鄱陽(yáng)湖南磯山濕地沉積物重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)*

李逸平 王香蓮 金如意 曾立安 黃 庭#

(1.南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330031;2.南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330099;3.南昌大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院,江西 南昌 330031)

濕地是生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng),在維持和調(diào)節(jié)生態(tài)平衡、提供生態(tài)環(huán)境的多樣性等方面有著不可替代的作用[1]。受氣候變化與人為活動(dòng)的影響,濕地的污染問題變得更加嚴(yán)重,重金屬污染尤為突出[2-3]。濕地中重金屬來源廣泛,巖石風(fēng)化和火山活動(dòng)等自然因素以及各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)均可促成重金屬在濕地中賦存、遷移、轉(zhuǎn)化和累積,并對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大威脅[4]。濕地系統(tǒng)中的重金屬會(huì)在魚類和其他大型無脊椎動(dòng)物體內(nèi)富集,從而污染水生生物[5],并通過食物鏈傳遞,對(duì)周邊人群身體健康造成威脅。

南磯山濕地是鄱陽(yáng)湖的核心組成部分,作為重要的內(nèi)陸河口濕地生態(tài)系統(tǒng),在調(diào)節(jié)贛江入鄱陽(yáng)湖區(qū)域的生態(tài)平衡上起著舉足輕重的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,大量污染物由贛江匯入南磯山濕地并對(duì)其生態(tài)功能造成了一定的影響。當(dāng)前,大量的研究都集中在對(duì)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)及支流的重金屬污染特征研究上[6-8],僅有少量的學(xué)者對(duì)南磯山濕地土壤重金屬Cu、Pb、Zn的含量及其形態(tài)分布規(guī)律進(jìn)行了研究[9],而對(duì)南磯山濕地重金屬污染的空間分布、來源以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究鮮有報(bào)道。因此,本研究以南磯山濕地為研究對(duì)象,采集沉積物樣品54個(gè),測(cè)定了Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg等10種重金屬的含量,利用單因子污染指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法和富集因子法等分析南磯山濕地沉積物重金屬污染特征,通過相關(guān)性分析和主成分分析確定重金屬的來源,運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法模型,評(píng)價(jià)南磯山濕地自然保護(hù)區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),研究結(jié)果可為濕地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控和重金屬污染治理提供科學(xué)依據(jù),為鄱陽(yáng)湖流域可持續(xù)發(fā)展研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南磯山濕地位于鄱陽(yáng)湖主湖區(qū)南部,地處贛江北支、中支和南支匯入鄱陽(yáng)湖沖積形成的三角洲前緣(見圖1)。南磯山濕地位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),具有明顯的干濕兩季,降水分配不均勻,區(qū)內(nèi)自然資源豐富,保留了天然濕地的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能,是全球候鳥遷飛中重要的越冬地和中繼站[10]。近年來,隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,大量的重金屬污染源輸入南磯山濕地,濕地水體、沉積物、水生動(dòng)植物以及候鳥都面臨著嚴(yán)峻的重金屬污染威脅。

圖1 南磯山濕地與采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of Nanjishan Wetland and the sampling sites

1.2 樣品采集與測(cè)定

綜合考慮區(qū)域的土壤和水域分布情況,在南磯山濕地設(shè)置了54個(gè)采樣點(diǎn),相對(duì)均勻地分布于研究區(qū)內(nèi)。沉積物利用抓斗式采泥器進(jìn)行采集,用聚乙烯塑料袋封裝好并貼好標(biāo)簽安放于泥土箱帶回實(shí)驗(yàn)室存儲(chǔ)。沉積物中重金屬元素樣品測(cè)定參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),Co、Mn、Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定,Hg、As含量采用原子熒光法測(cè)定;土壤pH參照《土壤pH的測(cè)定》(NY/T 1377—2007)[11]采用電極電位法測(cè)定。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)表征污染物的測(cè)量濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值的程度,根據(jù)式(1)確定重金屬元素的單因子污染指數(shù)以評(píng)估其污染程度[12]：

P=C/S

(1)

式中：P為重金屬元素的單因子污染指數(shù);C為檢測(cè)樣品中重金屬元素的實(shí)測(cè)值,mg/kg;S為重金屬元素的土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)值,mg/kg,以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[13]的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為指標(biāo)值,由于GB 15618—2018中未給出Co、Mn風(fēng)險(xiǎn)篩選值,以江西省土壤中重金屬含量背景值為指標(biāo)值。各重金屬土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)值見表1,單因子污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 各重金屬土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)值Table 1 Environmental quality index of heavy metals

