博斯騰湖表層沉積物重金屬污染特征及等級評價

劉子龍，閆豫君，魯建江，劉錦花，陳炳銘

(石河子大學化學化工學院，新疆 石河子 832003)

博斯騰湖是我國最大的內(nèi)陸淡水湖之一[1]，對新疆干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和其周邊城市及縣城的發(fā)展貢獻舉足輕重，如在保持水源，蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候、維護生物多樣性[2]、發(fā)展工業(yè)、農(nóng)田灌溉等方面有不可替代的作用[3]。1960s以來大規(guī)模的工農(nóng)業(yè)開發(fā)活動、水資源的不合理開發(fā)利用等推動經(jīng)濟快速發(fā)展，但引發(fā)的水環(huán)境問題逐漸凸顯[4]，博斯騰湖周邊分布有各縣市40余家工業(yè)企業(yè)，如金屬冶煉、食品加工、制藥、造紙、煤礦、電力、養(yǎng)殖、制糖、建材等行業(yè)，它們在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水通過農(nóng)業(yè)排水渠或城市排水管網(wǎng)進入博斯騰湖，各縣市的生活污水也排入湖泊中，致使湖體生態(tài)環(huán)境惡化[5]，部分水域水質(zhì)為Ⅴ類[6]。

湖泊沉積物是水環(huán)境中重金屬的源或匯。通過多種途徑進入水體的重金屬，絕大部分由水相轉(zhuǎn)入沉積相[7-9]，為重金屬元素的輸入提供了歷史記錄[10-11]，而且在沉積物中的重金屬在物理、化學、生物作用下會再次釋放至水環(huán)境中[12-13]，引發(fā)二次污染[14-16]。故研究水體沉積物中重金屬元素的含量和分布，可了解水域生態(tài)系統(tǒng)中重金屬污染狀況[17-19]。對博斯騰湖的環(huán)境污染問題報道多見于水質(zhì)污染狀況[5,20]，而對沉積物中重金屬的研究相對較少。鑒于此，對博斯騰湖水系15個代表性采樣點的監(jiān)測分析，應用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法，研究了博斯騰湖水系沉積物中重金屬的污染分布富集特征，并探討其主要的污染來源，對重金屬的污染水平和生態(tài)風險進行評價，以期為博斯騰湖的水生態(tài)環(huán)境安全保護、重金屬污染防控及環(huán)博斯騰湖區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

2017年5月中旬在新疆博斯騰湖大湖區(qū)布設采樣點，采15個沉積物樣品，用GPS定位儀定位，采樣分布圖見圖1，采樣點設置在干流排入口(B1、B9、B10、B11)、出水口(B12)和交匯與穩(wěn)定水域區(qū)(其余采樣點)。取樣點距離岸邊至少3～5 m，用重力式采泥器采集表層0～10 cm的沉積物樣品，每個樣品以定位點為中心周圍5 m內(nèi)設4～6柱平行樣，除去與采樣器接觸的少量樣品，混合后裝入潔凈的聚乙烯袋內(nèi)，冷凍保存。沉積物樣品經(jīng)真空冷凍干燥機干燥，剔除植物和貝類等殘體，研磨、過篩(100目尼龍網(wǎng)篩)后，密封保存于-20 ℃環(huán)境中，備用。

圖1 博斯騰湖采樣點布設圖Fig.1 Sampling stations of surface sediment in Bosten Lake

1.2 樣品的預處理與測定

制備好的樣品采用美國CEM微波消解儀進行消解，方法如下：稱取樣品1 g左右，置于微波消解罐中，加優(yōu)級純硝酸10 mL、高氯酸2 mL，氫氟酸2 mL，放入消解儀中在50 ℃下消解15 min、120 ℃下消解30 min，150 ℃下消解15 min。消解結束后，將樣品轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯坩鍋中，在電熱板上于180 ℃加熱趕酸，至無大量白煙產(chǎn)生，轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中，用去離子水定容至刻度。銅、鉻、鎘、鉛、鋅、鎳和錳用原子吸收分光光度計(AA-6300，日本島津)測定，pH采用pH計測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。

