中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年　第19卷　第1期 Vol.19 No.1 1999



南四湖底泥污染及其变化过程
张祖陆　牛振国　孙庆义　沈 吉
摘要：为研究南四湖形成以来的污染变化过程,对微山湖、独山湖两湖底泥剖面的同位素测年、沉积速率进行了测定并作了有机地球化学指标和重金属指标的测试分析.研究结果表明,自湖泊形成以来2000余年的污染变化,可分为4个阶段,历史上污染变化受到黄河泛滥、开挖运河等事件的影响,近20年受现代工业污染影响显著.
关键词：南四湖；底泥；有机污染；重金属污染；污染变化过程
中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1000- 6923(1999)01- 0029- 04
Pollution of sediment and it’s changing process of Nansihu Lake.
ZHANG Zu-lu1, NIU Zhen-guo1,SUN Qing-yi2, SHEN Ji3 (1.Department of Geography,Shandong Normal University, Jinan 250014, China；2.Jining Managing Committee of Water Resources, Jining 272119, China；3.Nanjing Institute of Geography anδLimnology , Chinese Academy of Science,Nanjing 210008, China). China Environmental Science. 1999, 19(1)：29～32
Abstract：This study combineδthe radio-dating anddepositional rates with the determination of organic geo-chemical quota andheavy metal quota of two sedimental profiles in Weishan Lake andDushan Lake, in order to research the pollution changing process of Nansihu Lake;andalso analysis historical reasons that the overflow of Yellow River andthdexcavation of GrandCanal etc.causedthe changes of the sediment pollution. According to the characteristics of organic geo-chemical,the changes of deposit pollution was dividedinto four phases. Modern industrial pollution was very notable in recent 20 years.
Key words：Nansihu Lake；sediment；organic pollution；heavy metal pollution；changing process of pollution
　　国外在70年代环境污染研究中已采用沉积学研究的思路和技术路线[1].近10多年来我国不少学者也已将沉积学方法与沉积有机指标的研究用于湖泊古环境演变历史研究,取得了一些成果[2,3].本研究将沉积学研究方法与底泥沉积有机质与重金属指标分析研究相结合,以期揭示南四湖自形成以来水环境污染的变化过程.
1 样品的采集及底泥沉积年代与沉积速率的确定
　　本研究利用美国产活塞型采样器(living stone)在水下进行湖泊底泥的采样.采样点选择在南四湖二级坝以上的东部独山湖及二级坝下游的西部微山湖中,两个点共采4个深度110～120cm底泥岩芯,独山湖Ds孔系2个,微山湖Ws孔系2个.野外现场以2cm间隔分割样品,密封入塑料袋内.
　　通过沉积年代与沉积速率的测定,可确定湖泊沉积环境污染变化过程及时间尺度.实验室内样品的沉积年代采用C-14和Pb-210、Cs-137方法测定,根据南四湖沉积环境的特征,选用Pb-210方法的CIC模式[4] 计算了沉积速率.C-14测定结果表明南四湖形成约2500年;与前人历史研究的结论吻合［5,6］,沉积速率计算结果比较理想,与测年结果也一致.测年与沉积速率的计算结果见图1.

图1 微山湖、独山湖两沉积剖面C-14年代及沉积速率
Fig.1 C-14 ages anddepositional rates of the sedimen-
tary profiles in Weishanhu Lake andDushanhu Lake
2 两剖面有机污染指标测试结果分析
　　长期监测表明南四湖水域主要为有机物污染.研究主要选用有机碳TOC、有机氮TN、碳氮比C/N、有机碳同位素δC-13等有机地球化学指标.
　　湖泊水体中有机碳含量反映了湖泊初级生产力,是评价水体需氧有机物的一项综合指标,总氮量是有机物中除有机碳以外的主要代表性指标.所以,两项指标可大致反映和比较湖泊水体不同时期有机物含量的总体水平.
2.1 测试结果
　　南四湖区东(独山湖)、西(微山湖)部两个沉积剖面TOC、TN及C/N测试计算结果见图2,图3.

