鄱陽湖沉積物重金屬空間分布及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

伍恒赟，羅 勇，張起明，康長安，楊旭楠

1.江西省環(huán)境監(jiān)測中心站，江西 南昌 330039

2.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275

鄱陽湖地處江西省北部，是中國第一大淡水湖。鄱陽湖及其主要入湖河流(贛江、撫河、信江、修水、饒河)一起為流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)、生活用水提供重要保障。另外，鄱陽湖是國際重要濕地之一，在保護(hù)生物多樣性方面發(fā)揮著巨大的作用［1］。

近年來，隨著江西省工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，尤其是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)上升為國家戰(zhàn)略后，鄱陽湖水環(huán)境更容易受到不同程度的重金屬污染。重金屬進(jìn)入鄱陽湖水體后，由于不能被水體自身凈化，因此不斷發(fā)生沉降作用而進(jìn)入沉積物，使沉積物成為重金屬的主要蓄集庫。另一方面，由于理化條件的改變，重金屬也可以從沉積物中重新釋放，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，甚至通過食物鏈對人類健康造成威脅［2-5］。沉積物中重金屬蓄積量可以反映沉積物對上覆水體影響的持久能力，從而可以反映鄱陽湖重金屬的危害程度。盡管部分學(xué)者對鄱陽湖沉積物重金屬進(jìn)行過研究，但由于研究年代相對久遠(yuǎn)或者研究點(diǎn)位布置較少［6-7］，都不足以代表當(dāng)前鄱陽湖沉積物重金屬分布特征和污染現(xiàn)狀。

以鄱陽湖沉積物為研究對象，根據(jù)重金屬的地球化學(xué)特性，對鄱陽湖沉積物中7種重金屬元素 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 含量進(jìn)行測定，同時基于地統(tǒng)計學(xué)分析模塊，分析以上重金屬的空間分布特性;采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上，探討重金屬的污染來源以及環(huán)境影響因子，研究結(jié)果可以為鄱陽湖重金屬污染控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1 鄱陽湖采樣點(diǎn)分布

1.1 樣品采集

采樣點(diǎn)共布設(shè)38個，分布于鄱陽湖主要入湖口、湖內(nèi)、出湖口，具有良好的代表性，點(diǎn)位布設(shè)情況見圖1。

2013年8月20—29日使用抓斗式采樣器采集沉積物樣品(0～10 cm)，樣品采集后立刻帶回實(shí)驗(yàn)室剔除其中的殘根、貝殼等雜物，然后在干燥通風(fēng)環(huán)境下風(fēng)干，再研磨過篩，－4℃密封保存于冰箱，備用。

1.2 測試方法

沉積物中 Cd采用《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)，Hg采用《土壤質(zhì)量 總汞的測定 冷原子吸收分光光度》(GB/T 17136—1997)，As采用《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第2部分:土壤中總砷的測定》(GB/T 22105.2—2008)，Cu、Zn采用《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)，Pb采用土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17140—1997)。

為保證分析的準(zhǔn)確性，同步測定了平行樣、空白樣及沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(ESS)，各元素含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，各元素回收率為92.2% ～108.1%，符合美國 EPA標(biāo)準(zhǔn)要求(EPA 823/B-01-002 Methods for Collection，Storage and Manipulation of Sediments for Chemical and Toxicological Analyses)。

1.3 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計

數(shù)據(jù)經(jīng)檢查、剔除特異值等預(yù)處理后，采用SPSS16軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計和相關(guān)性分析，使用ArcGIS9.3地統(tǒng)計分析方法分析重金屬空間分布特征。

1.4 評價方法

采用Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對鄱陽湖沉積物中的重金屬進(jìn)行評價［8］。該方法從重金屬生物毒性角度出發(fā)，綜合考慮沉積物重金屬含量、種類、水體對重金屬污染的敏感度等，定量劃分和評價單個和多種重金屬污染物的潛在生態(tài)危害程度［9］，其計算公式:

沉積物背景值的區(qū)域性差異很大，國內(nèi)外還沒有一個關(guān)于河流、湖泊沉積物的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，目前多采用區(qū)域土壤環(huán)境背景值［10-11］。本研究采用鄱陽湖土壤背景值作為計算的參照值［12］;毒性響應(yīng)系數(shù)表征重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感度［9］，相關(guān)重金屬的毒性系數(shù)見表1;、RI、潛在生態(tài)風(fēng)險等級見表2。

表1 鄱陽湖沉積物重金屬背景值和毒性系數(shù)

表2 單項(xiàng)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險評價指數(shù)與分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬污染現(xiàn)狀

鄱陽湖沉積物7種重金屬元素 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 的含量分別為 0.01 ～ 2.56、0.030～0.255、6.31 ～52.6、3 ～114、47.4 ～109、6～90、10 ～288 mg/kg，平均值分別為 0.67、0.078、17、51、72、42.9、117 mg/kg(表3)。除 Cd的含量平均值略低于鄱陽湖土壤重金屬背景值外，其余重金屬元素含量平均值均明顯高于相應(yīng)的元素背景值，尤其是 Cu、Pb分別是背景值的10.7、5.8 倍。

從各種重金屬含量的空間變異系數(shù)可以看出(表3)，沉積物 Cd的空間變異系數(shù)最大，為97%，表明Cd含量的空間分布不均勻，離散性相對較大;Cu的變異系數(shù)次之，為 78%;Hg、Cr、Zn、As的變異系數(shù)為40% ～67%;Pb的變異系數(shù)最小，為26%。

