張明禮,楊 浩,林振山,崔文靜,陳勁松,王小雷 (南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210046)

太湖竺山灣底泥中有害物質(zhì)含量與環(huán)境污染評價

張明禮,楊 浩*,林振山,崔文靜,陳勁松,王小雷 (南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210046)

對太湖竺山灣湖泊中重(類)金屬、磷、硫元素、有機(jī)有毒物質(zhì)的含量及放射性元素的放射強(qiáng)度進(jìn)行了檢測,通過對比雪堰段與周鐵段的相關(guān)物質(zhì)含量,分析了有害物質(zhì)含量差異的原因,并對其環(huán)境污染進(jìn)行了評價.結(jié)果表明:太湖竺山灣底泥中重(類)金屬含量總體較低,其中雪堰段比周鐵段含量高;有機(jī)毒物HCHs、DDTs、PCBs、PAHs由于來源不同,兩地相關(guān)物質(zhì)含量不同,但總體上含量較低;湖泊底泥中放射性元素鉛、銫的放射性強(qiáng)度低,符合我國開放場址土壤中剩余放射性可接受水平的規(guī)定.湖泊底泥中含有較高的磷元素,清淤過程應(yīng)減輕底泥中磷的釋放對水體造成的污染.本結(jié)果對太湖底泥沉積物的測量,特別是對放射性元素放射強(qiáng)度的檢測,有利于全面了解該湖泊沉積的環(huán)境污染現(xiàn)狀;評價其污染程度,并為太湖污染治理、清淤底泥的后續(xù)利用、風(fēng)險管理提供科學(xué)數(shù)據(jù)和決策支持.

太湖竺山灣；湖泊底泥；重金屬；有機(jī)有毒物質(zhì)；放射性強(qiáng)度

太湖是一個淺水、多湖灣的湖泊,地處地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市群密集區(qū)域,長期以來,大量的點(diǎn)源和面源污染物通過徑流、大氣沉降等進(jìn)入水體,沉積在底泥中構(gòu)成了嚴(yán)重的內(nèi)源污染威脅[1].沉積物中重金屬、有機(jī)毒物及磷、硫等物質(zhì),會對湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成長期的影響[2-3].

有關(guān)太湖沉積物中重金屬以及有毒有害等物質(zhì)含量的研究,國內(nèi)已經(jīng)開展了大量的工作[4-8].這些研究為治理太湖提供了科學(xué)依據(jù).為全面反映湖泊底泥沉積物的整體污染狀況,本研究在前人研究的基礎(chǔ)上,通過檢測太湖竺山灣底泥沉積物中主要重(類)金屬、有機(jī)有毒物質(zhì)含量等,特別是對放射性元素放射強(qiáng)度的檢測,有利于全面了解該湖區(qū)沉積物的環(huán)境污染現(xiàn)狀;以獲取的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),評價其污染程度,為太湖污染治理、清淤底泥的后續(xù)利用、風(fēng)險管理提供決策支持.

1 材料和方法

1.1 樣品采集

太湖竺山灣位于太湖西北部,是太湖上游來水的主要湖區(qū).采樣在竺山灣的兩個區(qū)域進(jìn)行,一處靠近竺山灣的東北部,為常州市武進(jìn)區(qū)雪堰鎮(zhèn)(樣點(diǎn)TH1～TH5);另一處位于竺山灣西岸,屬無錫宜興市周鐵鎮(zhèn)(樣點(diǎn)TH6～TH8).2008年10月,在太湖竺山灣用重力采樣器采集長度為10cm的沉積柱,使用奧地利產(chǎn)的聚丙烯筒式沉積物取樣器(內(nèi)徑6cm)采集太湖沉積物柱芯,共采集樣品8個(圖1).將樣品置于密封塑料袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室.

圖1 竺山灣在太湖中的位置及采樣地點(diǎn)Fig.1 Sampling positions in Zhushan Bay, Taihu Lake

1.2 樣品處理及分析

采集到的土樣待自然風(fēng)干后,剔除動植物殘體和石塊,研磨、過100目篩,分批次進(jìn)行沉積物中有毒有害物質(zhì)檢測.

