鄱陽(yáng)湖濕地水體與底泥重金屬污染及其對(duì)沉水植物群落的影響

簡(jiǎn)敏菲，李玲玉，余厚平，熊建秋，余冠軍

1. 江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022；2. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022；3. 江西師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，江西 南昌 330022；4. 江西鄱陽(yáng)湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，江西 南昌 330009

鄱陽(yáng)湖濕地水體與底泥重金屬污染及其對(duì)沉水植物群落的影響

簡(jiǎn)敏菲1,2*，李玲玉2，余厚平1，熊建秋3，余冠軍4

1. 江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022；2. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022；3. 江西師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，江西 南昌 330022；4. 江西鄱陽(yáng)湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，江西 南昌 330009

對(duì)鄱陽(yáng)湖南磯山濕地、吳城自然保護(hù)區(qū)、白沙洲國(guó)家濕地公園及鄱陽(yáng)湖龍口等典型濕地進(jìn)行沉水植物群落的調(diào)查與采樣，并測(cè)定各樣點(diǎn)水樣及底泥重金屬含量，采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)底泥重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)等方法對(duì)研究區(qū)沉水植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)水體、底泥重金屬含量與沉水植物的生物量、物種多樣性等進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，評(píng)價(jià)鄱陽(yáng)湖濕地水土環(huán)境重金屬污染現(xiàn)狀，探討水體與底泥重金屬Cu、Pb、Cd等污染物對(duì)其水體沉水植物群落的影響。結(jié)果表明：各采樣點(diǎn)水體與底泥中Cu、Pb、Cd等3種重金屬元素中含量最高的為Pb；各樣點(diǎn)水體（除白沙洲水體ρ(Pb)外）ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等均未超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值，水體重金屬含量最高的區(qū)域?yàn)檑蛾?yáng)湖東部的白沙洲（ρ(Cu)為50.826 μg·L-1，ρ(Pb)為68.660 μg·L-1，ρ(Cd)為0.337 μg·L-1），最低的區(qū)域?yàn)檑蛾?yáng)湖西南部的南磯山濕地（ρ(Cu)為4.316 μg·L-1，ρ(Pb)為7.301 μg·L-1，ρ(Cd)為0.167 μg·L-1）。兩種重金屬污染評(píng)價(jià)方法的結(jié)果均表明，受納樂(lè)安河下游來(lái)水的龍口區(qū)域?yàn)榈啄嘀亟饘傥廴咀顕?yán)重區(qū)域；但兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果存在一定差異，地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)龍口區(qū)域的結(jié)果為偏中度或輕度污染，潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果為輕度污染。研究區(qū)野外調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)11種沉水植物，隸屬7科9屬，其中南磯山濕地的沉水植物物種多樣性較豐富，但其物種分布的均勻度較低，水體與底泥重金屬含量與其水體中沉水植物的生物量或物種多樣性間無(wú)顯著相關(guān)性。

鄱陽(yáng)湖；沉水植物；重金屬污染；群落結(jié)構(gòu)；地累積指數(shù)；潛在生態(tài)危害指數(shù)

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)最大的淡水湖，其流域主要為贛江、修水、饒河、信江、撫河等5大水系的集水范圍（趙其國(guó)等，2007）。流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要有樂(lè)安河流域的德興銅礦、信江流域的永平銅礦以及贛南有色金屬采礦區(qū)等。采礦過(guò)程中，可能產(chǎn)生大量的重金屬酸性廢水，排放后隨地表徑流匯入各河流域，逐漸衰減后入鄱陽(yáng)湖。鄱陽(yáng)湖重金屬污染的來(lái)源還有冶煉廠的排水、城市工業(yè)排放的污廢水、農(nóng)業(yè)活動(dòng)及水土流失與泥沙沖擊等（簡(jiǎn)敏菲等，2004；Gupta等，2009）。由于重金屬存在難降解、毒性大且易累積等特點(diǎn)，在環(huán)境研究中備受關(guān)注（Coz等，2008；Ghrefat和Yusuf，2006）。水體重金屬污染是多層次的，且不易降解，會(huì)逐步轉(zhuǎn)移、沉至底泥，因此底泥是濕地水環(huán)境中重金屬的主要蓄積庫(kù)，可反映水體受重金屬污染的狀況（Rajkumar等，2009；Mario等，2014）。水環(huán)境條件的變化可能會(huì)使吸附在底泥沉積物中的重金屬解吸釋放并重新進(jìn)入水體，底泥中的重金屬對(duì)湖水及水生生物均具持久影響（Feng等，1998；Woods等，2012；魯成秀和成杰民，2014）。

