江蘇省五大湖泊水體重金屬的監(jiān)測與比較分析*

王　偉，樊祥科，黃春貴，鄭　浩，陳志軍，樊寶洪，徐辰武

(1：揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，揚州 225009)(2：江蘇省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，南京 210036)(3：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，北京 100081)

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江蘇省五大湖泊水體重金屬的監(jiān)測與比較分析*

王偉1，樊祥科2，黃春貴2，鄭浩2，陳志軍3，樊寶洪2，徐辰武1

(1：揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，揚州 225009)(2：江蘇省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，南京 210036)(3：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，北京 100081)

2001-2011年(不含2004年)10年間對江蘇省五大湖泊(太湖、滆湖、洪澤湖、高寶邵伯湖和駱馬湖)的水體重金屬濃度進行長期定點監(jiān)測，按系統(tǒng)分組資料進行方差分析，以比較各重金屬濃度在湖泊間的差異顯著性，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用多指標(biāo)綜合評價法(TOPSIS法)對5個湖泊水體重金屬進行綜合比較. 結(jié)果表明：除銅濃度外，5個湖泊間鉛、鎘、汞和砷4個指標(biāo)濃度均存在極顯著差異；5種重金屬濃度湖泊內(nèi)站位間均差異不顯著；鉛、鎘和汞濃度站位內(nèi)年份間差異顯著或極顯著. TOPSIS分析結(jié)果表明，總體而言高寶邵伯湖水體重金屬污染程度最小，駱馬湖水體重金屬污染程度最大，洪澤湖、太湖和滆湖水體重金屬污染綜合評價優(yōu)劣相當(dāng).

漁業(yè)水質(zhì)；重金屬；太湖；滆湖；洪澤湖；高寶邵伯湖；駱馬湖

湖泊是地表生態(tài)系統(tǒng)中人類賴以生存的自然單元之一，在供水、防洪、養(yǎng)殖、旅游、航運和維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著巨大的作用. 數(shù)十年來，隨著我國人口增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，加之湖泊水資源的過度開發(fā)，使得湖泊水資源短缺、水環(huán)境惡化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問題日益凸顯，已嚴重威脅到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人類健康[1].

水環(huán)境是一個開放和動態(tài)的體系，其中生物與非生物環(huán)境是相互關(guān)聯(lián)和相互作用的[2]. 隨著現(xiàn)代物質(zhì)文明的飛速發(fā)展，人類活動向水環(huán)境中排放的污染物中包含的重金屬也日益增多. 重金屬元素在水環(huán)境中的累積，對水生動物的生長發(fā)育、種族繁衍等一系列生命活動造成了極大的威脅. 如重金屬汞(Hg)、鎘(Cd)、銅(Cu)等，其污染特點是來源廣、殘留時間長、具有累積性、能沿食物鏈轉(zhuǎn)移、污染后不易被發(fā)現(xiàn)和難以恢復(fù)等，嚴重地危害著漁業(yè)水環(huán)境和水生生物，也對人類健康造成潛在威脅.

江蘇是我國淡水湖泊分布集中的省(區(qū))之一. 現(xiàn)有太湖、滆湖、洪澤湖、高寶邵伯湖和駱馬湖5個省管湖泊，其中對于太湖和洪澤湖的研究是國內(nèi)研究的熱點[3-9]. 多年來，主管部門雖然對這五大湖泊的增殖區(qū)、保護區(qū)、網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)和進出湖河道等功能區(qū)開展?jié)O業(yè)環(huán)境監(jiān)測，但對這5個湖泊大量的漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)還缺乏系統(tǒng)分析. 因此，采用現(xiàn)代統(tǒng)計分析技術(shù)從這些監(jiān)測數(shù)據(jù)中挖掘出該地區(qū)湖泊水質(zhì)的變化規(guī)律，不但可以為當(dāng)?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，還可以為該地區(qū)行業(yè)發(fā)展政策制定提供技術(shù)支撐.

多指標(biāo)綜合評價法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)也叫逼近于理想解的技術(shù)，由Hwang和Yoon于1981年首次提出，是系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析常用的決策方法，其方法的核心思想是通過先定義決策問題的理想解與負理想解，然后比較評價方案與理想解和負理想解的距離遠近，最后計算各個方案與理想解的相對貼近度，進行方案的優(yōu)劣排序. TOPSIS法對數(shù)據(jù)分布及樣本量、指標(biāo)多少無嚴格限制，數(shù)學(xué)計算亦不復(fù)雜，既適用于少樣本資料，又適用于多樣本的大系統(tǒng)，已在醫(yī)療、經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[10-11]. 以往的漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)僅以簡單的柱形圖描述各監(jiān)測指標(biāo)是否超標(biāo)，無統(tǒng)計學(xué)證據(jù)支撐. 目前，基于長期定位監(jiān)測數(shù)據(jù)的江蘇省主要湖泊水質(zhì)重金屬的比較分析與綜合評價，亦未見相關(guān)文獻報道.

