升金湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)湖泊沉積物重金屬分布及污染評(píng)價(jià)

張明真, 周軍, 葛方, 許子夫, 王小芳, 黃濤

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升金湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)湖泊沉積物重金屬分布及污染評(píng)價(jià)

張明真, 周軍, 葛方, 許子夫, 王小芳, 黃濤*

安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 合肥 230601

為了解升金湖濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況, 采集表層沉積物樣品, 分析其中重金屬Cd、Cu、Pb、Zn和Hg以及粒度、TOC和TN的含量和分布特征, 運(yùn)用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明, 沉積物中Cd、Cu、Pb、Zn和Hg的平均含量分別為0.91 mg·kg-1±1.00 mg·kg-1, 37.51 mg·kg-1±7.69 mg·kg-1, 50.11 mg·kg-1±12.34 mg·kg-1, 147.98 mg·kg-1±20.97 mg·kg-1和118.7 μg·kg-1±45.6 μg·kg-1, 均高于區(qū)域水系沉積物元素背景值。相關(guān)分析顯示, Cu、Pb和Zn顯著正相關(guān), 指示它們具有同源性。地質(zhì)累積指數(shù)法計(jì)算結(jié)果表明升金湖重金屬污染水平較低, 重金屬累積程度排序?yàn)镠g>Cd>Cu>Pb>Zn；而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)果表明升金湖整體處于中高度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài), 排序?yàn)镠g>Cd>Cu=Pb=Zn, Hg和Cd是主要的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子。重金屬污染程度與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)有時(shí)候取決于環(huán)境背景值的選取。

升金湖; 重金屬; 地質(zhì)累積指數(shù); 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

0 前言

重金屬元素屬于典型的持久性、累積性污染物, 難以被生物降解, 有些能夠通過(guò)生物富集放大等作用對(duì)處于食物鏈頂端的生物產(chǎn)生不利影響, 乃至危害人類(lèi)健康[1-3]。湖泊沉積物是水生生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分, 其物質(zhì)來(lái)源主要包括地表徑流、大氣沉降和內(nèi)生有機(jī)物質(zhì)的死亡堆埋等。一般自然水生生態(tài)系統(tǒng)中重金屬元素含量較低, 當(dāng)受到污染以后, 其濃度則可以達(dá)到很高的水平[4]。沉積物作為水域生態(tài)系統(tǒng)的載體, 對(duì)重金屬有著明顯的富集效應(yīng), 相比于其他載體, 更能夠反應(yīng)出水體重金屬污染長(zhǎng)期累積的真實(shí)狀況[3]。研究表明, 沉積物中重金屬在水—沉積物界面理化性質(zhì)(pH值、氧化還原電位、溫度等)發(fā)生變化時(shí)能夠重新釋放到上覆水體中, 產(chǎn)生二次污染[5]。因此, 研究沉積物中重金屬的含量、分布及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)乃至人類(lèi)的健康都具有重要意義。

安徽升金湖是以珍稀水禽為保護(hù)對(duì)象的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 被列為亞洲重要的濕地名錄, 在國(guó)際上具有重要的科學(xué)研究和生態(tài)保護(hù)價(jià)值。升金湖內(nèi)生的苦草等挺水植物是越冬水鳥(niǎo)重要的食物資源, 因此沉積物重金屬含量水平對(duì)水鳥(niǎo)種群有直接的影響。有研究表明洞庭湖沉積物重金屬導(dǎo)致濕地環(huán)境惡化, 對(duì)越冬水鳥(niǎo)有暴露風(fēng)險(xiǎn)[6]。目前有關(guān)升金湖濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況的研究較少, 許信旺等[7]通過(guò)湖泊沉積柱地球化學(xué)元素等指標(biāo)研究了升金湖全新世以來(lái)的流域環(huán)境變化, 而關(guān)于湖泊重金屬元素含量及空間分布狀況的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)采集升金湖表層沉積物樣品, 分析重金屬元素含量特征, 并運(yùn)用地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià), 以期為了解升金湖濕地環(huán)境狀況和保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

升金湖, 又名中國(guó)鶴湖, 位于安徽省池州市和東至縣交界處, 屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 夏季炎熱潮濕, 冬季寒冷干燥。如圖1所示, 升金湖的補(bǔ)給水源主要來(lái)自雨季的降水, 通過(guò)西南角張溪河(張溪鎮(zhèn))和東部唐田河(唐田鎮(zhèn)), 以及周邊少數(shù)地表徑流來(lái)輸入；每年冬季則通過(guò)東北角的黃湓閘人為地將湖水引入長(zhǎng)江。作為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 升金湖近年來(lái)曾出現(xiàn)大量圍網(wǎng)養(yǎng)魚(yú)及周邊禽畜放養(yǎng)等生產(chǎn)活動(dòng), 人為干擾日益增加。湖區(qū)東北部的唐田鎮(zhèn)有多個(gè)采礦點(diǎn), 也有可能對(duì)湖泊環(huán)境造成影響。

