鄱陽湖湖口段沉積物重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

馮 敏, 楊曉琴, 陳 玲, 黃 庭

(1.武漢博源中測(cè)檢測(cè)科技有限公司，湖北 武漢 430000；2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院 ，江西 南昌 330000)

鄱陽湖湖口段沉積物重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

馮 敏1, 楊曉琴1, 陳 玲1, 黃 庭2

(1.武漢博源中測(cè)檢測(cè)科技有限公司，湖北 武漢 430000；2.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院 ，江西 南昌 330000)

為了解鄱陽湖與長江交匯區(qū)沉積物中重金屬含量以及各污染物的潛在生態(tài)危害程度，通過采樣分析As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等7種重金屬含量及污染特征分布的基礎(chǔ)上，采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)鄱陽湖底泥中的重金屬污染進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)分析.結(jié)果表明，鄱陽湖湖口段沉積物已經(jīng)受到了不同程度的重金屬污染；沉積物中Cd、Cu和Hg受人為影響比較嚴(yán)重，Cr、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的積累；區(qū)域重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受制于Hg和Cu，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋篐g(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).圖2，表4，參16.

鄱陽湖；沉積物；重金屬；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬污染是一個(gè)極為嚴(yán)峻的環(huán)境問題，其主要特點(diǎn)為污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、污染隱蔽性高、難以被降解[1].重金屬在湖泊中通過生物富集和放大作用轉(zhuǎn)化成具有更強(qiáng)毒性的重金屬化合物，對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生巨大的危害，從而破壞湖泊的生態(tài)環(huán)境并對(duì)人體健康構(gòu)成潛在的影響[2].湖泊沉積物作為湖泊環(huán)境中重金屬的主要儲(chǔ)存庫，可以反映湖泊中重金屬污染的狀況，并對(duì)湖水具有持久影響，同時(shí)沉積物中的重金屬污染物有成為二次污染源的潛在危險(xiǎn)[3].

鄱陽湖地處江西省北部，是中國最大的淡水湖泊，它以贛、撫、信、饒、修5大水系為主體，流域總面積16萬km2.改革開放以來，鄱陽湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口密度大，工礦企業(yè)集中，物資和能源消耗相對(duì)密集，其水體成為各類污染物的接納場(chǎng)所，流域的土壤、底泥、沉積物以及水生動(dòng)植物都面臨著嚴(yán)峻的重金屬污染威脅，這已經(jīng)成為影響該區(qū)域生態(tài)安全的重要問題[4].近年來，鄱陽湖區(qū)域逐漸成為國內(nèi)外湖泊重金屬污染的研究熱點(diǎn)，鄱陽湖及其流域重金屬污染的研究成果較為豐富[5-8]，多見于對(duì)中心湖區(qū)沉積物和流域河流中沉積物中重金屬污染的評(píng)價(jià)報(bào)道，而對(duì)鄱陽湖與長江交匯區(qū)水域沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)重金屬污染評(píng)價(jià)研究尚未開展.因此，以湖口縣鄱陽湖與長江交匯區(qū)域的沉積物為研究對(duì)象，采用文獻(xiàn)[9]的地積累指數(shù)法以及文獻(xiàn)[10]的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)湖口段的沉積物中的重金屬污染特征和潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析區(qū)域重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以期為該區(qū)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 采樣與分析

1.1 區(qū)域背景與采樣點(diǎn)

鄱陽湖位于江西省的北部，長江中下游南岸，115°50′～ 116°44′E,28°25′～ 29°45′N，是一個(gè)過水性、吞吐型、季節(jié)性的湖泊.研究區(qū)域?yàn)檑蛾柡诙问芹蛾柡R入長江的終點(diǎn)，也是長江下游的起點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)丘陵地貌突出，山丘起伏，港汊縱橫，水域?qū)拸V.氣候?qū)儆趤啛釒駶櫺詺夂?，雨量充沛，四季分明，年平均氣?7.4 ℃；最冷月(1月)平均氣溫4.2 ℃，最熱月(7～8)平均氣溫28.8 ℃，常年無霜期258.8天；年平均降水量1 442.5 mm.采樣點(diǎn)空間分布如圖1所示，通過實(shí)地調(diào)查，在充分考慮樣點(diǎn)布局的空間變異基礎(chǔ)上，進(jìn)一步控制結(jié)果的高精度，按照1 km2內(nèi)采集一個(gè)沉積物樣品的標(biāo)準(zhǔn)，使用沉積物采樣器進(jìn)行采樣，共計(jì)采樣21個(gè)點(diǎn).

