寒区湖泊沉积物中重金属赋存形态交替特征及变化机制研究

Lakes in the cold region have changes process from the open season to ice season each years. They are the large ice thickness, the long frozen period and the great mount of volume of ice characteristics in the ice bound season. To adapt to changes of external environmental conditions, chemical substance will change it’s from correspondingly for existence. So, Water environment changes with ice freezing and thawing, heavy metals speciation alternating forms with ice cover situation, the study of lake’s heavy metal pollution mechanism can not be ignored in cold climate lake. In this research, we take Ulansuhai Lake, located in Inner Mongolia, as our study area. First of all, the spatial distribution of various forms of heavy metal in the sediment environment is studied under the conditions of the lake environmental background characteristics during ice season and open season. On the basis of the above conclusion, we simulate alternate process and environmental variation gradient of heavy metals speciation in lake sediment. In order to understand the environmental mechanisms during the ice season and free- ice period, we extract the main driven factors for migration and transformation of heavy metal speciation. Finally, beside on the difference of heavy metal speciation, we analyze the toxicity and quantify changes of each speciation and provide a scientific theory for controlling the heavy metal pollution in sediment of lake in cold regions.

寒区湖泊每年经历着非冰封期与冰封期冻融循环交替变化过程。冰封期具有冰层较厚，冰封期较长，冰体占湖泊水体比例大的特点。任何物质为适应外界环境条件的改变而存在，其自身形态必然会产生相应变化。因此掌握冰封期与非冰封期环境变化下沉积物中重金属赋存形态的交替特征及变化机制，对研究湖泊重金属污染机理不容忽略。项目以内蒙古乌梁素海为研究区，首先，进行冰封期与非冰封期沉积物重金属赋存形态的时空分异规律研究，在此基础上，模拟不同湖泊环境背景特征变化梯度下沉积物中重金属各形态的交替变化过程，综合提取影响重金属化学形态迁移转化的主控因子，揭示冰封期与非冰封期环境背景变化对重金属形态改变的影响机制。最后，依据不同形态的重金属具有不同的毒性及污染性的特征，评估重金属形态变化对湖泊水环境的影响效应，为寒区湖泊沉积物重金属污染治理提供科学依据。

寒区湖泊每年经历着非冰封期与冰封期冻融循环交替变化过程。冰封期具有冰层较厚，冰封期较长，冰体占湖泊水体比例大的特点。因此掌握冰封期与非冰封期环境变化下沉积物中重金属赋存形态的交替特征及变化机制，对研究湖泊重金属污染机理具有重要意义。本项目主要研究冰封期与非冰封期下沉积物环境中重金属的总量及赋存形态时空动态变化规律。考虑典型气候条件和湖泊面临的盐化污染情况，模拟不同温度、不同pH 值、不同盐度的变化梯度下沉积物中重金属总量及各形态含量的变化，分析研究重金属各形态之间可能存在的转化过程，综合提取影响重金属化学形态变化主控因子。最后估算沉积物-水界面重金属的扩散通量，分析重金属在冰封期与非冰封期的释放情况，并提出科学有效的治理方案。主要得出以下成果：冰封期重金属总量及重金属迁移能力普遍大于非冰封期。沉积物中重金属释放量与pH（4~9）呈负相关递减的趋势，释放前后，Cr和Cu的形态变化不大，均以稳定的残渣态存在，而Zn和Pb的酸可提取态、铁锰氧化物结合态和有机物和硫化物结合态含量变化较大。沉积物中重金属Cu和Zn的释放量随着盐度（0.5g/L~5.0g/L）的增加，释放量增大，Cr和Pb的释放量随着盐度（0.5g/L~5.0g/L）的增加先增大后减小直至平衡。释放前后，Cr依然很稳定，以残渣态为主，Cu和Zn除残渣态以外，其他三态变化较大，而影响Pb的释放因素较复杂。温度（5℃~45℃）对沉积物重金属释放的影响呈正相关，在温度为45℃时，释放量最大。温度主要影响重金属的酸可提取态含量和有机物和硫化物结合态含量。就目前研究时间段而言，乌梁素海沉积物是水环境中重金属的“源”，绝大多数采样点均是由沉积物向上覆水体扩散。根据湖泊水环境实际情况，pH、温度对沉积物中重金属释放影响较小，盐度对沉积物中重金属释放有一定的影响，应该严格将湖泊水体盐度控制在1.5g/L以下，从而减小重金属的释放风险。