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2025 , Vol. 31 >Issue 23: 73 - 79

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.23.017

生态环境·植保

苏南地区某浅水湖泊表层沉积物营养盐及重金属赋存特征与评价

  • 郭西亚 1 ,
  • 潘桥 1 ,
  • 包炎琳 2 ,
  • 陆隽 3 ,
  • 孔宇 1
展开
  • 1. 江苏省环境工程技术有限公司，江苏 南京 210019
  • 2. 江苏省苏力环境科技有限责任公司，江苏 南京 210019
  • 3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029
孔 宇（1978—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，教授级高级工程师，从事流域水生态修复和河湖治理工作。

郭西亚（1993—），男，河南夏邑人，硕士，工程师，从事水环境治理工作。

Copy editor: 李媛

收稿日期: 2024-12-27

  网络出版日期: 2025-12-17

基金资助

江苏省环境工程技术有限公司研发项目(JSEP-GJ20220011-RE-ZL)

江苏省环境工程技术有限公司研发项目(JSEP-GJ2023-1005-RE-ZI)

收起

Occurrence characteristics and pollution assessment of nutrients and heavy metals in the surface sediments of a shallow lake in Southern Jiangsu Province

  • GUO Xiya 1 ,
  • PAN Qiao 1 ,
  • BAO Yanlin 2 ,
  • LU Jun 3 ,
  • KONG Yu 1
Expand
  • 1. Jiangsu Environmental Engineering Technology Co. , Ltd. , Nanjing 210019, China
  • 2. Jiangsu Suli Environmental Technology Co. , Ltd. , Nanjing 210019, China
  • 3. Jiangsu Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Nanjing 210029, China

Received date: 2024-12-27

  Online published: 2025-12-17

Fold

摘要

为揭示浅水湖泊表层沉积物营养盐和重金属赋存特征，以苏南地区某浅水湖泊为研究对象，采集表层沉积物样品，测定总磷（TP）、总氮（TN）、铅（Pb）、铬（Cr）、镉（Cd）、砷（As）、镍（Ni）、铜（Cu）含量，分析其赋存特征和污染状况。结果表明，该湖泊表层沉积物TP、TN平均含量分别为511.04、1 932.93 mg/kg，总体处于中度污染。TP和TN空间分布存在差异，TP存在空间异质性，TN在空间上分布较均匀。45.74%的采样点表层沉积物重金属潜在生态风险处于低水平；各采样点表层沉积物存在Pb、Cd、As、Ni、Cu富集现象，其中Cd富集倍数与潜在生态风险贡献率（78%）最高，是主要关注因子。空间上，重金属含量整体呈现西北高、东南低的分布趋势。潜在生态风险指数评估表明，湖区整体处于中等风险水平，风险分布与Cd含量分布特征一致。本文为浅水湖泊富营养化治理和水质改善提供参考。

关键词： 表层沉积物; 营养盐; 重金属; 污染评价

本文引用格式

郭西亚 , 潘桥 , 包炎琳 , 陆隽 , 孔宇 . 苏南地区某浅水湖泊表层沉积物营养盐及重金属赋存特征与评价[J]. 安徽农学通报, 2025 , 31(23) : 73 -79 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.23.017

Abstract

To reveal the occurrence characteristics of nutrients and heavy metals in the surface sediments of shallow lakes, a typical shallow lake in Southern Jiangsu Province was taken as the study object. Surface sediment samples were collected, and the contents of total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), lead (Pb), chromium (Cr), cadmium (Cd), arsenic (As), nickel (Ni), and copper (Cu) were determined. Their occurrence characteristics and pollution status were analyzed. The results showed that the average content of TP and TN in the surface sediment of the lake was 511.04 and 1 932.93 mg/kg, respectively, indicating moderate pollution overall. There were differences in the spatial distribution of TP and TN, with TP exhibiting spatial heterogeneity and TN having a more uniform spatial distribution. 45.74% of the sampling points had low potential ecological risks for heavy metals in surface sediments;there were enrichment phenomena of Pb, Cd, As, Ni, and Cu in the surface sediments of sampling points, among which Cd enrichment factor and potential ecological risk contribution rate（78%） were the highest, which was the main factor of concern. Spatially, the heavy metal contents generally showed a distribution trend of higher values in the northwest and lower values in the southeast. The assessment using the potential ecological risk index indicated that the lake area was at a moderate ecological risk level, with the risk distribution consistent with the spatial characteristics of Cd content. This study provides a reference for the eutrophication control and water quality improvement of shallow lakes.

