大縱湖(興化片區(qū))底泥重金屬時(shí)空分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

朱冬冬，黃晨悅，周 莉，尤曉慧，杭小帥，孔 明，韓天倫，崔益斌，丁程成

(生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京 210042)

我國是一個(gè)湖泊眾多的國家，全國共有湖泊20 000多個(gè)。湖泊一直是滿足人類消費(fèi)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和娛樂需求的最重要的淡水資源，然而，由于人類活動(dòng)，河流和湖泊受到嚴(yán)重污染，全世界范圍內(nèi)都存在化學(xué)物質(zhì)和過量營養(yǎng)物質(zhì)對地表水造成污染的問題。過量的化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致缺氧、魚類死亡、生物多樣性的喪失和水生植物床的喪失等問題。目前，湖泊存在的環(huán)境問題主要包括富營養(yǎng)化、重金屬污染、水體酸化等。

底泥作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在為水生動(dòng)植物生長提供基本養(yǎng)分的同時(shí)也是各種污染物富集的場所，通過檢測底泥中污染物的含量可以反映其水體的污染程度。氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及重金屬易吸附沉降在底泥中，而底泥又時(shí)刻與水體進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，人們往往重視外源污染而忽視內(nèi)源污染，事實(shí)上，當(dāng)外源污染得到控制時(shí)，水體與底泥中污染物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，污染物會(huì)通過溶解、解吸等作用由底泥向水體遷移，形成二次污染。

大縱湖位于江蘇省鹽城市鹽都區(qū)、泰州市興化兩地，當(dāng)?shù)赜置胶?，為古射陽湖?jīng)分化解體后的殘跡湖之一。地處里下河平原腹地，是運(yùn)東湖群中地勢最為低下的地區(qū)。湖形略近橢圓形，湖面面積為36.783 km，興化境內(nèi)面積為17.01 km，占水域總面積的46.25%，屬碳酸鹽類鈉組Ⅰ型淡水湖。目前，學(xué)者對大縱湖的研究較少，主要集中在水生植物、底棲動(dòng)物等水生態(tài)方面，對于底泥的研究較少，因此，筆者選取大縱湖興化片區(qū)為研究區(qū)域，對興化片區(qū)大縱湖流域底泥污染物時(shí)空分布特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，為相關(guān)部門提供大縱湖興化片區(qū)較為全面的數(shù)據(jù)，為改善湖泊環(huán)境、湖泊污染治理提供參考。

1 材料與方法

大縱湖位于長江、淮河兩大水系交融的蘇北里下河水鄉(xiāng)，地處鹽城市鹽都區(qū)大縱湖鎮(zhèn)和興化市中堡鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為119°43′～119°50′E、33°07′～33°13′N；東與鹽城市鹽都區(qū)大縱湖鎮(zhèn)濱湖街區(qū)相接，北與鹽城市鹽都區(qū)樓王鎮(zhèn)北龍港街區(qū)相接，西與泰州興化市沙溝鎮(zhèn)相接，南以大縱湖與泰州興化市中堡鎮(zhèn)相接(圖1)。大縱湖湖面呈橢圓形，東西最長9 km，南北最寬6 km，總面積36.78 km，平均水深約1 m。此次研究區(qū)域?yàn)榇罂v湖興化片區(qū)，該片區(qū)湖泊面積為17.01 km。

以大縱湖興化片區(qū)為研究對象，在2018—2019年每個(gè)季度對多個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測時(shí)間為2018年10月(秋季)、2019年2月(冬季)、2019年5月(春季)、2019年8月(夏季)，涵蓋了豐水期、平水期、枯水期。點(diǎn)位1、2、3代表入河湖口；4、5、6、7、8代表湖內(nèi)；9、10代表出湖河口(圖2)。

圖1 大縱湖地理位置Fig.1 Location of Dazong Lake

圖2 采樣點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of sampling points

采用Van Veen底泥采樣器采集表層沉積物，每個(gè)點(diǎn)位采集3份樣品，采集的泥樣裝入聚乙烯塑料袋中。采集完畢放在4 ℃冰箱內(nèi)保存并于當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室，所有樣品在儀器分析前，經(jīng)過105 ℃下烘烤30 min，然后在80 ℃條件下烘干至恒重，最后將底泥磨碎過篩(100 mm)，封裝記上標(biāo)號(hào)待測。

測定的指標(biāo)包括銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、砷(As)、汞(Hg)重金屬指標(biāo)，試驗(yàn)分析方法如表1所示。采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，Origin 2018進(jìn)行繪圖。

地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)法()在1969年由德國學(xué)者M(jìn)iller提出，能反映沉積物中重金屬元素潛在污染程度，其計(jì)算方法如下：

(1)

式中，為地累積指數(shù)；為金屬元素的實(shí)測值(mg/kg)；為金屬元素的背景值(mg/kg)，該研究采用流域所處的里下河淺洼平原的背景值作為參考；1.5為修正指數(shù)。越大，表明該地區(qū)重金屬污染越嚴(yán)重。地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及污染程度見表2。

