寧夏太陽(yáng)山濕地水環(huán)境重金屬分布特征及污染評(píng)價(jià)

趙增鋒，馮 娜，邱小琮，孫旭楊，王世強(qiáng)，歐陽(yáng)虹

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

湖泊與人類(lèi)生活息息相關(guān)，具有匯集地下水、蓄洪抗旱、調(diào)節(jié)小氣候、促進(jìn)區(qū)域植被生長(zhǎng)和恢復(fù)、改善生態(tài)環(huán)境的作用，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的作用[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖泊污染已被列為我國(guó)重大環(huán)境問(wèn)題[2]，其中重金屬污染問(wèn)題日益凸顯，特別是江河湖泊底泥80%以上受到重金屬污染[3]。重金屬可以通過(guò)各種途徑進(jìn)入湖泊水體，水體中重金屬易吸附于懸浮顆粒物，然后沉降到沉積物中[4]，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)沉積物中的重金屬會(huì)重新釋放到水體，成為水體重金屬污染的內(nèi)源[5]。因此，系統(tǒng)研究湖泊水體和沉積物中的重金屬含量、分布和來(lái)源，對(duì)于全面掌握湖泊中重金屬的污染特征，評(píng)價(jià)其污染水平，提出相應(yīng)的治理方式具有重要意義。

太陽(yáng)山國(guó)家濕地公園地處寧夏回族自治區(qū)多個(gè)重要生態(tài)功能區(qū)交匯處，是寧夏唯一一個(gè)位于中部干旱帶的湖泊濕地，也是我國(guó)西北地區(qū)鳥(niǎo)類(lèi)遷徙地之一，在寧夏生態(tài)建設(shè)格局中具有重要的戰(zhàn)略意義，生態(tài)區(qū)位十分重要。由于近些年生活污水的大量排放[6]以及通過(guò)苦水河補(bǔ)水帶來(lái)的農(nóng)業(yè)退水、工業(yè)廢水等產(chǎn)生的積聚作用，濕地水環(huán)境面臨著嚴(yán)重威脅。目前，太陽(yáng)山濕地水體和表層沉積物受到了較為嚴(yán)重的重金屬污染，尤其以汞污染最為嚴(yán)重。湖泊水體流速較小，水體交換速度慢，一旦受到污染，僅依靠自身的凈化能力很難進(jìn)行自我修復(fù)，因此太陽(yáng)山濕地水體及表層沉積物中的重金屬污染問(wèn)題不容忽視。筆者以太陽(yáng)山濕地為研究對(duì)象，開(kāi)展水體-沉積物體系重金屬含量水平及其時(shí)空分布特征、污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等研究，應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法分析水環(huán)境重金屬的時(shí)空異質(zhì)性，采用重金屬污染評(píng)價(jià)模型評(píng)估水環(huán)境重金屬的污染狀況，以期為太陽(yáng)山濕地水環(huán)境重金屬污染防治、生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

太陽(yáng)山國(guó)家濕地公園地處寧夏吳忠市太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)，地理坐標(biāo)為37°23′59 ″～37°29′17″ N， 106°32′01″～106°40′58″ E。濕地類(lèi)型共有4類(lèi)5種，分別為河流濕地中的季節(jié)性河流，湖泊濕地中的永久性淡水湖、季節(jié)性咸水湖，沼澤濕地中的內(nèi)陸鹽沼和人工濕地中的鹽田，濕地公園總面積2 447.50 hm2，其中濕地面積1 492.7 hm2，濕地率60.99%，水域面積654.8 hm2，占濕地面積的43.87%。

1.2 樣點(diǎn)布置及采樣時(shí)間

根據(jù)太陽(yáng)山濕地的地理位置、水域面積、補(bǔ)水及排水口空間分布狀況等，共設(shè)置11個(gè)采樣點(diǎn)位，分別為西湖區(qū)3個(gè)、東湖區(qū)3個(gè)、小南湖區(qū)2個(gè)、南湖區(qū)3個(gè)，采樣點(diǎn)位布置如圖1所示。采樣時(shí)間為2019年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

樣品采集及處理方法參照李世龍等[7]的方法。2019年1月Cd和Pb在水體11個(gè)點(diǎn)位中大部分未檢出，因此后續(xù)僅測(cè)定As、Hg、Cr、Cu、Mn、Zn這6種重金屬的含量，表層沉積物測(cè)定As、Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Mn、Zn這8種重金屬的含量。水體重金屬含量依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行檢測(cè)，其中As采用原子熒光法，Cd、Pb、Cr、Cu、Mn、Zn采用火焰原子吸收法，Hg采用冷原子吸收法。表層沉積物中As和Hg含量采用原子熒光法(HJ 680—2013)，Pb、Cr、Cu、Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法(HJ 491—2019)，Cd、Mn含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(HJ 803—2016)檢測(cè)。

