陽宗海表層沉積物中的重金屬生態(tài)風(fēng)險評估

張玉璽，孫繼朝，向小平，黃冠星，劉景濤，陳 璽，王金翠

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北正定 050803)

近年來，受工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的影響，地表水重金屬污染事件頻頻發(fā)生，尤其湖泊水更新速率滯緩，湖泊污染狀況日趨嚴(yán)重，直接危及湖泊生態(tài)及周邊區(qū)域的飲水安全。湖泊污染已成為政府及民眾普遍關(guān)注的大問題。在眾多污染物中，重金屬因其難降解性、普遍的生物毒性、生物累積性和生物放大作用而一直備受關(guān)注[1]。進(jìn)入湖中的重金屬，大部分會被水中懸浮顆粒吸附并通過沉淀作用轉(zhuǎn)移到沉積物中，因而湖底沉積物也被稱為水體重金屬的“貯藏庫”[2]。當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生改變，或在水生生物等的作用下，沉積物中的重金屬會重新釋放到水體中，形成二次污染，導(dǎo)致潛在的生態(tài)風(fēng)險[3]。因此，沉積物中重金屬的質(zhì)量比常被用作判別水環(huán)境質(zhì)量的重要參考指標(biāo)[4]。

陽宗海是云南省九大高原湖泊之一，位于昆明市的東南角。湖面呈紡錘形，東西寬2.5km，南北長12.7 km，湖岸線長32.3 km，湖面面積31.9 km2(水位1770 m時)，流域面積192 km2。陽宗海平均水深20m，最深29.7m，蓄水量6.04億m3，換水周期為13 a，其補(bǔ)給水源主要來自天然降雨、陽宗大河和七星河匯水、擺依河人工補(bǔ)水及地下水。湯池河是陽宗海唯一的出水口，河水最終匯入南盤江。近20 a來，陽宗海沿湖興建了許多工礦企業(yè)及旅游度假村，主要有北岸的火電廠、煤礦、溫泉，三十畝南的鋁廠，寶尖山南的高爾夫球場及南岸談葛營附近的磷肥廠等。隨著工、礦、旅游業(yè)的發(fā)展，進(jìn)入陽宗海的重金屬不斷增加，并聚集在陽宗海的沉積物中。2008年的陽宗海砷污染事件更是惡化了陽宗海湖泊環(huán)境，加劇了陽宗海沉積物的生態(tài)風(fēng)險。通過對陽宗海表層沉積物樣品的系統(tǒng)采集與分析，查明了重金屬 Ti、Mn、Zn、V、Cr、Cu、Ni、Co、Pb、As在陽宗海表層沉積物中的質(zhì)量比與分布情況，評價這些重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險，可為陽宗海生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和治理提供決策依據(jù)。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

2009年4月2—4日，借助GPS定位，利用抓斗式采泥器采集陽宗海表層0～5 cm沉積物樣品25組(取樣點(diǎn)位置見圖1)。混勻后置于聚乙烯塑料袋中，于實驗室陰涼處自然風(fēng)干，剔除動植物殘體和石塊，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，過200目篩，置105℃烘箱烘8 h，取出后放入干燥皿冷卻。

1.2 樣品分析

從干燥皿稱取土樣4.0 g，放入模具內(nèi)撥平，用低壓聚乙烯鑲邊墊底，在30000 kg壓力下，壓制成直徑32 mm，鑲邊外徑40 mm的試樣圓片，采用荷蘭帕納科公司AXIOSPW4400型X射線熒光光譜儀測定各項指標(biāo)。

圖1 陽宗海沉積物取樣點(diǎn)位置

1.3 數(shù)據(jù)處理與圖形制作

數(shù)據(jù)處理及分析用SPSS 18.0軟件完成，樣點(diǎn)分布圖及等值線圖借助MAPGIS 6.7軟件繪制，等值線采用克立格(Kriging)網(wǎng)格化法內(nèi)插。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬質(zhì)量比

