内蒙古呼伦湖沉积物营养元素分布及环境污染评价.pdf

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农业环境科学学报2010，29(2)：339—343loumalofAgro-EnvironmentScience内蒙古呼伦湖沉积物营养元素分布及环境污染评价李卫平1．一，李畅游1，贾克力1，张生1，史小红1，张晓晶1(1内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特010018；2内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010)摘要：对呼伦湖各采样点表层沉积物营养元素(TN、TP和TOC)的分布特征及相互关系进行了分析，并对表层沉积物进行了营养元素的环境评价和重金属的地积累指数评价。结果表明，新开河、乌尔逊河及克鲁伦河入湖点(A10、F9、12)营养元素的含量均低于其他采样点，且TOC与TN和11P的环境行为近似，说明TN和11P的沉积与生物有机质的沉积相伴随；呼伦湖沉积物碳氮比的均值约为10．2，说明内、外源有机质基本达到平衡状态。通过对沉积物的环境污染评价发现，呼伦湖沉积物有机污染较轻，仍处于较清洁状态，但有机氮的污染程度较为严重；地积累指数评价显示，主要污染元素为Cd和As，而Hg、Cu和zn属于无污染状态。关键词：呼伦湖；沉积物；重金属；营养元素；环境评价中图分类号：X524文献标志码：A文章编号：1672—2043(2010)02-0339--05DistributionofNutrientElementsandEnvironmentalPollutionAssessmentinSedimentofHulunLake，InnerMongoliaLIWei-pin91乞LIChang-youl，JIAKe-lil，ZHANGShen91，SHIXiao-hon91，ZHANGXi州in91(1．FacultyofWaterConservancy＆CivilEngineering，InnerMongohaAgriculturalUniversity，Hohhot010018，China；2．FacultyofEnviron-ment＆EnergyI{esetlrc@s,InnerMongoliaUniversityofScience＆Technology,Baotou014010,China)Abstract：’11ledistributionandinterrelationshipofnutrientelements(TN。TPandTOC)insurfacesedimentofHulun酞etoallinvestigatedsampleswereanalyzedinthispaper．r11leenviwnmentalevaluationofnutrientelementsandgee—accumulationevaluationofheavy"metalsinthesedimeritwerealsodetermined．TheresultsshowedthattheconcentratingofnutrientsattheentranceofXinkaiRiver．WuerxunRiverandKeluhnRiverwerelessthanothersamples．TheenvironmentalbehaviorofTOCWaSsimifarasTN’sandTP’s．ThisindicatedthatthedeporsitionofTNandTPwereaccompaniedwithorganicmatters7．Inaddition，theaveragevalueofC／NW88about10．2，whichillustratedthatitreachedbakcebetweenex呦eeus80ul℃esandendogenous80UI惴．1h,ushevaluatingthesediments．itshowedthatHulunLakewaslighdypollutedbyorsaIIicInatter，butseverelypollutedbyorganicnitrogen．11leresultsofindexofgeo-aceumulation(k)evaluationshowed山atthedominantcontaminant砌Cd，andthesecondWasAs．"1"11erewerenopollutioncausedbyHg，Cu，孙．Keywords：HulunkIl【e；sediment；heavymetals；nutrientelements；environmentalassessment在湖泊生态系统中，沉积物是一个庞大的贮存库，进入湖泊水体中的污染物大部分沉积于湖泊底泥中。底泥记录着湖区环境变化的丰富信息，其中重金属成分反映了流域工业生产对湖泊环境的影响，营养盐含量是湖泊富营养化过程的标志11l。