表2 P分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of P

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是以單因子污染指數(shù)法為基礎(chǔ),綜合反映受多種重金屬污染的土壤狀況[14],其計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：PI為檢測(cè)樣品重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pave為重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值;Pmax為重金屬元素單因子污染指數(shù)的最大值;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 PI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of PI

1.3.3 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)是研究水體沉積物中重金屬污染程度的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)[15],其計(jì)算見式(3)：

(3)

式中：Igeo為重金屬元素的地累積指數(shù);B為重金屬元素在普通頁(yè)巖中的地球化學(xué)背景值,mg/kg;考慮到各地巖石的差異,為了最大程度地減少地質(zhì)變化的影響從而引入系數(shù)1.5。地累積指數(shù)一般可分為7個(gè)級(jí)別,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 Igeo分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of Igeo

1.3.4 富集因子法

富集因子法是由ZOLLER等[16]提出,被廣泛用于評(píng)價(jià)湖泊沉積物的重金屬污染狀況,其計(jì)算見式(4)：

(4)

式中：EFi為重金屬元素i的富集系數(shù)；Ci、Cref分別為沉積物中重金屬元素i及參比元素Al的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度,mg/kg;Si、Sref分別為重金屬元素i和參比元素Al的指標(biāo)值,mg/kg。

1.3.5 相關(guān)性分析與主成分分析

由于重金屬元素濃度數(shù)據(jù)不滿足線性關(guān)系,也不服從正態(tài)分布,采用Spearman相關(guān)系數(shù)[17]對(duì)重金屬元素進(jìn)行相關(guān)性分析。主成分分析可在損失盡量少信息量的前提下,將初始變量降維成較少的幾個(gè)相互無關(guān)的主成分[18],實(shí)現(xiàn)污染源的定性識(shí)別。通過KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)原始土壤重金屬濃度數(shù)據(jù),得到原始數(shù)據(jù)KMO>0.5,Bartlett球形檢驗(yàn)顯著性p<0.001,表明各重金屬之間相關(guān)性較強(qiáng),適合進(jìn)行主成分分析,源識(shí)別結(jié)果可靠。

1.3.6 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是從沉積學(xué)角度評(píng)價(jià)土壤或沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法,在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用,其計(jì)算見式(5)、式(6)：

(5)

(6)

表及RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Classification standard of and RI

1.4 質(zhì)量控制

為確保樣品測(cè)定過程、結(jié)果的精確度與可靠性,對(duì)每組樣品進(jìn)行平行測(cè)定,以土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07386)作為質(zhì)量控制,所測(cè)樣品重金屬回收率為93%～113%。實(shí)驗(yàn)分析過程中使用的試劑均為優(yōu)級(jí)純,標(biāo)準(zhǔn)回歸曲線相關(guān)系數(shù)>0.999,說明本研究監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中重金屬含量與空間分布特征

南磯山濕地表層沉積物中重金屬測(cè)定結(jié)果見表6。經(jīng)檢測(cè),采樣點(diǎn)沉積物pH在4.82～7.49,Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg的平均質(zhì)量濃度分別為0.61、15.58、13.73、58.45、28.09、864.55、24.66、54.92、122.65、0.109 mg/kg,除Cd和Co外,Cu、Pb、Zn、Mn、Cr、Hg、Ni、As的平均質(zhì)量濃度均超過江西省土壤背景值,分別為背景值的5.91、4.39、2.68、2.72、1.98、1.70、1.30、1.17倍;另外,Pb、Cu的最小值均超過背景值,分別為背景值的2.46、1.79倍;對(duì)照GB 15618—2018的風(fēng)險(xiǎn)篩選值,除了Cd有64.8%的采樣點(diǎn)超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值外,其余重金屬元素均未超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值。對(duì)比前人研究結(jié)果[20],可以看出南磯山濕地As、Cu含量總體低于鄱陽(yáng)湖湖區(qū)沉積物，Cd、Ni、Zn、Hg含量與湖區(qū)沉積物基本持平，而Cr、Pb和Mn含量則高于湖區(qū)沉積物。變異系數(shù)反映了總體樣本中各個(gè)采樣點(diǎn)的平均變異程度,在一定程度上反映樣品受人為影響的程度,Cd、Hg和Mn的變異系數(shù)分別為59.02%、40.36%和39.06%,為高度變異(變異系數(shù)≥36%),As、Zn、Cr、Cu、Ni、Pb和Co的變異系數(shù)分別為33.25%、30.05%、27.56%、24.81%、23.76%、22.91%和18.14%,為中等變異(15%<變異系數(shù)<36%),表明南磯山濕地沉積物重金屬整體上受到了人為活動(dòng)的影響,其中Cd的變異系數(shù)最大,受人為干擾的跡象最為明顯。