陽宗海表層沉積物中10種重金屬質(zhì)量比的統(tǒng)計結(jié)果和分布情況見表1和圖2。從表1可看出，各重金屬平均質(zhì)量比均高于云南省土壤環(huán)境背景值[5]，陽宗海存在不同程度的重金屬富集，其中，As的質(zhì)量比平均值達(dá)到背景值的2.9倍，最高值更是達(dá)10倍以上。依據(jù)GB 15618—1995《全國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，Zn和As分別有1個和6個樣品的質(zhì)量比超過3級標(biāo)準(zhǔn)，表明局部有較為嚴(yán)重的Zn和As污染，且As的污染程度最重。重金屬的變異系數(shù)表明，Mn、V、Cr、Ni、Co 和 Pb 在沉積物中的區(qū)域分布較均勻，Ti、Zn、Cu在不同區(qū)域的分布存在輕微的差異，As的變異系數(shù)最高，呈顯著的區(qū)域分布差異，指示可能受到人類活動的影響。另外，本研究還對沉積物中Cd的質(zhì)量比進(jìn)行了測試，結(jié)果均小于方法檢出限(0.5 mg/kg)，因此未對Cd進(jìn)行評價。

表1 陽宗海表層沉積物中重金屬質(zhì)量比統(tǒng)計結(jié)果

圖2 陽宗海表層沉積物中重金屬質(zhì)量比分布(單位:mg·kg－1)

根據(jù)焦偉等[6]的研究成果，與相鄰的滇池相比，除As、Cr高于滇池，Ni與滇池相當(dāng)外，陽宗海表層沉積物中其他重金屬質(zhì)量比均明顯低于滇池。但與同是云南九大高原湖泊之一的異龍湖相比，陽宗海表層沉積物中除了Pb的質(zhì)量比略低外[7]，其他As、Cu、Cr、Ni、Zn 等重金屬的質(zhì)量比均高于異龍湖。

2.2 重金屬分布與來源

陽宗海表層沉積物中重金屬的水平分布特征大致分為兩種類型。Zn、Cr、Pb、As的分布特征相似，在陽宗海南北兩岸的質(zhì)量比相對較高，而在陽宗海中間地帶的質(zhì)量比較低，質(zhì)量比最高值位于陽宗海南岸的談葛營附近，次高值位于陽宗海北岸的施家咀附近。Ti、Mn、V、Cu、Ni和 Co 的分布特征相似，其質(zhì)量比高值點(diǎn)都位于陽宗海東岸黃水洞附近，而陽宗海南北兩岸的重金屬質(zhì)量比相對較低(圖2)。上述沉積物中的重金屬分布特征指示可能存在兩種不同的主要污染來源。對各重金屬進(jìn)行聚類分析，聚類方法采用組間聯(lián)結(jié)，度量標(biāo)準(zhǔn)選取Pearson相關(guān)性法。計算結(jié)果的樹狀圖(圖3)表明，根據(jù)分布特征，可將重金屬分為兩大類，Zn、Cr、Pb、As為一類，其中Zn和Pb具有非常好的相似性，它們均為典型的污染組分，主要受工、礦及旅游業(yè)排污等人類活動影響所致。Zn主要來自含砷礦石的工業(yè)，如陽宗海南岸磷肥廠的主要原料為硫鋅礦，附近沉積物中Zn的質(zhì)量比普遍較高。Cr主要來自含鉻礦石的加工、金屬表面處理等排放的污水。Pb主要來自兩岸企業(yè)的燃煤，如陽宗海北岸火電廠附近沉積物中Pb的質(zhì)量比相對較高。As主要來自含As礦石的利用。陽宗海地區(qū)的溫泉水、褐煤、硫鋅礦中都含有較高的砷，因此陽宗海北岸的溫泉、火電廠、煤礦及南岸磷肥廠附近的沉積物中As的質(zhì)量比相對較高。另外，這4種重金屬的質(zhì)量比高值點(diǎn)附近均表現(xiàn)出環(huán)繞湖岸線分布的態(tài)勢，這是由于當(dāng)含有較高質(zhì)量比重金屬的廢水排入湖中后，被湖水沖淡而形成不同密度的水團(tuán)，從而產(chǎn)生了沿岸流。這也間接指示了排污現(xiàn)象的存在。Ti、Mn、V、Cu、Ni和Co 可歸為另一大類，其中 Ti、V、Co具有非常好的相似性，且在較小的測度范圍與Ni的相似性較好，在較大的測度上與Mn、Cu也有相似性。由于陽宗海地區(qū)沒有涉及這6種重金屬的企業(yè)，這6種重金屬的分布特征與人類活動密集區(qū)沒有關(guān)系，且質(zhì)量比高值區(qū)均位于陽宗海未受開發(fā)的東岸黃水洞附近，指示這6種重金屬主要來自巖石風(fēng)化等自然因素，受人類活動影響甚微。

