湿地水-沉积物中砷及其形态特征研究——以贵州草海为例

摘要

砷(As)作为一种典型有毒元素，其在不同环境介质中生物地球化学行为和生物可利用性成为当前科学研究热点之一。草海位于贵州省西北部的威宁县，是贵州省最大的淡水湿地之一，自形成以来发生多次湖进湖退，生态系统十分脆弱，而且人类活动影响非常严重。有报道草海部分区域沉积物中砷己达到污染水平，且呈碱性，因此选择草海这一特殊的湿地为研究对象。本研究于丰水期(2014年9月)和枯水期(2015年4月)对草海流域范围进行了详细的样品的采集。样品包括雨水、附近河流水(流出、流进)、湿地水(表层水、中层水、界面水)、湿地表层沉积物及沉积物剖面和植物。通过对常规水质参数(如pH、EC、Eh、DO等)、As等离子含量以及沉积物pH、有机质和不同形态As的测试分析，并对水-沉积物界面砷的扩散通量进行了估算，以期揭示砷在草海湿地上覆水体、表层沉积物及沉积物剖面中的迁移转化规律。研究分析得到以下结论：
　　1.草海水体水化学参数在丰、枯两期存在一定的差异，但均表现为：在沉水植物区pH值偏碱性，DO含量高、EC值较低、Eh总体为正值，显示为氧化环境；挺水植物区则呈相反趋势，pH值均显弱酸性，DO含量低、EC值较高、Eh总体为负值，显示为还原环境。在水体垂向上，随着水体深度的增加，DO、Eh逐渐降低，EC范围变化不大，而pH在纵向上变化范围较小。
　　2.草海出口砷含量为1.59μg/L，明显高于流入草海的各端元水体(平均值0.32μg/L)和雨水(0.37μg/L)中砷的浓度。丰水期水体砷含量较枯水期含量低，草海丰水期上覆水中砷的含量分别为表层0.40~3.32μg/L、中层0.49~3.48μg/L、界面0.68~3.35μg/L；枯水期上覆水中砷的含量分别为表层1.20~4.98μg/L、中层1.30~4.73μg/L、界面1.37~5.71μg/L。丰、枯两期水体中砷的含量均表现为挺水植物区>沉水植物区，且在垂直分布上大部分采样点的砷含量变化不大。沉水植物区在丰水期水体砷平均含量略高于枯水期，而在挺水植物区则正好相反。丰水期和枯水期挺水植物区呈还原环境，水体中的砷大多以As(III)H3AsO3形态存在。而沉水植物区，上覆水体呈氧化环境，以 As(V)HAsO42-形式存在。流出草海水体中的As以毒性较小的HAsO42-形式存在。
　　3.草海丰水期表层沉积物砷平均含量为26.59 mg/kg，变化范围为17.72～40.25 mg/kg；枯水期表层沉积物砷平均含量为25.02 mg/kg，变化范围为11.44～40.72 mg/kg。在空间分布上，草海丰、枯两期表层沉积物中砷的含量变化规律与上覆水相似，均表现为挺水植物区>沉水植物区。丰、枯两期表层沉积物中砷均以残渣态为主要赋存形态，三种可提取态砷所占比例依次为可氧化态>可还原态>弱酸提取态。枯水期有机质与可还原态、可氧化态呈显著正相关，残渣态、pH与有机质呈显著负相关；在丰水期，弱酸提取态、可氧化态与有机质分别呈正相关和显著正相关，而残渣态、pH与有机质呈显著负相关。pH在丰水期与砷的各形态之间有一定的相关性，但都不显著，而在枯水期与砷的生物有效态均呈显著负相关，与残渣态呈显著正相关。运用潜在生态风险指数法、地积累指数法和沉积物重金属质量基准法对草海表层沉积物中砷的污染状态进行评价，结果表明，草海表层沉积物中砷潜在风险较小，短期内对周边生物和环境不会造成很大的威胁。
　　4.草海沉积物剖面及孔隙水中总砷含量垂直方向波动较大，但与上覆水有相似的规律，均表现为挺水植物区>沉水植物区。其中挺水植物区沉积物剖面砷含量为19.86~36.45 mg/kg，平均值27.84 mg/kg，沉水植物区沉积物剖面砷含量为13.05~32.32 mg/kg，平均值19.79 mg/kg。草海丰水期挺水植物区和沉水植物区在沉积物-水界面的扩散通量分别为73.84μg·m-2·d-1和18.99μg·m-2·d-1、11.45μg·m-2·d-1，均表现为沉积物孔隙水中的砷向上覆水释放；枯水期C19、C36、T4和T5采样点的扩散通量分别为-1.42μg·m-2·d-1、-0.30μg·m-2·d-1、-10.49μg·m-2·d-1和-9.98μg·m-2·d-1，表示由上覆水向沉积物扩散，其它采样点的扩散通量数值为正表示砷从沉积物向上覆水扩散。揭示沉积物可能是草海水体中砷重要的输入源。
　　5.丰水期光叶眼子菜和狐尾藻中砷含量相对较高，分别为8.31 mg/kg、8.87 mg/kg，而在枯水期均有所降低，分别为3.37 mg/kg和4.62 mg/kg。丰水期6种不同沉水植物中总砷的含量大小依次为：狐尾藻＞光叶眼子菜＞金鱼藻＞穿叶眼子菜＞轮藻＞大茨藻；地上部分，沉水植物中砷含量大于挺水植物。

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第一章 绪 论

1.1 砷的环境化学性质

1.2 水-沉积物中砷的研究进展

1.3 水生植物中砷的研究进展

1.4 砷的存在形态及迁移转化

1.5 选题依据及意义

1.6 主要研究内容与工作量

第二章 研究区概况与样品分析

2.1 研究区概况

2.2 样品采集

2.3 样品分析

2.4 数据处理

第三章 草海水体不同形态砷的分布

3.1 草海水化学参数特征

3.2 草海水化学参数季节变化

3.3 草海水体丰、枯两期砷的分布

3.4 草海水体不同形态砷的分布

3.5 小结

第四章 草海表层沉积物砷的分布特征及生态风险评价

4.1 草海表层砷的分布特征

4.2 表层沉积物中砷的赋存形态

4.3 草海表层沉积物有机质与pH分布特征

4.4 沉积物 As形态与有机质、pH相关性分析

4.5 表层沉积物砷污染分级及生态风险评价

4.6 小结

第五章 草海剖面沉积物砷的分布特征及扩散通量估算

5.1 水体中砷含量及形态分布特征

5.2 沉积物剖面及孔隙水中砷分布

5.3 孔隙水的环境效应

5.4 小结

第六章 草海不同水生植物中砷的含量及流域中砷的迁移转化特征

6.1 植物中砷含量

6.2 草海流域中砷的迁移转化特征

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 存在问题与展望

致谢

参考文献

附录

原 创 性 声 明