沉水植物是水體生態(tài)系統(tǒng)主要的初級(jí)生產(chǎn)者，整個(gè)植株都生活在水體中使得其具有獨(dú)特的生態(tài)功能，且多數(shù)沉水植物都是當(dāng)?shù)厮虻膬?yōu)勢(shì)種，其根、葉均可累積較高含量的重金屬（Kumar等，2008；Mishra等，2008），重金屬能在植物器官中大量累積，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重金屬離子可致生物大分子結(jié)構(gòu)改變、干擾細(xì)胞的正常代謝過(guò)程及其它生理過(guò)程，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育（馬劍敏等，2007；Wang等，2005；易冕等，2013），并對(duì)沉水植物的群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性造成一定影響。因此，研究湖泊重金屬污染與沉水植物群落間的相互關(guān)系具有重要科學(xué)意義。本文在以往研究工作的基礎(chǔ)上（簡(jiǎn)敏菲等，2006；弓曉峰等，2006；李鳴等，2008），選擇鄱陽(yáng)湖濕地重金屬污染中較突出的 Cu、Pb、Cd等污染因子，研究鄱陽(yáng)湖典型濕地水土環(huán)境中重金屬污染及其對(duì)沉水植物群落結(jié)構(gòu)的影響，探討重金屬Cu、Pb、Cd等關(guān)鍵環(huán)境因子影響下沉水植物群落結(jié)構(gòu)的差異性，為鄱陽(yáng)湖濕地重金屬污染的防治和沉水植物的保護(hù)與恢復(fù)提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)選擇與布設(shè)

在對(duì)鄱陽(yáng)湖沉水植物進(jìn)行全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，分別在鄱陽(yáng)湖的吳城、南磯山、白沙洲、龍口等典型湖泊進(jìn)行布點(diǎn)。吳城已建立“江西鄱陽(yáng)湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”，南磯山已建立“鄱陽(yáng)湖南磯濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”，吳城與南磯山已成為鄱陽(yáng)湖鳥(niǎo)類越冬的主要場(chǎng)所，目前均得到較好保護(hù)，受人工破壞的影響日趨減少，白沙洲已建立“鄱陽(yáng)湖國(guó)家濕地公園”并成為鄱陽(yáng)湖旅游度假區(qū)。龍口為饒河匯入鄱陽(yáng)湖的過(guò)渡區(qū)域，饒河是樂(lè)安河與昌江在鄱陽(yáng)縣境內(nèi)的姚公渡匯合后的河流總稱，在一定程度上受樂(lè)安河上游礦山開(kāi)采重金屬污染的影響（簡(jiǎn)敏菲等，2006），并受人工采砂活動(dòng)干擾的影響較嚴(yán)重。實(shí)際研究中，根據(jù)各湖區(qū)地形條件，在吳城選擇朱市湖，南磯山選擇白沙湖、三泥灣和常湖等 3個(gè)典型湖泊，龍口和白沙洲各選擇一個(gè)湖泊進(jìn)行布點(diǎn)，研究區(qū)所在位置如圖1所示。

圖1 鄱陽(yáng)湖研究區(qū)各采樣點(diǎn)位置圖Fig. 1 Location of sampling sites in study area of Poyang Lake

1.2 樣品采集與處理方法

2013年9月在研究區(qū)各采樣點(diǎn)應(yīng)用隨機(jī)采樣法與系統(tǒng)取樣法對(duì)沉水植物進(jìn)行調(diào)查，在各湖區(qū)租用當(dāng)?shù)貪O船進(jìn)行作業(yè)，采集沉水植物、水樣與底泥樣。在每個(gè)調(diào)查湖泊均按樣帶法選取樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)均采用多次重復(fù)的隨機(jī)小樣方法（崔心紅等，1999；馬凱等，2003），小樣方面積為100 cm×100 cm，重復(fù)5～6次。每個(gè)小樣方圴采集并調(diào)查全部沉水植物，記錄物種，現(xiàn)場(chǎng)稱濕質(zhì)量，測(cè)生物量；采集0～5 cm底泥表層樣，采集不同深度湖水混合樣，分別用塑料封口袋與塑料瓶裝存，將全部樣品編號(hào)、記錄，帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)處理。本文4個(gè)研究區(qū)域6個(gè)采樣點(diǎn)共調(diào)查小樣方34個(gè)，采集水樣34份，底泥樣品34份。

1.3 樣品消解與測(cè)定

采用上海新儀 MDS-8G型多通量密閉微波消解儀消解水樣及底泥備測(cè)樣。水樣采用優(yōu)級(jí)純濃硝酸消解體系進(jìn)行消解處理（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）；底泥樣采用HNO3-HCl-H2O2三酸消解體系消解處理（簡(jiǎn)敏菲等，2013），采用美國(guó) varian公司的 AA-240Z型原子石墨爐分光光度計(jì)測(cè)定樣品中的重金屬含量ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等。分析測(cè)試過(guò)程中均用 GSS-3標(biāo)準(zhǔn)參考土樣進(jìn)行全程質(zhì)量控制，根據(jù)標(biāo)樣給出的重金屬元素參考值以及該元素的實(shí)測(cè)值計(jì)算回收率，得到Cu、Pb和Cd的回收率分別為98.5%、96.4%和97.6%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.4.1 底泥重金屬污染評(píng)價(jià)方法

