湖泊沉积物是重金属污染物的重要储存库(Boyle et al., 2004).随着湖泊流域的人类活动日益加重，来自农业、工业、市政污水和大气沉降的重金属污染物进入湖泊水环境中(Von Gunten et al., 1997)，并随悬浮固体颗粒一同沉降于湖泊底部沉积物中，造成重金属在沉积物中不断积累(Stumm，1992).在一定的环境改变和扰动条件下，沉积物中的重金属元素又会释放到上覆水中(Tessier et al., 1988；Kalnejais et al., 2007).由于重金属具有生物富集和生物放大性质，湖泊环境中的重金属会给湖泊食物链中的水生生物带来持久性的毒害，并通过食物链危及湖泊流域的人类健康(Rashed，2001)，因此，湖泊沉积物的重金属污染问题日益受到关注(Rose et al., 2004；Chi et al., 2007).

太湖位于中国长江三角洲核心区域，水域面积达2338 km²，平均水深为1.89 m，是中国东部典型的浅水湖泊.太湖流域人口集中，工农业发展迅速，属于中国社会经济较发达地区(秦伯强等，2004).自20世纪80年代以来，人为活动导致太湖沉积物中重金属增加，镉、铬、铜和锌等重金属元素在竺山湾和梅梁湾沉积物中的含量在过去30~40年间逐年增加(Yao et al., 2010；Liu et al., 2012)，在太湖部分河口和北部湖湾区已达到轻度污染水平(金相灿，1995；朱广伟等，2005).在风力、湖流和生物等因素作用下，重金属污染物随着上覆水的迁移在太湖整个水域的沉积物中广泛分布(Yuan et al., 2011；Yu et al., 2012)，威胁到太湖水环境食物链中的水生生物(Fu et al., 2013；赵铮等，2011).近年来研究发现，位于太湖中央的湖心区的表层沉积物中铬、镍、铅和锌等重金属元素含量仅次于北部湖湾区(Qu et al., 2001；Yin et al., 2011).湖心区的面积占整个太湖的41.6%，是北部3个湖湾区(竺山湾、梅梁湾和贡湖湾)面积总和的3倍(水利部太湖流域管理局，2013).因此，湖心区是太湖重金属的重要蓄积库，而对该区域的沉积物重金属剖面分布和重金属历史沉积过程鲜有研究.

湖底沉积物记录了近代历史污染物沉积过程(Zan et al., 2011)，通过研究污染物在沉积物中的累积剖面分布情况并估算污染物的沉积通量，可以追踪和剖析湖泊环境中的污染物历史沉积变化，为湖泊污染物控制和流域管理提供理论依据.本研究主要以太湖湖心区为研究对象，通过沉积样采集，分析其中钒(V)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、砷(As)、镉(Cd)和铅(Pb)8种痕量金属的含量，并利用²¹⁰Pb年代学重建方法，估算它们在不同年代的沉积通量，以解析湖心区沉积物中痕量金属的空间分布和年代变化，从而更全面地解释太湖重金属的历史沉积情况和人为活动的干扰效应.

太湖位于中国东部的长江三角洲(30°55′42″~31°31′50″ N，119°53′45″~l20°36′15″ E之间)，其流域人口约有4千万，其中，约1千万人以太湖为饮用水源.太湖还有渔业、旅游业和船舶运输业等重要经济功能.太湖是中国第三大淡水湖泊和典型的东部浅水湖泊，其水域面积广大，可分为8个主要湖区—竺山湾、梅梁湾、贡湖湾、东太湖、湖心区、西部沿岸区、东部沿岸区和南部沿岸区，其中，湖心区水域面积最大，达到973 km²，其他区域都直接受到入湖河流、出湖河流的影响(水利部太湖流域管理局，2013).全太湖沉积物厚度大于0.1 m的区域面积为1632 km²，占全太湖面积的69.8%.太湖的现代淤积物附着于第四季粉砂质粘土之上，深度一般在1 m以内.太湖表层沉积物大部分为黏土质粉砂，即黏土(粒径小于0.001 mm)含量占20%~40%，粉砂(粒径0.1~0.00l mm)含量占60%~80%.太湖表层沉积物中有机质含量为0.31%~15.1%，SiO₂为69%，Al₂O₃为12%(袁旭音等，2003；秦伯强等，2004).

样品采集于2013年8月进行，样点设置见图 1.利用自重力柱状采样器(Corer 60，Uwitec，奥地利)采集沉积物柱状样(简称“沉积柱”)，深度从8 cm到16 cm不等，随即对沉积柱以1 cm为单位进行切割得到沉积物分层样品，然后密闭保存于-20 ℃条件下.尽快带回实验室并用冷冻干燥机进行彻底干燥，除去植物碎屑和贝壳等大块杂质，称干重后，研磨沉积物样直到能够完全通过100目尼龙筛，分装于聚乙烯保鲜自封袋中密封保存.