圖1 研究區(qū)地理位置與采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Location and sampling sites of the study area

1.2 樣品的處理及測(cè)定

2013年10月利用重力采樣器分別在鄱陽湖湖口區(qū)采集湖泊沉積物，樣品共計(jì)21個(gè).樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，放在低溫真空抽濕干燥機(jī)中對(duì)樣品進(jìn)行冷凍干燥48 h，待干燥完成，除去沙石、動(dòng)植物碎片等明顯異物，混合均勻，用瑪瑙碾缽將樣品研細(xì)過100目尼龍篩，用四分法進(jìn)行縮分得到樣品，供重金屬含量分析測(cè)試用.

As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等6種重金屬元素樣品用王水酸化消解后，采用美國PerkinElmer公司電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)定其濃度，利用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液為參考溶液，樣品分析誤差小于±10%.Hg元素用王水酸化消解后采用原子熒光光譜儀(AFS2202E)進(jìn)行測(cè)定.

2 重金屬測(cè)定結(jié)果及污染評(píng)價(jià)

2.1 湖口段沉積物中重金屬含量與分布規(guī)律

2.1.1 鄱陽湖湖口段沉積物中重金屬含量

對(duì)鄱陽湖湖口段沉積物中的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示.表2是鄱陽湖重金屬元素的背景值.

表1 鄱陽湖湖口段沉積物中重金屬含量(單位：mg/kg)

表2 鄱陽湖底質(zhì)重金屬元素含量背景值 (mg/kg)

研究區(qū)域沉積物中7種重金屬元素的含量范圍分別是：As在8.45～18.79 mg/kg、Cd在0.12～0.70 mg/kg、Cr在54.70～101.00 mg/kg、Cu在22.90～57.40 mg/kg、Hg在0.03～0.15 mg/kg、Pb在21.54～49.40 mg/kg、和Zn在50.90～160.60 mg/kg之間.可以看出，研究區(qū)域沉積物重金屬元素含量變化均比較明顯.變異系數(shù)能夠反映總體土壤樣品中各個(gè)采樣點(diǎn)的平均變異程度[11-12].研究區(qū)域沉積物中不同重金屬元素含量的變異差異較大，表層重金屬變異系數(shù)由大到小依次為：Cd(46.1%) > Hg(38.9%)>Cu(27.8%) >Zn(24.0%) > Pb(21.6%) > As(19.8%) > Cr(14.8%).這反映了重金屬在該研究區(qū)域分布的不均質(zhì)性，即變異系數(shù)越大，則該元素在研究區(qū)沉積物中含量分布越不平均，說明受人類活動(dòng)干擾越明顯.此外，有研究表明土壤中元素受人為活動(dòng)影響將產(chǎn)生較大的正偏度[13].從表1中看出，研究區(qū)重金屬元素Cd、Cu和Hg均具有較高的正偏度，這進(jìn)一步表明研究區(qū)土壤中Cd、Cu和Hg受人為影響比較嚴(yán)重.

從重金屬元素的含量來看，除了As和Cd之外，Cr 、Cu、Hg、Pb、Zn元素的平均含量高于鄱陽湖沉積物背景值，分別為背景值的2.69、7.51、1.30、2.93、2.48倍，說明湖口段沉積物中Cr 、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的積累.

2.1.2 鄱陽湖湖口段沉積物中重金屬分布規(guī)律

研究區(qū)沉積物中As金屬元素最大值出現(xiàn)在5號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).沉積物中重金屬As含量超標(biāo)點(diǎn)(2，6，5，11)主要分布在湖段左側(cè)靠近廬山區(qū)的湖岸.

研究區(qū)沉積物中Cd金屬元素最大值出現(xiàn)在4號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).沉積物中重金屬Cd含量主要分布在湖段右側(cè)靠近4號(hào)采樣點(diǎn)的湖口縣湖岸.

研究區(qū)域內(nèi)沉積物重金屬Cr含量均高于鄱陽湖沉積物背景值，沉積物中Cr金屬元素最大值出現(xiàn)在2號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).Cr含量濃度梯度主要是由湖段左岸的2號(hào)采樣點(diǎn)和右岸的4、8、14和19號(hào)采樣點(diǎn)向下游擴(kuò)散.