1）地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法。地累積指數(shù)（Igeo）法是德國(guó)學(xué)者 Muller提出的一種廣泛應(yīng)用于重金屬污染評(píng)價(jià)的方法（Muller，1969），是利用重金屬質(zhì)量含量與其地球化學(xué)背景值關(guān)系來(lái)確定底泥中重金屬污染程度的定量指標(biāo)。該方法可較直觀地反映外源重金屬在底泥中的累積程度，數(shù)據(jù)具有較高的可比性。計(jì)算公式為：

式中：win為底泥重金屬實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1；βin為本底土壤環(huán)境重金屬背景值質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1。本文采用鄱陽(yáng)湖流域底泥重金屬背景值（張本等，1988）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，βin值分別見(jiàn)表1；考慮到造巖運(yùn)動(dòng)可能引起背景值變化，將常數(shù)K值取1.5（方明等，2013）。

表1 底質(zhì)背景重金屬參考值βin和生物毒性系數(shù)TirTable 1 Reference values of βinin the sediment background in Poyang Lake and toxic coefficient of Tirin different heavy metals mg·kg-1

2）潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法。1980年瑞典學(xué)者 Hakanson等提出潛在生態(tài)危害指數(shù)法，生態(tài)危害指數(shù)是結(jié)合重金屬的生物學(xué)特征、毒理學(xué)特征和沉積學(xué)特征來(lái)研究某一重金屬的潛在生態(tài)危害程度，可綜合反映底泥重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響潛力（趙勝男等，2013；Yin等，2011）。

單因子污染參數(shù)Cif計(jì)算公式：

單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Eir計(jì)算公式：

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)：

式中：win與βin分別同（1）式；Tir為重金屬i的生物毒性系數(shù)；RI為底泥中n種重金屬的綜合生態(tài)危害指數(shù)，βin與Tir的值見(jiàn)表1（弓曉峰等，2006）。

1.4.2 沉水植物群落的數(shù)量分析方法

沉水植物的優(yōu)勢(shì)度根據(jù)植物的相對(duì)頻度和相對(duì)生物量進(jìn)行確定（崔心紅等，1999），計(jì)算公式為：

優(yōu)勢(shì)度=（相對(duì)頻度+相對(duì)生物量）/2×100%（5）

物種多樣性指數(shù)的測(cè)定選用 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）和Pielou均勻度指數(shù)（J），其計(jì)算公式為：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）：

Pielou均勻度指數(shù)（J）：

式中：N為群落物種數(shù)，Pi為第i物種的相對(duì)生物量（高偉等，2010）。

根據(jù)水、土環(huán)境中重金屬污染因子的含量與沉水植物群落的結(jié)構(gòu)特征值，運(yùn)用軟件SPSS18.0進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，繪圖軟件origin 8.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽(yáng)湖不同湖區(qū)水體重金屬含量

將各樣點(diǎn)采集的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室并測(cè)定其重金屬含量，統(tǒng)計(jì)各水體重金屬含量ρ的均值，結(jié)果分別如圖2中a、b、c所示。

圖2 鄱陽(yáng)湖各樣點(diǎn)水體重金屬含量ρ(Cu)、ρ(Pb)與ρ(Cd)Fig. 2 Average contents of heavy metals ρ(Cu)、ρ(Pb)and ρ(Cd)in the water of the sampling sites in Poyang Lake

分析以上結(jié)果，除白沙洲湖區(qū)水體 ρ(Pb)超出GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（ρ(Cu)為1000 μg· L-1、ρ(Pb)為50.00 μg·L-1、ρ(Cd)為5.00 μg·L-1）外，其他各湖區(qū)水體ρ(Cu)、ρ(Pb)和 ρ(Cd)均未超標(biāo)，且各湖區(qū)水體重金屬含量最高值均出現(xiàn)在湖區(qū)東部的白沙洲，ρ(Cu)為 50.826 μg·L-1，ρ(Pb)為68.660 μg·L-1，ρ(Cd)為0.337 μg·L-1。各水體中ρ(Cd)最低，ρ(Cu)和ρ(Pb)值較接近，綜合比較水體ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等均值與地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的比值，分別為 1.97%、38.48%、4.81%。因此，研究區(qū)水體中 3種重金屬的污染狀況最嚴(yán)重的是Pb，其次是Cd，污染最輕的是Cu，這與李鳴和劉琪璟（2010）在對(duì)鄱陽(yáng)湖水體和底泥重金屬污染評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致，但本研究所測(cè)水體重金屬含量均較李鳴和劉琪璟（2010）的結(jié)果高，部分區(qū)域如白沙洲與龍口等湖區(qū)水體重金屬含量更高，其原因可能有以下3點(diǎn)：期間水體中不斷有外源重金屬污染物匯入；5月禁漁期的人為干擾活動(dòng)較9月少，且2013年9月調(diào)查區(qū)湖體水位偏低；有些湖區(qū)如南磯山等 3個(gè)湖泊的沉水植物種類較豐富，而龍口與白沙洲等湖區(qū)則較少發(fā)現(xiàn)活體沉水植物。