因此，可以把湖泊沉积物看作环境变化的档案[2-3]，并通过对湖泊底泥收稿日期：2009埘一13基金项目：NSFC(50669004。50969005，40901262)；内蒙古自然科学基金重点项目(200711020604)；内蒙古“十一五”科技攻关项目；内蒙古水利厅重点支持项目作者简介：李卫平(1973一)，博士生，副教授，主要从事寒旱区湖泊水环境治理与保护研究。通讯作者：李畅游E—mail：nndlichangyou@163．咖的研究来评价人类活动产生的污染物的影响。呼伦湖也称达赉湖，位于呼伦贝尔市新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗及满洲里之间，东经117000’10"～117041’4矿，北纬4803074矿～49。20’4舻。湖面呈不规则斜长方形，轴为东北至西南方向，长度为93km，最大宽度为41km，湖周长447km，湖水面积2339km2，平均水深5．7m，最大水深10m，总储水量138．5亿m3。在呼伦贝尔草原的生态保护和经济发展中，其水域与湿地发挥着不可替代的重要作用【4J。但近40多年来，由于气候变化和人类活动的影响，湖水水位逐年下降，水域面积减小，湿地萎缩，致使周边生态环境和湖水水质严重恶化，湖水总含盐量和pH值逐年升高， !竺李卫平等：内蒙古呼伦湖沉积物营养元素分布及环境污染评价掣竖舅湖周大面积芦苇消失，渔业资源濒临枯竭和大量珍稀鸟类迁移。目前，呼伦湖水质已属中度富营养化水平圈，湿地生态环境正在急剧恶化，严重威胁着东北乃至华北地区的生态安全。国内外对呼伦湖的研究报道甚少，仅有的研究主要集中在对湖水水质、水量和水位的调查与分析，重点放在气候变化对区域湿地生态状况影响及环境治理方面[641。本文以呼伦湖沉积物为研究对象，对其重金属及营养元素的分布与累积状况进行了研究，分析沉积物的环境变化特征，旨在为湖区生态环境的治理与改善提供科学依据。l材料与方法1．1样品采集本研究于2008年12月进行，在呼伦湖布设11个沉积物采样点，具体布点见图l。所有测点均采用全球定位系统定位，使用柱状采泥器，采集表层15cm的沉积物样品。样品是在冬季于冰冻湖面各采样点位破冰钻孔进行采集，然后放入聚乙烯塑料袋中密封，运回实验室冷冻保存。圈1呼伦湖沉积物采样点分布Figure1DistributionofsamplingsitesforthesedimentofHulunLake1．2测试项目与分析方法在实验室中将样品自然风干后再用玻璃棒压散，剔除大小砾石、贝壳及动植物残体等杂质，用研钵研磨后过100目筛，进行TN、TP、TOC及金属元素Fe、Mn、Hg、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As的分析测定。TN的测定采用重铬酸钾一硫酸消化，定氮蒸馏标准酸滴定法；TP的测定采用高氯酸一硫酸消化，钼锑抗比色法；TOC采用干烧法测定；详见《湖泊富营养化调查规范》【研。金属元素的含量采用HNO，一HF—HCIO。对沉积物样品进行消化，然后Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Fe、Mn用火焰原子吸收分光光度法，Hg则用冷原子吸收光度法，应用Z一8000型原子吸收分光光度计测定。2结果与讨论2．1呼伦湖表层底泥中营养元素的分布2．1．1TN、TP和TOC含量的变化特征表l反映了呼伦湖表层沉积物中各采样点TN、11P和TOC的分布状况。沉积物中TN的含量为0．06％一0．17％，新开河(A10)、乌尔逊河(F’9)和克鲁伦河(12)入湖点均值为0．07％，其他采样点均值为0．16％；rI'P的含量为0．02％一0．10％，三条河流入湖点均值为0．03％，其他点均值为0．08％。TN的含量整体高于11P，且二者在各采样点含量的总体变化趋势基本相同。湖西北边缘的B9和D7点TN含量最高，约为人湖点均值的2倍多，靠近乌尔逊河入口的E8点11P含量最高，约为人湖点均值的3倍多。表l呼伦湖不同采样点表层沉积物营养盐含量(％)Table1NutrientconcentrationsofsurfacesedimentsamplesinHulunLake(％)注：新开河、乌尔逊河及克鲁伦河的入湖点分别是AIO、F9和12。 第29卷第2期农业环境科学报341总有机碳(ToC)含量的变化，反映了沉积物腐殖质的变化，也反映出湖泊的营养化程度。全湖TOC含量为0．5l％～1．86％。三条河流人湖点的均值0．64％，其他采样点均值为1．60％。湖西南边缘F5点TOC的含量最高，约为三条河流入湖点(A10、F9、12)ToC含量均值的3倍。总之。三条河流入湖点"IN、TP和TOE含量的均值都远低于其他采样点均值，主要可能与近年来呼伦湖水位下降，水量减少，湖水基本停止向外排水和大面积围网养殖以及湖周放牧的影响等因素有关。2．1．