表1 沉積物監(jiān)測方法

表2 地累積指數(shù)分級(jí)與重金屬污染程度的關(guān)系

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)是由瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出，用于評(píng)價(jià)重金屬污染和潛在生態(tài)危害的方法。它根據(jù)重金屬的污染特征及能造成的生態(tài)影響，定量地劃分重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。 其計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)與重金屬污染程度的關(guān)系

2 結(jié)果與分析

重金屬污染情況。大縱湖(興化片區(qū))pH變化較為平穩(wěn)，處于7.0～7.5，參照《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)》風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行評(píng)價(jià)。大縱湖(興化片區(qū))表層沉積物樣品中重金屬濃度結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示，底泥的背景值采用江蘇省里下河淺洼平原表層土壤背景值。從表4可以看出，大縱湖(興化片區(qū))表層沉積物中的重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg平均值分別為18.93、88.2、24.9、0.32、49.3、29.1、14.58和0.062 0 mg/kg，其中Zn、Pb、Cd、As、Hg的平均值均超過背景值，且Cd最大濃度超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其余重金屬濃度均未超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說明Cd污染程度嚴(yán)重。變異系數(shù)又稱“標(biāo)準(zhǔn)差率”，是用于比較不同樣本數(shù)據(jù)的離散程度。將變異系數(shù)(CV)劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為高度變異(CV≥0.36)、中等變異(0.16≤CV<0.36)和低度變異(CV<0.16)。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As變異系數(shù)均高于0.36，為高度變異；Cd、Hg變異系數(shù)均低于0.16，為低度變異。

表4 研究區(qū)底泥重金屬描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

重金屬時(shí)空分布特征。根據(jù)采樣點(diǎn)檢測結(jié)果(圖3)，重金屬Hg含量春季最高，重金屬Cr、Cd、Ni和As濃度均秋季最高，重金屬Cu、Pb和Zn濃度均冬季最高。根據(jù)實(shí)地調(diào)查大縱湖(興化片區(qū))存在大量圍網(wǎng)式水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖主要在第3季度投餌，因此秋冬兩季重金屬濃度較高。Cd含量在秋季明顯高于春季、夏季、冬季，這是因?yàn)镃d大量存在于農(nóng)藥、化肥中，磷肥中Cd含量可以達(dá)到300 mg/kg，大縱湖流域分布著大量的農(nóng)田，農(nóng)藥化肥殘留隨地表徑流進(jìn)入大縱湖，累積在沉積物中。根據(jù)研究區(qū)氣象資料，5—9月降水量712.2 mm，占年降水量的69.3%。研究區(qū)降水量主要呈現(xiàn)上升趨勢，這說明As相較于其他重金屬易遷移到水相中，隨著水流遷移。

雨季集中在每年的5—9月份，重金屬易隨著雨水遷移至下游區(qū)域，因此夏季研究區(qū)重金屬濃度偏低。入河湖口2、3號(hào)點(diǎn)位(鯉魚河、中引河)相較于1號(hào)點(diǎn)位(西孤河)重金屬含量更高，說明研究區(qū)底泥重金屬的主要來源為鯉魚河、中引河，而西孤河影響相對較小。Zn和Ni在時(shí)空上無明顯的分布規(guī)律，說明Zn和Ni元素主要為自然累積。大部分重金屬含量在入河湖口呈現(xiàn)下降趨勢，僅As含量在出湖河口。

地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)。根據(jù)公式(1)計(jì)算得出大縱湖(興化片區(qū))底泥重金屬地累積指數(shù)()如表5所示。從表5可以看出，研究區(qū)底泥重金屬在-1.64～1.26。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr和Ni均處于1級(jí)無污染；As在入湖河口和出湖河口處于2級(jí)輕度污染，湖內(nèi)為1級(jí)無污染；Hg在入湖河口和湖內(nèi)處于2級(jí)輕度污染，出湖河口為1級(jí)無污染；Cd在3處均處于3級(jí)偏中度污染，污染程度最高?？傮w上來看，研究區(qū)底泥重金屬處于無污染程度，底泥重金屬污染程度較小。

圖3 底泥重金屬時(shí)空分布Fig.3 Temporal and spatial distribution of heavy metals in sediments

表5 研究區(qū)底泥重金屬地累積指數(shù)(Igeo)

表6 研究區(qū)底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

3 結(jié)論

(1)大縱湖(興化片區(qū))底泥重金屬總體污染程度低，其中Zn、Pb、Cd、As和Hg的平均值均超出背景值，Cd最大濃度超出風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其余重金屬均未超出篩選值。

(2)從底泥重金屬時(shí)空分布分析得出，底泥重金屬主要在秋季、冬季累積；鯉魚河、中引河為研究區(qū)主要污染來源。

(3)從底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析得出，2種評(píng)價(jià)方法均得出研究區(qū)Cd是最大的污染物。