巢湖重污染匯流灣區(qū)沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

劉 成,邵世光,范成新,周麒麟,商景閣 (1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

重金屬污染由于其在環(huán)境中的隱蔽性、持續(xù)性和不可降解性而受到了廣泛關(guān)注[1].通過生物富集和生物放大作用[2-3],重金屬可對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害.在地表水體中,重金屬會隨著地表徑流遷移、沉降,逐步轉(zhuǎn)移至沉積物中,并可能在一定環(huán)境條件下釋放到水體中造成環(huán)境危害和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4].

目前對重金屬污染的評價(jià)方法主要有沉積物富集系數(shù)法[5]、臉譜圖法[6]、過量回歸法[7]、地積累指數(shù)法[8]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[9]等.其中,地積累指數(shù)法著重評價(jià)某種金屬污染水平,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法則考慮了各種金屬污染的綜合作用[10],本文擬使用這2種方法對巢湖重污染匯流灣區(qū)重金屬污染狀況進(jìn)行評價(jià).

巢湖是我國第五大淡水湖,水域面積770km2,流域面積13486km2,平均水深2.69m.巢湖周圍共有大小入湖河流 33條[11],從水體污染物含量和入湖污染物量的分配而言,西半湖的污染程度和入湖量要明顯高于東半湖[12-13].在巢湖西半湖北部的匯流湖灣區(qū)域,所分布的3條重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受來自合肥市的地表徑流水體,受到了嚴(yán)重污染.而目前關(guān)于巢湖重金屬污染的研究一般關(guān)注全湖的污染狀況,研究區(qū)域較分散,在不考慮該重污染灣區(qū)的情況下生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)并不高[14],本研究采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法,對該重污染灣區(qū)沉積物重金屬污染特征和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估,旨在為巢湖污染治理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)位及沉積物分布Fig.1 Sampling sites and sediment distribution in the present study

本文研究區(qū)域?yàn)槌埠靼牒蕴廖骱又聊箱呛油獾膮R流湖灣區(qū),涉及水域面積約20km2.2013年 3月,在湖灣內(nèi)有泥區(qū),用 GPS定位設(shè)置了 17個采樣點(diǎn),用柱狀采樣器(Φ90mm×500mm)采集無擾動柱狀樣品,湖灣內(nèi)沉積物深度分布及采樣點(diǎn)分布情況見圖 1.樣品采集后使用上頂法對其進(jìn)行分層,在0～10cm深度之間按每2cm間隔分層,在大于10cm深度,則每4cm間隔分層.

1.2 樣品處理及測定

將沉積物分層樣品放入冰箱冷凍后轉(zhuǎn)移至真空冷凍干燥器干化處理,去除樣品中的沙石和動植物殘?bào)w,研磨后過150目尼龍分樣篩,分裝在聚乙烯塑料袋中貯存?zhèn)溆?

沉積物中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn的測定使用7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS),Hg的測定使用Hydra-c型全自動測汞儀.

1.3 評價(jià)方法

1.3.1 地積累指數(shù)(Igeo)法廣泛應(yīng)用于重金屬污染評價(jià)[15-16].該方法在評價(jià)過程中主要考慮元素的富集作用[17],其評價(jià)方程是:

式中,Cn為某種金屬的實(shí)測含量;Bn為該金屬在沉積巖中的地球化學(xué)背景值,本文使用安徽省土壤重金屬背景值[18]:As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn分別為9.0, 0.097, 66.5, 20.4, 0.033, 29.8,26.6, 62.0mg/kg;1.5是考慮到成巖作用引起的背景值波動而引入的參數(shù)[16].

地積累指數(shù)法根據(jù)Igeo數(shù)值的大小將重金屬污染程度劃分為7級,具體分級情況見表1.

