蘑菇湖水庫沉積物重金屬污染特征及潛在生態風險評價

池艷峰 李國宏

中國環境科學研究院湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012

目前國內外評價沉積物重金屬污染及生態風險的方法有內梅羅指數法、地積累指數法、潛在生態風險指數法、污染負荷指數法、沉積物質量基準法、次生相與原生相比值法等[1]。其中，地積累指數法（Igeo）相比其他單因子評價方法考慮了地質作用的影響，并且操作簡單;潛在生態風險指數法綜合了重金屬的毒性、濃度、遷移轉化規律及區域背影響值的影響。因此二者被廣泛用于評價水體重金屬污染和潛在生態風險。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

蘑菇湖水庫位于新疆石河子市西北21 km處的自然洼地，是一座大（II）型引水注入式平原水庫。水庫設計總庫容為1.8億m3，正常蓄水位為390.80 m，死水位為379.50 m，設計蓄水面積為31.2 km2，流域面積為120萬畝，年平均調節水量約2億m3 。

1.2 樣品采集與分析

筆者于2017年10月在蘑菇湖水庫采集底泥樣品，共12個樣點，使用抓斗式采泥器采集表層底泥，剖去樣品與抓斗式采泥器接觸部分后對其進行攪勻處理，封裝于聚乙烯自封袋中，用保溫箱帶回實驗室，以真空冷凍干燥機凍干。凍干后挑除雜草、石塊，過100目（0.15 mm）尼龍篩后進行檢測。

重金屬元素Cd、Pb的測定采用原子吸收光譜法，Hg、As的測定采用原子熒光光譜法，Cu、Cr、Zn、Ni的測定采用電感耦合等離子體發射光譜法。有機質、TN、TP的測定參考《土壤農業化學分析方法》[2]：有機質（OM）測定采用重量法；TN測定采用堿性過硫酸鉀氧化分光光度法；TP測定采用堿熔—鉬銻抗分光光度法。

1.3 數據處理

數據經正態檢驗剔除異常值后，采用SPSS19.0及origin9.0、surfer11進行統計分析與繪圖。

1.4 沉積物重金屬污染評價方法

（1）地積累指數法( index of geoaccumulation，Igeo)于1979年由G.Muller提出，其計算方法如下

式中，Cn為重金屬元素n在沉積物中的含量；Bn為該元素在當地的背景值，通常為該區域未經污染的土壤中重金屬的含量，本研究采用新疆維吾爾自治區土壤重金屬背景值；1.5為考慮重金屬在區域內含量波動以及輕微人為影響之后的修正系數。

當Igeo＞5時為極度污染，4＜Igeo≤5時為強烈至極度污染， 3＜Igeo≤4時為強烈污染， 2＜Igeo≤3時為中度至強烈污染，1＜Igeo≤2時為中度污染，0≤Igeo≤1時為未污染至中度污染， Igeo＜0時為未污染。

（2）潛在生態風險指數法于1980年由Hakanson提出，其計算公式為

2 結果與討論

2.1 蘑菇湖水庫沉積物中重金屬污染特征

蘑菇湖水庫沉積物中重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni平均含量分別為 0.20±0.06mg/kg、0.67±0.38mg/kg、14.48±3.21mg/kg、37.68±11.40 mg/kg、23.78±3.07mg/kg、62.71±26.70mg/kg、401.50±94.11mg/kg、34.65±9.38mg/kg，均超過了新疆土壤背景值，尤其Hg和Zn分別為背景值的33.5倍和5.8倍，在沉積物中的蓄積現象較為嚴重；Zn在沉積物中含量超過土壤環境質量二級標準。通過比較8種重金屬含量的變異系數可知，Hg的變異系數最大（CV= 57.2%），表明其在水庫不同位置沉積物中含量的空間分布差異最大；其次為Cr（CV= 42.58%）；其余重金屬元素在水庫沉積物中含量的空間分布相對比較均勻。

水庫沉積物中有機質、TN、TP的含量分別為6.57±2.11%、2.39±1.39g/kg和1.14±0.39g/kg。TN在水庫不同區域沉積物中的分布較有機質、TP不均勻（CV= 58.14%）。

2.2 沉積物重金屬污染及潛在生態風險評價

2.2.1 Igeo法

根據Igeo法得到的蘑菇湖水庫沉積物中重金屬元素Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的Igeo范圍分別為-0.85～0.92、1.23～5.84、-0.66～0.28、-0.70～0.68、-0.69～-0.07、-1.17～0.81、0.95～2.55、-1.36～0.38其平均Igeo從大到小依次為：Hg（4.37）＞ Zn（1.91) ＞ Cd（0.09）＞ Cu（-0.15） ＞As（-0.25）＞ Ni（-0.26）＞ Pb（-0.30）＞ Cr（-0.36）。其中，As、Pb、Cr、Ni、Cu處于未受污染狀態，Zn處于重度污染狀態，而Hg處于強烈至極度污染狀態。Igeo法評價結果表明，蘑菇湖水庫沉積物污染的主要重金屬元素為Hg和Zn。

