南四湖沉積物重金屬含量水平與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

張 鑫，董茹月，白亞楠，王文敬，趙汝蘋(píng)，鄭婉寧，王茜男，王世亮

(曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，山東 日照 276826)

近年來(lái)湖泊重金屬污染問(wèn)題引起學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。重金屬污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量和人體健康具有重要的威脅[1]。沉積物中的重金屬污染問(wèn)題成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1]。沉積物是重金屬污染物的蓄積庫(kù)。重金屬通過(guò)地表徑流等方式累積在沉積物中。沉積物中的重金屬也能夠影響上覆水的環(huán)境質(zhì)量。

工業(yè)生產(chǎn)、化石燃料燃燒以及化肥農(nóng)藥使用等都是重金屬重要的人為源[2]。重金屬通過(guò)自然源和人為源排放到環(huán)境中[2]。排放到沉積物中的重金屬都被沉積物吸附[3]。眾多研究湖泊[4]、河流[5]、海洋[6]等水環(huán)境中的重金屬進(jìn)行了研究，研究顯示，目前水體環(huán)境中的重金屬污染問(wèn)題須引起高度重視。

因此，本論文以南四湖表層沉積物為研究對(duì)象，對(duì)重金屬的含量及空間分布進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

2017年4月份，在南四湖20個(gè)點(diǎn)采集了表層沉積物(圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

1.2 分析方法

沉積物pH值是用pH電極測(cè)定；沉積物有機(jī)質(zhì)(SOM)用重鉻酸鉀稀釋熱比色法測(cè)定；碳酸鹽用稀HCl溶解測(cè)定；粒徑分布是用LS30激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。

此外，樣品進(jìn)行消解后，用ICP-AES測(cè)定Cr、Mn、Ti、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K的含量；而Cd、Co、Cu、Ni、Pb和Zn則采用ICP-MS測(cè)定。

1.3 南西湖沉積物中重金屬生態(tài)毒性評(píng)價(jià)

1.3.1 地累積指數(shù)法[7]

評(píng)價(jià)方法如式(1)：

Igeo=log2Cn/(1.5 Bn) (1)

其中，Cn為實(shí)際含量，Bn為全球頁(yè)巖沉積物的背景含量，1.5是校正因子。

1.3.2 相對(duì)富集因子法

本方法的計(jì)算方法如公式(2):

REF=([TM]/[Al])Sample/([TM]/[Al])ucc

(2)

式中：REF為元素的富集系數(shù)；TM、Al為元素實(shí)際濃度、TM、Al(UCC)為元素參照濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積理化性質(zhì)

沉積物理化性質(zhì)如表1。沉積物略顯堿性；碳酸鹽含量從0.01%到1.17%；南陽(yáng)湖和獨(dú)山湖SOM含量高于昭陽(yáng)湖和微山湖；周邊城市通過(guò)13條入湖河流每年排放大約2900萬(wàn)t廢水，其COD和BOD的濃度都高于地表水V類(lèi)水的值[8]。沉積物中Fe和Al的含量沒(méi)有很大的變化。獨(dú)山湖Ca的含量最高[9]。

表1 南四湖沉積物理化性質(zhì)

注：a大陸殼元素的平均含量；b 地球頁(yè)巖元素的含量；c 全球沉積物元素的含量。

2.2 沉積物重金屬含量和空間分布特征

上級(jí)湖區(qū)沉積物Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Co的平均含量分別為0.38、94.73、60.18、46.17、166.66、26.89、11.07 mg/kg(表2)，在微山湖的平均含量為0.15、67、38.99、28.86、119.58、16.8、9.77 mg/kg。因此，上級(jí)湖區(qū)重金屬的含量水平高于下級(jí)湖區(qū)。此外，除了Ni和Co之外，其它重金屬元素含量均值高于全球沉積物均值。所以，南四湖沉積物重金屬含量較高。

表2 南四湖沉積物中重金屬的濃度(mg/kg)

注：a大陸殼元素的平均含量；b 地球頁(yè)巖元素的含量；c 全球沉積物元素的含量；d 可能效應(yīng)濃度[1]。

據(jù)報(bào)道，上級(jí)湖區(qū)的13條入湖河流水和沉積物普遍受到重金屬的污染。因此，工業(yè)廢水的排放可能是導(dǎo)致南四湖沉積物重金屬含量較高的主要原因，尤其對(duì)上級(jí)湖區(qū)。南四湖水流從上級(jí)湖區(qū)流向下級(jí)湖區(qū)，這也可能是上級(jí)湖區(qū)沉積物重金屬比下級(jí)湖區(qū)高的原因。

3 南西湖沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

南四湖沉積物重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明：Cr、Ni和Co地累積指數(shù)的平均值都為負(fù)值，表明南四湖沉積物中這些元素的平均水平低于頁(yè)巖的平均濃度(表3)。而對(duì)于Cd、Pb、Cu、Zn等元素，在某些點(diǎn)的地累積指數(shù)值為正值，表明其平均水平高于頁(yè)巖的平均濃度 (表3)。

表3 南四湖沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明：Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Co的平均REF值分別為4.44、3.32、2.16、3.29、3.95、1.79、1.24，因此，南四湖沉積物中有Cd和Cr的富集。

以上結(jié)果表明，具有較高地累積的元素是Pb和Cu，而REF平均值較高的是Cd和Zn (表4)。因?yàn)镽EF考慮了沉積物的異質(zhì)性，所以，這種方法比地累積指數(shù)更準(zhǔn)確。從REF的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)說(shuō)，南四湖沉積物可能有中度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1) 南四湖沉積物中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Co的平均含量分別為0.35、53.33、27.01、25.52、63.17、25.38、10.88 mg/kg；均值和中值均高于全球沉積物的值，而Ni和Co的值較低。

(2)上級(jí)湖區(qū)沉積物中SOM、Ca及其重金屬的含量明顯高于微山湖，上級(jí)湖區(qū)的污染程度比下級(jí)湖區(qū)嚴(yán)重。

(3)附近區(qū)域的煤炭燃燒、化肥和農(nóng)藥使用，水產(chǎn)養(yǎng)殖等對(duì)南四湖沉積物中重金屬的污染有重要影響；南四湖周邊城市工農(nóng)業(yè)廢水的排放是環(huán)境污染的主要貢獻(xiàn)者。

(4) 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明南四湖沉積物中重金屬具有一定的累積，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)具有輕微或中等的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。