2.2 重金屬空間分布和來源分析

圖2顯示了沉積物重金屬空間分布。從圖2可知，鄱陽湖沉積物7種重金屬元素含量空間分布存在明顯差異。沉積物中Hg、Cu、Pb的含量主要呈現(xiàn)湖區(qū)東南部偏高的現(xiàn)象，而Cd、Cr的含量存在湖區(qū)東南部和西北部均偏高的現(xiàn)象。As、Zn的含量分布相對平均，含量偏高的區(qū)域較少。Hg、Cu、Pb含量最高的區(qū)域均位于湖區(qū)東南部，即鄱陽湖和饒河交匯處。饒河有南北2支，南支稱樂安河，北支稱昌江，2條河在鄱陽縣匯合后注入鄱陽湖。經(jīng)實(shí)地調(diào)查和資料統(tǒng)計顯示，樂安河上游的德興礦集區(qū)在長約20 km，寬約10 km的三角區(qū)域內(nèi)有3個大型礦場、10多個礦床，尤其以超大型銅廠斑巖礦床最有名，已探明銅儲量占中國銅儲量的17.5%，鉛、鋅有數(shù)百萬噸。樂安河中下游還分布德興銅礦、銀山鉛鋅廠、花橋金礦、涌山煤礦、冶煉廠、建材化工和制藥等行業(yè)。根據(jù)江西省環(huán)境監(jiān)測中心站重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)污染源調(diào)查可知，2006—2012年樂安河流域企業(yè)每年排放含重金屬工業(yè)廢水均超過300萬t，含6種主要重金屬(Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、As)，這些含重金屬工業(yè)廢水排入樂安河后，會優(yōu)先吸附在顆粒物上，隨河水一起流入鄱陽湖，最終使鄱陽湖沉積物成為樂安河重金屬的匯。

表3 鄱陽湖沉積物重金屬統(tǒng)計特征

圖2 鄱陽湖沉積物重金屬空間分布

除調(diào)查結(jié)果外，許多研究也表明，樂安河水體及其沿岸存在嚴(yán)重的重金屬污染情況。樂安河在德興銅礦區(qū)段水體、水體沉積物和沿岸的土壤中Cu等元素污染嚴(yán)重，追溯其污染源仍然是德興銅礦的酸性廢水［13］。萬金寶等［14］也認(rèn)為，樂安河是鄱陽湖五大入湖水系中重金屬污染最嚴(yán)重的水域，水體中Cu含量遠(yuǎn)超地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，Pb污染也較為嚴(yán)重。

可以看出，鄱陽湖沉積物Cu、Hg、Pb等含量最高的重金屬主要來自于樂安河流域的工業(yè)排放。

2.3 重金屬元素間的相關(guān)性

在研究區(qū)域內(nèi)，沉積物中各重金屬元素含量及其之間的比率具有相對的穩(wěn)定性，當(dāng)沉積物來源相同或者相似時，各個元素具有顯著的相關(guān)性［9，15-16］。鄱陽湖沉積物7種重金屬元素的相關(guān)性見表4。

表4 鄱陽湖沉積物重金屬元素間相關(guān)性

從表4可以看出，Hg、Cu、Pb、Zn兩兩元素間相關(guān)性很強(qiáng)，并且均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)均大于0.5，尤其是 Zn和 Cu、Pb和 Hg、Zn和Hg的相關(guān)系數(shù)分別為0.791、0.760、0.661，說明這4種金屬元素的來源相同或相似。Cr與Hg、Cu、Pb、Zn 相關(guān)性弱，與 Pb 甚至呈負(fù)相關(guān)性，但與Cd、As具有顯著的相關(guān)性，說明 Cr與 Hg、Cu、Pb、Zn 4 種金屬元素來源不同，但與 Cd、As的來源相同或相似。

2.4 重金屬污染評價

表5 鄱陽湖沉積物單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

由于Hg、Cu、Pb是最主要的生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)因子，因此重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)危害以Hg、Cu、Pb為重點(diǎn)進(jìn)行分析。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)域與Hg、Cu、Pb的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險具有極其明顯的生態(tài)風(fēng)險特征。由圖3可知，RI的分布與Hg、Cu、Pb的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布基本一致，即中等和強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險區(qū)域均在湖區(qū)東南部。從所有點(diǎn)位RI也可以看出，生態(tài)風(fēng)險最高的點(diǎn)位為湖區(qū)東南部的蓮湖、趙家灣、昌江口，這些點(diǎn)均位于鄱陽湖和饒河交匯處。

圖3 鄱陽湖沉積物中Cu、Pb、Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)水平

3 結(jié)論

1)鄱陽湖沉積物重金屬元素僅Cd含量平均值略低于背景值，Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 含量平均值均明顯高于相應(yīng)的背景值，尤其是Cu、Pb，分別是背景值的10.7、5.8倍。

2)鄱陽湖沉積物7種重金屬元素含量空間分布存在明顯的差異。Hg、Cu、Pb的含量主要呈現(xiàn)湖區(qū)東南部偏高的現(xiàn)象，Cd、Cr含量存在湖區(qū)東南部和西北部均偏高的現(xiàn)象，As、Zn的含量分布相對平均。

3)鄱陽湖沉積物7種重金屬含量的相關(guān)性表明，Hg、Cu、Pb、Zn 4 種金屬元素具有同源性，而Cr與這幾種元素來源不同，但與 Cd、As來源相似。

4)鄱陽湖沉積物重金屬的潛在生態(tài)危害順序Cu＞Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Zn;從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險分析來看，整個湖區(qū)的 RI介于46.4～476.3之間，平均值為165.4，屬于中等潛在生態(tài)危害。另外，RI的分布與 Hg、Cu、Pb的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布類似，中等、強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險區(qū)域均分布在鄱陽湖東南部。Cu、Hg、Pb等重金屬主要來自樂安河流域工業(yè)排放。

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