2.2.2 潛在生態風險指數法

根據Hakanson潛在生態風險指數法得出的蘑菇湖水庫表層沉積物中重金屬、RI結果如表1所列。

表1 蘑菇湖水庫沉積物重金屬

表1 蘑菇湖水庫沉積物重金屬

i項目RI 潛在生態風險程度Cd Hg As Cu Pb Cr Zn Er采樣點S1 85.00 3435.29 18.21 12.04 6.86 3.02 8.81 3569.23 非常高S2 32.50 611.76 9.55 5.11 4.66 1.42 2.89 667.91 非常高S3 52.50 1176.47 12.68 7.81 6.01 1.33 6.02 1262.81 非常高S4 60.00 2870.59 13.39 7.66 6.83 3.14 6.08 2967.69 非常高S5 42.50 141.18 10.89 5.17 5.34 2.60 4.10 211.77 中S6 65.00 1670.59 14.11 8.43 6.96 1.57 6.67 1773.32 非常高S7 57.50 1647.06 14.82 8.43 6.60 5.27 6.64 1746.32 非常高S8 25.00 1788.24 14.46 7.73 7.14 3.45 6.05 1852.07 非常高S9 65.00 2258.82 17.32 8.09 6.75 3.04 6.16 2365.19 非常高S10 40.00 1011.76 9.46 4.61 5.44 1.87 5.54 1078.68 非常高S11 35.00 1105.88 10.00 4.85 5.34 1.98 5.33 1168.39 非常高S12 47.50 1058.82 10.18 4.74 5.62 1.83 5.74 1134.43 非常高平均值 50.63 1564.71 12.92 7.06 6.13 2.54 5.84 1649.82 非常高潛在生態風險程度 中 非常高 低 低 低 低 低

蘑菇湖水庫沉積物重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn的平均單項潛在生態風險指數分別為50.63、1564.71、12.92、7.06、6.13、2.54、5.84。其中，單一污染物潛在生態風險指數最高的重金屬為Hg，其Eri值為1564.71，潛在生態風險程度為非常高；其次為Cd，潛在風險程度為中；其余重金屬潛在生態風險程度均為低。各采樣點得到的RI值范圍在211.77～3569.23，平均為1649.82。除S5點位的潛在生態風險為中等外，其余所有點位潛在生態風險程度均為非常高（RI≥600）。

2.3 沉積物重金屬污染來源

主成分分析(principle component analysis, PCA)是判別重金屬來源的有效方法。對沉積物中8種重金屬的主成分分析（見表2）最終辨識出2個主成分，其特征值為分別為5.354和1.192，方差貢獻率分別為66.920%和14.895%，累積方差貢獻率為81.814%。PC1中Cu、As、Zn、Hg、Pb、Cd擁有較高的載荷，分別為 0.941、0.937、0.936、0.898、0.897、0761。結合這幾種重金屬含量的相關性分析可知，其來源具有一致性。根據Igeo法和潛在生態風險指數法的分析結果可知，這些金屬潛在生態風險均比較高，且其空間分布大都在南部和中部，為周邊污染排入和匯集區。

表2 蘑菇湖水庫沉積物重金屬主成分分析結果

有學者認為，沉積物中的重金屬Cu、Cd可能來源于化肥、農藥等；Hg、As、Pb等大多來源于工業和礦區污染[3]，而沙灣地區土壤Hg、As、Pb背景值均處在土壤環境質量一級標準限值附近，且周圍無礦業企業，故工業污染對其貢獻可能最大。因此PC1代表了重金屬污染的人為因素，如工業污染和農業面源污染，代表重金屬元素有Cu、As、Zn、Hg、Pb、Cd。PC2上較高載荷的有Ni（0.725）和Cr（0.440），而 Ni、Cr的 Igeo范圍分別為 -1.36～0.38 和 -1.17～ 0.81，基本屬于未污染狀態。并且有研究表明，Ni、Cr、Co等重金屬含量常常受自然地質因素的影響，大多來源于沉積物母質中的地質礦物[4]。因此PC2代表的是重金屬的自然來源，代表元素為Ni和Cr。

3 結語

（1）Igeo法評價結果表明，沉積物重金屬的平均Igeo從大到小依次為：Hg（4.37）＞ Zn（1.91）＞ Cd（0.09）＞ Cu（-0.15）＞ As(-0.25）＞ Ni（-0.26）＞ Pb（-0.30）＞ Cr（-0.36）。污染嚴重的重金屬元素為Hg、Zn，其中Hg處于強烈至極度污染狀態，Zn為中度污染。潛在生態風險評價結果表明，沉積物中重金屬綜合潛在生態風險非常高。

（2）主成分分析結果表明，蘑菇湖水庫沉積物中重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn可能具有相似的污染來源，且人為因素如工業的有機化工和印染廢水污染和農業面源污染占據主導；Ni、Cr的污染主要為自然來源。