Key words： surface sediments; nutrients; heavy metals; pollution evaluation

近年来，我国生态环境保护工作发生全局性变化，湖泊生态环境质量持续改善，但蓝藻水华时有发生。富营养化与蓝藻暴发是部分浅水湖泊面临的主要环境问题之一[1]。沉积物是湖泊生态系统不可分割的重要组成部分，同时也是营养盐和重金属等物质的重要来源，对湖泊富营养化过程具有重要影响[2]。氮、磷等营养盐可通过沉降、扩散等方式汇入沉积物中，重金属则是一种隐蔽性高、不可降解且潜伏期长的污染物，通过吸附沉降转移到沉积物中并富集[3]。在外源输入被切断的情况下，当沉积物—水界面环境条件（氧化还原电位、pH、溶解氧、水温、水体流速等）发生改变时或生物扰动及再悬浮等因素的作用下，沉积物中的营养盐会通过扩散、对流等方式向上覆水体二次释放[4-6]；重金属通过形态改变、界面特性改变、溶解和释放等方式进行再次释放，成为湖泊的内源污染物，对湖泊生态系统构成威胁[7-8]。在沉积物营养盐和重金属未有效降低前，即使无外源输入，湖泊依旧可能在数年内维持在富营养状态和重金属高污染状态[9]。某些湖泊虽长期实施清淤工程，但暂时无法达到预期效果，对湖体水质改善的贡献度有限[10]。近年来，随着工农业废水、生活污水等排放，污染物间接地进入湖体，被悬浮颗粒物吸附沉降至湖体底部，导致湖泊沉积物污染日益突出，水生态系统完整性遭到破坏。目前，对浅水湖泊表层沉积物营养盐和重金属方面的研究报道较少。本研究以苏南地区某浅水湖泊为研究对象，通过野外采集表层沉积物样品，实验室内测定总磷（TP）、总氮（TN）营养物质及铅（Pb）、铬（Cr）、镉（Cd）、砷（As）、镍（Ni）、铜（Cu）重金属含量，分析营养盐和重金属空间分布状况及赋存特征，并对营养盐和重金属进行污染评价，旨在为浅水湖泊富营养化治理和水质改善提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象

以苏南地区某浅水湖泊（120°8' E，31°14' N，以下简称TH湖泊）为研究对象。该湖泊是典型的浅水湖泊，水面面积为2 338 km2，常年平均水位3.11 m，周边地区经济发达，入河河道众多。该湖泊经过长期高强度治理，水生态环境显著好转，2024年湖体水质全年达到Ⅲ类，达到良好湖泊标准。

1.2 样品采集

考虑湖体形态、入湖河道、水功能区划等多种因素，在TH湖泊共布设20个沉积物监测点位（图1）。借助GPS定位全球定位系统，使用彼得森采泥器，采集表层沉积物样品（0～20 cm），装入聚氯乙烯密封袋密封冷藏保存，样品及时带回实验室。
图1 沉积物采样点分布图

1.3 样品处理与指标测定

样品经FD-1A-50冷冻干燥机处理，去除杂物，用玛瑙研钵研磨，过100目（孔径0.154 mm）尼龙筛，放入干燥牛皮纸袋中保存备用。取0.2 g左右待测样品于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL HNO3，静置30 min，依次加入4 mL HF和1 mL H2O2，在Berghof-MWS-3微波系统中消解，冷却后全量转移至聚四氟乙烯坩埚中，加入0.5 mL HClO4，放在红外电热板上加热（340 ℃）至近干，加1 mL HNO3微热溶解残渣，冷却后用纯水定容至25 mL，上清液转移至10 mL离心管中待测。其中提取液中的Pb、Cr、Cd、Ni、Cu重金属利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent 7700cx型）测定，As采用原子荧光光谱仪（AFS-930，北京吉天仪器有限公司）测定。玻璃仪器、坩埚经HNO3（10%）溶液浸泡和纯水润洗后使用。TN和TP含量分别采用凯氏定氮法和钼锑抗分光光度法测定。为了确保数据的精准性，在测样时，设置平行样和标样进行分析。