图 1(Fig. 1)

图 1 太湖湖心区采样点分布 Fig. 1 Sampling points in the Central Lake zone of Taihu

沉积物中痕量金属含量采用微波消解方法进行测定.首先取(0.1000±0.0010)g沉积物干样放入TFM微波消解管(CEM)中，加2 mL HF和6 mL王水(HCl∶HNO₃ = 3∶1)，利用微波消解仪(MARS Xpress，CEM)进行消解(方法参考EPA-3051A).消解完毕后利用赶酸仪将消解液赶酸至尽干，然后全部转移至100 mL容量瓶中并用超纯水(Milli-Q，18.2 MΩ · cm^-1)定容.利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS；7500a，Agilent，USA)测定V、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb 8种金属含量.同时将标准土样(GSS-15，地球物理地球化学勘察研究所)随沉积物样一起进行上述完全消解，作为质量控制，保证元素含量回收率在90%~110%范围内，4个平行样品的元素含量测定值的相对标准偏差小于20%.

沉积柱的年代序列采用²¹⁰Pb的恒定补给速率模型(CRS模型)进行估算.采用高纯锗γ能谱仪(GSW1522，CANBERRA，法国)测定沉积物分层样的²²⁶Ra(平衡密闭3周以上，以子同位素²¹⁴Pb指示)活度和²¹⁰Pb在24 h后的活度.然后利用CRS模型计算太湖沉积物不同深度的沉积速率(S)和年代(方国仁，1988).

金属沉积通量采用以下公式进行计算：

a_i=b_ic_i×10000/1000

式中，a_i为第i年(对应某深度)金属沉积通量(mg · m^-2 · a^-1)，b_i为第i年(对应某深度)沉积速率(g · cm^-2 · a^-1)，c_i为第i年(对应某深度)沉积物中金属含量(mg · kg^-1).各样点的金属历史沉积总量由该样点各年份的金属沉积通量与对应的沉积年份的乘积进行累加估算得到.

中值粒径主要采用激光粒度仪进行分析测定.取0.3 g沉积物干燥样品，用双氧水和盐酸(分析纯)去除土样中的有机质和因生物自生作用产生的碳酸盐成分(国家海洋局908专项办公室，2006)，然后利用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000，英国)测定沉积柱各层的中值粒径(D_0.5，μm).

利用Excel软件对沉积柱的一定质量深度以上各沉积物分层样中过剩²¹⁰Pb的累积量与质量深度进行指数曲线拟合，计算出各样点的沉积物平均沉积速率.利用SPSS 18.0软件对沉积物中金属含量、金属沉积通量和沉积物中值粒径进行Pearson相关性分析和显著性检验.

太湖湖心区各样点沉积物的沉积速率随时间推进而递增，在1980年之前各样点的沉积物沉积速率基本不变或者缓慢增加，从1950年以前的0.016~0.048 g · cm^-2 · a^-1递增到1980前后的0.054~0.097 g · cm^-2 · a^-1. 在1980年以后各样点的沉积物沉积速率突增明显，在2000年后达到0.091~0.278 g · cm^-2 · a^-1(图 2).过去研究同样发现，20世纪80年代是太湖梅梁湾区域沉积速率的突变拐点，即从以前的0.30 g · cm^-2 · a^-1突增到后来的0.52 g · cm^-2 · a^-1(Rose et al., 2004).可见，沉积物的沉积速率在1980年前后突变的现象存在于整个太湖水域.

图 2(Fig. 2)

图 2 太湖湖心区沉积物的沉积速率年代分布 Fig. 2 Chronology of mass accumulation rates in the central lake zone of Taihu

样点4(西部)在近百年间的沉积速率均比其他样点的相应值大，样点5(北部)在近50年间的沉积速率均比其他样点的相应值小.在各样点估算的平均沉积速率结果表明，样点2(南部)的平均沉积速率最大，为0.113 g · cm^-2 · a^-1，其沉积速率在近40年间增加得最明显；其次是样点4(西部)，为0.089 g · cm^-2 · a^-1； 再次是样点1(东部)和样点3(中部)的平均沉积速率，分别为0.084和0.086 g · cm^-2 · a^-1；样点5(北部)的平均沉积速率最小，为0.050 g · cm^-2 · a^-1. 可见，湖心区沉积物中的沉积速率具有空间差异性，西部沉积物在近百年间的历史沉积速率较大，而南部在近40年间的沉积速率增幅较大.

