研究论文 正式出版 版本 1 Vol 10 (2) : 128-140 2019
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博斯腾湖表层沉积物元素地球化学特征及重金属污染评价
Geochemical characteristics of major and trace elements and heavy metal pollution status in surface sediment of Bosten Lake
: 2018 - 06 - 25
: 2018 - 09 - 12
: 2018 - 09 - 30
279 2 0
摘要&关键词
摘要:重金属是沉积物中一类非常典型的污染物,开展湖泊沉积物元素地球化学的研究具有重要的现实意义。本文对新疆博斯腾湖表层沉积物(0—5cm)[lyj1] 中24种元素含量、粒度、有机碳含量(TOC)等进行了系统分析。受干旱区强蒸发作用的影响,博斯腾湖沉积物Ca、Sr、Mg含量高于新疆土壤元素背景值,Al、Fe、Mn及重金属元素等低于新疆土壤元素背景值。Al、K、Fe及重金属等元素主要受陆源细颗粒物质影响(<4µm、4—16µm),Ba、Na受粗颗粒含量(>63µm)影响,Ca、Sr、Mo、TOC主要来源于湖泊内生作用,与16—63µm颗粒组分相关。Q型聚类将采样点分为3个区域,第Ⅰ区为包括河口区、湖心区及东部湖区的大部分湖区,第Ⅱ区为湖区西侧黄水沟区,第Ⅲ区为湖区东南角。在空间上,重金属元素与细颗粒组分分布基本一致,而第Ⅱ区部分地区沉积物重金属已受到流域农田排水的影响。总体来说博斯腾湖沉积物重金属元素基本不构成污染。本研究可为湖泊沉积物元素地球化学研究提供参考,对博斯腾湖流域环境管理与规划也有重要价值。 [lyj1]用半破折号表示数据范围、时间起止等,全文修改。
关键词:博斯腾湖;沉积物;元素;重金属;聚类分析;污染评价
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Heavy metals are a serious type of contaminant in lake sediments due to their toxicity, durability, non-degradability and bioaccumulation. Therefore, the study about geochemical characteristics, source analysis and pollution status of heavy metals in lake sediments are of great practical significance. Materials and methodsBosten Lake is the biggest freshwater lake in arid region of northwest China. In June 2016, 22 surface sediment samples (0—5 cm) were collected in the major district of the lake, and a sediment core with 41cm-in-length was drilled near the entrance of Kaidu River. Surface sediment samples from Bosten Lake were analyzed for the 24 elements’ concentration, grain size distribution and organic matter content (TOC). Samples of the sediment core were analyzed for 210Pb chronology and geochemical elements. The PIRLA method was used to the elements’ contents before 1950s for obtaining the background values of geochemical elements. R-cluster analysis combined with Pearson correlation analysis were used to acquire the influencing factors of geochemical elements. Q-cluster analysis was used to partition the samples, and the results was tested by one-way analysis of variance. At last, by the use of the background values of geochemical elements, enrichment factors and geoaccumulation index were calculated to evaluate the pollution degree of heavy metals. Results The concentrations of Ca, Sr, Mg were obviously higher and the concentrations of Al, Fe, Mn, Ti, V and heavy metals were lower than Xinjiang Soil background values. R-cluster analysis indicated that, Al, K, Be, Tl, Pb, Co, Zn, Ni, Fe, Cr, V, Ti, Cd, Sb, As, Mg, Cu, Mn, P, Hg and terrestrial fine particulate matter(<4µm,4—16µm) were divided into one group, Ba, Na and coarse grain size content(>63µm)were divided into the second group, and Ca, Sr, Mo, TOC, medium-sized content (16—63µm) formed the third group. Through Q-cluster analysis, the sampling points can be divided into three regions. RegionⅠwas widely distributed in the lake, including Hekou district, Huxin District and the most area of the Eastern Distirct. The contents of Al and heavy metals were relatively high and stable in the sediments, while the contents of Ca were low. RegionⅡwas located on the west side of the lake, including Huangshuigou District and nearby areas, the contents of fine grains(<4µm,4—16µm)and elements (including Al and heavy metals) were relatively low, and the contents of Ca were relatively high in the sediments. Region Ⅲ was located in southeast corner of the lake, the sediment was mainly influenced by the desert, the contents of Ca and heavy metals contents were relatively low, while contents of coarse particles(>63µm)were high. The average enrichment factors of Pb, Cr, Tl, Ni, Cu, Co in all the sampling spots were slightly above 1, which indicated the above elements were slightly enriched in the sediments. The sampling spots with postive geo-accumulation index (Igeo)(Cr, Co, Pb, Ni, Tl, Cu, As, Zn)were mainly distributed in the south part of the lake. Discussion The high contents of Ca, Sr, Mg in the sediments were mainly due to the intense evaporation in arid region. Al, K, Be, Tl, Pb, Co, Zn, Ni, Fe, Cr, V, Ti, Cd, Sb, As, Mg, Cu, Mn, P, Hg were mainly influenced by the terrestrial fine particles(<4µm, 4—16µm), Ba, Na were affected by the contents of coarse particles(>63µm), Ca, Sr, Mo, TOC were mainly derived from endogenesis, and were related to the 16—63µm particles. The distributions of heavy metals were basically the same with fine particles and Al, and contrary with Ca. Nevertheless, heavy metals in the sediments of some area in RegionⅡ have been influenced by drainage from the basin. Conclusions Grain size compositions had significant influences on the elements composition of Bosten Lake sediment, while TOC had little effect. Some area in Huangshuigou District has been influenced by human inputs. In general, there were no heavy metal pollution in Bosten Lake sediments. Recommendations and perspectives This results can provide some references for the study of geochemical elements of lake sediment, and also have important values for environmental management of Bosten Lake.
Keywords: Bosten Lake; sediment; geochemical elements; heavy metals; cluster analysis; pollution assessment
湖泊沉积物是流域物质汇聚的归宿,也是湖泊水体环境中的重要组成部分,在湖泊生态环境具有特殊的重要性。湖泊沉积物对各种污染物均有很强的吸持能力,通过各种途径进入水体的污染物大部分迅速转移到沉积物中,在环境改变的条件下沉积物污染物又会重新释放,成为上覆水的二次污染源(Murray et al,1999)。众多污染物当中,重金属由于其毒性、持久性、不可降解性以及生物累积性是沉积物质量较严重的一类(陈静生,1983;Bryan and Langston,1992)。重金属来源于自然界和人类活动输入,进入水体方式主要为通过地表径流、大气沉降和人类活动直接输入。在自然背景下,河流携带来自于自然界中岩石矿物风化产物是流域重金属的主要来源。随着社会发展,流域内城市发展、农业和工业活动如城市交通、化石燃料燃烧、采矿与金属冶炼、化肥农药的使用等过程很大程度上造成了水生态环境中的重金属污染(张丽洁等,2003)。重金属对湖泊内的生物,特别是底栖生物具有毒性或具有慢性效应,重金属在生物体不断累积并通过食物链传递对人体造成危害(Bryan and Langston,1992;Armitage et al,2007)。因此对湖泊沉积物进行重金属污染的地球化学特征、来源解析以及污染状况评价具有重要的现实意义。
