進(jìn)入水豐湖時(shí)，河寬突然變寬，水速降低，隨河流攜帶的泥沙等物質(zhì)更容易沉淀在沉積物中[14]，導(dǎo)致氮素在水豐湖主體流域中積累。由于沉積物中的氮素過量積累，底質(zhì)中的氮含量也會(huì)隨著時(shí)間的推移增加。在TP含量分布來看，水豐湖主體流域和入湖河流差別不大，這可能是與其接受不同的外源輸入有關(guān)[15]。而水豐湖流域的有機(jī)物含量整體較低，但有污染加重的趨勢。水豐湖流域周圍有較多的工廠、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活生產(chǎn)，外源性輸入氮、磷和有機(jī)質(zhì)的數(shù)量不一，這也可能是不同采樣點(diǎn)之間TN、TP和有機(jī)質(zhì)含量差異的主要原因。

水體沉積物和底質(zhì)中的重金屬既有人為來源（生活排污、交通排放、工業(yè)廢水等），也有自然來源（礦山）[16]。水豐湖污染物的主要來源于農(nóng)村生活、農(nóng)田徑流、家禽養(yǎng)殖和工業(yè)等，其中家禽養(yǎng)殖對水體污染負(fù)荷最大，占總量的67%[1]。農(nóng)村生活污水都是直接排入水體中，并沒有經(jīng)過污水處理裝置的處理，所以由生活污水造成的污染負(fù)荷也較高。工業(yè)主要以采礦工廠為主，但都配備有響應(yīng)的污水處理裝置，對水體的污染負(fù)荷較小。整體而言，沉積物和底質(zhì)某些重金屬存在一定程度的富集，但目前水豐湖重金屬污染并不嚴(yán)重。

水豐湖流域河網(wǎng)十分密集，雨量充沛，在農(nóng)田過度施用的化肥、農(nóng)藥經(jīng)過雨水的沖洗[17]，會(huì)流入水豐湖流域，加重其污染程度。隨著農(nóng)用生產(chǎn)的發(fā)展，如果不對肥料的過度和不科學(xué)施用加以管控，上述問題將日益凸顯。水豐湖流域內(nèi)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的養(yǎng)殖場、養(yǎng)殖小區(qū)有大量的羊牛豬，而這些畜禽糞便基本沒有進(jìn)行無公害化處理，露天堆放現(xiàn)象普遍存在，排放的污染物未經(jīng)處理直接進(jìn)入河網(wǎng)，對水豐湖水質(zhì)構(gòu)成很大的威脅[18]。另外，水豐湖流域的網(wǎng)箱養(yǎng)殖也已經(jīng)形成一定的規(guī)模，在為人類提供優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的同時(shí)，也破壞了沿岸環(huán)境和湖泊水環(huán)境。養(yǎng)殖過程中喂食的殘餌和養(yǎng)殖生物排泄物等大量積聚，使水體中N、P含量大幅度增加，加速了養(yǎng)殖水域的有機(jī)污染和富營養(yǎng)化進(jìn)程，其自身污染程度也會(huì)隨著養(yǎng)殖年限的增加而增大。

綜上，水豐湖流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)應(yīng)著重從農(nóng)田面源污染控制、農(nóng)村生活污水和生活垃圾綜合管控、畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合治理、水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模合理控制和科學(xué)養(yǎng)殖等多個(gè)方面開展和強(qiáng)化[19]。同時(shí)，還要綜合考慮工業(yè)企業(yè)廢水處理達(dá)標(biāo)率的穩(wěn)定和保持、農(nóng)村污水處理廠的建設(shè)使用以及環(huán)保投資的保證和增加，從而使得水豐湖生態(tài)質(zhì)量一直處于安全區(qū)域。此外，水豐湖流域的生態(tài)安全狀況還可以從新建污水處理廠、優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、持續(xù)增加環(huán)保投入、提高當(dāng)?shù)鼐用竦沫h(huán)保意識和環(huán)保理念等方面進(jìn)一步開展和完善[20]。

4 總結(jié)

（1）水豐湖流域底質(zhì)整體氮磷含量相對豐富，其中碑溝、太平灣和石柱子的底質(zhì)TN含量有增加的趨勢，坦甸河和鴨綠江口的底質(zhì)TP含量有增加的趨勢，具有較高的潛在風(fēng)險(xiǎn)。底質(zhì)有機(jī)質(zhì)基本無污染，但是渾江口、石柱子河、北江、坦甸河、碑溝和太平灣的沉積物有機(jī)質(zhì)含量高于底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量，有污染加重的趨勢。

（2）水豐湖流域各采樣點(diǎn)均有不同的重金屬累積，其中Hg和Cu的污染較為嚴(yán)重，通過單一污染元素和多元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，除了渾江口和鴨綠江口為低程度污染，其他采樣點(diǎn)為中等程度污染，潛在風(fēng)險(xiǎn)程度均為較高。