图2 微山湖沉积剖面TOC、C/N、TN垂直分布
Fig.2 TOC、C/N、TN of the sedimentary
profile in Weishanhu Lake

图3 独山湖沉积剖面TOC、C/N、TN垂直分布
Fig.3 TOC、C/N、TN of the sedimentary
profile in Dushanhu Lake
　　由图2,图3可见,独山湖TOC值波动变化于1.0%～4.7%之间,平均值为2.2%,微山湖TOC值在0.02%～4.2%之间,平均1.8%;而且两剖面中TOC均具有向表层快速增长的变化趋势.两剖面中TN与TOC值的变化几乎都是同步,独山湖TN值在0.04%～0.17%内变化,微山湖TN值在0.02%～0.25%范围内变化.
　　沉积年代学和沉积速率研究的结果提示,在100cm以上沉积底泥对约2500年以来水体中有机物的变化有所反映.两剖面中大约在A.D.150a～A.D.550aTOC与TN出现峰值期,另一高峰期独山湖出现于A.D.1410a～A.D.1560a;微山湖出现于约A.D.1560a～A.D.1860a.在两剖面顶部20cm以上TOC与TN均出现急剧上升的趋势.
　　一般沉积物中陆源有机质占主导时C/N值>14,而内源有机质为主时则<10[6] .通常较低的δC-13值反映有机质来源于湖泊外源的高等植物,而较高的δC-13值则反映有机质来源于湖泊内源的水生植物和浮游低等植物.两剖面中Ws孔60个样品沉积物C/N平均值为17.68,Ds孔120cm柱样60个样品的C/N平均值高达33.74.独山湖δC-13值波动于-18‰～-25‰之间,平均-21.8‰;微山湖δC-13在-22.5‰～-25‰之间,平均-23.6‰,均不是很高,而且具有逐渐降低的趋势,充分说明在湖泊发展过程中,底泥沉积中的有机质始终是受到外源的显著影响.
2.2 讨论
　　南四湖乃为历史时期受黄河下游河道迁徙、泛滥事件以及开挖运河、蓄水济运等人类活动影响,而形成演化较晚的湖泊[4,5,7].由图3,图4可以看出,两剖面变化的共同特征是：有机质含量均有向表层呈明显上升趋势;同时整个曲线TOC、TN值的变化均具有明显的阶段性,结合分析历史上黄河在本区的溃决、泛滥事件的记载[7],两剖面底泥有机质都显现出4个阶段性变化.
2.2.1 微山湖剖面(Ws孔) 微山湖剖面除上部22cm为灰黑色淤泥外,以下底泥均为灰黄色亚粘土,根据研究中所作矿物、粒度和磁化率分析表明主要为黄泛沉积.
　　82cm深度的年代约为2450±70a.B.P.据历史文献记载[7]和所作的4项色素测试指标表明,在此时期以前该位置还未成湖,TOC、TN及C/N值变化不大,有机质含量较稳定.
　　58～82cm深度,大约相当于2450±70a.B.P～1307±50a.B.P,TOC与C/N波动变化显著,C/N值达到最高值,表明微山湖开始形成时期,黄河已影响本区,带入大量外源有机质,δC-13曲线明显为低值.这可见于历史上早期黄河影响本地区的汉文帝12年(公元前168年)“河决酸枣,东溃金堤”,汉武帝元光3年(公元前132年)“河决于瓠子,东南注巨野,通于淮泗”[7]的数次泛滥事件.
　　18～58cm段,TN值持续上升,湖泊扩大,湖泊生产力水平逐渐提高,沉积有机质含量增加.C/N值在波动中不断趋于减少,表明湖泊内源有机质不断增加.又受到黄河泛滥的不断影响.TOC与C/N值剧烈波动表明湖水环境不稳定,导致陆源―内源有机质成分比例波动变化.
　　0～18cm,约145年以来TOC与TN值急剧增长,反映现代南四湖形成,湖泊生产力提高很快,向富营养化发展;同时湖泊淤积不断加快.TOC、TN值波动变化较大,说明近代湖泊沉积受入湖河流显著影响,人类生产活动的有机污染对底泥有机质快速增长有直接影响.
2.2.2 独山湖剖面(Ds孔) 独山湖底泥表层60cm为灰黑色淤泥,62cm深度以上为一套东部山麓来源的松散状泥质碎屑沉积,以下主要为灰黄色粘土,亦主要来源黄泛物质.102cm(2444±80a.B.P)以下,C/N值为剖面上最高值段,TN值处在剖面的最低值段;而TOC含量变化很大,据史料分析并结合色素指标为零的结论,可以推断当时该位置亦处于陆地环境,尚未成湖.
　　80～102cm(2444±80a.B.P～1395±55a.B.P) TOC与TN含量均达到整个剖面上的次高峰值,推测受黄河泛滥的影响,独山湖始积水成湖.由本段底部始C/N值始终较平稳,说明外来水源成湖后一直比较稳定.该时期δc-13值为一突出的低值段,表明湖泊水较浅,接受较多外源有机质.
　　28～80cm,TOC与TN含量均呈波动状上升,反映出湖泊生产力不断提高,有机质含量在50cm附近均为一峰值段.C/N值仍维持在原有水平上,说明有机质来源较稳定.δC-13在该时期表现为不断降低,都反映了外源有机质随水流不断地被带入湖中沉积,这期间黄河溃决,泛滥频繁,加之历史上在此时期人工挖掘运河并多次改变路线,对湖泊的沉积产生很大影响.在该段的上部,TOC、TN含量表现为低值,从底泥物质成分推断这可能是湖泊来水、来沙量增大,沉积速率变大,从而使得湖泊底泥中有机质含量被稀释,TOC、TN含量相对降低.
　　28cm至表层底泥中TOC与TN含量均由低值迅速升高,在近表层达到最高值,C/N值仍处于稳定的波动变化,反映出独山湖中水生植物生产力水平大大提高,同时外源有机物污染迅速增大,湖泊明显向富营养化方向发展.
3 底泥重金属污染指标分析
　　南四湖底泥污染除有机物污染外,重金属污染也较严重,尤其在各入湖河口污染突出,包括汞、铅、砷、铬、镉污染,其中主要是铬和汞污染.为能反映南四湖内重金属污染总体水平变化,选择了远离周围入湖河流影响的微山岛西侧进行取样分析,选取底泥剖面20cm以上的黑灰色淤泥按2cm间隔分样测试分析.分析的结果见图4.