表6 沉積物重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of heavy metal mass concentration in sediments

表7 沉積物重金屬單因子污染指數(shù)Table 7 The single factor pollution index of heavy metals

在ArcGIS 10.4 軟件平臺(tái)的Geostatistic Analysis Extension模塊下,采用反距離加權(quán)插值法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行空間插值分析。結(jié)果表明,Cr在湖區(qū)分布最為均勻,其峰值位于濕地東南部;As、Co、Cu和Ni的含量分布具有相似的空間變化趨勢(shì),高值區(qū)基本位于區(qū)域的東南部,低值區(qū)位于區(qū)域的北部,極高值出現(xiàn)在南磯鄉(xiāng)附近;Pb、Zn和Hg的空間分布較為相似,高值區(qū)位于區(qū)域的西北部,低值區(qū)位于區(qū)域的東北部,整體呈現(xiàn)自東向西遞增的趨勢(shì),極高值出現(xiàn)在贛江中支的入湖口,其主要來源可能為河流攜帶,受人為影響程度較大;Mn分布較不均勻,整體呈現(xiàn)自東向西遞增的趨勢(shì),其中極高值出現(xiàn)在南磯鄉(xiāng)附近,說明人為輸入污染對(duì)其含量具有較大的影響;Cd整體呈現(xiàn)自東向西遞增的趨勢(shì),極高值點(diǎn)出現(xiàn)在贛江中支的入湖口和南磯鄉(xiāng)附近,說明贛江上游的工業(yè)活動(dòng)和南磯鄉(xiāng)的人為活動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域Cd含量較高。

2.2 南磯山濕地重金屬污染分析

沉積物重金屬的單因子以污染指數(shù)分析結(jié)果見表7。各重金屬單因子污染指數(shù)的平均值排序?yàn)镸n>Cr>Cd>Co>Zn>As>Pb>Ni>Hg>Cu,其中Mn、Cr和Cd出現(xiàn)一定程度的污染。沉積物樣品中,Mn污染率高達(dá)98.2%,其中呈中度至重度污染的樣品達(dá)70.4%;Cr的污染率為87.0%,其中有85.2%的樣品呈輕度污染,Cd的污染率為63.0%,呈中度至中重度污染的樣品達(dá)33.4%;Co的污染率為46.3%,均為輕度污染;As、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg均未出現(xiàn)污染。沉積物重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.12,總體呈輕度污染。

地累積指數(shù)法分析結(jié)果見圖2?？梢钥闯?沉積物中各重金屬污染程度為Cu>Pb>Zn>Mn>Cr>Hg>Ni>As>Co>Cd。Cu、Pb的污染率較高,呈中度-重度污染的占比分別為54%、7%,中度污染占比分別為44%、89%,說明Cu、Pb在一定程度上受到人為活動(dòng)的影響;Zn、Mn、Cr、Hg污染率分別為96%、89%、87%、56%,其中呈中度污染的占比分別為35%、39%、2%、2%;Ni、As和Cd的污染較輕,呈輕度-中度污染的分別為24%、17%和7%的;Co無污染。南磯山濕地沉積物Cu和Pb的地累積指數(shù)平均值比洞庭湖(Cu、Pb分別為0.2、0.4)、鄱陽(yáng)湖(Cu、Pb分別為0.9、0.3)高,Cd的地累積指數(shù)均值比洞庭湖(3.7)、鄱陽(yáng)湖(3.0)低[21]。地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子污染指數(shù)存在一定差異,這是因?yàn)榈乩鄯e指數(shù)不僅考慮了自然地質(zhì)過程對(duì)背景值的影響,也充分注意了人為活動(dòng)的影響。

圖2 南磯山濕地重金屬地累積指數(shù)箱型圖Fig.2 The box plots of heavy metal Igeo in Nanjishan Wetland

沉積物重金屬的富集系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。重金屬Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg的富集系數(shù)分別為0.28～4.20、0.29～1.38、0.73～2.21、0.12～0.92、0.08～0.34、1.00～5.48、0.12～0.97、0.21～0.90、0.34～1.06、0.05～0.45,平均值分別為1.66、0.61、1.05、0.22、0.19、3.06、0.37、0.59、0.65和0.23,富集系數(shù)排序?yàn)镸n>Cd>Co>Zn>As>Pb>Ni>Hg>Cr>Cu。重金屬的富集系數(shù)可以有效反映其在沉積物中的富集程度,可以看出研究區(qū)Mn存在較強(qiáng)富集,主要分布在南磯鄉(xiāng)附近,Cd、As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg的富集系數(shù)總體介于0～2,富集程度較低。