1.4 沉积物污染评价方法

1.4.1 营养盐评价

制定污染评价标准，对沉积物中TP和TN的含量设定污染等级（表1）[11]。当沉积物TP含量<420 mg/kg时，TP为轻度污染（清洁），≥650 mg/kg时为重度污染；沉积物TN<1 000 mg/kg时，TN为轻度污染（清洁），≥2 000 mg/kg为重度污染。采用该标准对TH湖泊表层沉积物氮磷营养盐污染进行评价。
表1 表层沉积物营养盐污染评价标准单位：（mg/kg）
污染等级 TP含量 TN含量
重度污染 ≥650 ≥2 000
中等污染 [420，650） [1 000，2 000）
轻度污染（清洁） <420 <1 000

1.4.2 重金属污染评价

潜在生态风险评价指数法是水底沉积物重金属污染风险评估常用的方法之一，该指数综合考虑了重金属区域背景值、毒性和评价区域对重金属污染的敏感性差异，可用于评价沉积物中重金属的潜在生态影响[12]。潜在生态风险指数可以分为单项重金属潜在风险指数和综合重金属风险指数，计算如式（1）～（3）。
C f i= C 0 i/ C n i
E r i= T r i× C f i
RI= ∑ i = 1 n E r i
式中，   C f i为重金属i的污染指数； C 0 i为重金属i的实测值； C n i为重金属i的地球化学背景值； E r i为重金属i的潜在生态风险指数； T r i为重金属i的毒性响应因子；n是样点重金属的种数；RI为综合潜在生态风险指数。Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr的毒性响应因子分别为30、10、5、5、5、2。沉积物中重金属污染生态危害程度等级划分标准如表2所示。
表2 潜在生态风险指数等级划分
生态风险程度 E r i RI
轻微 <40 <150
中等 [40，80） [150，300）
强 [80，160） [300，600）
很强 [160，320） [600，1 200）
极强 ≥320 ≥1 200

1.5 数据分析

采用Excel 2016和Origin 9.0软件对重金属含量进行数据处理。采样点布设图采用ArcGIS 10.2软件完成。营养盐及重金属的空间分布利用ArcGIS 10.2软件中的插值法完成，根据监测点位的布置及数据的离散性，本文采用反距离加权法。

2 结果与分析

2.1 营养盐空间分布及污染评价

TH湖泊表层沉积物营养盐空间分布特征及含量如表3和图2所示。TP空间分布差异明显，呈现出北部含量最高，向东南地区递减的态势；其赋存含量在377.46～861.71 mg/kg，平均值为511.04 mg/kg。TN在空间上呈现出西北部含量较高，其他区域含量较低的特征；其赋存含量在1 415.00～2 340.75 mg/kg，平均值为1 932.93 mg/kg。根据评价方法，研究区表层沉积物TP总体处于中度污染，TN总体处于中度污染，接近重度污染，因此，该湖泊沉积物TN需引起高度重视，应及时对高值区域开展生态清淤，同时要加大对该湖泊入湖河流外源输入的控制，开展周边涉氮企业整治，减少污染物下湖，从根源上提升水生态环境质量。变异系数（CV）是反映不同采样点间平均变异程度的参数，TH湖泊表层沉积物TP和TN的CV分别为20.63%和13.69%，TP为中等变异（15%～36%），TN为低变异，变异程度和离散程度较小，表明表层沉积物TP存在空间异质性，TN在空间上分布较均匀。
表3 表层沉积物营养盐含量特征
指标 TP TN
最大值/（mg/kg） 861.71 2 340.75
最小值/（mg/kg） 377.46 1 415.00
平均值/（mg/kg） 511.04 1 932.93
变异系数（CV）/% 20.63 13.69
图2 表层沉积物营养盐空间分布

（A）、（B）分别为TP和TN含量。

相关研究统计发现，该湖泊表层沉积物TP平均含量为668.47 mg/kg[13-14]，TN平均含量为1 502 mg/kg[15]，本文调查数据与前期研究数据基本相符。该湖泊北部表层沉积物营养盐含量处于高位，其原因可能与上游居民区生活污水、养殖废水等污染物的排放有关[16]。同时，由于北部是半封闭水体，水流不畅，常年处于背风、缓流状态，污染物易积累，该湖泊盛行的下风向有利于蓝藻水华聚集在西北区域，大量藻类残体碎屑的累积也能增加磷负荷[17-18]。此外，由于其水体自净能力下降，调水过程中沿途叠加的污染物未能被及时降解，吸附在水体的悬浮颗粒物上，受重力影响进一步沉降，造成西北部表层沉积物氮磷营养含量高于其他区域。建议针对营养盐含量较高的区域，及时开展清淤，统筹推进常态清淤与应急清淤相结合等工作，最大程度清除污染区域沉积物内源污染，避免极端高温天气及风浪扰动加剧沉积物营养盐释放，进一步导致湖体水质下滑。要加强入湖污染通量监测，并重视环湖入湖河流及其沿岸点源、面源污染的整治和管理，采取本质治污的硬措施阻止污染物进入湖体。