博斯腾湖是中国内陆最大的淡水湖,位于巴音郭楞蒙古自治州博湖县。它不仅对流域起着重要的生态调节作用,也直接影响着该地区经济社会环境的可持续发展。博斯腾湖地处焉耆盆地最低处,多年来一直是焉耆盆地的纳污区。大规模工农业开发活动以及焉耆盆地人口数量的急剧增加,博斯腾湖正在受到高矿化度农田排水和工业污水的污染,区域污染逐渐加重。目前针对博斯腾湖沉积物污染的研究主要集中在有机物污染(杨彬等,2011;Lei et al.,2015)及水体污染的相关研究(徐海量等,2003;王开勇等,2008;赛•巴雅尔图等,2012;唐建,2015)。前期的研究主要对博斯腾湖表层沉积物Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn含量及特征(褚兆晶,2012);柱芯沉积物中百年来Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Co和Fe等元素含量及变化特征(张永三等,2009);博斯腾湖周边湿地Cu、Ni、Pb地球化学特征进行了相关研究(刘浩锋等,2017)。对博斯腾湖表层沉积物主要、微量元素(包括重金属元素)含量变化特征及其环境因子(如粒度、TOC等)的研究目前还未见有研究成果发表。本文通过采集博斯腾湖大湖区表层(0—5 cm)的22个样品,分析主要元素和微量元素含量(包括Al、Ba、Be、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Sr、Ti、V、Zn、Cr、Co、Ni、Cu、As、Mo、Cd、Sb、Tl、Pb等24种元素)、粒度、TOC组成及变化特征,通过多元统计分析对元素空间分布特征及沉积物物质来源进行分析,最后通过富集系数法、地累积指数,对重金属污染程度进行综合评价。
1   材料与方法
1.1   研究区域概况
博斯腾湖地处新疆天山南麓,是焉耆盆地的最低点,位于巴音郭楞蒙古自治州博湖县,地理位置为41°49′—42°07′N,86°26′—87︒30′E(王苏民和窦鸿身,1998)。其水域辽阔,东西长约55 km,南北宽约20—25 km。湖盆呈深碟状,中间底平,2008年对博斯腾湖最大水深为14 m时,湖泊面积为1005 km2,蓄水量为59×108 m3,湖水呈弱碱性,高硬度,是我国最大的内陆淡水湖(吴敬禄等,2013)。博斯腾湖主要受开都河来水的补给,是唯一常年有水入湖的河流,流域季节性河流还有黄水沟、清水河、乌拉斯台河、曲惠河和乌什塔拉河,博斯腾湖通过西部的孔雀河流向塔里木盆地。
流域为典型的内陆干旱气候。流域焉耆气象站近50年来的多年平均气温为8.4℃,多年平均降水量为94.7 mm,年平均潜在蒸发量1800 mm(周洪华等,2014)。巴州自古以来就有新疆粮仓之称,是重要的粮食基地。流域涉及的行政区为一市四县:库尔勒市、博湖县、焉耆县、和硕县、和静县,其中四县位于焉耆盆地内。湖州约有26条主要农田排渠进入,是博斯腾湖主要污染源(赛•巴雅尔图等,2012)。


图1   研究区域及采样点位置图
Fig.1 Study area and the sampling stations
1.2   样品采集与室内分析
于2016年6月对博斯腾湖大湖区沉积物进行样品采集。采样过程中使用无扰动重力柱状采样器,采集表层0—5 cm沉积物采样点22个,大体均匀覆盖整个大湖区(图1)。为了确定区域元素背景值,于博斯腾湖开都河入湖口附近采集41 cm岩芯短柱(图1),在野外按照1 cm间隔分样。沉积物样品放于顺序标记的塑料封口袋中。采样同时使用手持式全球定位以GPS进行采样点定位。
将采集的表层沉积物样品于室温阴凉处自然风干,样品四分法取5g,将明显的有机碎屑及石块等杂质挑出,保存备用。取1g左右样品碾磨至200目用于元素分析,取1g左右样品研磨至100目用于有机质分析,其余样品用于粒度分析。对岩芯短柱样品在45℃烘箱内进行烘干,进行210Pb年代学测试后,同上预处理方法取1g左右样品用于元素含量分析。
取约0.125g 样品使用HCl-HNO3-HF-HClO4微波消解法进行样品消解,元素(Al、Ca、Fe、K、Mg、Na、Ba、Be、Mn、P、Sr、Ti、Zn 及V)使用ICP-AES进行测定,微量元素(Cr、Co、Ni、Cu、As、Mo、Cd、Sb、Tl及Pb)使用ICP-MS进行测定,Hg使用测汞仪进行测定。10个样品做一个平行,平行样分析样品误差<±5%。有机碳含量(TOC)分析采用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定(Walkley and Black,1934),分析误差<±5%。粒度分析前,取少量样品(~0.3 g)用10%的H2O2和10%的HCl进行预处理,分别除去样品中的有机质及碳酸盐,然后加入(NaPO3)6在超声振荡仪内振荡15 min。振荡后,使用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪测定粒度,本文使用的测试参数包括:<4 µm、4—16 µm、16—32 µm、32—64 µm、>64 µm,测量误差小于5%。岩芯柱210Pb年代学测试方法参照Wu等(2013),年代计算模式为CRS模式(Appleby and Oldfield,1978)。上述实验均在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积物与环境变化国家重点实验室进行。
1.4   重金属污染评价方法
根据Binford(1990)提出的PIRLA 法来计算沉积剖面的元素背景值,具体操作如下:首先计算沉积柱底部元素含量相对稳定的平均值(x)及标准偏差(s),如果下一个上部沉积柱样品的元素含量小于x+s,则就将这部分元素含量包括进相对稳定的平均值之内,并重新计算平均值(x)和标准偏差(s),重复操作直至下一部分元素含量大于x+s。这一方法获取的相对稳定的平均值可是被当作为元素背景值。