太湖湖心区的沉积物沉积速率的年变化趋势与太湖流域的社会经济发展的年变化形势相一致.太湖流域在历史上经历了巨大的社会经济变迁.从20世纪20年代起，太湖流域的现代化工农业开始兴起，1950年后，社会趋于稳定，现代化工农业持续发展，太湖流域的人口快速增长，而1978年以来，太湖流域工农业飞速发展，人口急速增加(张学恕，1990；Fu et al., 2013).湖心区所有样点在1920—1950年期间沉积物沉积速率基本不变，1950年后沉积物沉积速率缓慢增加，而1980年以后的沉积物沉积速率急剧增加(图 2)，表明1980年后由于社会经济发展的迅猛发展，大量增加的人为输入是太湖沉积物的重要来源.

湖心区大部分样点的沉积物中痕量金属含量在20世纪80年代(对应沉积柱4~9 cm深度处)前后相差不大(变幅小于20%)，不同年代的沉积物中金属元素含量具有一定幅度的波动(图 3).这一现象不同于此前对太湖竺山湾地区沉积物进行研究的结果(Yao et al., 2010)，该研究发现重金属Pb、Zn、Cu、Cr和Ni在竺山湾表层沉积物(对应5~10 cm深度以内的沉积物)中的含量比深层沉积物的对应值高.将测得的各种金属含量与太湖湖盆基准值(陈国光等，2008；杨辉等，2013)进行对比发现，1910年以后湖心区大部分样点沉积物中金属含量都比湖盆基准值高，表明太湖湖心区的沉积物普遍受到外界的金属输入的影响.

图 3(Fig. 3)

图 3 太湖湖心区沉积物痕量金属含量年代分布 Fig. 3 Chronology of trace metal concentrations in the sediment of the central lake zone of Taihu

图 3还表明，样点1(东部)沉积物在1990—2004年间(对应沉积柱的4~7 cm深度处)的Cr、Ni和Cu含量比其他年份的对应值偏高，样点3(中部)沉积物在1980年以前(对应沉积柱的9~14 cm深度处)的各金属含量比其他年份的对应值偏高，这可能是由不同样点在不同时期(对应不同沉积物分层样深度)外源输入的沉积物中各金属含量不同导致.由沉积物中各金属含量的最大值与最小值之比可知：V、Cr、Ni、Cu和Zn含量变化幅度最小，在3~6之间，Cd为12，Pb为21，As则高达35.各种金属在沉积物中含量的年代变化和垂向分布的差异性可能与下列因素有关：①外源人为输入：不同工业的重金属污水排放等(Yao et al., 2010)；②不同元素的异质性：不同元素与固体颗粒之间有不同的结合状态等(Bowen，1979)；③沉积物性质变化：有机质含量高低等(Yao et al., 2010)；④附解吸作用：小颗粒的粘土吸附等(Zeng et al., 2013)；⑤生物作用：水生生物选择性吸收等(Bowen，1979).

太湖湖心区沉积物的金属沉积通量普遍随年代增加(图 4)：1980年以前，湖心区的金属沉积通量基本稳定在较低的水平，其后，金属沉积通量明显增加，这与沉积物沉积速率的年变化趋势相似(图 2).金属沉积通量受沉积物沉积速率值和沉积物中金属含量值两个因素影响，沉积物中金属含量的年变化幅度不大(图 3)，因此，湖心区金属沉积通量的年变化主要由沉积物沉积速率年变化决定，并与1980年后太湖流域的社会经济发展的年变化形势相一致(Fu et al., 2013).将各金属元素的沉积速率在1980年后的最大值与1980年之前的最小值相比，大部分元素的增加倍数在11~14范围内，而As的沉积速率增加倍数最大，达到48倍，其次是Cd的沉积速率，增加倍数为17倍.

图 4(Fig. 4)

图 4 太湖湖心区痕量金属沉积通量的年代分布 Fig. 4 Chronology of sedimentation fluxes of trace metals in the central lake zone of Taihu

各种金属元素的沉积通量之间均显著相关(p<0.05)，并与沉积物沉积速率呈显著正相关关系，相关系数均大于0.7(表 1)，进一步表明金属沉积通量主要由沉积物沉积速率决定，所有痕量金属元素可能有共同的沉积来源.曾有研究认为，1960年后太湖梅梁湾的沉积物中Cd、Cu、Pb、Zn有很大一部分来自大气沉降，他们发现这些重金属的沉积通量在1960年以后持续增加的态势与周边地区工业燃煤导致的重金属大气沉降量持续增加的形势相一致(Rose et al., 2004).与此类似，湖心区沉积物中金属元素也可能来自大气沉降，并受到人为活动的影响，而受到人为活动的具体影响程度需要结合金属沉积通量和具体人为活动进行深入研究.本研究还发现，金属含量与沉积物中值粒径(D_0.5)无显著相关性(表 1，p>0.05)，表明太湖湖心区沉积物很可能受到了来自人为活动排放的金属污染，这是因为在不受污染的自然状态下沉积物中金属含量与沉积物粒径有显著相关性，人为活动造成的金属污染会削弱沉积物中这一相关性(Covelli et al., 1997).

