大縱湖（興化片區）底泥重金屬時空分布特征及生態風險評價

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

摘要 為探究大縱湖（興化片區）底泥重金屬時空分布及其潛在的生態風險，運用地累積指數法和潛在生態危害指數法分析銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、汞（Hg）8種重金屬的污染狀況，評估重金屬污染風險等級，探討潛在的影響因素。結果表明，地累積指數法得出Cd是研究區污染程度最高，達到偏中度污染程度;潛在生態危害指數法得出，Cd達到強生態危害，Hg在入湖河口和湖內達到強生態危害，出湖河口達到中等生態危害。底泥重金屬時空特征研究發現，研究區底泥重金屬主要在秋冬兩季累積，外來污染源主要來源于鯉魚河、中引河，而西孤河影響相對較小。

關鍵詞 底泥;重金屬;時空分布;生態風險;大縱湖（興化片區）

中圖分類號 X826? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）10-0054-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.014

Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Heavy Metals in Sediments and Ecological Risk Assessment in Lake Dazong （Xinghua Area）

ZHU Dong-dong， HUANG Chen-yue， ZHOU Li et al

（Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Ecology and Environment， Nanjing， Jiangsu 210042）

Abstract In order to explore the temporal and spatial distribution of heavy metals in the sediments of Lake Dazong （Xinghua area） and their potential ecological risks， the geo-accumulation index method and the potential ecological hazard index method were used to analyze 8 heavy metals （Cu，Zn，Pb，Cd，Cr，Ni，As，Hg）， assess the risk level of heavy metal pollution， and explore potential influencing factors. The result showed that the geo-accumulation index method shows that Cd had the highest degree of pollution in the study area， reaching a moderate degree of pollution.According to the potential ecological hazard index method， Cd reached a strong ecological hazard，Hg reached a strong ecological hazard， the estuary of the lake reached a moderate ecological hazard. Through the study of the temporal and spatial characteristics of sediment heavy metals， it was found that the sediment heavy metals in the study area mainly accumulated in autumn and winter. The external pollution sources mainly came from Liyu River and Zhongyin River， while the influence of Xigu River was relatively small.

Key words Sediment;Heavy metals;Temporal and spatial distribution;Ecological risk;Lake Dazong （Xinghua area）

基金項目 水體污染控制與治理科技重大專項（2018ZX07208006-004）;國家自然科學基金青年科學基金項目（41907154）;江蘇省自然科學基金面上項目（BK20191110）。

作者簡介 朱冬冬（1992—），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：土壤重金屬。

收稿日期 2021-06-21;修回日期 2021-07-22

我國是一個湖泊眾多的國家，全國共有湖泊20 000多個[1]。湖泊一直是滿足人類消費、農業、工業和娛樂需求的最重要的淡水資源，然而，由于人類活動，河流和湖泊受到嚴重污染，全世界范圍內都存在化學物質和過量營養物質對地表水造成污染的問題。過量的化學物質和營養物質會導致缺氧、魚類死亡、生物多樣性的喪失和水生植物床的喪失等問題[2]。目前，湖泊存在的環境問題主要包括富營養化、重金屬污染、水體酸化等。

底泥作為湖泊生態系統的重要組成部分，在為水生動植物生長提供基本養分的同時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[3]。氮磷等營養物質以及重金屬易吸附沉降在底泥中，而底泥又時刻與水體進行物質和能量交換，人們往往重視外源污染而忽視內源污染，事實上，當外源污染得到控制時，水體與底泥中污染物質的動態平衡將被打破，污染物會通過溶解、解吸等作用由底泥向水體遷移，形成二次污染[4]。

