河流与湖泊沉积物重金属、氮和磷的赋存形态研究_水生态环境综合治理与保护（江西水问题研究与实践丛书）-QQ阅读男生玄幻网

书名：水生态环境综合治理与保护（江西水问题研究与实践丛书）
作者名：江西省水利科学研究院
本章字数：4773字
更新时间：2021-04-16 21:51:38

河流与湖泊沉积物重金属、氮和磷的赋存形态研究

李艳红

江西省水利科学研究院

于婷

南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室

南昌大学环境与化学工程学院

胡春华

江西省水利科学研究院

南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室

南昌大学环境与化学工程学院

沉积物是水体的重要组成部分，具有水体重金属、营养盐污染的蓄积库与二次污染源的双重功能，在水体重金属污染和富营养化研究中起着重要作用。目前国内外学者对重金属和营养盐在水体沉积物中的分布形态、转换形式和释放联系研究均开展了大量的研究。本文对从河流与湖泊沉积物中重金属与氮磷营养盐的分布形态含量差异及其原因进行了综述，同时对沉积物污染中处理方法清淤法进行了简要概述。

关键词:沉积物-重金属-营养盐-分布形态

1 引言

沉积物作为水环境中污染物的主要蓄积库，反映了水体受污染状况及人类历史活动的影响。研究沉积物中污染物的含量可以判断研究区域受污染程度和扩散范围；研究在其中的赋存形态可以追踪该研究区域的污染源。沉积物中主要的污染物有重金属、营养盐元素、难降解有机物^［1］，但在一般情况下，水系沉积物污染程度都以重金属^［2］、营养盐^［3］或两者结合^［4］一同作为参考因子。

沉积物中重金属在柱状样中不同层位的含量分布，可反映出所研究区域重金属的污染历史。把柱状样重金属含量与未污染区背景值进行对比，可反映出不同历史阶段人类活动对所研究区域重金属输送量的变化情况^［2］。受污染的水体中重金属可以经过各种途径不同程度的进入水生动植物及人体内，有研究表明富营养化能降低重金属的毒性^［5］，但富营养化对水体环境带来的影响一样不容忽视。正是由于重金属与氮磷营养盐化学行为和生态效应的复杂性，对沉积物中污染物的研究是近20多年来国际环境科学界不衰的研究课题。

过去的研究主要是集中在重金属的形态分布^［⁶^，⁷^］及其含量与生态风险性评价^［⁸^，⁹^］，对氮磷营养盐的形态分布特征及其转换也有大量的研究 ^［10-12］，而探究受污染水体中重金属与氮磷营养盐的相互联系的研究却极少。在沉积物污染越来越受关注时，科研工作者们已逐渐将目光转移到这两者的综合研究分析上^［4］。本文对沉积物中重金属与氮磷营养盐的赋存形态研究进行了综述，并将这两者的形态含量在湖泊与河流两种水系中进行了对比，期望对河流与湖泊沉积物中重金属、氮、磷的迁移、转化和其产生的环境效应研究提供理论研究。

^[1]

2 重金属与氮磷营养盐在沉积物中的赋存形态

2.1 重金属的赋存形态

根据五步连续提取法^［13］，沉积物中重金属形态可分为：醋酸可提取态、可还原态、可氧化态和残余态。自20世纪的七八十年代以来，许多学者针对沉积物和土壤中重金属形态的提取和分离建立了大量的方法。根据其操作的过程，可将其分为单一形态的单独提取法和多种形态的连续提取法。在连续提取法中以Tessier和BCR法最为权威^［14］。事实上，由于不同底泥基质、污染状况，底泥会有不同的CEC（可交换阳离子）、有机质含量以及底泥的pH值等，元素的提取率也就不一样。总之，在研究沉积物重金属形态时，工作人员应根据自己的研究对象和目的来选择合适的研究方法；若针对同一水系的沉积物可根据其质地选择一种较为合适的提取方法来研究其重金属形态。

2.2 氮磷营养盐的赋存形态

沉积物氮的形态包括为无机氮和有机氮，其中无机氮又可分为氨氮，硝态氮和亚硝态氮，在氨氮和硝态氮同时存在的情况，氨氮优先被浮游生物吸收利用，因此氨氮的含量和比例在一定程度上决定了水体生态效应和环境污染特征，同时氨氮和硝态氮含量的对比特征也可以在一定程度上揭示水体沉积物的氧化还原状况^［4］。

沉积物磷的形态是以多种复合的形式存在的。一般将沉积物中磷的形态分为5类，即可溶磷、铁结合态磷、铝结合态磷、钙结合态磷和有机磷；其中有机磷和铝结合态磷易被浮游植物优先吸收。铁结合态磷的含量和比例可以在一定程度上作为沉积物污染的指标之一。沉积物磷的形态含量、比例可以反映出污染源化学组分和污染程度大小，从而探索水体污染的来源推理，同时沉积物磷的形态和比例直接影响水体沉积物的稳定性^［4］。

