白洋淀沉积物—沉水植物—水系统重金属污染分布特征

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1、白洋淀沉积物沉水植物水系统重金属污染分布特征薛培英;赵全利;王亚琼;耿丽平;陈苗苗;王晓美;王殿武【摘要】通过对白洋淀沉水植物及对应沉积物和水中Cd、Pb、As含量测定，以期 揭示白洋淀沉积物沉水植物水系统中重金属污染状况及分布规律,明确不同沉 水植物对重金属的富集能力结果表明,地表水Cd、Pb、As浓度均符合我国地表水 I类水质标准,不同采样区重金属浓度差异不显著上覆水Pb浓度显著高于地表水 和间隙水,间隙水As浓度显著高于地表水和上覆水;地积累指数法和潜在生态危害 指数法评价结果表明，沉积物中重金属污染程度表现为CdPb As,Cd污染最严 重，达到“轻度-偏重度”污染程度，“中等一极强”

2、生态危害级别,As为清洁水平，不 同采样区重金属污染程度表现为生活水产养殖区纳污区淀边缘区;沉水植物重 金属富集能力表现为金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)菹草 (Potamogeton crispus L.)和穗状狐尾藻(Myriophyllum spicatum L.) 篦齿眼子 菜(Potamogeton pectinatus L).植物体内重金属含量与体内氮、磷含量呈显著正 相关,氮、磷营养盐影响沉水植物对重金属的富集.期刊名称】 湖泊科学年(卷),期】 2018(030)006【总页数】12页(P1525-1536) 【关键词】 白洋淀;重金属;水体污染;沉

3、水植物;地积累指数法;生态危害指数法【作 者】 薛培英;赵全利;王亚琼;耿丽平;陈苗苗;王晓美;王殿武【作者单位】 河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,保定071000;河北农业大学教学试验场,保定071000;河北农业大学资源与环境科 学学院/河北省农田生态环境重点实验室,保定071000;河北农业大学资源与环境科 学学院/河北省农田生态环境重点实验室,保定071000;河北农业大学科学技术研究 院,保定071000;河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验 室,保定071000;河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验 室,保定

4、071000【正文语种】中 文 白洋淀位于大清河水系中部，是华北地区最大的草型淡水湖泊. 在拦蓄洪水、灌溉 生产、航运渔业和调节气候等方面发挥巨大作用，被誉为“华北之肾”. 然而素有 “九河下梢”之称的白洋淀，常年性入淀河流仅剩下府河，而府河主要接纳来自保 定市的生活和工业污水，每年有105 m3污水和处理废水流入白洋淀1-2，此外 唐河污水库储存的工业废水每年冬季也进入白洋淀3. 由于入淀水量的减少，入淀 污水的增多，农业面源污染的加剧，加之淀区养殖业和旅游业的迅速发展4，自 1970s以后，白洋淀的水质逐渐恶化5-10.其中重金属由于具有较强的毒性和持 久性，其污染问题逐渐受到人们重视研究

5、表明，白洋淀水中As、Pb、Cd的浓度 数量级接近国家渔业水质标准11 ； Chen等12研究显示白洋淀鱼体内富集的 Hg和As含量超过美国环境保护署（USEPA）标准.水中的重金属可通过吸附、沉降 等作用富集在沉积物，使之成为水体系统重要的污染物蓄积库13. 研究表明白洋 淀沉积物已经存在不同程度重金属污染，Cd、Pb分别达到了极强和轻微-中度生 态危害，极强和中度污染程度14，府河入口处沉积物Pb、Zn达到中度污染15. 由于沉积物中重金属在外界条件改变（水体扰动、水的氧化还原条件等）时可以通过 形态改变、浓度扩散、界面特性改变、释放、溶解等作用由间隙水进入上覆水中进 而影响水环境质量13