在重金屬的分析過程中采用沉積物標準樣品GSD-7(GBW-07307)進行過程質(zhì)量控制，7種元素的測定值均在國家標準參比物質(zhì)的允許誤差范圍之內(nèi)，加標回收率為90.3%～108.0%，平行樣品精密度為0.56%～4.54%。

湖泊沉積物樣品采集、制備、預處理及重金屬、有機質(zhì)、pH分析方法均按照《湖泊和水庫采樣技術指導》(GB/T 14581—93)、(HJ 613—2011)、 (NY/T 1613—2008)、(GB 9834—88)與(NY/T 1377—2007)進行。

1.3 評價方法

重金屬的污染評價采用地累積指數(shù)法[21-24]，參比值采用新疆土壤重金屬背景值[25]，按Igeo數(shù)值將重金屬污染劃分為7個等級[26]，如表1所示。

表1 基于地累積指數(shù)的重金屬污染分級指標Tab.1 Pollution level of heavy metals based on index of geoaccumulation

重金屬的潛在生態(tài)風險評價采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法[27]，以新疆土壤重金屬的背景值作為參比值；重金屬Pb、Ni、Cd、Cu、Zn、Mn和Cr的毒性系數(shù)分別為5、5、30、5、1、1和2[28]，評價標準及等級劃分如表2所示[27]。

表2 生態(tài)危害系數(shù)生態(tài)危害指數(shù)(RI)與危害程度分級的關系Tab.2 Relationship between potential ecological risk metals and pollution degree

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Suffer 8.0和SPSS 16.0統(tǒng)計軟件。

2 結果分析與討論

2.1 博斯騰湖沉積物中重金屬總量分析

博斯騰湖大湖區(qū)15個沉積物樣品中的7種重金屬總量測定結果見表3。重金屬Zn、Cd和Pb含量都超過了新疆土壤元素背景值和新疆水系物元素背景值，其他4種元素都未超出背景值。Zn平均含量為141.07 μg/g，約是新疆土壤元素背景值的2.1倍，是新疆水系物元素背景值的1.9倍；Cd平均含量為0.61 μg/g，約是新疆土壤元素背景值的5.1倍，是新疆水系物元素背景值的4.1倍；Pb平均含量為51.26 μg/g，約是新疆土壤背景值的2.6倍，是新疆水系物元素背景值的3倍，這3種重金屬呈現(xiàn)明顯的累積性。經(jīng)考察和查閱相關報道[30]可知，湖周邊約有25條排污渠進入博斯騰湖，8條匯入小湖區(qū)(全為農(nóng)田排水)，17條匯入大湖區(qū)(5條以工業(yè)和生活污水為主，其余均為農(nóng)田排水)。文獻報道僅在2007年博斯騰湖北邊的4個縣及第二師團場共施用磷肥1.36萬t[31]，磷肥中含有一定量的Pb和Cd，可通過農(nóng)田排水進入湖泊造成沉積物中Pb和Cd的含量增加，污染湖泊[32]。每年農(nóng)田排水匯入博斯騰湖的量約1.9×104t[28]，可見農(nóng)田污水是主要污染源，故博斯騰湖沉積物中Cd可能主要是農(nóng)田排水污染，因磷肥使用后又再次流失，隨農(nóng)業(yè)排渠進入博斯騰湖；Pb可能主要也是農(nóng)田排水，其次農(nóng)業(yè)機械和汽車運營也會引起Pb污染；Zn可能是博斯騰湖周邊的金屬冶煉等行業(yè)排出的廢水污染。對比新疆其他湖泊的研究結果，博斯騰湖沉積物中Cr含量低于瑪納斯湖，Ni含量接近，但Cu、Zn、Pb和Cd含量均高于瑪納斯湖[33]，分別是瑪納斯湖沉積物重金屬含量的1.8、4.6、4.8和2.4倍；Cu、Ni和Cr含量低于艾比湖，Zn、Pb和Cd含量均高于艾比湖[34]，分別是艾比湖沉積物重金屬含量的1.2、1.3和3.6倍；與我國其他地區(qū)湖泊相比，博斯騰湖沉積物中的Zn、Pb顯著高于太湖[17]和東洞庭湖[35]，但Cd低于太湖和東洞庭湖。