土壤重金屬測定:運(yùn)用荷蘭PANalytical公司生產(chǎn)的EPSILON5(Axios X型)對樣品進(jìn)行壓餅制樣后,再運(yùn)用X熒光光譜儀(PW2403)完成測試.各全樣品約取4g,其中測定了土壤重金屬污染主要包括 Pb、Cr、Cu、Zn等,分析測定中均加入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤標(biāo)樣進(jìn)行分析質(zhì)量控制,分析結(jié)果符合質(zhì)量控制要求,測量誤差小于10%.

放射性元素的測定:用高純鍺γ譜儀測試,該儀器為美國阿美特克公司生產(chǎn)ORTEC牌高純鍺探測器,擁有數(shù)字化譜儀多通道分析系統(tǒng).137Cs、210Pb的比活度分別由661.6,46.5keV處的γ射線譜峰面積獲得,標(biāo)準(zhǔn)樣品由中國原子能研究院提供.該譜儀的主要指標(biāo):對60Co 1.33 MeV的能量分辨率為2.25keV;相對探測效率為55%;峰康比60:1.

以上測試項(xiàng)目在南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.

沉積物有機(jī)有毒污染物的測定:用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)定量分析,對沉積物中有機(jī)有毒污染多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳烴(PAHs)、有機(jī)氯農(nóng)藥(DDTs、HCHs)分析測定.有機(jī)有毒污染物的測試在中國科學(xué)院南京土壤研究所分析測試中心完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥中沉積物重(類)金屬及P、S含量

圖2 雪堰段與周鐵段底泥中重(類)金屬及P、S含量對比Fig.2 The comparison of heavy mental, P and S content in sediment near Xueyan and near Zhoutie town

由表 1可見,Pb、Cr、Sr的含量變異較小,而 Cu、Ni、Zn、Cs的變異較大.從采樣地區(qū)來看,周鐵段重金屬污染物質(zhì)的平均含量均略低于雪堰段(圖2).湖泊水體環(huán)境中,As、P與S非元素含量也與湖泊環(huán)境質(zhì)量狀況緊密相關(guān),且存在水體與底泥之間的交換過程.底泥樣品中,As的含量為 3.1～10.3mg/kg,其平均含量為 7.8mg/kg,變異系數(shù)為 31.1%;P是沉積物主要營養(yǎng)元素之一,也是反映湖泊污染程度的重要指標(biāo),其最高含量1532.6mg/kg,最低為 332.0mg/kg,有較大的變異,變異系數(shù)為 52.3%;硫的含量為 69.9～2051.9mg/ kg,變異系數(shù)為80.4%.從采樣地區(qū)看,雪堰段底泥中檢測重(類)金屬的含量均高于周鐵段,且非金屬元素異常值的出現(xiàn)區(qū)域和金屬元素高值區(qū)“疊置”,可能是與無錫市發(fā)達(dá)的工業(yè)及城市居民的大量的生活污水排入有關(guān).

2.2 有機(jī)有毒物質(zhì)的含量

太湖竺山灣底泥沉積物中,檢測的主要有機(jī)有毒污染物有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳烴(PAHs)等含量如表2所示.

表2 太湖竺山灣底泥HCHs、DDTs、PCBs、PAHs含量(μg/kg)Table 2 The content of HCHs, DDTs, PCBs, PAHs in Zhushan Bay sediment, Taihu Lake(μg/kg)

OCPs主要指HCHs和DDTs等,由于HCHs和DDTs的疏水親脂性,進(jìn)入水環(huán)境后,大部分被水中懸浮顆粒物吸收并進(jìn)入沉積環(huán)境.湖泊底泥中 HCHs的含量變化范圍 0.037～0.758μg/kg, DDTs的含量除幾個采樣點(diǎn)未檢出o.p'-DDT外,其余各點(diǎn)均檢測到,DDTs檢測到的變化范圍為0.027～0.92μg/kg.PCBs在熱穩(wěn)定性、絕緣性等方面具有較高性能,所以在工業(yè)中有廣泛應(yīng)用;又由于其具有脂質(zhì)親和性高的特點(diǎn),擴(kuò)散到水體中的PCBs次第被蓄積到動物體內(nèi)與沉積物中.PCBs含量變化范圍為 0.01～0.345μg/kg.PAHs易具有親脂性、難降解的特點(diǎn),容易污染水體,并在土壤等介質(zhì)中滯留和累積.沉積底泥中 PAHs含量變化范圍為0.515～40.3μg/kg,濃度差別大,其中雪堰段為6.91～40.3μg/kg,周鐵段0.52～8.89μg/kg. 2.3 沉積物放射性物質(zhì)強(qiáng)度