富集系数法:计算公式为:EF=(Ms/Cs)/(Mb/Cb
公式中Ms为样品中元素M的浓度,Cs为样品中被参比元素的浓度。Mb为背景值中元素M的浓度,Cb为背景值中参比元素的浓度。由于Al化学性质较稳定,并缺少明显人为源,因此广泛选其作为参考元素(张秀芝等,2006;Zhuang and Gao,2015; Ma et al.,2016)。通常,富集系数可分为5类(Dung et al.,2013):EF≤1,亏损;1<EF≤3,轻微富集;3<EF≤5,中等程度富集;5<EF≤10,比较严重富集;10<EF≤25,严重富集;25<EF≤50,非常严重富集;EF>50,极度严重富集。
地质累积指数(Igeo)也被称为Muller指数(Muller,1969),计算公式如下:Igeo=log2[Cn/(1.5×Bn)]。其中,Cn为某被评价元素的含量,Bn为该元素的背景值,1.5是考虑到风化和成岩作用引起元素背景值波动而引入的系数。Igeo对污染物等级可分为无污染(Igeo),无污染到适度污染(0—1),适度污染(1—2),适度污染到强烈污染(2—3),强烈污染(3—4)以及强烈至极端污染(4—5),极端污染(<5)(Muller,1969)。
2   结果
2.1   元素地球化学特征
博斯腾湖采样点元素含量特征如表1。通过计算元素变异系数,发现Fe的变异系数最高为0.41,Co的最低为0.11,元素组成及有机质含量均为中等程度变异(10%<CV<100%)。元素平均含量由小到大依次为:
Hg<Cd<Tl<Sb<Mo<Be<Co<As<Pb<Cu<Ni<Cr<Zn<V<Ba<Mn<P<Sr<Ti<Na<K<Mg<Fe<Al<Ca。与新疆土壤平均值比较,博斯腾湖沉积物中Ca、Mg、Sr平均含量较高,Al平均含量明显偏低,重金属等微量元素含量也相对较低。与湿润地区湖泊太湖(Liu et al.,2012a)、巢湖(Lin et al.,2016)、洱海(Liu et al.,2012b)相比,博斯腾湖沉积物中Ca、Sr、Mg含量较高,Al、Fe、Mn及重金属等元素含量偏低。博斯腾湖位于我国干旱地区,一方面流域基岩含有大量碳酸盐及蒸发盐类,地表水体中文石、方解石饱和指数为过饱和(Xiao et al,2015),另一方面区域蒸发作用有利于沉积物中富集自生碳酸盐类矿物,从而导致沉积物中Ca、Sr的富集。流域土壤受潜水富含镁的影响,土壤逐渐富镁质化形成镁质碱土(张丙乾等,1979;陈小兵等,2007),是沉积物中Mg富集的重要因素。
表1   博斯腾湖表层沉积物元素含量统计特征
元 素
Elements
MinMaxMeanMedianSDSkewCV新疆土壤
背景值
Background values of Xinjiang Soil
博斯腾湖沉积物
元素背景值
Background values of Bosten Lake sediment
Al (g kg-1)19.3862.1437.0035.939.980.480.2653.828.37
Ba(mg kg-1)399.94629.42438.03425.0847.960.030.25467463.45
Be(mg kg-1)0.711.901.201.170.270.670.271.651.13
Ca (g kg-1)75.68210.61149.83154.2831.070.6420.7449.9172.96
Fe (g kg-1)9.9832.5919.0719.225.630.3429.4927.814.96
K (g kg-1)6.6920.8412.6812.383.350.3826.4119.99.39
Mg (g kg-1)7.4921.0815.2515.572.71-0.8117.817.010.79
Mn(mg kg-1)199.63632.42446.00463.4699.580.750.35688381.84
Na (g kg-1)5.6720.438.157.682.893.9535.4415.56.28
P(mg kg-1)288.85736.62530.65542.9697.84-0.040.32-393.27
Sr(mg kg-1)281.341830.56770.76679.89332.400.000.283331160.13
Ti (g kg-1)1.011.791.011.760.450.6124.993.21.46
V(mg kg-1)32.6086.7250.7150.4012.490.460.3374.935.68
Cr(mg kg-1)17.5362.2234.1434.0910.551.050.2549.323.61
Co(mg kg-1)2.5811.146.386.801.993.320.1115.94.73
Ni(mg kg-1)7.4129.7418.1018.935.13-0.770.2226.613.38
Cu(mg kg-1)3.9928.9917.1717.015.54-0.750.1826.713.09
Zn(mg kg-1)16.6673.1740.2039.7713.181.710.4368.836.40
As(mg kg-1)3.8713.667.727.062.720.610.2511.26.33
Mo(mg kg-1)0.382.541.171.030.473.950.351.72.27
Cd(mg kg-1)0.060.190.120.120.030.380.260.120.10
Sb(mg kg-1)0.361.290.780.820.22-0.810.181.080.81
Tl(mg kg-1)0.170.540.320.300.080.340.290.5240.23
Pb(mg kg-1)7.2822.4013.2112.693.820.480.2719.48.79
Hg(mg kg-1)0.010.050.040.040.01-0.640.210.0170.10
TOC(g kg-1)4.4648.3632.5733.718.82-1.730.27--
博湖沉积物元素含量背景值按照Binford(1990)计算获取。The background values of Bosten Lake sediment were calculated according to Binford(1990).