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)法既可評價(jià)多種金屬元素的協(xié)同作用,又考慮了單個金屬的毒性污染[17].評價(jià)公式為:

(1) 單個重金屬污染指數(shù)

(2) 單個重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

(3) 多個金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

表1 地積累指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級[20-21]Table 1 Classification of Igeo and potential ecological risk indexes

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬含量分析

匯流灣區(qū)表層沉積物(0～2cm)中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為 13.3,0.777, 67.1, 33.0, 0.269, 28.7, 54.1, 306mg/kg,基本高于各自背景值,表明均存在一定的污染.從表層沉積物中各金屬元素的分布圖中看出(圖2),含量較高的區(qū)域均集中在距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區(qū),由人類活動產(chǎn)生的重金屬污染物在這幾個重污染河道的遷移、匯集下,堆積至該區(qū)域.同時,該區(qū)域也是匯流灣區(qū)內(nèi)沉積物蓄積深度較大的區(qū)域(圖1),由于地表徑流的沖刷導(dǎo)致沉積物和金屬污染物堆積在這一低洼區(qū)域而不是河口處,這與余輝等[21]的研究結(jié)果相近.統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),各采樣點(diǎn)的重金屬元素含量間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P＜0.01),說明各金屬的污染來源相近且可能形成以某種金屬為主的復(fù)合性污染[22-23].

匯流灣區(qū)沉積物中各金屬元素富集倍數(shù)(富集倍數(shù)計(jì)算使用安徽省土壤環(huán)境背景值[18])大小順序是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni,分別是8.14, 8.01, 4.95, 2.03, 1.62, 1.47, 1.01, 0.96.其中,富集倍數(shù)最大的是 Hg,在研究區(qū)沉積物中的含量 為 0.170～0.358mg/kg,遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 高 于 湖 心 區(qū)(0.080mg/kg)[24];其 次 是 Cd,含 量 為 0.422～1.064mg/kg.

從湖灣區(qū)各重金屬的垂向分布情況來看(圖3),幾乎所有重金屬都在深度 22～24cm處出現(xiàn)含量明顯下降趨勢,該結(jié)果與杜臣昌等[25]對巢湖沉積物巖芯受重金屬污染的研究結(jié)果相近,其認(rèn)為人為污染始于 1950s(深度相當(dāng)于 24cm).與背景值(圖3中虛線)比較,22cm深度以上Hg和Cd的富集倍數(shù)最高,As、Cr和Ni最小,幾乎未產(chǎn)生富集作用.說明巢湖匯流灣區(qū)沉積物主要受Hg、Cd等重金屬富集污染的影響和威脅.

2.2 地積累指數(shù)法評價(jià)

使用地積累指數(shù)法對匯流湖灣區(qū)表層各重金屬污染狀況進(jìn)行了評價(jià)(表2).由表2可見,污染程度分布于0～3之間,共4級.各重金屬污染程度大小依次是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.同富集倍數(shù)分析結(jié)果相似,污染程度最重的仍然是Hg和Cd,2金屬污染等級(L)為 3,已達(dá)到中度污染水平;Cr、Ni和 As的污染等級為0,表明湖灣區(qū)尚未有Cr、Ni和As的污染形成.用SPSS19.0對各金屬元素進(jìn)行聚類分析后發(fā)現(xiàn)(圖 4),Hg和Cd的污染可能是由人類活動排放的污染源引起的[26],而相關(guān)性分析表明兩者顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù) 0.812,P＜0.01),可能來自相同的污染源.Tang等[26]的研究表明,巢湖入流河道 Cd等金屬污染可能主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥(主要為磷肥)的過度使用.另外,匯入湖灣區(qū)的南淝河、十五里河和塘西河流經(jīng)合肥市人口最為密集的區(qū)域,流域內(nèi)眾多的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他人類活動都有可能導(dǎo)致金屬污染的產(chǎn)生,并隨地表徑流匯入湖灣區(qū),沉降至沉積物中.

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

應(yīng)用式(2)～式(4)對匯流湖灣區(qū)沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評價(jià)反映(表 3,只列出部分代表性點(diǎn)位),除位于南淝河口附近的12,16和17號以及十五里河河口附近的3號點(diǎn)位具有重度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外,其余點(diǎn)位均具有嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),說明由于重金屬的存在,匯流湖灣區(qū)沉積物對水生生物以及人類健康存有潛在危害[27].其中,位于南淝河河口處的17號點(diǎn)雖然仍具有重度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),但因 1999年后表層底泥分別經(jīng)過多次環(huán)保疏浚和航道疏浚,與其他類似深度的1,2,3,4,12和16號點(diǎn)位進(jìn)行t檢驗(yàn)比較,其沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有極顯著性差異(t計(jì)=5.30＞t表(0.01,6)=4.03).