图4 微山湖沉积剖面Hg、Pb、As、Cd、Cr垂直分布
Fig. 4 Hg、Pb、As、Cd、Cr of the sedimentary
profile in Weishanhu Lake
　　由图4可看出,微山湖岛西地区近150年来5种重金属元素的变化有一定的同步性,在18cm深度(时间约相当于距今130年左右)均出现一个峰值期, 1855年黄河铜这正值瓦厢决口泛滥前后的时期[7];其后在14cm深度即距今约100年左右为低值谷段,这可能与黄河已开始进入稳定的大清河流路入海,对本区的影响已明显减少有关系.近数10年来5项元素的含量均呈现明显的快速增长趋势,特别近20年来尤为突出.显然这是由于本区域经济快速发展,流域内大量工业污染源不断扩展所造成.近十几年来流域内对电镀工业已进行整顿治理使铬含量有所下降.
4 结语
4.1 研究表明,对湖泊底泥的沉积学研究与相关污染指标分析相结合,可以很好地揭示湖泊水环境污染变化过程.南四湖水环境变化大致经历了4个阶段.湖泊形成的早期,湖泊中主要有机物质来源于外源,而且与黄河水、泥沙物质对湖泊影响有密切联系;湖泊发展中后期,湖泊内源有机质稳定增长,除黄河影响外,人工开挖运河,周围山地、林木的开发、砍伐的影响也在逐渐加重.现代工业造成湖泊有机质、重金属污染均有增加趋势,近20年来湖泊污染发展最快、最为严重.
4.2 以往对水体中底泥污染监测采用表层5cm深度的混合样品,污染指标采用平均值.本研究说明5cm的混合样品可能是数10年沉积底泥中污染物的一个平均值,并不能表征污染现状,应结合沉积学研究方法加以改进,使环境污染监测研究向更准确的高分辨率方向发展.
基金项目：山东省自然科学基金资助项目(Y95E0367)
作者简介：张祖陆(1949-),男,教授,主要从事环境地学与环境变化研究.主持、参加完成国家“八五”科技攻关项目、国家自然科学基金资助项目和山东省各类科研项目10余项.获山东省科技进步一等奖1项、二等奖2项、国家“八五”科技攻关重大成果奖1项、中科院自然科学二等奖1项以及山东省教委优秀科技成果奖等奖励12项.发表论文30余篇.
作者单位：张祖陆　牛振国　山东师范大学地理系, 山东 济南 250014；
　　　　　孙庆义　山东省济宁市水资源管理委员会,山东 济宁 272119；
　　　　　沈 吉　中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏 南京 210008
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收稿日期：1998-07-20