2.2   粒度及有机碳组成特征
在22个采样点粒度组成如图2所示,<4 µm组分含量为4.88%—32.04%,平均值为21.05%;4—16 µm组分含量为7.32%—62.07%,平均值为37.58%;16—32µm组分含量为3.50%—24.35%,平均值为17.90%;32—63µm组分含量为1.11%—31.80%,平均值为12.81%;>63 µm组分含量为0.16—81.04%,平均值为10.67%。按照粒径大小可将沉积物类型分为粘土(<4µm)、细粉砂(4—16 µm)和粉砂(16—63 µm)、砂(>63 µm)四个等级,博斯腾湖沉积物类型总体为细粉砂。其中13号采样点沉积类型为砂,其它点沉积类型均为细粉砂、粉砂。TOC在4.46—48.36 g kg-1,平均值为32.57 g kg-1


图2   博斯腾湖表层沉积物粒度组成
Fig.2 Grain size contents of surface sediments from Bosten Lake
3   讨论
3.1   博斯腾湖表层沉积物元素组合特征影响因素
对22个采样点的主微量元素、粒度、有机碳进行R型聚类结果如图3所示。在距离20处,可以分为三组,第ⅰ组包括Al、K、Be、Tl、Pb、<4 µm、4—16 µm、Co、Zn、Ni、Fe、Cr、V、Ti、Cd、Sb、As、Mg、Cu、Mn、P、Hg。Pearson相关性分析表明,Cd、Sb、Tl、Pb、Hg、Fe、Mg、Mn、P、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As与<4 µm组分具有正相关或显著正相关关系,与<63 µm组分具有负相关或显著负相关。自然界中Al主要受自然来源影响。微量元素与细颗粒组分(<4 µm、4—16 µm)、Al相关,指示上述元素主要来源于陆源细颗粒碎屑输入。第ⅱ组为Ca、Sr、16—63 µm组分、TOC、Mo,相互之间Pearson相关系数为正相关或显著正相关,与Al、K、Ba、Na负相关或显著负相关。已有研究表明,受到湖水矿化度的影响,湖泊沉积物碳酸盐主要来自于自生作用,黄水沟区接受高矿化度农田排污水输入量最大,沉积物中碳酸盐含量在黄水沟区最高(谢贵娟等,2011;于志同等,2015a)。Sr的环境地球化学行为与Ca相似,通常以类质同相的形式存在于碳酸盐矿物中。博斯腾湖表层沉积物有机碳为内源贡献(于志同等,2015b)。Mo为氧化还原敏感元素,容易在还原缺氧区富集,有机质含量是沉积物氧化还原条件的主要控制因素之一,二者具有显著相关性。因此,该组成分主要受湖泊内生作用的影响。第ⅲ组为Ba、Na、>63 µm组分在沉积岩中,Ba、Na是构成碎屑矿物长石、云母等主要的地球化学元素,<63 µm组分(包括<4 µm、4—16 µm、16—63 µm组分)与Ba、Na具有显著负相关(p<0.05),指示其来源主要为陆源粗颗粒碎屑输入。三组元素分别对应不同的粒度组成,表明粒度组成对博斯腾湖沉积物元素组成具有明显影响。从相关性分析及聚类结果分析来看,除Mo之外,TOC对元素组成基本无影响。


图3   博斯腾湖表层沉积物元素、TOC、粒度组成的系统聚类结果图(距离度量采用平均欧式距离,转换值采用Z得分标准化)
Fig.3 Dendrogram results of Hierarchical cluster analysis with average linkage (between groups) methods (Distance metrics are based on the Euclidean distance; the transformation values were standardized based on Z scores.)
