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目 录

1.引言 5

2.材料和方法 7

2.1 样品收集 7

2.2 样品分析 7

2.3 多变量分析方法 8

3.结果 10

3.1 营养盐的空间分布 10

3.2 重金属的空间分布 12

3.3 多变量分析 13

3.3.1 主成分分析 13

3.3.2 重金属富集因子分析 15

3.3.2 潜在生态风险指数分析 15

4.讨论 16

4.1 营养盐的地球化学分析 16

4.2 重金属的生态风险评估 17

5.结论 20

参考文献 21

致谢 23

太湖地表沉积物中营养盐和重金属含量的评估

袁杰

，China

Abstract：Concentrations of the nutrients (TN and TP), phosphorus fractions and heavy metals (Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sr, Ti, V, Zn and Hg) in 40 surface sediment samples collected from Taihu Lake, a eutrophic shallow lake in China, were determined. The results showed that the northwest region of the lake possessed higher concentrations of TN and TP, as well as the similar spatial distribution trend in the water column. This should be related to excessive anthropogenic input from industrial effluents and domestic sewage in surrounding areas. Similarly, the concentrations of P fractions exhibited significant regularity. In addition, except for Sr showing low concentration, the rest of the heavy metals in the surface sediments had two- to four-folds of magnitude of the concentrations compared with the reference values in earth’s crust. In the past decade, concentrations of heavy metals had undergone different levels of variations. Principal component analysis (PCA)、enrichment factors (EFs) and Potential ecological risk index（RI）of the compositional data aiming at heavy metals showed that Taihu Lake was slightly exposing to heavy metal contamination except Sr. High concentrations of heavy metals were ascribed to the discharge of untreated and partially treated industrial waste water via rivers.Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V and Zn positively correlated with each other (R = 0.78-0.92), that indicated they had analogous sources and/or kindred geochemistry characteristics.Differing from nutrients, randomness in the space indicated that heavy metals had a complex distribution.

Key words：Nutrients, Heavy metals, Surface sediments, Taihu Lake, Multivariate analysis

引言

氮（N）和磷（P）不仅是水生生态系统初级生产力的限制因子，而且是水体富营养化过程的主要控制元素。人类活动和自然作用会产生各种营养盐，其中一部分营养盐会通过水动力和地球生物化学等各种生物、化学、物理过程沉积于水体底部，经过长时间的积累成为水体富营养化的内源污染源。为了充分了解沉积物内部和外部的负荷情况，我们必须掌握沉积物和上覆水中营养盐的浓度和种类，以及它们与河流输入之间的相关性。同时，由于工业废水、生活污水、农业废水的人为输入，各种形态的重金属会通过水体中的物理化学过程进入水生生态系统，经过一段时间的絮凝沉淀，最后在受纳水体底部的沉积物中逐渐积累，重金属在沉积物中的含量通常会比在水体中高几个数量级，且不容易发生迁移和扩散，逐渐成为水体重金属污染的内源污染源（贾振邦等，2000）。重金属本身具有毒性和持久性，当它们与生物作用时，会产生生物积累和生物放大作用，使公众健康和自然环境面临一定危险。对沉积物中营养盐和重金属含量的分析不仅有助于区分内源输入和外源输入，而且可以揭示重金属污染所产生的潜在生态风险，为制定重金属污染防治政策和太湖流域的日常管理提供可靠依据。水体沉积物也称为底质或底泥，通常是由黏土、泥沙、有机质及各种矿物质构成的混合物（霍文毅和陈静生，1997）。沉积物是湖泊、水库中重要的一部分，它不仅能够反映湖泊、水库的自然演变过程，而且能够反映水生生态系统遭受的重金属污染程度和富营养化水平（尚英男等，2005）。