本文首次利用系統(tǒng)分組資料方差分析方法對江蘇多年定位監(jiān)測的5個湖泊水體的重金屬數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以鑒別湖泊間、湖泊內(nèi)站位間和站位內(nèi)年份間的差異顯著性，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用TOPSIS法對5個湖泊水體重金屬進行綜合對比分析，并對它們的變化規(guī)律進行總結(jié).

1　材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

2001-2011年(不含2004年)間，由江蘇省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站統(tǒng)一采集水樣. 采樣時間上半年在4月份，下半年在10月份，5個湖泊采樣時間基本一致. 取重金屬水樣500 ml放于潔凈的聚乙烯瓶中，之后加入適量硝酸保存，同時用采集的空白樣品和10%以上的平行樣進行質(zhì)量控制(QC控制). 其中，太湖共監(jiān)測413站次，滆湖共監(jiān)測183站次，洪澤湖共監(jiān)測205站次，高寶邵伯湖共監(jiān)測221站次，駱馬湖共監(jiān)測142站次. 其監(jiān)測站位見圖1.

圖1 太湖(A)、滆湖(B)、洪澤湖(C)、高寶邵伯湖(D)和駱馬湖(E)監(jiān)測站位示意Fig.1　Sketch maps showing the location of sampling points in Lake Taihu (A), Lake Gehu (B)， Lake Hongze (C), Lake Gaobaoshaobo (D) and Lake Luoma (E)

1.2樣品測定

樣品在硫酸-過硫酸鉀體系中消解后，測定Hg濃度，加入抗壞血酸-硫脲后測定As濃度，兩者均采用AFS-230a原子熒光光度計測定. 采用SpectrAA220原子吸收分光光度計測定Cu、Pb和Cd濃度. 分析質(zhì)量使用試劑空白及平行樣進行控制，加標(biāo)回收來控制樣品測定的準(zhǔn)確性，結(jié)果均符合質(zhì)控要求.

1.3統(tǒng)計分析方法

1.3.1系統(tǒng)分組資料方差分析以湖泊作為組，湖泊內(nèi)監(jiān)測站位作為組內(nèi)亞組，站位內(nèi)年份作為小亞組，進行三級系統(tǒng)分組資料方差分析以比較各重金屬指標(biāo)在不同湖泊間的差異顯著性.

2　結(jié)果與分析

2.110年內(nèi)五大湖泊重金屬分布特征

10年內(nèi)，江蘇省五大湖泊Cu濃度的平均數(shù)為4.54 μg/L，中位數(shù)為2.86 μg/L，眾數(shù)為2.00 μg/L；Pb濃度平均數(shù)為4.03 μg/L，中位數(shù)為2.50 μg/L，眾數(shù)為0.50 μg/L；Cd濃度平均數(shù)為1.02 μg/L，中位數(shù)為0.50 μg/L，眾數(shù)為0.005μg/L；Hg濃度平均數(shù)為0.118 μg/L，中位數(shù)為0.075 μg/L，眾數(shù)為0.062 μg/L；砷濃度平均數(shù)為2.84 μg/L，中位數(shù)為2.66 μg/L，眾數(shù)為2.03 μg/L. 匯總五大湖泊水體重金屬的數(shù)據(jù)，其中均是眾數(shù)<中位數(shù)<平均數(shù)，可知5種重金屬濃度呈右偏態(tài)分布(圖2).

圖2 江蘇省五大湖泊水體中重金屬Cu、Pb、Cd、Hg和As濃度分布直方圖Fig.2　The histogram of Cu，Pb，Cd，Hg and As concentrations in water of the five lakes in Jiangsu Province

2.2五大湖泊漁業(yè)水質(zhì)重金屬指標(biāo)的理化特征

分別對不同湖泊水體重金屬監(jiān)測數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，可以得到其指標(biāo)特征(表1).

由表1可知，江蘇省五大湖泊10年間水體重金屬Cu、Pb、Cd、Hg、As的平均濃度均符合《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，但是相對變異均較大，尤其是Cu濃度的最大值已超過《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]. 說明重金屬監(jiān)測過程中個別年份個別站位重金屬污染較重，存在極端大值的影響.

表1　2001-2011年江蘇省五大湖泊水體中重金屬濃度基本統(tǒng)計量

2.3五大湖泊水體重金屬指標(biāo)差異顯著性比較

采用系統(tǒng)分組資料方差分析方法對上述重金屬指標(biāo)進行方差分析，結(jié)果表明：湖泊水體中除Cu濃度外，其他4種重金屬濃度5個湖泊間均差異極顯著，這可能與湖泊周圍環(huán)境條件的差異、入湖污染物的排放以及農(nóng)田農(nóng)藥化肥的施用有關(guān). 另外，湖泊內(nèi)站位間各重金屬濃度的差異均不顯著. Pb、Cd、Hg濃度站位內(nèi)年份間差異顯著或極顯著，說明它們年際變化均不穩(wěn)定，Cu和As濃度站位內(nèi)年份間差異不顯著(表2).