3.2   湖泊表层沉积物元素空间分布影响因素
博斯腾湖表层沉积物中Ca、Al及Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb等重金属元素空间分布如图4所示。Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb、Al低值区主要分布在湖区西北侧,南部、东部含量相对较高。湖区东南侧元素Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb明显偏低。Ca含量的空间分布大体与Al相反。


图4   博斯腾湖表层沉积物重金属及Al、Ca含量空间分布图
Fig.4 Distribution of heavy metals, Al and Ca in surface sediments of Bosten Lake
多元统计分析可确定数据间的相互关系,可对大量数据分析结果进行简化,被广泛应用于环境地球化学研究中(Lin et al., 2016;Liu et al., 2012a;Liu et al., 2012b;Ma et al., 2016;Rubio et al., 2000;于宇等,2012)。其中,聚类分析根据数据之间的相似性将研究对象分组。对沉积物样品进行Q型聚类分析,如图5所示。单因素方差分析对聚类分析结果进行检验,结果表明,除Mo外,其它元素、TOC、粒度组分(<4µm、4—16µm、16—63µm、>63µm)存在显著差异,该聚类分析结果有效。总体来说,在距离10处,采样点可以分成3组,第Ⅰ组包括7、8、9、10、11、12、14、15、16、17、18、19、20、21共14个点。第Ⅱ组包括1、2、3、4、5、6、22共7个采样点。第Ⅲ组仅包括13号点。根据分析结果可将湖区采样点的空间组成可以划分为3个区域(图3)。第Ⅰ区为湖区包括第Ⅰ组的14个采样点,在湖区的分布范围较大,包括湖心区、河口区以及东部湖区的大部分地区,细颗粒组分(<4µm、4—16µm)含量较高,其中,细颗粒组分(<16 µm)含量56.84%—85.33%,由小到大依次为12<19<7<8<18<9<16<14<11<17<15<10<20<21。Ca含量相对偏低,在11.34—12.00 g kg-1,其分布与细颗粒组分含量大体相反。元素Al及重金属Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb等含量较高。Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb等元素含量低值为12、19,高值为开都河入湖口处20、21两点,空间分布与细颗粒分布趋势大体一致,反映了该区重金属元素主要来自于陆源细颗粒碎屑物,与元素聚类及相关性分析结果一致。该区沉积物中Hg的空间分布与细颗粒分布无明显关系。第Ⅱ区包括第Ⅱ组的7个采样点,位于湖区西侧,包括黄水沟区及附近地区,Ca含量高,而该区Ca含量在12.02—12.26 g kg-1,相对较高。以细颗粒组分偏低,细颗粒组分(<16 µm)含量在28.34%—59.47%,由小到大依次为:6<22<3<1<4<5<2。元素Al及重金属Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb等含量低。6号、22号点细颗粒含量较低,Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb、As、Tl、Sb等重金属元素含量相对偏高,这两点很可能受到人类活动输入的影响。1、2、3、4、5等5个点细颗粒组分含量偏高,而重金属元素含量相对较低。第Ⅲ区包括第Ⅲ组的13号点,位于东部湖区东南角,元素Ca、Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb含量低,粗颗粒(>63 µm组分)含量大于80%,其物质来源主要来受湖岸边沙漠的影响。而元素Al、Tl、Pb含量并无明显偏低,很可能与其碎屑矿物来源影响有关。


图5   博斯腾湖表层沉积物样品Q型聚类分析图(距离度量采用欧式距离;转换值采用Z得分标准化)
Fig.5 Dendrogram results of Cluster analysis with Wards’ methods(Distance metrics are based on Euclidean distance; the transformation values were standardized based on Z scores.)