對(duì)各湖區(qū)水體不同重金屬污染進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)上述4個(gè)湖區(qū)水體ρ(Cu)或ρ(Cd)存在一定差異性且兩者表現(xiàn)一致：白沙洲>龍口>吳城>南磯山；各湖區(qū)水體 ρ(Pb)的差異則表現(xiàn)為：白沙洲>龍口>南磯山≈吳城?？傮w分析表明：白沙洲水體重金屬污染最高，其次為龍口或吳城，污染最低的區(qū)域?yàn)槟洗壣健?/p>

對(duì)上述6個(gè)小湖泊中34個(gè)樣方各重金屬含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鄱陽(yáng)湖水體各重金屬含量的相關(guān)性Table 2 Correlation of heavy metalsof water in Poyang Lake

由表2可知，ρ(Cu)與ρ(Pb)、ρ(Cd)之間存在極顯著相關(guān)性（P<0.01)，ρ(Pb)與 ρ(Cd)也存在顯著相關(guān)，可推測(cè)鄱陽(yáng)湖水體重金屬污染的來(lái)源相似，特別是Cu與Pb的來(lái)源相似，樂(lè)安河有較多礦產(chǎn)開(kāi)采產(chǎn)生含重金屬?gòu)U水流入，且Pb與Cu多伴生而存在。

2.2 鄱陽(yáng)湖不同區(qū)域底泥重金屬含量

對(duì)研究區(qū)水環(huán)境中各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)水體下底泥樣品進(jìn)行重金屬含量的測(cè)定，分別計(jì)算各湖區(qū)各重復(fù)小樣方的變化范圍及其平均值，并與鄱陽(yáng)湖底泥的背景值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表3 鄱陽(yáng)湖底泥重金屬含量變化范圍及平均值Table 3 Ranges and averages of heavy metals contents in the sediments of Poyang Lake mg·kg-1

上述各湖區(qū)樣點(diǎn)中，除南磯山3個(gè)湖泊與朱市湖底泥中 w(Cd)低于背景值外，其他樣點(diǎn)底泥的w(Cu)、w(Pb)與 w(Cd)等各值均高于背景值，底泥中w(Cu)、w(Pb)與w(Cd)的最大值均出現(xiàn)在龍口。龍口區(qū)域底泥中的3種重金屬含量均高于2012年的研究結(jié)果（簡(jiǎn)敏菲等，2013），表明龍口底泥重金屬污染呈加重趨勢(shì)。與弓曉峰等（2006）2003年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：2013年龍口湖區(qū)底泥中w(Cu)和w(Pb)高于2003年；而2013年南磯山各樣點(diǎn)底泥中3種重金屬w(Cu)、w(Pb)和w(Cd)均低于2003年。引起這些反常的原因可能是南磯山濕地自從建立自然保護(hù)區(qū)后，濕地水生植被及濕地生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，且大部分湖區(qū)均有沉水植物分布，沉水植物對(duì)重金屬有吸附和富集作用（李國(guó)新等，2011；焦軼男和朱宏，2014；顏昌宙和曾阿妍，2009）。調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)龍口近年來(lái)受頻繁的采砂活動(dòng)影響甚嚴(yán)重，加劇了湖區(qū)的重金屬污染，因在相關(guān)文獻(xiàn)中提到底泥中可提取態(tài)的重金屬占總量比例越高，重金屬越易釋放造成二次污染（陳春霄等，2011；王鳴宇等，2010）；本研究底泥樣主要指湖泊的表層沉積物，而采砂活動(dòng)可能會(huì)促進(jìn)底泥沉積物中可提取態(tài)重金屬重新釋放，隨后經(jīng)過(guò)沉降等過(guò)程再形成沉積物，從而導(dǎo)致湖區(qū)表層沉積物重金屬含量的增加。

南磯山3個(gè)湖泊底泥中重金屬含量平均值均較接近，與水體情況表現(xiàn)一致，即 w(Cu)和 w(Cd)均是4個(gè)湖區(qū)樣點(diǎn)中最低（除w(Pb)外）。各湖區(qū)底泥中 w(Pb)的差異表現(xiàn)為：龍口>南磯山>吳城>白沙洲，4個(gè)湖區(qū)樣點(diǎn)中底泥重金屬污染較嚴(yán)重的屬龍口區(qū)域。

表4 地累積指數(shù)Igeo與污染程度分級(jí)Table 4 Index of Geo accumulation and series of degree

2.3 底泥重金屬污染評(píng)價(jià)

2.3.1 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)底泥中3種重金屬Cu、Pb、Cd等含量的測(cè)定值及背景值計(jì)算地累積指數(shù)，與地累積污染程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（余輝等，2011）進(jìn)行比較，結(jié)果如表4，比較各樣點(diǎn)重金屬的地累積指數(shù)與污染程度分級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，大部分樣點(diǎn)底泥中Cu、Pb的地累積指數(shù)小于 2，屬于偏中度或輕度污染；而 Cd污染最輕，除個(gè)別樣點(diǎn)的地累積指數(shù)大于0外，其余樣點(diǎn)皆小于0，屬于清潔等級(jí)。Cu、Pb兩種重金屬元素在不同區(qū)域的地累積指數(shù)大小差異較大（各樣點(diǎn)Cd的污染程度均為清潔），各樣點(diǎn)Cu的地累積指數(shù)大小次序?yàn)椋糊埧?白沙洲>吳城>南磯山，龍口有樣點(diǎn)Cu的污染程度達(dá)到偏重度；各樣點(diǎn)Pb的地累積指數(shù)大小次序?yàn)椋糊埧?南磯山>吳城>白沙洲。綜合比較龍口與其它湖區(qū)樣點(diǎn)，重金屬的地累積指數(shù)值相對(duì)較高一些，反映出龍口地區(qū)的重金屬在底泥中的累積較嚴(yán)重。