大縱湖位于江蘇省鹽城市鹽都區、泰州市興化兩地，當地又名平湖，為古射陽湖經分化解體后的殘跡湖之一。地處里下河平原腹地，是運東湖群中地勢最為低下的地區。湖形略近橢圓形，湖面面積為36.783 km2，興化境內面積為17.01 km2，占水域總面積的46.25%，屬碳酸鹽類鈉組Ⅰ型淡水湖。目前，學者對大縱湖的研究較少，主要集中在水生植物、底棲動物等水生態方面，對于底泥的研究較少，因此，筆者選取大縱湖興化片區為研究區域，對興化片區大縱湖流域底泥污染物時空分布特征和生態風險特征進行系統分析，為相關部門提供大縱湖興化片區較為全面的數據，為改善湖泊環境、湖泊污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大縱湖位于長江、淮河兩大水系交融的蘇北里下河水鄉，地處鹽城市鹽都區大縱湖鎮和興化市中堡鎮境內，地理坐標為119°43′～119°50′E、33°07′～33°13′N;東與鹽城市鹽都區大縱湖鎮濱湖街區相接，北與鹽城市鹽都區樓王鎮北龍港街區相接，西與泰州興化市沙溝鎮相接，南以大縱湖與泰州興化市中堡鎮相接（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 km2，平均水深約1 m。此次研究區域為大縱湖興化片區，該片區湖泊面積為17.01 km2。

1.2 樣品采集與處理

以大縱湖興化片區為研究對象，在2018—2019年每個季度對多個點位水質指標進行監測，具體監測時間為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。點位1、2、3代表入河湖口;4、5、6、7、8代表湖內;9、10代表出湖河口（圖2）。

采用Van Veen底泥采樣器采集表層沉積物，每個點位采集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 ℃冰箱內保存并于當日帶回實驗室，所有樣品在儀器分析前，經過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），封裝記上標號待測。

1.3 數據分析與處理

測定的指標包括銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、汞（Hg）重金屬指標，試驗分析方法如表1所示。采用Excel 2016進行數學分析，Origin 2018進行繪圖。

1.4 評價方法

1.4.1 地累積指數法。地累積指數法（Igeo）[5-7]在1969年由德國學者Miller提出，能反映沉積物中重金屬元素潛在污染程度，其計算方法如下：

Igeo=log2Cn1.5Bn（1）

式中，Igeo為地累積指數;Cn為金屬元素n的實測值（mg/kg）;Bn為金屬元素n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[8];1.5為修正指數。Igeo越大，表明該地區重金屬污染越嚴重[9]。地累積指數分級標準以及污染程度見表2。

1.4.2 潛在生態風險指數法。潛在生態危害指數（RI）[10]是由瑞典學者Hakanson于1980年提出，用于評價重金屬污染和潛在生態危害的方法。它根據重金屬的污染特征及能造成的生態影響，定量地劃分重金屬潛在生態風險程度。 其計算公式[11]如下：

Eir=Tir（WisCin）（2）

RI=ni=1Eir（3）

式中，Eir是重金屬i的潛在生態風險因子;Tir為重金屬i的毒性系數，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg的毒性系數分別為5、1、5、30、2、5、10和40[12];Wis為底泥重金屬含量實測值（mg/kg）;Cin為單一元素參比值（mg/kg）;RI是多個重金屬潛在生態危害指數。潛在生態風險指數法分級標準及污染程度見表3。

2 結果與分析

2.1 底泥重金屬時空分布

2.1.1 重金屬污染情況。大縱湖（興化片區）pH變化較為平穩，處于7.0～7.5，參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》風險篩選值進行評價。大縱湖（興化片區）表層沉積物樣品中重金屬濃度結果統計如表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）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最大濃度超過風險篩選值，其余重金屬濃度均未超過風險篩選值，說明Cd污染程度嚴重。變異系數又稱“標準差率”，是用于比較不同樣本數據的離散程度。將變異系數（CV）劃分為3個等級，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）[5]。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As變異系數均高于0.36，為高度變異;Cd、Hg變異系數均低于0.16，為低度變異。

2.1.2 重金屬時空分布特征。根據采樣點檢測結果（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。根據實地調查大縱湖（興化片區）存在大量圍網式水產養殖產業，水產養殖主要在第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，這是因為Cd大量存在于農藥、化肥中，磷肥中Cd含量可以達到300 mg/kg[7]，大縱湖流域分布著大量的農田，農藥化肥殘留隨地表徑流進入大縱湖，累積在沉積物中。根據研究區氣象資料，5—9月降水量712.2 mm，占年降水量的69.3%。研究區降水量主要呈現上升趨勢，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域，因此夏季研究區重金屬濃度偏低。入河湖口2、3號點位（鯉魚河、中引河）相較于1號點位（西孤河）重金屬含量更高，說明研究區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在時空上無明顯的分布規律，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下降趨勢，僅As含量在出湖河口。