2TN、TP和1’oC间的相关关系由于营养元素以一定的比例被生物吸收利用，包含大量生物排泄物和死亡残体的沉积物中的营养元素在发生矿化作用时也存在着一定的相互作用，从而造成沉积物中各营养元素的分布具有一定相关性旧。对呼伦湖沉积物中TN、TP及TOC(见表1)进行相关分析发现，三者之间均呈极显著正相关(表2)。表2呼伦湖沉积物"IN、TP和TOC含量的相关关系Table2CorrelationsforTN．1PandTOCinsedimentsofHulunlake注：“(f'<0．01)极显著相关(双尾检验)。2．1．3碳氮比的变化特征已有研究表明，根据沉积物有机质及其C和N的组成差别，可以区分内源和外源有机质的比例。一般认为，C／N>10时，沉积物有机质以外源为主；C／N<10时，以内源有机质为主，C／N一10时，外源与内源有机质基本达到平衡状太ln—tzl。呼伦湖沉积物的C／N为7．7—15．O，全湖均值为10．2，说明内、外源有机质基本达到平衡状态。各采样点的C／N各不相同，其中位于新开河入口的A10点C／N最高，其次是湖西南边缘的F5点，这两点C／N均大于10，其沉积物以外源有机质为主；位于乌尔逊河(F9)和克鲁伦河(12)入口点C／N最小，均值为7．8，其沉积物的内源有机质比重较大；D7、E8和G8点C／N约为10，外源与内源有机质基本达平衡。主要原因可能与呼伦湖的温度分布和湖区气候特点有关，当地春季干旱多大风，夏季温凉短促，秋季降温急剧、霜冻早，冬季严寒漫长，这样的气候特点决定了湖体水草稀少，藻类浮游生物生长期短，抑制了浮游生物的种类和数量。2．2呼伦湖表层底泥与上覆水体中氦、磷含量氮、磷等营养元素在底泥中的积累受湖水总氮、总磷浓度、湖水理化性质及沉积环境等多种因素制约旧。当湖水总氮、总磷浓度较高时，除了满足水生生物的摄取需要外，氮、磷等元素通常在底泥中就有较多的沉积和积累。呼伦湖各采样点底泥中总氮、总磷的含量与其对应上覆湖水中总氮、总磷浓度的相互关系见表3所示。表3呼伦湖各采样点底泥中氮、磷含量与其上覆水体总氮、总磷含量Table3Nutrientconcentrationsof8ur‰esedimemandlakewatersamplesinHulunlake总氮总磷采样点水深，m泥深，m上覆水体，表层底泥，上覆水体，表层底泥，mg·L‘。％mg·L_1％2．3呼伦湖沉积物的环境评价2．3．1沉积物营养元素的环境评价有机指数通常作为水域沉积物环境状况的指标：有机指数=埘(OC)xw(ON)。其中，埘(OC)为有机碳质量分数，％；t￡，(ON)为有机氮质量分数，％，113(ON)=0．95tlJ(TN)。w(ON)也是衡量湖泊表层沉积物是否遭受氮污染的重要指标。参照国内相关标准“4】，结合实际情况制定的评价标准见表4。根据表4对呼伦湖沉积物各采样点进行分析，结果见图2。整体上看，全湖的有机指数不高，均值为0．18，处于较清洁状态；tl，(ON)的均值为0．12％，属于尚清洁范畴。对各采样点而言，三条河流的人口(A10、F9、12)点有机指数均小于0．05，属标准I，清洁状态；w(ON)介于0．052％～0．071％，属标准Ⅱ和Ⅲ，较清洁和尚清洁状态。其他采样点有机指数均介于0．20—0．50，属标准Ⅲ，尚清洁状态；而有机氮的污染程度较有机质严重，w(ON)都高于0．133％，属标准Ⅳ，有机氮污染严重。，眈∞∞嘶m∞∞∞∞∞∞O0OH：。：。加m￡j"坞∞巧BOnO∞""M塔垢叮怕M埒叮O0O卯勰殂掩殂∞∞悖硒稻：2；il21lO凹∞册驺∞∞：兮舒加札∞OlOlO嬲∞撕m加研帅记∞钉跖12323O枷酚所叫髓巧丹晓傩|盆￡j 342李卫平等：内蒙古呼俭塑沉积物营养元素分布及环境污染评价2010年2B衰4水体沉积物有机指数评价标准式中：G为元素n在沉积物中的质量分数实测值，—Table4Evaluationcriterionof—organicindexinsedimentsnag·kg一1；最为沉积岩(即普通页岩)中该元素的地球望坠一!一—坠———～里一一—』!～化学背景值(表5)，mg·kgq；K为考虑各地岩石差异有机撇类型删清洁。鬟篙。誉嚣。荔器们N)，％类型<0．033清洁o’燃尹n0尚清66-0洁．133有溅污染33巅靼暴枢堡主e童采样点图2呼伦湖沉积物各采样点有机指数和w(ON)分布特征Figure2Distributionoforganicindexandw(ON)foreachsampleofsedimentinHulunLake由此可见，目前呼伦湖沉积物的有机氮污染较为严重，尽管有机质污染状况还不突出，但如不有效控制外来污染，尤其是氮的输入，污染程度必然逐渐加重，从而对上覆水造成严重威胁，对此必须予以重视。2．3．2重金属的地积累指数评价地积累指数(k)是德国科学家Mtillertl51提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染状况的定量指标，实质是从现在的重金属含量除去其相应的天然含量或背景含量，从而得到因人为活动所造成的重金属的总富集程度。k的计算公式如下：k芦l092【cn(孟田。)】