1.4 分析評(píng)價(jià)方法

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[7]和地累積指數(shù)法[8]，對(duì)西湖區(qū)、南湖區(qū)、小南湖區(qū)、東湖區(qū)和4個(gè)湖區(qū)組成的全水域進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)。水體重金屬環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其中Mn含量執(zhí)行集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，表層沉積物重金屬環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值取《中國(guó)土壤元素背景值》中的寧夏土壤背景值。相關(guān)分析、主成分分析、聚類(lèi)分析均采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和地累積指數(shù)采用Excel 2016計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬含量、分布特征及來(lái)源分析

太陽(yáng)山濕地水體和表層沉積物重金屬含量及超標(biāo)情況如表1所示。

表1 水體/表層沉積物重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

太陽(yáng)山濕地水體Hg污染最為嚴(yán)重，冬、夏、秋季均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，其他重金屬均未超標(biāo)。表層沉積物污染最嚴(yán)重的重金屬同樣是Hg。Cd、Hg、Cu、Mn、Zn四季均存在超標(biāo)現(xiàn)象，Pb、As個(gè)別季節(jié)存在超標(biāo)現(xiàn)象，Cr四季均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。與國(guó)內(nèi)其他水系[1,5，7,9-17]相比，太陽(yáng)山濕地水體中As含量較高，表層沉積物中Hg和Zn含量較高，表層沉積物重金屬污染較為嚴(yán)重。

變異系數(shù)(CV)計(jì)算結(jié)果表明，各季節(jié)水體中As和表層沉積物中Hg含量空間分布差異最大。由 WILDING[18]提出的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可知，總體上水體中6種重金屬均屬于高等變異(CV值>36%)，As、Hg、Cr、Cu、Mn的CV值均超過(guò)100%，遠(yuǎn)超青格達(dá)湖[1]、洞庭湖[17]等湖泊，屬于極強(qiáng)變異?？傮w上表層沉積物中As、Cd、Hg、Cr、Zn屬于高等變異，Cu、Mn、Pb屬于輕度變異(15%

由圖2～3可知，水體重金屬含量的年均值表現(xiàn)為東湖區(qū)和西湖區(qū)較高，南湖區(qū)和小南湖區(qū)較低，除西湖區(qū)的Hg以外均未超標(biāo)。由圖3可知，東湖區(qū)和小南湖區(qū)表層沉積物重金屬含量的年均值較高，西湖區(qū)和南湖區(qū)較低，除As和Cd外均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。2019年的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，苦水河上游水體中As含量秋季最高，Cu和Zn含量夏季最高，太陽(yáng)山濕地水體中As、Cu和Zn含量總體上也表現(xiàn)為夏、秋季較高。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，磷肥中As含量較高，這些As中有0.1%～10%能轉(zhuǎn)化為可溶性的As進(jìn)入河流和湖泊中[19]，水泥生產(chǎn)、金屬冶煉、化工等廢水及常用的農(nóng)藥中有多種都含有Cu和Zn[20-21]，夏、秋季為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期，因此推測(cè)太陽(yáng)山濕地As、Cu和Zn的污染與苦水河匯集的農(nóng)業(yè)面源污染及金屬冶煉等工業(yè)廢水有關(guān)。太陽(yáng)山濕地水體As含量高于國(guó)內(nèi)的其他對(duì)比湖泊，僅低于黃河甘寧蒙段[10]，As在寧夏清水河[7]同樣具有較高的含量，因此推測(cè)As還可能與寧夏的地質(zhì)因素有關(guān)。潘晨光等[22]和余輝等[23]均認(rèn)為大氣Zn的沉降通量較高，因此Zn還可能來(lái)源于大氣干濕沉降。