2.2 表层沉积物重金属含量分布特征及污染评价

2.2.1 重金属含量分布特征

该湖泊表层沉积物Pb、Cr、Cd、As、Ni和Cu含量如表4所示，Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu的CV在15.86%～27.12%，说明6种重金属含量具有一定的空间异质性，根据变异系数的分类，6种重金属含量属于中等变异。Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu含量分别在34.61～64.11、52.61～102.81、0.26～0.89、7.50～19.22、22.32～40.61、23.63～40.29 mg/kg，平均含量分别为52.77、75.85、0.55、11.61、27.54、29.96 mg/kg。6种重金属平均含量从高到低顺序依次为Cr>Pb>Cu>Ni>As>Cd；各采样点表层沉积物中存在Pb、Cd、As、Ni、Cu富集现象，其中Cd富集倍数（重金属含量平均值超过湖泊流域重金属背景值比率）最高，为323.1%，是主要关注因子。
表4 表层沉积物重金属含量特征
指标 Pb Cr Cd As Ni Cu
最大值/（mg/kg） 64.11 102.81 0.89 19.22 40.61 40.29
最小值/（mg/kg） 34.61 52.61 0.26 7.50 22.32 23.63
平均值/（mg/kg） 52.77 75.85 0.55 11.61 27.54 29.96
CV/% 15.89 16.65 27.12 25.89 16.59 15.86
湖泊流域重金属背景值[19]/（mg/kg） 26.20 77.80 0.13 10.00 26.70 22.30
该湖泊上游地区的某湖泊重金属污染主要以Cd和As为主，Cd的污染程度达到中度—偏重度[20]。相关研究表明，Cd污染是湖泊重金属污染中普遍存在的现象之一，其污染程度一般高于其他重金属[21-22]。研究区周边部分工农业生产活动包括金属冶炼加工、化石燃料燃烧以及工业废水和城市生活污水排放等，均可能导致Cu、Ni、Zn等重金属随入湖河流进入湖体并在底泥中沉积和富集[23]。随着周边电镀、塑料稳定剂和电子工业的不断发展，部分含Cd废水排入湖泊会造成Cd污染[24]。底泥中Pb含量较高的原因可能与航运以及汽车等排放的含Pb尾气沉降有关。由图3可知，重金属污染湖区较为集中，大多分布在西北部。重金属含量整体呈现由南向北、自东向西增加的趋势，在西岸或北部重金属含量达到最高。Pb相对于其他重金属，在全湖分布较为均匀，高值出现在采样点4，低值出现在采样点2。Cr和As高值出现在采样点16。东部区域与北部、西部沿岸相比，重金属含量相对较低，说明该区域受人类活动的影响较小，重金属污染程度较轻[25]。建议在今后的重金属污染防治应当重点关注含量高的区域，同时加强对周边工业企业的整治和监督管理，从源头上减少重金属排放。
图3 表层沉积物中重金属空间分布