表3 博斯騰湖大湖區(qū)沉積物中重金屬的含量Tab.3 Total contents of heavy metals in sediment of the water system in Bosten Lake μg/g

根據(jù)變異程度的分類[36]，博斯騰湖表層沉積物中重金屬Cu、Mn、Cd、Cr和Pb(34.19%、25.18%、17.42%、17.42%和19.41%)均為中等變異(15%36%)，這2種重金屬的含量空間分布波動略大，離散性略大。

重金屬的空間分布特征見圖2，Cu、Mn、Ni和Cr分布特征較為相似，從湖東部向西逐漸增加，在湖的中西部含量較高，湖的西南、東南及北部含量較低。Cu、Ni、Cr主要與有機組分和碳酸鹽組分共生，分布方式類似，博斯騰湖的這幾種元素變化的高度相似可能與此有關[3]。Cd含量分布明顯西部大于東部無人區(qū)；Pb含量分布西部略大于東部，中部偏西含量較高，Zn除在B8處附近含量較高外，在湖其它區(qū)域含量均很低。在采樣點B4處的ω(Cu)、ω(Pb)、ω(Ni)、ω(Cd)和ω(Mn)最高，分別為32.82、71.10、25.98、0.96和613.35 μg/g；B11處的ω(Cr)最高，為7.17 μg/g；B8處的ω(Zn)最高，為407.55 μg/g。采樣點B4、B11和B8都位于湖中心偏西，這可能是由于17條匯入大湖區(qū)的排污渠都是從西北和西南匯入博斯騰湖有關[31]。本研究結論與董文等[37]研究結果基本一致，即除Zn外其余重金屬含量較高的區(qū)域都在大湖西部，含量水平來看，Cu、Ni、Cr比其結果明顯降低，但Pb、Cd含量明顯升高，這與近幾年來加大博斯騰湖水環(huán)境保護和監(jiān)管力度密不可分，然而之前排放的大量農(nóng)田污水所含的重金屬通過吸附分配與沉淀進入沉積物，使得Pb、Cd含量明顯升高。

圖2 博斯騰湖表層沉積物中金屬元素質(zhì)量分數(shù)空間變化特征Fig.2 Spatial variation of heavy metals concentrations in surface sediments from Bosten Lake

2.2 相關性分析

博斯騰湖沉積物中的有機質(zhì)、pH值及重金屬含量之間的相關性分析如表4所示。沉積物樣品的pH值為7.09～7.63，ω(OM)(OM為有機質(zhì))為6.24～41.27 mg/g。

表4 博斯騰湖沉積物中重金屬含量、有機質(zhì)、pH間的相關性Tab.4 Correlation coefficients of heavy metals in sediment of Bosten Lake

注：*表示在P<0.05下顯著相關，**表示在P<0.01下極顯著相關。

一般認為沉積物中的pH和ω(OM)是影響重金屬分布的2個重要因素[38]。從表4可知，pH分別與ω(Cu)和ω(Ni)在P<0.05下，呈顯著相關性，與ω(Mn)在P<0.01下，呈極顯著相關性，說明pH與這3種重金屬在水環(huán)境中的分布存在密切關系，與其他重金屬相關性不明顯。

博斯騰湖沉積物中有機質(zhì)含量較低，從樣品表觀組成也可看出，沉積物以泥沙和黏土為主，缺乏有機質(zhì)吸附和附著體系，故從表4可知，ω(OM)與重金屬間相關性不明顯，且呈負相關，董文等[37]也指出博斯騰湖底泥中的有機質(zhì)和重金屬元素的相關性均為不顯著負相關，說明重金屬污染的主要來源與有機質(zhì)不完全一致，水域重金屬的分布可能還受其他理化性質(zhì)影響(粒徑大小、鹽分等)。

重金屬之間的相關關系較復雜，重金屬組合Cu-Ni、Cu-Mn、Cu-Cr、Ni-Mn、Ni-Cr和Mn-Cr在P<0.01下存在極顯著相關性，說明在博斯騰湖沉積物中這4種重金屬元素的地球化學性質(zhì)相似，具有相同的來源或產(chǎn)生了復合污染；重金屬組合Cd-Pb在P<0.05下存在顯著相關性，由外源污染可知，它們均主要受磷肥的農(nóng)田排水污染；Zn與其他重金屬、Cd與其他重金屬(除Pb)、Pb與其他重金屬(除Cd)之間相關性不明顯，污染的來源不同，這與艾比湖[34]和瑪納斯湖[33]的報道情況都不同。