表5 各采樣點(diǎn)重金屬的地累積指數(shù)Igeo與級(jí)數(shù)Table 5 Igeo and Series of Igeo in high-water and low-water periods in each sampling site

針對(duì)不同重金屬種類進(jìn)行分析，Cu污染屬于偏中度污染或以上的樣點(diǎn)占所有樣點(diǎn)比例的73.73%，Pb、Cd所占比例分別為48.48%和0。總體結(jié)果表明，3種重金屬在采樣區(qū)底泥中的累積程度為：Cu>Pb>Cd。

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表 3中各樣點(diǎn)底泥中重金屬含量測(cè)定值，分別計(jì)算各采樣點(diǎn)綜合參數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)以及各單因子污染參數(shù)與潛在風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表6。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Cif、Eir和RI值（邴海健等，2010；萬(wàn)金保等，2008）相對(duì)應(yīng)的污染程度，結(jié)果如表7。

表6 采樣點(diǎn)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及單因子污染參數(shù)Table 6 Index of potential risk and single factor pollution parameters insampling sites

表7 Cif、Eir和RI值相對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 7 Values of Cif, Eir, RI and the corresponding class of pollution and potential ecological risk

比較表6中各重金屬單因子污染指數(shù)Cif值：龍口區(qū)域底泥中Cu的污染程度已達(dá)到嚴(yán)重，其他個(gè)各湖（除常湖外）底泥中CCu都在3左右，屬于重度；Cd因子的污染程度除龍口和白沙洲兩個(gè)區(qū)域?yàn)橹卸韧?，其他研究區(qū)均為輕度；南磯山和龍口地區(qū)的 Pb污染程度表現(xiàn)為重度，其余區(qū)域?yàn)橹卸?。不同研究區(qū)的單因子污染參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為兩種：南磯山3個(gè)湖泊的單因子污染參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為CPb>CCu>CCd；其余3個(gè)地區(qū)各采樣點(diǎn)的污染程度為CCu>CPb>CCd。

單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)Eir值顯示，南磯山3個(gè)湖泊底泥Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，其他樣點(diǎn)Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小，各樣點(diǎn)Cu、Pb和Cd的Eir值均小于40，屬輕度污染。比較各樣點(diǎn)底泥的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) RI值，除龍口的評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為中度污染外，其余均為輕度污染。各區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為：RI（龍口）>RI（白沙洲）>RI（吳城）>RI（南磯山），因南磯山各湖區(qū)沉水植物比較豐富，且沉水植物對(duì)重金屬具有富集作用（潘義宏等，2010；薛培英等，2014），可推測(cè)是其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最低的原因之一。

與地累積指數(shù)進(jìn)行比較，研究區(qū)底泥的重金屬污染程度Cd最小，而潛在生態(tài)危害程度不太穩(wěn)定，雖然兩者均采用鄱陽(yáng)湖的底泥背景值做參考，但潛在生態(tài)危害指數(shù)還考慮到不同重金屬的毒性參數(shù)，Cd的生物毒性效應(yīng)最大（Ti=30），而Cu與Pb的生物毒性效應(yīng)較低（Ti=5）。兩種評(píng)價(jià)方法均顯示，除龍口表現(xiàn)為中度污染外，其它區(qū)域的污染程度均在中度以下。兩種評(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)雖不同，地累積指數(shù)側(cè)重于各類重金屬與背景值的對(duì)比，反映各種外源重金屬污染的累積程度；而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法考慮到重金屬含量的同時(shí)也考慮到不同重金屬的生物毒性，但二者的評(píng)價(jià)結(jié)果相似，同時(shí)又可以相互補(bǔ)充與驗(yàn)證。

2.4 沉水植物群落結(jié)構(gòu)

鄱陽(yáng)湖4個(gè)研究區(qū)的沉水植物調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)11種沉水植物，隸屬7科9屬，其中包括3種具有水上葉與沉水葉的水生植物：穗狀狐尾藻（Myriphyllum spicatum）、輪葉狐尾藻（Myriphyllum veticillatum）與石龍尾（Limnophila sessiliflora）。以上沉水植物絕大所數(shù)分布在南磯山與吳城，在龍口只發(fā)現(xiàn)少量漂浮的竹葉眼子菜（Potamogeton malaiaus），白沙洲發(fā)現(xiàn)較多已枯萎的苦草（Vallisneria natans），其它物種未發(fā)現(xiàn)。此外，在南磯山還發(fā)現(xiàn)荇菜（Nymphoides peltatum）、菱（Trapa bispinosa）、芡實(shí)（Euryale ferox）等浮葉植物。對(duì)南磯山與吳城部分湖泊的沉水植物群落及物種的調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表8，并對(duì)南磯山白沙湖、三泥灣、常湖和吳城朱市湖等4個(gè)典型湖泊沉水植物物種優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