表 1(Table 1)

表 1 太湖湖心区金属沉积通量的Pearson相关分析 Table 1 Pearson correlation analysis of sedimentation fluxes of trace metals in the central lake

表 1 太湖湖心区金属沉积通量的Pearson相关分析 Table 1 Pearson correlation analysis of sedimentation fluxes of trace metals in the central lake V Cr Ni Cu Zn As Cd Pb SRa D0.5 注：*p<0.05；D0.5代表中值粒径(μm)；SR代表沉积物沉积速率. V 1 Cr 0.998* 1 Ni 0.997* 0.999* 1 Cu 0.989* 0.992* 0.991* 1 Zn 0.992* 0.996* 0.997* 0.991* 1 As 0.949* 0.948* 0.948* 0.935* 0.938* 1 Cd 0.982* 0.982* 0.986* 0.977* 0.982* 0.914* 1 Pb 0.83* 0.813* 0.808* 0.771* 0.787* 0.787* 0.795* 1 SR 0.901* 0.892* 0.894* 0.885* 0.891* 0.791* 0.887* 0.728* 1 D0.5 -0.183 -0.184 -0.184 -0.167 -0.169 0.142 -0.177 -0.065 0.160 1

1980年后湖心区各样点的金属沉积总量表明(由图 4计算得到，结果见表 2)，8种痕量金属中V、Cr和Zn的沉积总量最大，均在10 g · m^-2左右，其次是Ni、Cu、As和Pb，沉积总量在2~4 g · m^-2，Cd的沉积总量最小，为0.038 g · m^-2.8种痕量金属的沉积总量在西部(样点4)最大，其次是样点3、样点2和样点1，各金属沉积总量在北部(样点5)最小，不同金属元素的沉积总量在空间分布上具有一致性.这与沉积物平均沉积速率大小排序基本一致(除样点2，下文分析)，表明沉积速率直接影响到湖心区沉积物中金属的沉积总量.

表 2(Table 2)

表 2 1980年后金属沉积总量估算 Table 2 Total mass accumulation of trace metals in the Central Lake zone since 1980

表 2 1980年后金属沉积总量估算 Table 2 Total mass accumulation of trace metals in the Central Lake zone since 1980 g · m-2 样点 V Cr Ni Cu Zn As Cd Pb 位置 1 2.01 1.62 0.72 0.57 1.39 0.44 0.006 0.39 东部 2 2.48 1.91 0.87 0.66 2.05 0.34 0.008 0.40 南部 3 3.22 2.36 0.90 0.65 2.72 0.59 0.010 0.77 中部 4 3.49 3.03 1.38 1.02 3.37 0.91 0.012 1.17 西部 5 0.63 0.48 0.26 0.16 0.63 0.11 0.002 0.32 北部 平均值 2.37 1.88 0.83 0.61 2.03 0.48 0.008 0.61 湖心区

湖心区南部(样点2)的沉积物平均沉积速率与其他样点相比是最大的(图 2)，而金属沉积总量却处于中等水平(表 2)，原因是金属沉积通量由金属含量和沉积速率两个因素决定，而该样点的沉积物中金属含量偏低，导致金属沉积通量偏小.金属沉积总量和平均沉积速率的结果表明，沉积速率对1980年以来南部的金属沉积总量的贡献最大.与其他样点相比，样点5(湖心区北部)自1980年以来的金属沉积总量最小，但该区域沉积物中Ni、Cu和As含量是逐年增加的(图 4)，与地理位置临近的太湖北部竺山湾沉积物的研究结果(Yao et al., 2010)类似，说明沉积物中金属含量增加对1980年以来该区域金属沉积总量具有较大贡献.

1)太湖湖心区沉积物的沉积速率随时间推进而递增.沉积柱中8种金属含量(V、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb)的沉积通量与沉积物沉积速率显著正相关，呈现随年代递增的变化规律.可见沉积速率对太湖中物质沉积过程的重要作用，浅水湖泊的沉积速率研究有待深入和加强.

2)1980年后，随着太湖流域社会经济快速发展，湖心区沉积物的金属沉积通量快速增加，1980年后8种金属沉积总量在湖心区西部最大，而沉积物的沉积速率对湖心区南部1980年后金属沉积总量贡献最大.因此，将沉积速率与沉积物中金属含量相结合，通过金属沉积通量来研究湖泊的金属元素来源和影响因素具有更全面的科学意义.

3)沉积物中8种金属含量垂向分布、沉积通量年变化和1980年后的沉积总量存在较大差异：其中，Cd、Pb和As在沉积物中垂向含量变化(即年代变化)较大，表明这些元素的沉积过程易受到各种环境因素干扰；Cd和As的沉积通量年增加量较大，V、Cr和Zn在1980年后沉积总量较大，这些元素在沉积物金属污染管理中均需引起重视.