圖2 湖灣區(qū)表層沉積物重金屬含量分布(mg/kg)Fig.2 Levels of heavy metal in the surface sediment of the bay studied (mg/kg)

圖3 湖灣區(qū)沉積物重金屬含量垂向分布Fig.3 Vertical distributions of heavy metal contents in sediments of the bay studied

表2 表層沉積物重金屬地積累指數(shù)及污染等級Table 2 Igeo and contamination level of heavy metals in surface sediment

圖4 沉積物重金屬聚類分析Fig.4 Dendrogram of cluster of heavy metals in sediment

從各金屬的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來看(表3),其大小依次是 Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr.其中污染貢獻(xiàn)最大的仍然是Hg和Cd,這2種金屬的平均風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為325.59和240.28,達(dá)到嚴(yán)重和較重潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).這與之前的研究結(jié)果相似,石志芳等[24]及程杰等[14]分別認(rèn)為Hg和Cd是巢湖的主要風(fēng)險(xiǎn)因子.Hg可以損害魚類的鰓組織[28],影響魚類的呼吸;Cd會在水生生物的肝臟和腎臟內(nèi)累積[29].這兩種金屬都可以通過生物富集進(jìn)入人體內(nèi),對人體肝臟、腎臟等內(nèi)臟組織造成嚴(yán)重危害.從Hg和Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)垂向分布分析(圖 5),Hg在 10cm 以上具有嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),在22cm以上具有較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),34cm處仍具有中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Cd則在18cm以上具有較重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),直至 26cm 處仍具有中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).受 Hg和 Cd主要污染貢獻(xiàn)影響,沉積物綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI在14cm以內(nèi)都具有嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(≥525).因此,在對巢湖進(jìn)行重金屬整治時可著重考慮對該灣區(qū)進(jìn)行針對Hg和Cd污染的環(huán)保疏浚,以消除這兩種金屬的生態(tài)威脅.

表3 表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)等級Table 3 Potential ecological risk indexes and risk level of surface sediment

圖5 Eri(Hg、Cd)及RI垂向分布Fig.5 Vertical distributions of Eri (Hg, Cd) and RI along sediment depth

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3 結(jié)論

3.1 匯流灣區(qū)底泥主要蓄積于距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區(qū),該泥區(qū)表層沉積物各重金屬含量大多都高于安徽省區(qū)域背景值.各金屬污染程度大小依次為Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.

3.2 匯流灣區(qū)沉積物中Hg和Cd為主要污染重金屬,其中富集倍數(shù)最大的是 Hg(8.14),其次是Cd(8.01).Hg和 Cd的污染深度最大分別達(dá)到34cm和26cm.

3.3 從單個重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)考慮,大多數(shù)重金屬仍處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài).但受Hg和Cd的影響,湖灣區(qū)各點(diǎn)位的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)基本處于嚴(yán)重污染水平.建議對湖灣進(jìn)行重金屬治理時重點(diǎn)考慮對Hg和Cd的治理措施和入湖控制.

[1]Yang Z, Wang Y, Shen Z, et al.Distribution and speciation of heavy metals in sediments from the mainstream, tributaries, and lakes of the Yangtze River catchment of Wuhan, China [J].Journal of Hazardous Materials, 2009,166(2):1186-1194.

[2]Vinodhini R, Narayanan M.Bioaccumulation of heavy metals in organs of fresh water fish Cyprinus carpio (Common carp) [J].Int.J.Environ.Sci.Tech., 2008,5(2):179-182.

[3]Zhang L, Wang W X.Sizedependence of the potential for metal biomagnification in early life stages of marine fish [J].Environmental Toxicology and Chemistry, 2007,26(4):787-794.

[4]Hiller E, Jurkovi? ?, ?utriepka M.Metals in the surface sediments of selected water reservoirs, Slovakia [J].Bulletin of environmental contamination and toxicology, 2010,84(5):635-640.

[5]Buat-Menard P, Chesselet R.Variable influence of the atmospheric flux on the trace metal chemistry of oceanic suspended matter [J].Earth and Planetary Science Letters, 1979,42(3):399-411.