進一步對湖泊間差異顯著或極顯著的重金屬濃度進行多重比較，結(jié)果見表3.

多重比較結(jié)果表明：駱馬湖水體Pb濃度最高，為8.54 μg/L，與其他4個湖泊間差異顯著. 洪澤湖Cd濃度最高為1.44 μg/L，與太湖和高寶邵伯湖差異不顯著，與滆湖和駱馬湖差異顯著. 駱馬湖Hg濃度最高為0.19 μg/L，與洪澤湖差異不顯著，與其他3個湖泊差異顯著. 太湖As濃度最高為10.40 μg/L，與其他4個湖泊差異顯著，其他4個湖泊間差異不顯著.

表2　江蘇省五大湖泊水體中重金屬濃度方差分析結(jié)果1)

1)df、MS、F分別代表方差分析中的自由度、均方和測驗統(tǒng)計量F值；**表示差異極顯著；*表示差異顯著.

表3 江蘇省五大湖泊漁業(yè)水質(zhì)重金屬濃度多重比較結(jié)果

a、b、c代表平均數(shù)間的差異顯著性，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著.

2.410年內(nèi)五大湖泊重金屬變化趨勢

10年間，Cu濃度在江蘇省五大湖泊間具有相同的變化趨勢，5個湖泊基本上在2002年前后出現(xiàn)最大值，近幾年Cu濃度有所下降，說明可能2002年前后5個湖泊均有含Cu污染物的排入，導(dǎo)致Cu濃度的增高. As濃度在5個湖泊間也具有相同的變化趨勢，5個湖泊基本上在2006年前后出現(xiàn)最大值，近幾年As濃度有所下降，說明在2006年前后5個湖泊可能均有含As污染物的排入，隨著水體的流動和更替，As濃度近幾年來有所下降. 而5個湖泊Pb濃度2007年以來相對較高，其平均濃度明顯高于2006年之前. 5個湖泊2003-2006/2007年Hg濃度也高于其他年份. 10年內(nèi)5個湖泊Cd濃度變化趨勢無明顯規(guī)律(表3).

表4 江蘇省五大湖泊水體中重金屬指標(biāo)歸一化結(jié)果

表5 江蘇省五大湖泊水體中重金屬綜合評價結(jié)果

2.5五大湖泊水質(zhì)重金屬綜合評價

采用TOPSIS法進行分析時，將同趨勢化后的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，并建立相應(yīng)的歸一化數(shù)據(jù)矩陣(表4).

由表4可知最優(yōu)值向量A+和最劣值向量A-分別為A+=min(0,0,0,0,0)和A-=max(1,1,1,1,1).

計算各重金屬指標(biāo)值與最優(yōu)方案和最劣方案的距離，以及與最優(yōu)方案的相對接近程度(Ci)，并按Ci值大小對各水體進行排序. Ci值越小，說明重金屬污染越輕；反之，污染越重. 由表5可知：高寶邵伯湖Ci值(0.5091)最小，駱馬湖Ci值(0.5858)最大，說明總體而言高寶邵伯湖水體重金屬污染程度最小，駱馬湖水體重金屬污染程度最大. 洪澤湖Ci值(0.5226)、太湖Ci值(0.5397)和滆湖Ci值(0.5499)相差不多，說明這3個湖泊重金屬污染綜合評價優(yōu)劣相當(dāng).

3　討論

圖3 江蘇省五大湖泊重金屬濃度年度均值變化趨勢Fig.3　Annual average concentrations of heavy metals in water of the five lakes in Jiangsu Province