研究區(qū)域內(nèi)沉積物重金屬Cu含量均高于鄱陽湖沉積物背景值，研究區(qū)沉積物中Cu金屬元素最大值出現(xiàn)在4號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在20號(hào)采樣點(diǎn).高濃度區(qū)域集中在4、8、14和19號(hào)采樣點(diǎn)，靠近研究區(qū)域右岸的湖口縣湖岸.

研究區(qū)沉積物中Hg金屬元素最大值出現(xiàn)在靠近湖口縣湖岸的4號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).

研究區(qū)沉積物中Pb金屬元素最大值出現(xiàn)在19號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).金屬Pb高含量濃度分布在湖口縣湖岸的4號(hào)和19號(hào)采樣點(diǎn)附近.

研究區(qū)沉積物中Zn金屬元素最大值出現(xiàn)在16號(hào)采樣點(diǎn)，最小值是在21號(hào)采樣點(diǎn).金屬Zn高含量濃度分布在湖口縣湖岸的4和19號(hào)采樣點(diǎn)附近和靠近左湖岸廬山區(qū)的11和16號(hào)采樣點(diǎn)附近.

從結(jié)果中可以看出，靠近湖岸兩邊的4、8、11、14、19號(hào)點(diǎn)重金屬元素含量相對(duì)較高，大壩隔斷的20、21、15號(hào)采樣點(diǎn)附近重金屬元素含量較低.

2.2 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法

2.2.1 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法及背景參照標(biāo)準(zhǔn)

地積累指數(shù)(Index of Geoaccumulation,Igeo)是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller[9]于1979年提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo).計(jì)算公式為：

式中,Ci是元素i在小于2 μm 沉積物中的含量；Bi為質(zhì)沉積巖(即普通巖)中該元素的地球化學(xué)背景值，研究采用鄱陽湖底泥背景值作為參照標(biāo)準(zhǔn)；1.5是考慮了各地巖石差異可能會(huì)引起的變動(dòng)而取的系數(shù).Igeo值與重金屬污染水平關(guān)系見文獻(xiàn)[7].

2.2.2 沉積物中各金屬元素的地積累指數(shù)及其分級(jí)

各采樣點(diǎn)沉積物中的地積累指數(shù)以及指數(shù)分級(jí)見表3.Cr、Cu、Pb、Hg、Zn的地積累指數(shù)比較突出，其中Cu的地積累指數(shù)為3，為中度到強(qiáng)度污染.As和Cd基本沒有污染，其余的為輕度和中度污染.

從總體的污染程度分析，各污染物的地積累污染程度大小排序?yàn)椋篊u> Pb> Cr> Zn> Hg> As> Cd.

表3 地累積指數(shù)Igeo與污染程度Tab.3 Index of Geo-accumulation and pollution classification

2.3 重金屬的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

2.3.1 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

研究使用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[10]對(duì)研究區(qū)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià).其計(jì)算公式為：

式中，RI為總的重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ei為重金屬元素潛在生態(tài)危害系數(shù)；Ti為重金屬元素的毒性系數(shù)，毒性系數(shù)分別取10(As)、30(Cd)、2(Cr)、5(Cu)、40(Hg)、5(Ni)、5(Pb)和1(Zn)[14,15]；Ci為重金屬含量；Co為重金屬背景值，采用鄱陽湖底質(zhì)重金屬背景值[16]；總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為各重金屬Ei之和.重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4.

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Potential ecological risk index and grading criteria

2.3.2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)空間分布

湖口段沉積物重金屬Ei和RI值的空間分布特征如圖2所示.7種重金屬元素在沉積物中的Ei值變化范圍分別為：As：6.32～14.05；Cd：7.84～28.04；Cr：3.69～6.81；Cu：24.11～60.42；Hg：24.38～93.75；Pb：8.62～19.76；Zn：1.11～3.51.由此可知，湖口段沉積物中Hg和Cu的Ei值顯著高于其它5種重金屬元素，且二者均呈現(xiàn)出明顯的空間變化性.此外，大多數(shù)采樣點(diǎn)As、Cd、Cr、Pb和Zn的Ei值則基本都低于40.