表8 研究區(qū)各樣點(diǎn)沉水植物的種類與分布Table 8 Species and distribution of submerged macrophytes in the sampling sites of study areas

圖3 鄱陽(yáng)湖研究區(qū)典型湖泊沉水植物的優(yōu)勢(shì)度Fig. 3 Species dominance of submerged macrophytes in the typical lakes in Poyang Lake

從表8可知，南磯山3個(gè)湖泊的優(yōu)勢(shì)植物為苦草、黑藻和小茨藻；吳城朱市湖的優(yōu)勢(shì)種為石龍尾和水車(chē)前。4個(gè)湖區(qū)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的沉水植物主要有苦草、黑藻、小茨藻與水車(chē)前等4種沉水植物，均在鄱陽(yáng)湖各湖區(qū)廣泛分布，與張萌等（2013）研究中所調(diào)查的植物相比，除多年生的微齒眼子菜未發(fā)現(xiàn)外，其余物種皆有出現(xiàn)；苦草和黑藻為優(yōu)勢(shì)植物，與之相一致，且發(fā)現(xiàn)水車(chē)前和大茨藻等較罕見(jiàn)的物種。但與 2001年彭映輝等（2003）的調(diào)查相比，科、屬基本一致，但植物的種類相對(duì)少一些，如眼子菜屬僅有竹葉眼子菜。反映出鄱陽(yáng)湖的沉水植物種類組成相對(duì)較穩(wěn)定，而種類減少的可能原因是受人工過(guò)度捕魚(yú)的影響，沉水植物的分布范圍正在進(jìn)一步縮??；有些物種已較罕見(jiàn)，且本次調(diào)查的時(shí)間與范圍比彭映輝等（2003）2001年的少。

2.4.1 沉水植物群落及物種多樣性

群落的物種多樣性是其重要特征，研究任何一種干擾因子對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響都需要分析其物種多樣性，多樣性指數(shù)是在物種水平上多樣性和異質(zhì)性程度的度量，均勻度指數(shù)反映各群落中物種分布的均勻程度。采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）和 Pielou均勻度指數(shù)（J）計(jì)算南磯濕地與吳城等相關(guān)湖泊沉水植物物種多樣性，結(jié)果如表9。

表9 4個(gè)典型湖泊沉水植物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)Table 9 The Shannon-Wiener diversity index and Pielou venness index of submerged macrophytes in the four lakes of Poyang Lake

從表9可以看出，4個(gè)湖泊的Shannon-Winner指數(shù)較接近，以三泥灣的 Shannon-Winner指數(shù)較大，其次為白沙湖和常湖，朱市湖。而均勻度與多樣性指數(shù)有一定差異，常湖的均勻度指數(shù)最低，朱市湖的較高。一般情況下，具有單優(yōu)和寡優(yōu)勢(shì)種的群落其均勻度較小，具有多優(yōu)或優(yōu)勢(shì)不明顯的群落均勻度較大（王正文等，2002）。這與圖 3中顯示的沉水植物優(yōu)勢(shì)度情況相吻合，反映出白沙湖的多樣性雖高，但分布不均勻?？傮w上，南磯濕地沉水植物多樣性較豐富，但物種均勻程度較低，以水鱉科的苦草與黑藻及茨藻科的小茨藻為主。

2.5 水體與底泥重金屬污染對(duì)沉水植物群落的影響

底泥重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)綜合了重金屬的生物毒性與沉積特征，利用該指數(shù)能更好地反映底泥重金屬對(duì)沉水植物群落的影響。因此，本研究采用底泥重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與水體重金屬含量共同研究水土環(huán)境中重金屬污染對(duì)沉水植物的影響。

2.5.1 重金屬污染對(duì)沉水植物鮮重的影響

根據(jù)表 8中的結(jié)果，黑藻、苦草、水車(chē)前與小茨藻在 4個(gè)湖泊皆有出現(xiàn)，因此，本文分別測(cè)定各樣點(diǎn)中上述 4種沉水植物的鮮重，對(duì)上述 4個(gè)湖泊中所有樣點(diǎn)的黑藻、苦草、水車(chē)前與小茨藻的鮮重與底泥重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Eir）、底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）及水體重金屬含量（Wi）等進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表10。

表10 重金屬污染與沉水植物鮮重的相關(guān)性Table 10 Correlation of heavy metals pollution and fresh weight of submerged macrophytes