可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取1．5)。地积累指数共分为7级，即0～6级，表示污染程度由无至极强(表6Y阍。本文采用中国陆壳地球化学背景值评价呼伦湖沉积物污染情况，按地积累指数的计算公式和表5的分级标准，呼伦湖沉积物地积累指数和地积累指数分级如表7所示。由表7可知，Hg、Cu和Zn的k都小于0，污染级别为0级；Cd的k为0．12—3．2l，污染级别l一4级，大多数采样点为3级，属中～强污染程度；As的厶即为0．74—3．08，污染级别l～4级，大多数采样点为2级，属中等污染程度，只有E8点属强污染程度；Pb的k为一0．86—0．74，污染级别0～1级，属无一中或无污染程度。从金属元素本身看，污染程度的大小顺序为Cd>As>Pb>Zn>Cu>Hg；从采样点看，B9点和E8点的污染最为严重，其原因可能与围网捕鱼丢弃的废旧表5地球化学背景值(ms·kg-1)Table5Geo-chemistrybackground(rag·kg。)元素MetalHgCdAsPbCuZn．页岩shale0．350．313204595中国陆壳ChinesecontinentalcrustO．080．0551．9153886表6地积累指数与污染程度Table6IndexofGeo-accumulationandpollutionlevel污染程度极强强～极强强中～强中无一中无，朋>54-53,42—31-2o~1<0污染分级6543210。表7呼伦湖沉积物地积累指数和地积累指数分级Table7IndexofGeo—accumulation(o)andindexofGeo-accumulationclassifyinsedimentsofHulunLake 第29卷第2期农业环境科学报343电池有关。HANXiang-hong,YANGChi．Ananalysisoftheself-purificationfune一3结论(1)通过对呼伦湖沉积物各采样点中营养盐含量进行分析。表明三条河流人湖点rIN、11P及TOC的含量均低于其他采样点。TOC与"IN和11P的环境行为近似。说明"IN和TP的沉积与生物有机物的沉积相伴随。(2)对沉积物进行有机指数评价和有机氮评价表明，全湖的有机指数不高，均值为0．18。处于较清洁状态；l‘I(ON)的均值为0．12％。属于尚清洁范畴。有机氮的污染程度较有机质严重，除三条河流入湖点(AIO、F9、12)9b，其他点的埘(ON)都高于0．133％，属标准Ⅳ，严重有机氮污染，因此须采取有效措施控制外源氮的输人。(3)运用地积累指数法评价了呼伦湖沉积物中重金属元素的环境变化特征，结果显示：沉积物中Cd的污染最严重，多数采样点表层属中一强污染程度．其次是As污染，属中等污染程度，Pb的污染较轻，仅东北和西南部沿岸采样点属于无～中污染程度，Hg、Cu、Zn属于无污染状态。由于受研究条件和实际情况的限制，目前本研究尚处于初步探索阶段，有待于日后进一步完善。参考文献：fl】王天阳，王国祥．昆承湖沉积物中重金属及营养元素的污染特征田．环境科学研究，2008，21(1)：51-58．WANGTian-yang,WANGGuo-xiang,Researchonpollutioncharacter--isticsofnutrimentelementsandheavymetalsinsedimentofKunchep4iL&kefJl．ResearchofEnvironmentalSciences，2008，21(1)：51-58．【2】杨丽原。沈洁。张祖陆。等．南四湖表层底泥重金属和营养元素多元分析叨．中国环境科学，2003，23(2)：206-209．YANGLi-ymm，SHENJie，ZHANGZu-h．MultivariateanalysisofheavymetalandnutrientinsurfacesedimentsofNansihuLal【e叨．Ch／naEnvironmentalScience。2003，23(2)：206-209．【3】刘恩峰，沈吉，朱育新，等．太湖沉积物重金属及营养盐污染研究叨．沉积学报，2004，22(3)：507—512．UUEn-feng,SHENJi。ZHUYu-xiIl'eta1．HeavymetalsandnutrientspollutioninsedimentsofTaihuLake[J]．ActaScdimentolo#caSinica,2004。22(3)：507—512．【4】岳彩英，赵卫东，李明娜，等．达赉湖水质状况及影响因素分析田．内蒙古环境科学，2008，20(2)：7-9．YUECai-ying,ZHAOWei-don$,LIMing-na,eta1．Thesituation0fDalailakewaterqualityandinfluencingfactorsanalysistJ]．InnerMongoliaEnvironmentalScience$，2008，20(2)：7—9．【5]韩向红，杨持．