[6]Chernoff H.The use of faces to represent points in k-dimensional space graphically [J].Journal of the American Statistical Association, 1973,68(342):361-368.

[7]Hilton J, Davison W, Ochsenbein U.A mathematical model for analysis of sediment core data: Implications for enrichment factor calculations and trace-metal transport mechanisms [J].Chemical Geology, 1985,48(1):281-291.

[8]Müller G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River [J].Geojournal, 1969,2(3):108-118.

[9]H?kanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control.A sedimentological approach [J].Water Research, 1980,14(8):975-1001.

[10]孟紅明,張振克.石梁河水庫沉積物中重金屬的累積污染研究[J].環(huán)境科學(xué)研究, 2008,21(3):44-50.

[11]徐 康,劉付程,安宗勝,等.巢湖表層沉積物中磷賦存形態(tài)的時空變化 [J].環(huán)境科學(xué), 2011,32(11):3255-3263.

[12]潘成榮,汪家權(quán),鄭志俠,等.巢湖沉積物中氮與磷賦存形態(tài)研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2007,23(1):43-47.

[13]鄭志俠,潘成榮,丁 凡.巢湖表層沉積物中重金屬的分布及污染評價(jià) [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,30(1):161-165.

[14]程 杰,李學(xué)德,花日茂,等.巢湖水體沉積物重金屬的分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2008,27(4):1403-1408.

[15]Zhang W, Feng H, Chang J, et al.Heavy metal contamination in surface sediments of Yangtze River intertidal zone: an assessment from different indexes [J].Environmental Pollution, 2009,157(5):1533-1543.

[16]Christophoridis C, Dedepsidis D, Fytianos K.Occurrence and distribution of selected heavy metals in the surface sediments of Thermaikos Gulf, N.Greece.Assessment using pollution indicators [J].Journal of Hazardous Materials, 2009,168(2):1082-1091.

[17]于云江,胡林凱,楊 彥,等.典型流域農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) [J].環(huán)境科學(xué)研究, 2010,23(12):1523-1527.

[18]魏復(fù)盛,陳靜生,吳燕玉.中國土壤元素背景值 [M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1990.

[19]徐爭啟,倪師軍,庹先國,等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算 [J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2008,31(2):112-115.

[20]Santos Bermejo J, Beltrán R, Gómez Ariza J.Spatial variations of heavy metals contamination in sediments from Odiel river(Southwest Spain) [J].Environment International, 2003,29(1):69-77.

[21]余 輝,余建平.洪澤湖表層沉積物重金屬分布特征及其風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) [J].環(huán)境科學(xué), 2011,32(2):437-444.

[22]Suresh G, Ramasamy V, Meenakshisundaram V, et al.Influence of mineralogical and heavy metal composition on natural radionuclide concentrations in the river sediments [J].Applied Radiation and Isotopes, 2011,69(10):1466-1474.

[23]柴世偉,溫琰茂,韋獻(xiàn)革,等.珠江三角洲主要城市郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬含量特征 [J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004,43(4):90-94.

[24]石志芳,姜 霞,楊蘇文,等.巢湖表層沉積物中重金屬污染的時空變化特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(5):948-954.

[25]杜臣昌,劉恩峰,羊向東,等.巢湖沉積物重金屬富集特征與人為污染評價(jià) [J].湖泊科學(xué), 2012,24(1):59-66.

[26]Tang W, Shan B, Zhang H, et al.Heavy metal sources and associated risk in response to agricultural intensification in the estuarine sediments of Chaohu Lake Valley, East China [J].Journal of Hazardous Materials, 2010,176(1):945-951.

[27]安立會,鄭丙輝,張 雷,等.渤海灣河口沉積物重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià) [J].中國環(huán)境科學(xué), 2010,30(5):666-670.

[28]Jagoe C H, Faivre A, Newman M C.Morphological and morphometric changes in the gills of mosquitofish ( Gambusia holbrooki) after exposure to mercury (II) [J].Aquatic Toxicology,1996,34(2):163-183.

[29]Hogstrand C, Haux C.Binding and detoxification of heavy metals in lower vertebrates with reference to metallothionein [J].Comparative Biochemistry and Physiology part C: Comparative Pharmacology, 1991,100(1):137-141.