由表 3可見,210Pb具有較強(qiáng)的放射性強(qiáng)度,其值介于90.9～306.5 Bq/kg之間;而137Cs放射性強(qiáng)度范圍是 12.1～43.6Bq/kg,放射性相對較弱.從區(qū)域分布來看,依然是雪堰段底泥中放射性元素的放射性較強(qiáng),而周鐵段湖底底泥放射性較弱.

表3 太湖竺山灣湖底底泥鉛與銫的放射性強(qiáng)度(Bq/kg)Table 3 The radioacitivity intensity of lead and ceasium elements in Zhushan Bay, Taihu Lake(Bq/kg)

3 討論

由于疏浚后的底泥沉積物有相當(dāng)一部分還田或他用,因此引用國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]中的土壤分為3類,來評價疏浚底泥的質(zhì)量安全.土壤質(zhì)量共分3級,其中Ⅰ類土壤主要適用于國家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護(hù)區(qū),土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平;Ⅱ類土壤主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等,土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染.二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Ⅱ類土壤是保護(hù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的土壤限定值,也是個警示值,低于此值一般來說不會有污染問題,對高于此值的樣點(diǎn)應(yīng)予充分重視.而對超過土壤環(huán)境背景值的樣點(diǎn),也應(yīng)及早關(guān)注,以防污染進(jìn)一步發(fā)展.

3.1 沉積物重(類)金屬及P、S元素的污染評價

對照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的元素含量[10],從圖3可以看出,湖底底泥中所測化學(xué)元素的含量均沒有超過國家規(guī)定的二級土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值,但均接近于一級土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的上限值,其中銅的含量還超過了Ⅰ類土壤所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn).從我國農(nóng)業(yè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來看,其含量也均未超過無公害食品水稻、茶園、蔬菜產(chǎn)地環(huán)境條件[9,11-12]的要求.由于太湖是長江三角洲重要的飲用水源地,為保證水源地水質(zhì)的飲用要求,宜執(zhí)行土壤質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn).太湖流域土壤背景值中[13],Cu的含量為21.6mg/kg,實(shí)測值41.2mg/kg,超出背景值含量近一倍;Pb的背景值為 25.72mg/kg,實(shí)測值為29.5mg/kg;Cr為62.11mg/kg,實(shí)測值為79.1mg/kg.這幾種湖泊沉積物污染的重金屬元素均超出當(dāng)?shù)乇尘爸?應(yīng)引起足夠重視.少數(shù)超標(biāo)的物質(zhì),如Cu的含量較高,需采取一定的措施,減少其含量,以降低其危害性.