呼伦湖自净功能及其在区域环境保护中的作用分析叨．自然资源学报，2002，17(6)：684-690．tionofHulunlakeanditseffectOilregionalenvironmentalconservation田．JournalofNa：uralResources。2002，17(6)：684-690．【6】李狲，马巍。叶柏生，等．呼伦湖水面蒸发及水量平衡估计叨．水文，2006,26(5)：4l—44．UChong,MAWei．YEBai--sheng．Estimationofwaterevaporationandwaterbalanceinu,,gausedHulunLake[J]．Journa／ofChinaHydrology,2006．26(5)：4l—¨．阴王文华．浅析呼伦湖水位变化对水质的影响【J】．内蒙古水利，2005(3)：3-5．WANGWen—hnPreliminaryanalysisOilinflunecesofwaterlevelchangetowaterqualityinHuhn址e叽InnerMongoliaWaterResources，2005(3)：3-5．【8】赵慧颖，乌力吉，郝文俊．气候变化对呼伦湖湿地及其周边地区生态环境演变的影响叨．生态学报，2008，28(3)：1064-1071．ZHAOHui-ying,WULi．-ji，HAOWen--jun．Influencesofclimatechal驿toeculo酬andenvironmentalevolvementintheHulunLakewetlandanditssurroundingareas[J]．ActaEcologicaSinica,2008,28(3)：1064一1071．【9】金相灿，屠清瑛，等．湖泊富营养化调查规范【M】．(第二版)．北京：中国环境科学出版社，1990：219—230．JINXiang-chan，TUQing-ying．Lakeeutrophicationinvestigationstall—dard[M]．(111esecondedition)．Beijing：ChinaEnvironmentalSciencePre68。1990：219-230．【lo】吕晓霞，翟世奎。于增慧．长江口及邻近海域表层沉积物中营养元素的分布特征及其控制因素叨．海洋环境科学，2005，24(3)：1-5．LVXian-xia,ZHAlShi-kui，YUZeng-hui．Nutrientdistributionandoentmlledfactorsatthesudh∞sedimentoftheChangjiangEstuaryandadjacent8e8area【J]．Mar／heEncironmerudScience，2005，24(3)：1-5．【1l】冯峰，王辉，方涛，等．东湖沉积物中微生物量与碳、氮、磷的相关性U1．中国环境科学，2006，26(3)：342-345．FENGFeag,WANGHui．FANGTan．ThecorrelationbetwⅧmicro-Idalbiomassandcarbon,nitrogen，phosphorusinthesedimentsofDonghuLake[J】．ChinaEnvironmentalScience，2006。26(3)：342—345．【121KrishnanmurhyRV。BhallaclueyaSK。KuamngarS．PalaeodimatieclIlmgesdeducedfromrV一／=CandC／NratiosofK趣料忸Lakesediments,India[J]．Nat，1986,323(11)：150-152．【13】杨丽原，王晓军，刘恩峰．南四湖表层沉积物营养元豢分布特征田．海洋湖沼通报，200r7。2：40-“YANGLi-yuun,WANGXian--jun．Lit／En-feng．CharacteristiosofnutrientdistributioninSUrfaOⅪsedimentsofNansihuIake们．Tram耻-tionsofOcem'wlogyandLimnology,2007．2：铷-¨．【14】孙顺才，黄漪平．太湖【M1．北京：海洋出版社，1993：2雄22＆SunShun-cai。HuangYi-plng．Taihu[M]．Beijing：OceanPrl№91993：224-228．【15】MullerC．Sedimentindex[J]．ChemikerZeitung,1981。105：53-58．【16】郁亚娟，黄宏，王晓栋，等．淮河沉积物中重金属的测定和污染评价【J1．环境科学研究。2003，16(6)：26-28．YUYa-juan,HUANGHong,WANGXian-dong,eta1．SedimentaryheavymetalpollutioninHuaiheRiver[J]．ResearchofEnvironmentalSciences。2003。16(6)：26-28．