根據(jù)重金屬元素Ei平均值大小，得到7種重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)排序?yàn)椋篐g(51.82)>Cu (37.55)>Pb(14.66)>Cd(12.22)>As(10.74)>Cr(5.38) >Zn(2.48).根據(jù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，研究區(qū)表層土壤中Hg和Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于中等風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其余Pb、Cd、As、Cr和Zn元素均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

研究區(qū)沉積物7種重金屬元素平均的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋篐g(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%)，由此不難看出，研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受制于Hg和Cu，兩者聯(lián)合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)近66%，因此應(yīng)給予格外的關(guān)注.由圖2可知重金屬元素對(duì)研究區(qū)沉積物各個(gè)采樣點(diǎn)位總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度.其中2號(hào)(170.2)、3號(hào)(154.1)、4號(hào)(222.34)、8號(hào)(165.4)、11號(hào)(159.4)、14號(hào)(185.4)、19號(hào)(190.6)采樣點(diǎn)超過了150，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于中等級(jí)別，而其余點(diǎn)位屬于潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微級(jí)別.

圖2 鄱陽湖湖口段沉積物重金屬元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Results of potential ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Poyang Lake

3 結(jié)論與討論

對(duì)鄱陽湖湖口段的沉積物中的重金屬濃度水平和分布狀況進(jìn)行了調(diào)查研究，借助于地累積指數(shù)和生態(tài)危害評(píng)價(jià)法研究周邊環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況，得出結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)域中Cd、Cu和Hg受人為影響比較嚴(yán)重；

(2)沉積物中Cr、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的積累；(3)研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要受制于Hg和Cu，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋篐g(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).

鄱陽湖作為中國第一大淡水湖，為長江流域的一個(gè)重要的過水性、吞吐型、季節(jié)性的淺水湖泊，湖區(qū)的重金屬污染在空間上存在較大的差異性.由于鄱陽湖流域面積較大，當(dāng)前的研究未能深入分析整個(gè)湖區(qū)的重金屬污染狀況和污染特征，只有通過全面的采樣調(diào)查，才能準(zhǔn)確獲取區(qū)域的重金屬分布數(shù)據(jù)，從而對(duì)湖區(qū)進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).本研究主要通過湖泊沉積物這個(gè)單一指標(biāo)進(jìn)行重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，具有一定的代表性與典型性，卻不完善.因此，在以后的研究中，需要聯(lián)合分析多種重金屬元素載體(水體與水生植物)，從時(shí)間和空間的尺度結(jié)合其含量及賦存形態(tài)，探討重金屬污染來源、成因以及湖區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

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The editorial Committee of “Studies on Poyang Lake”.Studies on Poyang Lake [M].Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1998.

Abstract：In order to investigate the heavy metals content and the pollutant potential ecological hazards in sediments from the confluent area of Yangtze River and Poyang Lake,the contamination of sediment heavy metals in Poyang Lake was comprehensively assessed by the geoaccumulation index and the potential ecological risk index based on sampling analysis of heavy metals (As,Cd,Cr,Cu,Hg,Pb and Zn) and pollutant characteristics.The results showed that the sediments in Poyang Lake were polluted to a certain degree by heavy metals,from which Cd,Cu and Hg were mainly influenced by human activities,and Cr,Cu,Hg,Pb,and Zn were accumulated in the study area.The potential ecological risk of heavy metal elements in the region were mainly controlled by Hg and Cu,and their contribution rates were sorted by size as follows:Hg(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).2figs.,4tabs.,16refs.

Keywords：Poyang Lake; sediment; heavy metals; ecological risk assessment

Biography：FENG Min,female,born in 1986，engineer,environmental monitoring.

PollutantCharacteristicsandEcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsinSedimentsfromtheConfluentAreaofYangtzeRiverandPoyangLake

FENGMin1，YANGXiao-qin1，CHENLing1，HUANGTing2

(1.Wuhan Boyuanzhongce Testing Technology Co., LTD,Wuhan,Hubei,430000,China;2.School of Resources,Environmental &Chemical Engineering,Nanchang University.Nanchang,Jiangxi,330000)

X131.3

A

2017-05-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 編號(hào):41402312A)

馮 敏( 1986-) ，女，陜西渭南人 ，工程師，研究方向:環(huán)境監(jiān)測(cè)．

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-001