焉耆盆地农业面源污染是博斯腾湖的主要污染源(赛•巴雅尔图等,2012)。现代农业生产过程中含重金属的化肥、有机肥、城市废弃物和农药的不合理施用以及污水灌溉等,都可以导致重金属的污染(史海娃等,2008;Taylor,1997)。刘浩峰对博斯腾湖湿地Cu、Ni和Pb的分布特征及其生态风险进行评价,博湖西岸黄水沟与开都河之间湿地Cu、Ni、Pb均明显偏高于其它地区湿地。而黄水沟及附近地区重金属含量很低(包括1、2、3、4、5号采样点),一方面原因是湿地对重金属等污染物的拦截作用造成(吴艳宏等,2003)。入湖水携带的重金属、污染物、营养盐和泥沙等先在湿地汇聚,在此经过复杂的物理化学过程(主要是氧化还原作用),在湿地上蓄积,对湖泊起到明显的缓冲作用(吴艳宏等,2003;Rood et al,1995)。另一方面该区的碳酸盐含量较高,对重金属含量造成了明显的稀释作用。虽然6及22号点细颗粒含量偏低,但重金属含量相对较高,很可能是由于该处无湿地的缓冲作用,人类农业活动污染物直接输入所造成。
3.3   重金属污染状况评价
富集系数法考虑到地质背景的影响,选择满足一定条件的元素作为参考元素(或称标准化元素),样品中污染元素浓度与参考元素浓度的比值与背景值中二者浓度比值的比率即为富集因子(Buat-menard and Chesselet,1979;张秀芝等,2006)。而地累积指数考虑到人为污染因素、环境地球化学背景值,以及自然成岩作用所引起的背景值波动的影响,对重金属污染级别进行定量划分,被广泛应用于沉积物重金属污染评价中(陈静生,1983;滕彦国等,2002;Rubio et al,2000)。元素背景值区域地球化学背景值是指未受人类活动影响的自然原生环境的元素地球化学含量(Matschullat et al,2000)。背景值的选取直接影响重金属污染评价结果(滕彦国等,2002)。可用于沉积物区域地球化学背景值的对象有:页岩平均值、古代湖泊沉积物、相对未受污染的现代湖泊沉积物、古河流沉积物和现代水环境的深层岩心样品(陈静生,1983)。由于湖泊沉积环境与陆地土壤形成条件不同,以及区域地质背景的差异,新疆土壤环境背景值不宜作为元素背景值。本文通过采集沉积岩芯短柱,获取元素背景值并进行计算。
通过计算重金属元素的Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Tl、Pb的富集系数、地累积指数评价结果如图6所示。由于Hg、Sb在表层沉积物中含量较低,而在沉积柱中的分布容易受到早期成岩作用的影响发生富集(叶思源等,2007;于宇等,2012),从表1中可看出,两种元素背景值(特别是Hg)高于表层沉积物元素含量,从而使计算结果偏低,在此不对Hg、Sb进行污染状况评价。


图6   博斯腾湖沉积物重金属元素富集系数、地累积指数变化曲线图
Fig.6 Variation curves of enrichment factors (EF), geo-accumulation index (Igeo) heavy metals in surface sediments from Bosten Lake
除13号采样点外,EFCr、EFTl、EFPb均略大于1,所占比例为95.5%。除13、22号点外,其它点EFCo、EFNi均大于1,所占比例为90.9%。除1、6、9、13、22号点,其它17个点EFCu的富集系数大于1,所占比例77.3%。EFCd大于1的有1、2、4、5、7、11、18、19、22,占比为40.9%,主要分布在湖区西侧与南侧。EFAs大于1有15、16、17、20、22共5个点,占比为22.7%,主要分布在湖区南侧。EFZn均略小于1,在博湖表层沉积物中不富集。博斯腾湖表层沉积物中重金属富集系数平均值依次从大到小:EFPb(1.16)>EFCr(1.11)>EFTl(1.05)>EFNi(1.06)>EFCu(1.03)>EFCo(1.05)>EFCd(0.95)>EFZn(0.85)。全湖范围内,沉积物中Pb、Cr、Tl、Ni、Cu、Co的富集系数略大于1,略有富集。