上述結(jié)果表明，水體重金屬含量或底泥重金屬各因子與不同沉水植物生物量間的顯著相關(guān)性不明顯，僅有底泥中Cd單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與黑藻鮮重呈顯著負(fù)相關(guān)性但相關(guān)系數(shù)較小（r=0.453）；水中重金屬Cu含量與水車(chē)前鮮質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（r=0.815），由于Cu是植物生長(zhǎng)的其他微量元素之一，且水中Cu的污染相對(duì)最小，水體中的Cu在一定條件下能促進(jìn)水車(chē)前的生長(zhǎng)；除上述兩種情況外，重金屬與沉水植物鮮質(zhì)量的相關(guān)性均不顯著，且相關(guān)系數(shù)均較小。其中水體中的鎘與黑藻、苦草和水車(chē)前的鮮質(zhì)量相關(guān)系數(shù)較小（r=0.127，0.126和0.094），與許秋瑾等（2006）研究水體中Cd的質(zhì)量濃度均低于0.1 mg·L-1時(shí)，鎘對(duì)黑藻的脅迫不明顯的研究結(jié)果以及張飲江等（2012）研究水體中Cd的質(zhì)量濃度在0～5 μg·L-1、pH 7.5時(shí)，苦草基本能正常生長(zhǎng)的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果等相一致；在徐勤松等（2001）的研究中水車(chē)前在0.1 mg·L-1處理下抗氧化酶（CAT和POD）會(huì)出現(xiàn)一抗性峰，而南磯山與吳城水體中 Cd質(zhì)量濃度在 0.3 μg·L-1以內(nèi)，因此其與水車(chē)前的相關(guān)性較小。

2.5.2 重金屬污染對(duì)沉水植物多樣性的影響

將所有樣點(diǎn)的 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Pielou均勻度指數(shù)（J）與水體重金屬含量、底泥重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表11所示。

底泥和水體重金屬與沉水植物多樣性以及底泥重金屬與均勻度的相關(guān)系數(shù)大小依次均為：Cu>Pb>Cd；而水體重金屬與均勻度的相關(guān)系數(shù)的大小依次為：Pb>Cu>Cd；Cd與沉水植物的多樣性與均勻度指數(shù)的相關(guān)性最小，原因是Cd的毒性雖大，但含量很小，因此其對(duì)沉水植物群落的影響較小。沉水植物的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與水體重金屬含量、底泥重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等均無(wú)顯著相關(guān)性，且各相關(guān)系數(shù)均較??；但總體上水體重金屬與沉水植物 2個(gè)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于底泥，可能原因是沉水植物的植株浸沒(méi)在水體中。

表11 重金屬污染與沉水植物多樣性、均勻度的相關(guān)性Table 11 Correlation of heavy metals pollution and the species diversity of submerged macrophytes

綜合上述，除個(gè)別情況外，水體和底泥重金屬污染對(duì)沉水植物的鮮重和物種多樣性的影響不顯著，其原因可能是南磯山與吳城湖泊底泥重金屬的潛在生態(tài)危害為輕度污染；沉水植物可通過(guò)合成植物肽、改變重金屬在植物組織中的分布等策略，從而對(duì)重金屬有一定的耐受性與抗性（Elisa等，2013）；相關(guān)文獻(xiàn)表明黑藻與苦草對(duì)重金屬Cu、Pb、Cd具有吸附和耐受性，加上本身的植物生長(zhǎng)特性如苦草地下莖繁殖力強(qiáng)，種子萌發(fā)率高等及黑藻生長(zhǎng)范圍廣，可無(wú)性繁殖等特點(diǎn)，使得黑藻與苦草成為分布較廣的種類（顏昌宙和曾阿妍，2009；焦軼男和朱宏，2014；李國(guó)新等，2011；張飲江等，2012）；不同形態(tài)的重金屬對(duì)植物有不同生物有效性和毒性，其中以弱酸溶解態(tài)中的水溶態(tài)與可交換態(tài)的生物有效性和毒性最強(qiáng)（盧少勇等，2010；王鳴宇等，2010；Fan等，2002），而本研究的重金屬含量表示重金屬的總量，可能可提取態(tài)重金屬比例不多。下一步將對(duì)不同形態(tài)重金屬對(duì)沉水植物的影響來(lái)研究重金屬對(duì)沉水植物群落的影響。

3 結(jié)論

1）鄱陽(yáng)湖研究區(qū) 4個(gè)湖泊的水體重金屬含量（除白沙洲的ρ(Pb)外），均未超過(guò)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。且各湖區(qū)水體中ρ(Cu)、ρ(Pb)與ρ(Cd)最高值均出現(xiàn)在湖區(qū)東部的白沙洲。水體中 ρ(Cd)含量最低，各樣點(diǎn)水體ρ(Cd)與南磯山水體中的ρ(Cu)和ρ(Pb)平均值均在Ⅰ類水的范圍內(nèi)。

2）地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)等不同評(píng)價(jià)方法對(duì)各樣點(diǎn)底泥中重金屬污染程度的評(píng)價(jià)結(jié)果表明：龍口湖區(qū)底泥重金屬污染程度為中度，是重金屬污染最嚴(yán)重的區(qū)域，其余區(qū)域的污染程度均為中度以下。南磯山3種重金屬元素的地積累指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與其單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)一致：Pb>Cu>Cd；其它樣區(qū)地積累指數(shù)最小的均為Cd，而單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)最小的為Pb，不同區(qū)域重金屬的污染情況有所不同。

