南四湖沉積物重金屬含量水平與生態風險

張 鑫，董茹月，白亞楠，王文敬，趙汝蘋，鄭婉寧，王茜男，王世亮

(曲阜師范大學 地理與旅游學院，山東 日照 276826)

近年來湖泊重金屬污染問題引起學術界高度關注。重金屬污染物對環境質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題成為世界范圍內的研究熱點[1]。沉積物是重金屬污染物的蓄積庫。重金屬通過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境質量。

工業生產、化石燃料燃燒以及化肥農藥使用等都是重金屬重要的人為源[2]。重金屬通過自然源和人為源排放到環境中[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]等水環境中的重金屬進行了研究，研究顯示，目前水體環境中的重金屬污染問題須引起高度重視。

因此，本論文以南四湖表層沉積物為研究對象，對重金屬的含量及空間分布進行了系統分析，對重金屬的生態風險進行了評價。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

2017年4月份，在南四湖20個點采集了表層沉積物(圖1)。

圖1 采樣點分布圖

1.2 分析方法

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

此外，樣品進行消解后，用ICP-AES測定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測定。

1.3 南西湖沉積物中重金屬生態毒性評價

1.3.1 地累積指數法[7]

評價方法如式(1)：

Igeo=log2Cn/(1.5 Bn) (1)

其中，Cn為實際含量，Bn為全球頁巖沉積物的背景含量，1.5是校正因子。

1.3.2 相對富集因子法

本方法的計算方法如公式(2):

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

(2)

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

2 結果與討論

2.1 沉積理化性質

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

表1 南四湖沉積物理化性質

注：a大陸殼元素的平均含量；b 地球頁巖元素的含量；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

上級湖區沉積物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，上級湖區重金屬的含量水平高于下級湖區。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 地球頁巖元素的含量；c 全球沉積物元素的含量；d 可能效應濃度[1]。

據報道，上級湖區的13條入湖河流水和沉積物普遍受到重金屬的污染。因此，工業廢水的排放可能是導致南四湖沉積物重金屬含量較高的主要原因，尤其對上級湖區。南四湖水流從上級湖區流向下級湖區，這也可能是上級湖區沉積物重金屬比下級湖區高的原因。

3 南西湖沉積物重金屬的潛在生態風險

南四湖沉積物重金屬污染的潛在生態風險評價結果表明：Cr、Ni和Co地累積指數的平均值都為負值，表明南四湖沉積物中這些元素的平均水平低于頁巖的平均濃度(表3)。而對于Cd、Pb、Cu、Zn等元素，在某些點的地累積指數值為正值，表明其平均水平高于頁巖的平均濃度 (表3)。

表3 南四湖沉積物潛在生態風險評價的計算結果

結果表明：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)。因為REF考慮了沉積物的異質性，所以，這種方法比地累積指數更準確。從REF的評價結果來說，南四湖沉積物可能有中度的潛在生態風險。

4 結論

(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)上級湖區沉積物中SOM、Ca及其重金屬的含量明顯高于微山湖，上級湖區的污染程度比下級湖區嚴重。

(3)附近區域的煤炭燃燒、化肥和農藥使用，水產養殖等對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業廢水的排放是環境污染的主要貢獻者。

(4) 生態風險評價的結果表明南四湖沉積物中重金屬具有一定的累積，對水生態系統具有輕微或中等的潛在生態風險。