對于P、S非金屬元素,由于其復(fù)雜的化學(xué)行為特性,土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中未對其含量做出規(guī)定.但底泥中含量較高的磷、硫等元素在湖泊內(nèi)源污染中起到重要作用.在對湖泊富營養(yǎng)化的長期研究中,人們逐漸認(rèn)識到水體中“超負(fù)荷”的氮磷等營養(yǎng)元素引起湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的異常發(fā)展,其中湖泊底泥的內(nèi)源污染起著重要的作用[14].根據(jù)Redfiedf[15]的假設(shè),一個典型的藻類分子式應(yīng)為(CH2O)106(NH3)16(H3PO4),臨界點(diǎn)氮磷比按元素計(jì)應(yīng)為16:1,按重量記為7.2:1.理論上講,如果氮磷比例小于該比值,氮將限制藻類增長;如果氮磷比例大于該比值,則磷會成為藻類增長的限制因素.在一般情況下,由于水體中大多數(shù)藻類具有從大氣中同化氮?dú)獾哪芰?因此把磷的含量作為衡量湖泊富營養(yǎng)化的重要標(biāo)志.根據(jù)OECD的研究,80%的湖泊富營養(yǎng)化受磷元素的制約[16].沉積物與水體間營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)對水體初級生產(chǎn)力產(chǎn)生很大的影響,沉積物中磷的釋放在一定程度上與藍(lán)藻的爆發(fā)相關(guān)[17].故磷對湖泊水體富營養(yǎng)化以及藍(lán)藻水華的暴發(fā)有很大的影響.S是生命必須的營養(yǎng)元素之一,在環(huán)境中有單質(zhì)硫、無機(jī)硫化合物、有機(jī)硫化合物三種形態(tài),其在不同的條件下可轉(zhuǎn)化為硫化氫或者硫酸,進(jìn)入環(huán)境后會對人體有較大危害.

圖3 太湖竺山灣底泥重(類)金屬元素含量與土壤質(zhì)量國標(biāo)的對比Fig.3 The comparison of elements content between Zhushan Bay, Taihu Lake and enviromental quanlity standard for soils

3.2 湖泊沉積物有機(jī)有毒物質(zhì)污染評價

各種有機(jī)有毒物質(zhì)的含量,以該種物質(zhì)的各種異構(gòu)體或者衍生物的總量計(jì)算.有機(jī)氯農(nóng)藥中,所檢測到的HCHs含量是4種異構(gòu)體總量,DDTs含量為4種衍生物總量(表4).作為植物病蟲害防治中應(yīng)用早、使用廣泛的殺蟲劑,由于降雨與徑流作用,大量農(nóng)藥流入湖泊并部分被底泥吸附.雪堰段湖泊底泥中HCHs平均含量為0.705μg/kg,周鐵段為 1.169μg/kg;雪堰段 DDTs平均含量為1.042μg/kg,周鐵段為 0.647μg/kg.比照國家標(biāo)準(zhǔn),HCHs、DDTs含量均未超過土壤質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn).2地采樣數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),HCHs與DDTs含量有所不同,這可能是2地傾向使用農(nóng)藥種類的差別造成的.雪堰段湖泊底泥中 PCBs平均含量為0.271μg/kg;周鐵段為 0.496μg/kg.從湖泊沉積底泥的位置來看,竺山灣北部的雪堰段低于西部的周鐵段.雪堰段湖泊底泥中 PAHs平均含量為55.456μg/kg;周鐵段為9.683μg/kg,竺山灣北部的雪堰段湖泊底泥PAHs含量是西部周鐵段含量的近6倍.疑為雪堰段緊靠無錫市武進(jìn)區(qū)有關(guān),該區(qū)是太湖沿岸主要工業(yè)中心區(qū)域之一,工業(yè)生產(chǎn)密集,交通運(yùn)輸便利.

表4 太湖竺山灣底泥OCPs、PCBs、PAHs總含量統(tǒng)計(jì)(μg/kg)Table 4 The total content of HCHs, DDTs, PCBs, PAHs in Zhushan Bay, Taihu Lake (μg/kg)

現(xiàn)行土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中,有機(jī)物污染物只有有機(jī)氯農(nóng)藥含量的標(biāo)準(zhǔn).參考展覽用地土壤質(zhì)量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[18]判斷,PCBs、PAHs含量比較低,底泥可以作為田地、展覽用地等的土壤.

3.3 放射性評價

所謂放射性核素污染土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)是指放射性核素污染土壤經(jīng)過各種技術(shù)手段修復(fù)后被法規(guī)確立和認(rèn)可的含量,是一種對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)不構(gòu)成威脅的、法規(guī)和技術(shù)可接受的水平,也稱為“放射性核素污染土壤行動標(biāo)準(zhǔn)(水平)”.高于這一標(biāo)準(zhǔn)即需要進(jìn)行修復(fù)[19].