圖3 重金屬系統(tǒng)聚類分析樹狀圖

2.3 重金屬生態(tài)風(fēng)險評估

利用Hakanson[8]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對陽宗海表層沉積物的重金屬生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。該方法是根據(jù)重金屬性質(zhì)及其環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度對沉積物中重金屬污染進(jìn)行評價。該方法將重金屬質(zhì)量比、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進(jìn)行重金屬污染評價，并對地區(qū)污染程度進(jìn)行定量分析，分析其潛在生態(tài)風(fēng)險程度，這種方法在研究沉積物生態(tài)效應(yīng)中具有較明顯的優(yōu)勢[8-10]。重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算公式為

式中:RI為多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)為重金屬i的富集系數(shù);為重金屬i的實測質(zhì)量比;為沉積物背景參考值，本研究選取云南省土壤重金屬背景值作為參考;為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，反映重金屬在水相、沉積固相和生物相之間的響應(yīng)關(guān)系。本研究根據(jù)Hakanson[8]和徐爭啟等[11]的研究成果，設(shè)定10種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為與污染程度的分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 評價指標(biāo)與污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險程度的關(guān)系

表3 沉積物中重金屬污染單因子評價結(jié)果統(tǒng)計

圖4 不同重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)比較

圖5 陽宗海表層沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布

表4 陽宗海表層沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

圖5反映了陽宗海重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的分布情況。全湖來看，重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)一般在150之內(nèi)，雖然陽宗海北岸施加咀和東岸黃水洞附近也有RI相對較高的區(qū)域，但總體上還屬輕微風(fēng)險程度。只有位于談葛營附近的N03取樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較高，達(dá)160.06，屬中等風(fēng)險程度，低于滇池的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI介于100～800)[6]，而較異龍湖的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)略高[7]。結(jié)合陽宗海表層沉積物中各重金屬質(zhì)量比與分布特征，分析其原因，認(rèn)為主要是陽宗海As的潛在生態(tài)風(fēng)險較大引起的。在N03取樣點(diǎn)，EAsr對RI指數(shù)的貢獻(xiàn)量達(dá)65%。而在RI指數(shù)較高的N01取樣點(diǎn)，EAsr的貢獻(xiàn)量也達(dá)到61%。因此As是陽宗海表層沉積物中最突出的生態(tài)風(fēng)險因子。雖然Cu和Cr在陽宗海表層沉積物中的富集程度也較高，但因其生物毒性相對較低，因此不是主要的生態(tài)風(fēng)險因子。

3 結(jié)論

a.陽宗海湖底表層沉積物中，Ti、Mn、Zn、V、Cr、Cu、Ni、Co、Pb、As 的質(zhì)量比平均值依次為9413.1 mg/kg、617.9 mg/kg、149.2 mg/kg、189.6 mg/kg、145.8 mg/kg、97.6 mg/kg、55.1 mg/kg、27.4 mg/kg、40.3mg/kg、31.4 mg/kg。Zn、Cr、Pb、As 的分布特征具有較高的相關(guān)性，它們主要來自人類活動造成的污染。Ti、Mn、V、Cu、Ni、Co 的分布特征相似，以巖石風(fēng)化等自然因素來源為主。

b.陽宗海表層沉積物中重金屬的富集程度按富集系數(shù)均值大小依次為 As、Cu、Cr、Co、Zn、Ni、V、Mn、Ti、Pb，其中，As、Cu、Cr的富集程度相對較高。陽宗海重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)一般在150之內(nèi)，總體上屬輕微風(fēng)險程度。只有位于陽宗海南岸談葛營附近區(qū)域的沉積物受As的影響，潛在生態(tài)風(fēng)險達(dá)到了中等程度。重金屬對陽宗海生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)程度由大到小依次為 As、Cu、Co、Ni、Pb、Cr、V、Zn、Mn、Ti，其中，As產(chǎn)生的潛在生態(tài)風(fēng)險較其他重金屬明顯偏高，是陽宗海最主要的生態(tài)風(fēng)險因子。

為避免陽宗海湖泊環(huán)境繼續(xù)惡化，應(yīng)對陽宗海周邊企業(yè)的排污加強(qiáng)監(jiān)測管理，對陽宗海沉積物中的重金屬進(jìn)行治理，并通過宣傳強(qiáng)化人們的環(huán)保意識。

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