在全球范围内，不同地区的湖泊、水库都面临着不同程度的富营养化和重金属污染问题。欧洲湖泊面临的最大问题是湖泊富营养化问题，在接受统计的96个湖泊当中仅有19个处于贫营养状态，其余80%都不同程度地受到N、P污染，呈现较旺盛的藻类繁殖能力。美加五大湖是北美乃至全世界的重要湖泊群之一，五大湖中水质最好的为苏必利尔湖，属贫营养湖，休伦湖和密执安湖处于中营养状态，而伊利湖和安大略湖水质略差，属于富营养湖。 亚洲湖泊污染比欧洲湖泊严重，亚洲仅日本的琵琶湖、台湾的日月潭和韩国的八堂湖污染较轻，其余湖泊污染较重，其中东南亚发展中国家的湖泊受污染最严重（蒋火华等，2000）。来自联合国环境规划署(UNEP)的一项水体富营养化调查结果表明：全球范围内有30%-40%的湖泊和水库呈现不同程度的富营养化水平（马经安和李红清，2002）。已有的研究结果表明，人类生活和生产活动已导致湖泊沉积物中重金属含量明显增加（石志芳，2010）。相关学者对恒河重金属污染的几项研究表明，恒河水和其沉积物中的各种重金属含量远远高于可接受含量（Dipak Paul，2017）。Amaal M Abdel-Satar等学者（2017）通过分析尼罗河水样的总重金属浓度和环境指数，发现尼罗河水已经受到严重重金属污染。

据国家环保总局有关部门公布的资料显示，全国湖泊约有75%的水域受到显著富营养化污染，主要淡水湖泊如滇池、巢湖、太湖等富营养化非常严重，有些水域已经丧失水体功能。我国水环境富营养化呈现大范围、小集中及与经济发展同步等特点，较为严重的水体富营养化出现在中、东部经济活动频繁的沿海、长江中下游地区、珠三角地区、人口密集的大、中城市城区水体及周边水域（仲晓倩，2013）。尤其近年来，沿海地区赤潮频繁出现，内湖亦出现以太湖蓝藻为典型的水体富营养化现象。目前我国关于水体富营养化的研究主要集中在农业废水、工业废水和生活污水等外来排入源，对于水体表层沉积物内部释放的研究较少。除水体富营养化外，现阶段我国水体的重金属污染情况日趋严重，给自然环境和国民健康造成了极大危害。相关调查数据显示：我国江河湖库底质的污染率已经超过了80%，而黄河、淮河、松花江、辽河等大型流域重金属含量已经超过了我国规定的污染程度的V类，水质恶劣，不能作为饮用水源（牛海根，2016）。相关研究主要集中在由于工业发展而造成的重金属污染，同时有文献表明水体表层沉积物中的重金属含量占水体总重金属含量的80%，因此我们有必要对水体沉积物中的重金属展开全方位研究。

太湖是我国第三大淡水湖，湖泊面积为2427.8平方公里，湖岸线全长393.2千米，蓄水量为44亿立方米，平均水深2.4米。太湖具有水产养殖、饮水供应、水上运输、大气调节、输沙、水质净化、调蓄洪水、蓄水、土壤保持、维持生物多样性和生态休闲旅游等功能，对我国东部地区经济的发展起到极大得推动作用（贾军梅等，2015）。与此同时，在城市化建设和工业快速发展的过程中，大量工业废水、生活污水和农业废水排入太湖，致使太湖的生态环境质量发生了快速恶化。张运林和秦伯强（2001）的研究表明，60年代太湖水体较为清澈，污染物的内源输入和外源输入较少，水体大致处于贫营养到中营养水平，且偏向于贫营养水平；80年代之后，水体开始从中营养向富营养过渡，到80年代末期达到富营养水平；90年代后太湖水体的富营养化越来越严重，水质恶化速率不断加快；2007年发生了震惊中外的“太湖蓝藻水华事件”，全湖富营养化水体面积比例达到63%。就太湖重金属污染情况而言，相关研究人员在1993年～1999年期间采集了太湖表层沉积物样品，并对其中的重金属进行了详细分析，发现太湖大部分地区的表层沉积物未受到重金属污染，表层沉积物中的重金属处于安全状态。沉积物生态风险性指数评价结果也表明，当时太湖大部分地区无重金属生态危害（石浚哲和刘光玉，2001）。2000年之后，随着太湖周边地区尤其是西北地区工业的发展，导致太湖水体的重金属污染加重，并引起了相关学者的密切关注和深入研究。

与太湖富营养化和重金属污染相关的大多数研究具有以下不足：首先是研究范围局限在太湖的部分流域，而不是太湖整体；其次，研究内容不够全面，不够详细。本文的具体目标是：（1）准确测定太湖表层沉积物中的营养盐含量和重金属含量以及上覆水中的营养盐浓度；（2）全方位评估太湖富营养化程度、重金属污染程度和潜在生态风险；（3）充分了解太湖不同流域污染物输入之间的相关性和太湖的区域性污染特征。

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