3）野外調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)11種沉水植物，隸屬7科9屬，南磯山各湖的優(yōu)勢(shì)植物有苦草、黑藻和小茨藻；吳城朱市湖的優(yōu)勢(shì)植物為石龍尾與水車(chē)前。4個(gè)湖泊群落物種多樣性指數(shù)（H）的大小次序?yàn)椋喊咨澈?三泥灣>常湖>朱市湖；均勻度指數(shù)（J）的大小次序?yàn)椋褐焓泻?三泥灣>白沙湖>常湖。可見(jiàn)，南磯山濕地沉水植物的物種多樣性高，但分布不均勻，主要為黑藻、苦草與小茨藻。除底泥中Cd的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與黑藻鮮質(zhì)量呈顯著負(fù)相關(guān)性但相關(guān)系數(shù)較小與水中重金屬Cu含量與水車(chē)前鮮質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)外，水體和底泥重金屬污染對(duì)沉水植物的鮮質(zhì)量和物種多樣性的影響均不顯著；總體上水體重金屬污染比底泥對(duì)沉水植物群落的影響更大，其中Cd對(duì)沉水植物群落的影響最小。因此，對(duì)鄱陽(yáng)湖沉水植物的生長(zhǎng)及其影響因素還有待更深入的研究。

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Heavy Metals Pollution on the Water and Sediments and Its Influence on the Submerged Macrophyte Community in the Wetland of Poyang Lake

JIAN Minfei1,2*, LI Lingyu1, YU Houping1, XIONG Jianqiu3, YU Guanjun4
1. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 2. College of Life Science, Jiangxi Normal University, Jiangxi Provincial Key Lab of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources, Nanchang 330022, China; 3. Science and Technology Department, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 4. Jiangxi Nanji Wetland National Nature Reserve Bureau, Nanchang 330009, China

Based on the typical wetland included Nanji Wetland, Wucheng National Nature Reserve, Baishazhou National Wetland Park and Longkou Wetland of Poyang Lake, we investigated the submerged macrophyte communities and sampled the water and sediment specimens in September of 2013. We also determined the contents of copper, lead and cadmium in water and sediment specimens and evaluated the heavy metals pollution in sediments by using both the Geo-accumulation index methods and the potential ecological risk index methods. According to the census data of submerged plant communities, we calculated the submerged macrophyte community structure by using both Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index, and analyzed the correlation of the biomass and diversity of submerged plants and the heavy metals pollution in the water and sediment with Pearson correlation analysis. We also aimed to reveal the status of heavy metal pollution in the wetland of Poyang Lake and explore the influence of copper, lead and cadmium on submerged macrophytes in order to prevent and control the pollution of heavy metals and protect and restore the submerged macrophytes preferably. The results indicated that the highest content of heavy metals in water and sediment samples is Lead. All heavy metals in the water specimens were lower than the surface water environmental quality standard of class Ⅲ criterion except the content of lead in the sampling sites of Baishazhou. The highest content of heavy metals in the water of the sampling sites was in Baishazhou National Wetland Park located in the east of Poyang Lake, and the contents values of ρ(Cu), ρ(Pb) and ρ(Cd) were 50.826 μg·L-1, 68.660 μg·L-1and 0.337 μg·L-1separately, while the lowest content of heavy metals in Nanji Wetland which located in the southwest of Poyang Lake, and the contents values of ρ(Cu), ρ(Pb) and ρ(Cd) were 4.316 μg·L-1, 7.301 μg·L-1and 0.167 μg·L-1separately. The results indicated that Longkou was the severest heavy metal-polluted areas in sediments, probably because the water from the downstream of Lean River. But some differences exist in both evaluation methods: the Geo-accumulation index showed moderate pollution or light pollution in the sediments for all sampling sites, while the potential ecological risk index showed slight pollution in the sediments in all sampling sites. On the other hand, there were 11 submerged macrophyte species in 7 families and 9 genera in the investigated areas. The species diversity of submerged macrophytes in Nanji wetland was rich but the evenness of species distribution was relatively low. The results of Pearson correlation analysis suggested that there was no significant correlation among the biomass, species diversity and the heavy metal contents in the water and sediments.

Poyang Lake; submerged macrophytes; heavy metals pollution; community structure; geo accumulation index; potential ecological risk index

X52

A

1674-5906（2015）01-0096-10

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.015

簡(jiǎn)敏菲，李玲玉，余厚平，熊建秋，余冠軍. 鄱陽(yáng)湖濕地水體與底泥重金屬污染及其對(duì)沉水植物群落的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(1): 96-105.

JIAN Minfei, LI Lingyu, YU Houping, XIONG Jianqiu, YU Guanjun. Heavy Metals Pollution on the Water and Sediments and Its Influence on the Submerged Macrophyte Community in the Wetland of Poyang Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 96-105.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161035；41461042）；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAC13B02）；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20133BBG70005）

簡(jiǎn)敏菲（1969年生），女，教授，博士，從事鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)過(guò)程與環(huán)境評(píng)價(jià)研究。E-mail: jianminfei0914@163.com *通信作者

2014-11-23