圖3 南磯山濕地重金屬富集系數(shù)箱型圖Fig.3 The box plots of heavy metal EF in Nanjishan Wetland

2.3 南磯山濕地重金屬來源分析

使用SPSS 22軟件對(duì)沉積物樣品中的10種重金屬元素進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表8?？梢钥闯?Cd、As、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg之間具有顯著相關(guān)性(p<0.01),相關(guān)系數(shù)介于0.67～0.91,表明Cd、As、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg可能來源于同一污染源;Cr、Ni、Co之間具有顯著相關(guān)性(p<0.01),相關(guān)系數(shù)介于0.77～0.91,表明Cr、Ni、Co可能來源于同一污染源。

表8 不同重金屬之間的相關(guān)系數(shù)1)Table 8 Correlation coefficients between different heavy metal

主成分分析結(jié)果見表9,共提取出2個(gè)主成分(分別記為PC1、PC2),可以反映全部原始數(shù)據(jù)87.23%的原始信息。其中,PC1特征值為6.94,方差貢獻(xiàn)率為51.20%,Cd、Pb、Zn、Hg、Mn在PC1種具有較高的載荷。有研究表明,在銅礦、鉛鋅礦開采和冶煉過程中,某些硫化物(如閃鋅礦、方鉛礦、黃銅礦等)會(huì)被氧化釋放出Pb、Hg、Zn和Cd進(jìn)入環(huán)境[22],因此推測(cè)PC1代表的是人為活動(dòng)源。PC2特征值為1.78,方差貢獻(xiàn)率為36.03%,Cr、Ni、Co在PC2種具有較高的載荷,Cr的主要來源通常為成土母質(zhì),且Ni的平均含量與背景值相近,Co的平均含量也未超過江西省土壤背景值,因此可以推測(cè)PC2代表自然源。

表9 沉積物重金屬元素主成分旋轉(zhuǎn)載荷Table 9 Rotation load of principal components of heavy metal elements in sediments

2.4 南磯山濕地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

南磯山濕地沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表10。從單個(gè)重金屬元素來看,Zn表現(xiàn)為中風(fēng)險(xiǎn)至高風(fēng)險(xiǎn)程度,Cd表現(xiàn)為低風(fēng)險(xiǎn)至較高風(fēng)險(xiǎn)程度,而Mn、As、Pb、Cu、Hg、Co、Ni、Cr總體表現(xiàn)為低風(fēng)險(xiǎn)。所有沉積物樣品中,Zn呈高風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為13.0%,呈較高風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為72.2%,呈中風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為14.8%;Cd呈較高風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為9.3%,呈中風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為44.4%。可見,Zn、Cd為南磯山濕地沉積物中主要的潛在生態(tài)危害重金屬元素,需加強(qiáng)對(duì)Zn、Cd的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。

表10 南磯山濕地沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Table 10 Potential ecological risks of heavy metals in Nanjishan Wetland sediments

南磯山濕地沉積物重金屬的整體潛在生態(tài)危害指數(shù)為70.11～440.14,平均值為228.11,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平為低風(fēng)險(xiǎn)至較高風(fēng)險(xiǎn)水平。其中,呈較高風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為50.0%,呈中風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為48.1%,呈低風(fēng)險(xiǎn)的樣本占比為1.9%。

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)沉積物重金屬Cd、As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg的平均質(zhì)量濃度分別為0.61、15.58、58.45、28.09、24.66、54.92、122.65、0.109 mg/kg,除Cd外,其余重金屬含量均低于GB 15618—2018中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

(2) 污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,沉積物重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)為1.12,呈輕度污染。其中, Mn、Cr、Cd呈現(xiàn)較重污染,Mn表現(xiàn)為中度至重度污染,Cd表現(xiàn)為中度至中重度污染,Cr大多為輕度污染,As、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg均未出現(xiàn)污染;此外,Mn富集程度較高,Cd、As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg的富集程度較低。

(3) 源解析結(jié)果顯示,Cd、Pb、Zn、Hg、Mn呈顯著正相關(guān)(p<0.01),其主要來源可能為礦產(chǎn)開采等人為活動(dòng);Cr、Ni、Co也有顯著的相關(guān)性(p<0.01),其主要來源為自然源。

(4) 南磯山濕地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平為低風(fēng)險(xiǎn)至較高風(fēng)險(xiǎn)水平,Zn、Cd為南磯山濕地主要的潛在生態(tài)危害元素,需加強(qiáng)對(duì)Zn、Cd的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。