在水資源的污染中，重金屬污染影響大，可恢復(fù)難度大，給江蘇省的水環(huán)境帶來很大的破壞. 重金屬污染物進入水中后通過一系列化學(xué)作用遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)，最終以一種或多種形態(tài)長期存留在環(huán)境中，造成永久性的潛在危害[13]. 10年內(nèi)駱馬湖水體Pb和Hg濃度最高，洪澤湖水體Cd濃度最高，太湖水體As濃度最高. 對湖泊沉積物重金屬的已有研究結(jié)果表明，駱馬湖受人為污染影響嚴重的主要是重金屬中的Pb與Cd[14]，洪澤湖底質(zhì)污染為Cd污染[15]，危害太湖生態(tài)安全的主要重金屬元素為As、Cr和Hg[16]. 結(jié)合本研究結(jié)果證實，沉積物與水體中重金屬均可能與外源輸入有關(guān). 而且，五大湖泊水體中Cu和As濃度變化趨勢大致相同(圖3). 已有研究資料表明，太湖不同湖區(qū)/入湖河流水體重金屬濃度存在一定的差異[17]，但是本研究在方差分析的基礎(chǔ)上，綜合五大湖泊的信息，統(tǒng)計推斷出5種重金屬濃度在湖泊內(nèi)站位間均差異不顯著. 然而，江蘇省五大湖泊重金屬污染并未隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的差異呈現(xiàn)由北到南越來越重的趨勢，這可能是由于各湖泊的利用方式不同，湖泊周圍環(huán)境條件不同，以及湖泊監(jiān)管治理的不同，造成了江蘇省五大湖泊水體中重金屬濃度的差異. 但目前由于缺乏諸如湖泊周圍的工業(yè)廢物排放、農(nóng)用化肥使用等一些關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，因此有關(guān)湖泊之間重金屬污染存在差異的原因有待于進一步探討.

水體中的重金屬污染主要來自兩部分：自然源和人為源. 自然源主要是巖石風(fēng)化的碎屑產(chǎn)物，通過自然途徑進入水體中的重金屬一般不會對水體造成污染；人為污染源主要包括采礦和冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、造革和染料、農(nóng)藥和化肥的使用等，是造成水體重金屬污染的主要原因[18]. 由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，排放到水體中的重金屬元素日益增多，水環(huán)境中的污染問題亦日益凸顯. 因此，控制重金屬污染物的排放，改善江蘇湖泊的水環(huán)境現(xiàn)狀，是擺在我們面前無法回避的一項十分迫切和艱巨的任務(wù). 總體而言，10年來江蘇省五大湖泊水體重金屬平均濃度均符合《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，但本文發(fā)現(xiàn)湖泊間、站位內(nèi)的年份間重金屬濃度存在一些差異，有的差異已經(jīng)達到統(tǒng)計學(xué)上顯著的程度，這些結(jié)果可為檢測管理部門以及政府決策提供一些參考信息.

4　結(jié)論

經(jīng)過2001-2011年對江蘇省五大湖泊1164站次長期的定位監(jiān)測，表明五大湖泊水體中Cu、Pb、Cd、Hg和As濃度均符合《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，除Cu濃度外，其他4種重金屬濃度5個湖泊間均差異極顯著，湖泊內(nèi)站位間各重金屬濃度均差異不顯著. 綜合分析結(jié)果表明，高寶邵伯湖水體重金屬污染程度最小，駱馬湖水體重金屬污染程度最大，洪澤湖、太湖和滆湖水體重金屬污染綜合評價優(yōu)劣相當(dāng).

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Monitoring and comparison analysis of heavy metals in the five great lakes in Jiangsu Province

WANG Wei1, FAN Xiangke2, HUANG Chungui2, ZHENG Hao2, CHEN Zhijun3, FAN Baohong2& XU Chenwu1**

(1:CollegeofAgriculture,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,P.R.China)(2:JiangsuFisheryEnvironmentMonitoringCenter,Nanjing210036,P.R.China)(3:InstituteofQualityStandardsandTestingTechnologyforAgro-Products,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,P.R.China)

The long-term localization monitors on heavy metals during the past 10 years from 2001 to 2011 (except 2004) were carried out in water of the five great lakes，including Lakes Taihu, Gehu, Hongze, Gaobaoshaobo and Luoma in Jiangsu Province. Nested data variance analysis was performed in order to compare the difference of heavy metals among the five above-mentioned lakes, and the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution(TOPSIS) method was employed to give a comprehensive assessment of heavy metals. The results indicated that concentrations of Pb, Cd, Hg and As were all very significantly different compared within the lakes except Cu. In addition, the concentrations of the five heavy metals at each monitor station were not significant. Concentrations of Pb, Cd and Hg were significant or very significantly different among years for each station. The TOPSIS results showed that the pollution of heavy metals in water of Lake Gaobaoshaobo was the smallest but was the greatest in Lake Luoma. For the remaining three lakes, the pollutions of heavy metals were almost at the same level.

Fishery water; heavy metal; Lake Taihu; Lake Gehu; Lake Hongze; Lake Gaobaoshaobo; Lake Luoma

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(3)： 494-501

10.18307/2016.0304

?2016 byJournalofLakeSciences

*江蘇省高?！扒嗨{工程”科技創(chuàng)新團隊、江蘇省作物學(xué)優(yōu)勢學(xué)科、農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)財政專項項目和江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX(14)2094)聯(lián)合資助. 2014-09-19收稿；2015-09-15收修改稿. 王偉(1979～)，女，博士研究生; E-mail: stddev@163.com.

**通信作者; E-mail: cwxu@yzu.edu.cn.