6、,16，因此对沉积物和水相（地表水-上覆水-间隙水）中重金属 分布特征研究有助于揭示重金属在整个水体系统的迁移转化规律. 然而目前对白洋 淀重金属污染状况研究大多针对某一区域或单一系统（水或沉积物）17，并且由于 白洋淀淀区由大小不等100 多个淀泊组成，不同淀区具有不同的功能（如生活、旅 游和水产养殖等），其重金属来源及污染状况也不同18，因此，有必要对白洋淀 不同功能淀区水体系统重金属的分布和污染状况进行研究. 沉水植物作为淡水湖泊生态系统中重要的大型水生植物，具有生物量大、繁殖能力 强和分布广泛等特点，此外由于其整株沉在水底，地上部和根系可以分别从水和沉 积物中吸收营养物质和重金属，并可

7、通过抑制沉积物再悬浮等途径有效地去除水中 的重金属，修复水体污染19-22. 同时由于沉水植物同时处于沉积物和水两相之间， 植物体对重金属的迁移富集和释放对其在整个水生系统中的生物地球化学循环起重 要作用23. 然而目前沉水植物存在体系下，白洋淀水体重金属污染状况尚不清楚， 并且缺乏不同功能淀区的对比研究，因此，本文基于沉水植物不同生长季，分别于 2015 年4月和9月对白洋淀不同功能淀区（西部纳污区、中部生活水产养殖区和 淀边缘区）10 个采样点优势沉水植物及其对应的水（地表水、间隙水和上覆水）和沉 积物中重金属（Cd、Pb、As）含量进行测定，以期明确白洋淀沉积物-沉水植物-水 系统中重金

8、属污染和分布状况，以及沉水植物对重金属的富集能力，为沉水植物应 用于白洋淀污染水体的生态治理提供理论依据.1 材料与方法1.1 样品采集与制备在白洋淀区（384537385922N,11545451160657E）内布设 10 个 有代表性的采样点（图1），其中纳污区（A区）3个（S1为府河影响带（A2） , S2、S3 均为唐河影响带（A1），沉水植物覆盖度较低）、生活水产养殖区（B区）4个（S4S6 为生活水产养殖区（B1） , S7为生活旅游区（B2），沉水植物覆盖度较高）、淀边缘区 （C区）3个（S8 S10,沉水植物覆盖度最高），于2015年4月和9月采集表层沉积物、当季优势沉水植物

9、地上部和水样(地表水、上覆水和间隙水)，每个样点采集3个样品作为重复采集的沉水植物样品主要包括菹草(Potamogeton crispusL.)(4月份采集，冬、春季生长型沉水植物)以及金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、篦齿眼子菜(Potamogeton pectinatus L.)和穗状狐尾藻 (Myriophyllum spicatum L.)(均于9月份采集，夏、秋季生长型沉水植物)，将植 物用超纯水清洗干净后于70工烘干至恒重，粉碎；用有机玻璃采水器采集地表水 (水面下20 cm)和上覆水(水和底泥交界面)，酸化至pHv2后过0.45 pm滤膜， 于4工保存

10、.采用底泥抓斗器采集010 cm沉积物，一部分自然风干去杂过100 目筛测定重金属含量，另一部分置于聚乙烯离心管中，4000转/min离心30 min , 上清液过0.45 pm滤膜后加硝酸酸化，于4工保存待测，为间隙水.图 1 白洋淀采样点分布 Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Baiyangdian1.2 测定项目与方法土壤中Cd、Pb、As全量采用四酸消解法(GB/T 17141-1997)进行消解，有效态 Cd、Pb含量采用DTPA提取(GB/T 23739-2009)，有效态As含量采用 NH4H2PO4 浸提法24. Cd、P

11、b 和 As 含量采用 ICP-MS(Agilent7500a)和原子 荧光(AFS2202E)进行测定，以国家一级标准物质(土壤：GBW07451、 GBW07452和GBW07457 ;植物：GBW07604)进行准确度和精密度控制，回收 率为80%90%.按比例随机检查和异常点抽查进行样品分析质量监控，以重复采 样、重复分析来评定采样和分析误差.1.3 数据处理及评价方法采用SPSS 17.0软件进行方差分析和相关性分析，用Excel 2003软件进行数据处 理与制图. 白洋淀沉积物重金属污染评价采用地累积指数法和潜在生态危害指数法. 表1地累积指数与污染级别Tab.1 Igeo and