（A）~（F）分别为Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu含量。

2.2.2 重金属污染评价

对照评价方法结合沉积物重金属测定数据，计算该湖泊表层沉积物潜在生态风险指数 E r i和RI，分析评价表层沉积物潜在生态风险情况。从图4可以看出，表层沉积综合重金属潜在生态风险指数RI空间分布特征和重金属Cd的空间分布特征基本一致。采样点9、12附近综合重金属风险指数较高。全湖沉积物重金属潜在生态风险等级整体上处于中等。采样点中，有45.74%的采样点表层沉积物重金属潜在生态风险处于低水平，35.11%的采样点处于中等水平，19.15%的采样点为重度和严重水平。
图4 表层沉积物中重金属RI空间分布
如表5所示，Pb、Cr、As、Ni、Cu这5种重金属的潜在生态风险指数 E r i低于40，特别是重金属Cr的潜在生态风险指数远低于40，低于其他重金属，说明表层沉积物Pb、Cr、As、Ni、Cu处于轻微潜在生态风险等级。Cd的平均潜在生态风险指数高于80，生态风险程度处于强等级。
表5 表层沉积物单个重金属潜在生态风险指数（ E r i）
采样点 Pb Cr Cd As Ni Cu
1 10.71 1.59 112.78 10.66 5.01 5.72
2 10.56 1.35 103.71 12.45 5.09 5.80
3 9.93 1.69 107.01 11.56 5.15 7.62
4 12.23 2.17 108.30 13.49 5.26 5.85
5 11.25 2.39 141.39 12.73 4.62 5.86
6 10.95 2.01 157.78 9.19 4.56 6.40
7 9.66 1.94 84.12 9.78 4.57 5.97
8 9.19 1.70 128.05 10.96 4.18 6.16
9 9.89 1.74 194.19 10.21 5.14 7.17
10 11.27 2.23 131.26 8.96 7.61 8.46
11 10.95 2.02 121.37 9.55 5.61 6.58
12 6.84 1.45 205.87 7.50 4.21 5.89
13 12.02 2.50 142.65 14.68 5.37 8.61
14 9.39 1.97 155.88 8.46 5.19 7.05
15 6.61 1.98 107.71 15.29 4.56 5.30
16 8.48 2.64 94.33 17.51 7.18 9.03
17 11.66 1.98 109.82 9.88 4.93 6.07
18 10.12 2.09 60.01 19.22 5.39 7.98
19 11.94 1.76 105.87 9.27 4.19 6.87
20 7.76 1.79 144.13 10.84 5.35 5.97
平均值 10.07 1.95 125.81 11.61 5.16 6.72
最大值 12.23 2.64 205.87 19.22 7.61 9.03
最小值 6.61 1.35 60.01 7.50 4.18 5.30
标准差 1.60 0.32 34.12 3.01 0.86 1.07
单个重金属平均潜在生态风险指数依次为Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr，其中，重金属Cd的潜在生态风险贡献率（单个重金属潜在生态风险指数平均值占全部重金属潜在生态风险指数和的比率）达78%，其余5种重金属的合计贡献率为22%。Cd含量虽最低，但是潜在生态风险贡献率最大，而Cr含量大，但是其贡献率小，主要是因为Cd毒性系数大，而Cr等重金属毒性系数小。因此该湖泊表层沉积物中重金属综合潜在生态风险主要取决于Cd含量。在重金属污染防治中，应当重点加强对Cd的监测评估和预警。

3 结论与讨论

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分，沉积物水界面的物化条件发生变化时，其可以在源/汇之间互相转化。本文对苏南地区某浅水湖泊沉积物进行研究，深入分析了该湖泊的氮磷物质和重金属赋存特征，阐明了不同区域的污染状况，对推进该湖泊精准治理、系统治理和分区防治具有现实的指导意义，主要结论如下。
（1）该湖泊不同区域沉积物氮磷含量存在明显差异，TP和TN整体上均处于中度污染，存在内源释放风险。TP含量在377.46～861.71 mg/kg，平均含量为511.04 mg/kg。TN含量在1 415.00～2 340.75 mg/kg，平均含量为1 932.93 mg/kg，北部沉积物TN含量高于其他湖区。
（2）湖泊表层沉积物中不同重金属含量存在明显差异，各采样点表层沉积物中存在Pb、Cd、As、Ni、Cu富集现象，其中Cd富集倍数（323.1%）与潜在生态风险贡献率（78%）最高。重金属空间分布基本一致，大部分重金属含量高值集中在西北部。Cd是主要的生态风险贡献因子，这与其自身毒性密切相关。表层沉积物中Pb、As、Ni、Cu的生态影响相对较低。建议在切断外源输入的前提下，统筹考虑做好局部生态清淤工作，并对重金属污染防治开展长期监测和评估，以达到改善效果，同时要重点关注Cd的污染防治。
（3）湖泊富营养化受湖区生态系统完整性的影响显著，对于污染物含量较高的区域，可通过减少外源污染输入，结合内源清淤、生态修复、沉积物钝化以及调水等综合治理措施，降低湖内污染物浓度，从根本上减少藻类生长繁殖的物质基础，以改善湖泊生境并提高其生态功能。

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