圖2 水體重金屬的時(shí)空分布特征

圖3 表層沉積物重金屬的時(shí)空分布特征

水體和表層沉積物中Hg和Cr含量均表現(xiàn)為冬季最高，但苦水河上游水體中Hg在春、秋季含量較高，Cr在夏季含量較高，因此Hg和Cr含量受苦水河補(bǔ)水影響較小。太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)有多個(gè)煤化工、鎂合金、火電廠、煤礦等企業(yè)，形成了“煤-焦-化”“煤-氣-化”“煤-熱-電”3條煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)建設(shè)有造紙、特種玻璃制造、水泥等生產(chǎn)項(xiàng)目和石灰?guī)r開(kāi)采項(xiàng)目[6]，冶金、煤礦開(kāi)采、礦物燃料的燃燒、水泥生產(chǎn)等都會(huì)產(chǎn)生含Hg和Cr的粉塵，因此可以認(rèn)為Hg和Cr在來(lái)源上主要為大氣沉降，冬季含量較高也可能與這2種重金屬在冬季的沉降通量更高有關(guān)。Mn為地球化學(xué)循環(huán)的主要元素[24]，太陽(yáng)山濕地表層沉積物中Mn的變異系數(shù)較小，表明受自然因素影響較大，Mn含量的分布狀況與云南高原湖泊的情況相一致[25]，均認(rèn)為屬于自然來(lái)源。Pb和Cd在水體中未檢出，在表層沉積物中出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，可能與濕地公園規(guī)劃建設(shè)之前工業(yè)廢水和生活污水的肆意排放有關(guān)，導(dǎo)致重金屬產(chǎn)生了累積效應(yīng)，在沉積物中產(chǎn)生了很高的背景值。

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1水體重金屬污染評(píng)價(jià)

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4～5所示。全水域及4個(gè)湖區(qū)中重金屬年均值和四季的單因子污染指數(shù)(Pi)均為Hg最大，且只有Hg存在不同程度的污染。Hg在季節(jié)上以冬季污染最為嚴(yán)重，4個(gè)湖區(qū)均存在低度-中度Hg污染，空間上以西湖區(qū)污染最為嚴(yán)重，冬、秋季均為中度污染。重金屬年均值的多因子污染指數(shù)(Pn)表現(xiàn)為西湖區(qū)>全水域>南湖區(qū)>東湖區(qū)>小南湖區(qū)，除西湖區(qū)外均為無(wú)污染，西湖區(qū)為中度污染。Pn在季節(jié)上差異明顯，均表現(xiàn)為冬季最大，其中西湖區(qū)、南湖區(qū)和東湖區(qū)的冬季均為中度污染，小南湖區(qū)冬季污染程度較小，也達(dá)到了低污染水平，西湖區(qū)的秋季同樣為中度污染，因此西湖區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重。由重金屬的Pi可知，Hg含量對(duì)Pn的影響最大。

圖4 內(nèi)梅羅單因子指數(shù)(Pi)評(píng)價(jià)結(jié)果

0～0.7為無(wú)污染,>0.7～1.0為低污染，>1.0～2.0為中污染。

2.2.2表層沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

地累積指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示。4個(gè)湖區(qū)及全水域的地累積指數(shù)(Igeo)均為Hg最大，且均達(dá)到了偏中度污染。此外，全水域、小南湖區(qū)、東湖區(qū)、南湖區(qū)存在輕度Zn污染，東湖區(qū)還存在輕度Cd污染，其他重金屬均為無(wú)污染?？傮w上全水域受污染最嚴(yán)重的季節(jié)為冬季，Cd、Hg、Cu、Zn出現(xiàn)了不同程度的污染，且均達(dá)到了季節(jié)污染的最高水平，受污染最輕的為秋季，8種重金屬均未出現(xiàn)污染。Hg為冬季共同污染金屬，其中冬季南湖區(qū)Hg污染最為嚴(yán)重，為偏重度污染，其他湖區(qū)為偏中度-中度污染。此外，南湖區(qū)的四季、小南湖區(qū)的冬、春、夏季和東湖區(qū)冬季均受到Zn污染，小南湖區(qū)和東湖區(qū)冬季受到Cu和Cd污染，西湖區(qū)夏、秋季受到輕度Cd污染?？傮w來(lái)看，太陽(yáng)山濕地表層沉積物主要受Hg和Zn污染，受污染最嚴(yán)重的季節(jié)均為冬季，其中東湖區(qū)冬季重金屬污染最為嚴(yán)重，Cd、Hg、Pb、Cu、Mn、Zn均有不同程度的污染。

3 結(jié)論

(1)太陽(yáng)山濕地水體重金屬總體上含量不高，只有Hg超過(guò)地表Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。表層沉積物受到嚴(yán)重的重金屬污染，其中Hg污染最為嚴(yán)重，除Cr外均出現(xiàn)超過(guò)寧夏土壤背景值的情況。重金屬含量東湖區(qū)較高，南湖區(qū)較低。

(2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法表明全水域水體重金屬污染水平較低，西湖區(qū)污染最嚴(yán)重，小南湖區(qū)最輕，四季中冬季污染最嚴(yán)重，春季最輕，對(duì)污染貢獻(xiàn)最大的為Hg。地累積指數(shù)法表明表層沉積物全水域受Hg污染最嚴(yán)重，其中東湖區(qū)污染最嚴(yán)重，四季中冬季污染最嚴(yán)重。

<0為無(wú)污染,≥0～1為輕度污染，≥1～2為偏中度污染，≥2～3為中度污染，≥3～4為偏重度污染。