2.2 底泥重金屬生態風險評價

2.2.1 地累積指數法評價。根據公式（1）計算得出大縱湖（興化片區）底泥重金屬地累積指數（Igeo）如表5所示。從表5可以看出，研究區底泥重金屬Igeo在-1.64～1.26。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr和Ni均處于1級無污染;As在入湖河口和出湖河口處于2級輕度污染，湖內為1級無污染;Hg在入湖河口和湖內處于2級輕度污染，出湖河口為1級無污染;Cd在3處均處于3級偏中度污染，污染程度最高。總體上來看，研究區底泥重金屬處于無污染程度，底泥重金屬污染程度較小。

2.2.2 潛在生態風險指數法評價。根據公式（2）、（3）計算得出大縱湖（興化片區）底泥重金屬潛在生態風險如表6所示。從表6可以看出，研究區底泥重金屬單因子潛在生態風險（Eir）在0.96～126.92。評價結果與地累積指數法評價結果有一定的差別，這是由于Hg的毒性系數較高，即使在底泥中濃度較低，也會產生較大的潛在生態危害[13]。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As均處于I級輕微生態危害;Hg在入河湖口和湖內達到Ⅲ級強生態危害，出湖河口為Ⅱ級（中等生態危害）;Cd在3處均處于Ⅲ級強生態危害，生態危害最高。無論國內還是國外，Hg和Cd都屬于極強污染[14]。從多個重金屬潛在生態危害指數（RI）角度來看，3處均處于Ⅱ級中等生態危害，其中湖內RI值最高，達到259.12。總體上來看，研究區底泥重金屬處于輕微生態危害，底泥重金屬生態危害程度較小。

3 結論

（1）大縱湖（興化片區）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最大濃度超出風險篩選值，其余重金屬均未超出篩選值。

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

（3）從底泥重金屬生態風險評價分析得出，2種評價方法均得出研究區Cd是最大的污染物。

參考文獻

[1] 王毛蘭.鄱陽湖流域氮磷時空分布及其地球化學模擬[D].南昌：大學，2007.

[2] 董志虎.基于上游原水水質分析的松花江哈爾濱段底泥特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[3] WANG X Z，CAI Q H，YE L，et al.Evaluation of spatial and temporal variation in stream water quality by multivariate statistical techniques：A case study of the Xiangxi River basin，China[J].Quaternary international，2012，282：137-144.

[4] LEE C S L，LI X D，SHI W Z，et al.Metal contamination in urban，suburban，and country park soils of Hong Kong：A study based on GIS and multivariate statistics[J].Science of the total environment，2006，356（1/2/3）：45-61.

[5] 方小紅，彭渤，張坤，等.沅江入湖河床沉積物重金屬污染演化地球化學分析[J].環境科學學報，2018，38（7）：2586-2598.

[6] 才項措毛，周強，毛旭鋒，等.高原城市梯級濕地底泥重金屬時空分布及生態風險評估[J].安徽農業科學，2020，48（9）：88-92，97.

[7] 李燕，但言，王恕橋，等.嘉陵江重慶段水體富營養化及底泥重金屬污染評價[J].西南農業學報，2020，33（9）：2069-2074.

[8] 廖啟林，劉聰，許艷，等.江蘇省土壤元素地球化學基準值[J].中國地質，2011，38（5）：1363-1378.

[9] 郭云，陳都，王銘，等.阿哈水庫沉積物中重金屬分布特征及潛在生態風險評價[J].水生態學雜志，2018，39（4）：24-30.

[10] 薛嬌，嚴玉林，劉操，等.北京市典型河道沉積物重金屬污染評價[J].北京水務，2020（4）：45-51.

[11] 熊鴻斌，周鋼.巢湖市城區黑臭水體綜合水質與底泥重金屬污染研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2020，43（9）：1256-1262.

[12] 王磊，向甲甲，殷瑤，等.河道底泥重金屬的含量特征與潛在生態風險[J].凈水技術，2020，39（10）：162-167，172.

[13] 欒約生，張為，石綱，等.湖北鄂州城市湖泊底泥重金屬空間分布特征與污染評價[J].長江科學院院報，2020，37（1）：30-36，83.

[14] 舒偉，陳玥，高陽俊.基于3種方法對河道底泥重金屬污染評價[J].上海第二工業大學學報，2018，35（1）：1-9.