2.3 沉積物中重金屬的污染評價

根據(jù)博斯騰湖沉積物重金屬總量的測定結果，采用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對其進行污染風險評價。

2.3.1 地累積指數(shù)法

對博斯騰湖大湖區(qū)沉積物中重金屬Igeo和指數(shù)分級分析可得，在湖泊表層沉積物中，Cu、Zn、Mn和Ni的Igeo均小于0，說明博斯騰湖受Cu、Zn、Mn和Ni污染較輕，為清潔狀態(tài)；其余3種重金屬元素見圖3，Pb的平均Igeo為0.79，80.0%的采樣點達輕度污染，20.0%為偏中度污染；Zn的平均Igeo為0.29，20.0%的采樣點為清潔狀態(tài)，73.3%達輕度污染，6.7%為偏中度污染；Cd的平均Igeo為1.70，33.3%的采樣點達偏中度污染，66.7%為中度污染。Cd和Pb的Igeo較為相似，都是湖西部明顯高于東部，這主要是污染源都是從西部湖區(qū)排入有關。綜上所述，Cd、Pb、Zn對博斯騰湖有一定程度的污染，Cd污染最為嚴重，這與張永三[39]對博斯騰湖小湖區(qū)研究結論相似。

圖3 博斯騰湖沉積物中重金屬元素地累積指數(shù)和劃分等級Fig.3 Index of geoaccumulation (Igeo) and classification of heavy metals pollution of the sediments from Bosten Lake

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

圖4 博斯騰湖沉積物中重金屬元素和RIFig.4 Potential ecological risk coefficients and risk indices (RI) of heavy metals in the sediments from Bosten Lake

由圖5可知，7種重金屬的潛在生態(tài)危害程度大小依次為：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn>Cr，Cd對潛在生態(tài)危害指數(shù)的平均貢獻達到86.5%，Pb的平均貢獻達到7.41%，而其余5種重金屬對潛在生態(tài)危害指數(shù)的平均貢獻僅占6.09%，由此Cd是主要的生態(tài)風險貢獻因子，對RI的貢獻最大，這與艾比湖的報道相似[34]。

圖5 博斯騰湖沉積物不同重金屬對潛在生態(tài)危害指數(shù)的貢獻Fig.5 Contribution of different heavy metals to potential ecological risk indices in lake sediments

3 結論

(1)博斯騰湖大湖區(qū)沉積物中重金屬Zn、Cd和Pb含量超過了新疆土壤元素背景值，Cu、Ni、Cr和Mn都未超出背景值；沉積物中Cd主要污染源是農(nóng)田排水污染，Pb主要也是農(nóng)田排水污染，其次農(nóng)業(yè)機械和汽車運營也會引起Pb污染，Zn可能是博斯騰湖周邊的金屬冶煉等行業(yè)排出的廢水污染；沉積物中重金屬在西部湖區(qū)富集程度較高。

(2)由相關性分析可知，pH與Cu、Ni和Mn這3種重金屬在水環(huán)境中的分布存在密切關系；有機質(zhì)與重金屬相關性不明顯；重金屬Cu、Ni、Mn和Cr存在極顯著相關性，具有相似的來源或產(chǎn)生了復合污染，重金屬Cd和Pb存在顯著相關性，主要受磷肥的農(nóng)田排水污染，Zn與其他重金屬間相關性不明顯，污染的來源不同。

(3)地累積指數(shù)評估結果表明，博斯騰湖受Cu、Zn、Mn和Ni污染較輕，為清潔狀態(tài)，Cd、Pb、Zn對博斯騰湖有一定程度的污染，Cd污染最為嚴重；7種重金屬的潛在生態(tài)危害程度大小依次為：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn>Cr，Cd是主要的生態(tài)危害因子，40.0%的采樣點處于輕微潛在生態(tài)危害等級，60.0%的采樣點處于中等潛在生態(tài)危害等級。