3 河流与湖泊沉积物中重金属的赋存形态

3.1 重金属分布的形态差异

河流沉积物中锌（Zn）主要存在于铁锰氧化物态，湖泊沉积物中Zn赋存于碳酸盐态、铁锰氧化物态和有机态中，但以铁锰氧化物态为主；锰（Mn）可交换态比例河流要大于湖泊，而碳酸盐态比例河流小于湖泊。相同的特征：进入河流和湖泊的铅（Pb）、铜（Cu）能在有机物态中表现出明显的赋存趋势，Pb和Cu主要存在于有机物和硫化物态和残渣态中；铁主要以残渣态存在；Pb、Cu、Zn元素残渣态含量很低，而生物可利用态含量却很大^［15］。

Pb、Cu和Zn在河流沉积物中与有机质含量正相关，可推测在自然水体中重金属Pb、Cu和Zn能与河流中可溶性有机物相结合，而有机物又能吸附到沉积物上，产生正的相关关系。湖泊沉积物中Pb和Cu与有机质含量呈显著相关，Zn却与有机质相关关系不显著^［15］。湖泊的主要贡献因子是Pb和镉（Cd），尤其是Cd。Cd的主要来源冶炼、电镀、染料等工业废水、污泥和废气，另外汽油和轮胎里也含有Cd^［4］。从地球化学角度来说，Cu、Pb、Zn都属于亲铜元素，在水体中表现出相似的性质，能与沉积物中有机物在厌氧状态下产生的S²-结合，形成溶解度极小的硫化物沉淀，而共同沉积到水体沉积物中^［16］。

3.2 分布差异原因

河流主要流经工业区、农业区和城镇，其重金属来源主要为河流周边环境及其流经区域；湖泊一般为承纳性水系，即是各支流的汇，污染物质汇总之后经过吸附—解吸、溶解—沉淀、氧化—还原及络合—解离等化学过程沉降与沉积物中。水系中重金属在各个污染区的引入形式：工业和生活混杂区的重金属可通过地表径流和粉尘沉降进入水系；生活区是由于日常生活用品包含重金属元素和居民交通；农业区主要是化肥、农药的施用。河流的水化学组成具有多样性和易变性，而湖泊水则因其交换缓慢，即使与河流所在地区的气候条件和地球化学条件相似，其化学组成也明显区别于河流，沉积物中重金属的分布也不同，河流与湖泊二者水动力学条件不同，所处的地质类型和人为污染源也不相同；不同来源的重金属，其赋存形态也不相同，这造成二者之间沉积物重金属分布规律不同。pH值也是影响重金属含量及赋存形态差异的重要因素，pH值对湖泊沉积物中重金属的含量并无显著影响，而在河流沉积物中pH与重金属含量显著负相关^［15］。

4 河流与湖泊沉积物中氮磷营养盐的分布差异分析

在沉积物—水界面上，氮的地球化学行为表现为硝态氮由上层水体向沉积物扩散，而有机氮和氨氮由沉积物向上层水体扩散^［17］。沉积物中氨氮主要来自有机氮的矿化作用，或者在厌氧环境下有机氮在细菌的参与下转化为氨氮^［11］。氨氮可作为水生生物的直接氮源^［18］，有机氮通常为湖泊沉积物中氮的主要存在形态^［12］。从磷的各种赋存形态含量对比看可知：河流总磷均值显著高于其他湖泊类型水体沉积物；河流沉积物铁结合态磷显著高于其他类型水体沉积物；河流沉积物钙结合态磷含量显著高于其他类型水体沉积物^［4］。

沉积物既是水系营养物质的汇，又可以是营养物质的源。沉积物释放营养物质引起的二次污染作用不容忽视^［19］。从氮磷的各种形态含量分析，表明营养盐是以生活污水为主要来源，而生活污水基本上都排入了河流，在河流最终汇入湖泊时，大部分营养盐都被截留。

5 沉积物中重金属与氮磷营养盐的联系

水体的富营养化有利于降低沉积物中重金属的生物毒性。湖泊的富营养化有利于沉积物的厌氧环境的形成，即形成还原性沉积物环境，这有利于酸可挥发性硫（AVS）的形成。当AVS含量升高时，沉积物中重金属的生物毒性就会随之降低，即湖泊的富营养化有利于降低沉积物中重金属的生物毒性。近年来，为了防止水体的富营养化，人们采取了“外控内除”的方法加以治理。这种“外控内除”的方法主要是为了降低水体的富营氧化，但“外控”主要通过建设截污工程控制外源性营养物质的输入，而“内除”主要去除湖泊系统中的营养物质^［20］。所谓“内除”即是通过疏浚，移除底泥表层，这种清淤的方法去除内源氮磷具有双重性。一方面它能够移去氮、磷和重金属全量较高的底泥，减少其向水体的释放；但下层底泥常常包含较高浓度的水溶性氮、磷和重金属，表明通过疏浚，移除底泥表层，反而会使含较高水溶态污染物底泥的出露从而增加了向水体释放的污染物。另一方面由于清淤不可避免地会使沉积物界面发生搅动并发生再悬浮现象及厌氧环境发生变化，这些都有可能使沉积物中的重金属向水体大量释放。重金属及氮磷营养盐对水体的污染程度已经十分严重，但单方面的除去某一单一污染也并非良策，所以采用清淤方法治理有水源地功能的水体时，须统筹考虑底泥中污染物如重金属的形态与生物有效性问题及其各污染物质的内部释放联系。