IgeoCr 、Igeo Co、Igeo Pb大于0的点有9、10、14、15、16、17、18、20、21共9个,占比40.9%,其中9、10两点分布在湖区北侧,其它点分布在湖区南侧。IgeoNi 大于0的点有8、15、16、17、18、20、21共7个,占比31.8%,8号点位于湖区北侧,其它点位于湖区南侧。Igeo Tl大于0的点有7个,包括14—21号点,占比为31.8%,位于湖区南侧。Igeo Cu大于0的点有6个,为湖区南侧的15、16、17、18、20、21,占比为27.3%。Igeo As大于0的点有15、16、17、20、21共5个,所占比例为22.7%,分布在湖区南侧。Igeo Cd大于0的点为湖区南侧的18、20、21,所占比例为13.6%。Igeo Zn大于0的点有2个,分布在河口区开都河入湖口以南,所占比例为9.1%。可见,湖区沉积物中重金属Cr、Co、Pb、Ni、Tl、Cu、As、Zn的Igeo大于0的点主要分布在湖区南侧。经计算平均值发现,沉积物中上述元素地累积指数从大到小依次为:Igeo Pb(-0.05)>Igeo Cr(-0.12)>Igeo Tl(-0.19)>Igeo Ni(-0.21)>Igeo Co(-0.23)>Igeo Cu(-0.29)>Igeo Cd(-0.36)>Igeo As(-0.38)>Igeo Zn(-0.52)。因此,在全湖范围内,地累积指数均小于零,上述元素无污染。黄水沟区附近6、22号点经计算并未出现重金属的富集,很可能是由于该区沉积类型与所选地区(开都河口附近)沉积类型有所差异所致。
4   结论
1)博斯腾湖元素组成及有机质含量为中等程度变异(10%<CV<100%)。与新疆土壤平均值以及东部湿润区典型湖泊相比,博斯腾湖表层沉积物元素Ca、Sr、Mg含量较高,Al、Fe、Mg、Mn、Ti、V及重金属等元素含量低。
2)R型聚类分析表明,沉积物Al、K、Be、Tl、Pb、Co、Zn、Ni、Fe、Cr、V、Ti、Cd、Sb、As、Mg、Cu、Mn、P、Hg主要受陆源细颗粒碎屑物影响(<4µm、4—16µm),而Ba、Na受粗颗粒含量影响(>63µm);Ca、Sr、Mo、TOC主要受湖泊内生作用影响,与中颗粒组分相关(16—63µm)。
3)Q型聚类分析可以显著的将采样点分为三个空间区域:第Ⅰ区包括河口区、湖心区及东部湖区的大部分地区,在湖区的分布范围较大,Al及重金属元素(Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb)等含量较高,分布大体与细颗粒组成分布一致, Ca含量低,重金属元素主要为陆源细颗粒碎屑物。第Ⅱ区为湖区西侧黄水沟区及其附近区域,Ca含量高,Al及重金属等(Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb、Tl、Pb)含量低,细颗粒组分(<4µm、4—16µm)较低,重金属元素含量偏低主要受湿地拦截作用以及碳酸盐稀释作用、细颗粒含量低的影响,该区部分区域已受到流域农业面源污染的影响。第Ⅲ区位于东部湖区东南角,该区受湖岸沙漠的影响,元素含量以低Ca、低重金属元素(Hg、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Sb)含量,高粗颗粒(>63µm)含量高为特征。
4)全湖范围内,EFPb、EFCr、EFTl、EFNi、EFCu、EFCo略大于1,元素略有富集。EFAs大于1的点(占总采样点41%)主要分布在南部湖区。EFCd大于1的点(占总采样点41%)主要分布在湖区西岸及南部湖区。全湖范围内重金属元素Igeo评价结果显示沉积物中重金属元素无污染。重金属元素(Cr、Co、Pb、Ni、Tl、Cu、As、Zn)的Igeo大于0的点主要分布在湖区南侧。
致谢
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稿件与作者信息
刘文1,2
LIU Wen1,2
liuwen@ms.xjb.ac.cn
吉力力•阿不都外力1,2
JILILI Abuduwaili1,2
马龙1,2
MA Long 1,2
中国科学院西部之光(2015-XBQN-B-18);国家自然科学基金青年科学基金项目(41501221);新疆维吾尔自治区2015年高层次人才引进项目
West Light Foundation of the Chinese Academy of Sciences (2015-XBQN-B-18);National Natural Science Foundation of China (41501221);High-level Talents Introduction Project in Xinjiang Uygur Autonomous Region (2015)
出版历史
出版时间: 2018年9月30日 (版本1
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地球环境学报
Journal of Earth Environment