12、 pollution levels级数Igeo值污染级 别OvO清洁10 1轻度污染212偏中度污染32 3中度污染434偏重度污 染545重度污染65极重污染1.3.1地累积指数法地累积指数法(Igeo)最早是由德国科学家Muller25提出的用 于研究沉积物中重金属污染程度的指标. 其计算公式为：(1)式中，Igeo为地累积指数,Ci为样品中第i种元素的实际测量值(mg/kg),k为修正 指数，一般k=1.5 ； Bi为第i种元素的地球化学背景值(mg/kg)，本文选取河北土 壤元素背景值26，Cd、Pb和As含量分别为0.094、21.5和13.6 mg/kg.地累 积指数与重金属污染程

13、度如表1所示.1.3.2生态风险评价指数法Hakanson潜在生态危害指数法是由Hakanson27于 1980年创立的从沉积学原理评价重金属生态危害的方法.潜在生态危害指数涉及 单项污染指数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项指数，计算公式如下：(2)(3)式中，Ci为某一重金属元素实际测量值(mg/kg),Cf为某一重金属元素的标准值为 第i种重金属的毒性系数(Cd、Pb和As毒性系数分别为30、5和10),为第i种重 金属的潜在生态危害系数,RI为多种重金属元素的综合潜在生态危害指数生态危害 程度划分标准见表2.表 2 生态危害程度划分标准 Tab.2 Degrees of pote

14、ntial ecological risk corresponding to the values and RI生态风险评价指数生态危害程度轻微中等 强很强极强 Eirv4040 8080 160160 320320RIv150150 300300 600600 2 结果与讨论2.1 地表水-上覆水-间隙水中重金属浓度变化及分布特征 白洋淀地表水、上覆水和间隙水中3种重金属浓度如图2所示. 对于地表水而言， Cd、Pb、As平均浓度均达到地表水环境质量标准(GB 3838-2002)1类水质 要求，其中As平均浓度高于Pb，Cd未检出.以往研究也同样表明，尽管1990s 后白洋淀水质逐渐恶化，

15、在MIV类之间，一些淀区如南刘庄水质达劣V类 10,28-29，但主要表现为氮磷营养超标，重金属浓度均不超过地表水标准限值.不同区域地表水Pb和As浓度差异均不显著(P0.05).不同月份相比，地表水Pb 浓度差异不显著，生活水产养殖区(B区)和淀边缘区(C区)9月份地表水As浓度比 4月份高0.51 1.09倍(PV0.05)，这可能是由于9月份降雨量较多加剧了农业面 源污染，导致As输入增加30，而Pb可能受农业面源污染影响较小.由于上覆水和间隙水中Cd浓度仅部分样点检出且浓度较低，为0 0.3 pg/L,因 此未分析Cd在不同水相之间的分布规律，Pb、As在不同水相系统中的分布规律 表现

16、为：无论是4月还是9月，间隙水As浓度均显著高于上覆水和地表水 (P0.05)，相关关系结果表明， 地表水、上覆水和间隙水中As浓度之间均存在极显著正相关性(表3).间隙水是沉 积物与水界面污染物质交换的重要介质，研究表明间隙水中污染物浓度高于上覆水 时可通过扩散作用进入上覆水中而成为湖泊水体的重要污染源31-33，可见间隙 水中As的释放是白洋淀水中As的重要来源；而水中Pb浓度的分布则表现为上 覆水显著高于地表水和间隙水(Pv0.05)，地表水和间隙水中Pb浓度差异不显著 (P0.05)，并且不同水相中Pb浓度也不存在显著相关关系(P0.05)(表3).时春景 等34对永定河以及田林锋等35