目前,國外一些發(fā)達(dá)國家或機(jī)構(gòu)已制定了放射性核素污染土壤的限制標(biāo)準(zhǔn),如國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)、美國“鈾礦選冶尾礦輻射控制法案”(UMTRCA)[20]、美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)與美國核管理委員會(NRC)等[21];但我國對放射性核素污染土壤的限制標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺,國家環(huán)?？偩衷?000年出臺了《擬開放場址土壤中剩余放射性可接受水平規(guī)定(暫行)》的暫行規(guī)定[22].本研究參照美國EPA與NRC、國家環(huán)境保護(hù)總局規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行土壤放射性核素污染的評價.

表3中銫的放射性均未超標(biāo),鉛的放射性中,只有TH2點(diǎn)超出了環(huán)境保護(hù)總局制定的標(biāo)準(zhǔn),但未超過美國EPA與NRC制定的含量標(biāo)準(zhǔn).雪堰段湖底底泥中銫、鉛的平均放射性強(qiáng)度強(qiáng)度分別97.3,18.5Bq/kg,周鐵段的為23.3,164.5Bq/kg.從圖4看出,無論是雪堰段湖底底泥中放射性元素的平均放射性強(qiáng)度,還是周鐵段湖底底泥放射性元素的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于參照標(biāo)準(zhǔn),竺山灣泊底泥中放射性元素的放射強(qiáng)度是安全的.

圖4 太湖竺山灣湖底底泥放射性強(qiáng)度與參照標(biāo)準(zhǔn)的對比Fig.4 The comparison of radioactivity intensity between Zhushan Bay, Taihu Lake and reference standards

4 結(jié)論

4.1 從太湖竺山灣湖底底泥中重(類)金屬以及磷、硫等元素含量來看,雪堰段比周鐵段含量高,但兩地區(qū)的含量都符合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的二級標(biāo)準(zhǔn)要求; HCHs、DDTs、PCBs、PAHs由于來源不同,兩地含量不同,但總體上含量較低.

4.2 從放射性強(qiáng)度來看,湖泊底泥中放射性元素鉛、銫的放射性符合我國開放場址土壤中剩余放射性可接受水平的規(guī)定.

4.3 湖泊底泥中含有較高的磷元素,在進(jìn)行湖泊治理如清淤時應(yīng)盡力避免二次污染,減輕底泥中磷的釋放對水體造成的污染.

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Harmful substances residue and environmental pollution evaluation of Zhushan Bay, in Taihu Lake.

ZHANG Ming-li, YANG Hao*, LIN Zhen-shan, CUI Wen-Jing, CHEN Jin-song, WANG Xiao-lei (School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：852～857

Aseries of tests about the content of heavy metal element, phosphorus, sulfur, organic toxic substance and intensity of radioactivity of radio elements of sediments in Zhushan Bay, Taihu Lake was studied. Though compared those substances contents in Xueyan Area with those in Zhoutie Area, reasons concerning on difference of content and evaluated environmental pollution state was analyzed. The content of heavy metal was generally low, though it’s large in Xuanyan Area; overall, the content of organic toxic substance (HCHs、DDTs、PCBs、PAHs) was low in spite of different origins and contents; intensity of radioactivity of137Cs and210Pb were small, corresponded with the regulation for acceptable level of residual radionuclide in soil of site considered for release regulated by our country in opening site; sediment contains high phosphorus elements so that secondary pollution should be avoided in cleaning process to reduce water pollution which caused by phosphorus release. Testing of sediment elements, especially the intensity of radioactivity of radioelements was beneficial to fully understanding the actuality of environmental pollution state of the lake and evaluating pollution level, which also provided scientific date and decision support for pollution abatement, follow-up utilization of cleaned mud and risk management.

Zhushan Bay, Taihu Lake；sediment of lake；heavy metal；toxicant；radioactivity intensity

X824

A

1000-6923(2011)05-0852-06

2010-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41030751,40873071);江蘇省教育廳重大項(xiàng)目(09KJA170002);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

* 責(zé)任作者, yanghao@njnu.edu.cn

張明禮(1976-),男,山東沂水人,講師,博士,主要研究方向土壤侵蝕與環(huán)境效應(yīng).發(fā)表論文10余篇.