1.2 樣品采集、分析及質(zhì)量控制

于2015 年12月在升金湖開(kāi)展布點(diǎn)采樣, 由于圍網(wǎng)阻隔, 部分區(qū)域未能布設(shè)樣點(diǎn)。本研究布設(shè)36個(gè)樣點(diǎn)(如圖1所示), 在每個(gè)點(diǎn)利用彼得遜采泥器采集三個(gè)表層沉積物平行樣, 混合為一個(gè)樣品于密封袋內(nèi), 冷凍保存。實(shí)驗(yàn)前, 將沉積物冷凍干燥, 剔除植物殘?bào)w、貝殼等, 部分樣品保持原狀, 部分樣品用瑪瑙研缽研磨過(guò)200目尼龍篩, 備用。

準(zhǔn)確稱取原狀干燥樣品, 經(jīng)H2O2去除有機(jī)質(zhì), HCl除去碳酸鹽, 加六偏磷酸鈉超聲分散后, 利用LS13320 激光粒度儀進(jìn)行粒度測(cè)試。準(zhǔn)確稱取粉末樣品于聚四氟乙烯消解管內(nèi), 混合多酸(HNO3-HCl- HF-H2O2)靜置過(guò)夜, 微波消解后, 經(jīng)HClO4進(jìn)一步消解, 用HCl提取制備成待測(cè)溶液, 利用原子吸收分光光度計(jì)(ZEEnit700P)測(cè)定Cu、Pb、Zn (火焰法)和Cd (石墨爐法)的含量。準(zhǔn)確稱取粉末樣品, 利用汞分析儀(DMA80)直接測(cè)定Hg含量。沉積物經(jīng)稀鹽酸去除無(wú)機(jī)碳后, 利用元素分析儀測(cè)定TOC、TN含量, 測(cè)試相對(duì)誤差<0.1%。

實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程中, 所用試劑均為優(yōu)級(jí)純, 器皿均用30% HNO3浸泡24 h以后, 再由去離子水洗凈、干燥。元素分析過(guò)程中, 每一批樣品設(shè)定空白樣和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理樣(GBW07301a和GBW07310), 以空白樣來(lái)檢測(cè)前處理過(guò)程中有無(wú)污染, 以管理樣來(lái)檢驗(yàn)消解過(guò)程是否徹底, 樣品數(shù)據(jù)以管理樣達(dá)標(biāo)為準(zhǔn), 否則重測(cè)。元素分析誤差控制在±5%之內(nèi)。所有數(shù)據(jù)均基于Excel 2010、SPSS 16.0 和Origin 9.0 等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 重金屬元素污染評(píng)價(jià)方法

本研究采用地質(zhì)累積指數(shù)法[8]和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[9]對(duì)升金湖表層沉積物重金屬污染水平及潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià), 選擇長(zhǎng)江下游水系江河沉積物中的元素背景值[10]作為環(huán)境背景參照, Cd、Cu、Pb、Zn和Hg分別為0.44 mg·kg-1、16.4 mg·kg-1、23.5 mg·kg-1、77.1 mg·kg-1和21 μg·kg-1。根據(jù)I值的大小, 沉積物重金屬污染程度被劃分為無(wú)污染到嚴(yán)重污染等7個(gè)等級(jí)(表1)。在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算時(shí), 參考前期研究[11], Cu、Pb、Zn、Cd和Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別取5、5、1、30和40。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)則根據(jù)單個(gè)元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(E)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)()的大小劃分確定[12], 列于表2。

圖1 升金湖表層沉積物采樣點(diǎn)位圖

Figure 1 Map of sampling sites of surface sediments in Shengjin Lake

表1 地質(zhì)累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與污染程度

表2 湖泊沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 升金湖沉積物粒度組分、有機(jī)碳、總氮和重金屬元素含量

升金湖36個(gè)樣點(diǎn)沉積物的粒度組分、有機(jī)碳、總氮和5種重金屬元素含量列于表3。本研究參考沈吉等[13]提出的方法, 根據(jù)粒度大小將沉積物劃分為粘粒(＜2 μm)、粉砂(2-63 μm)和砂(＞63 μm)三個(gè)組分。由表1數(shù)據(jù)可以得出, 升金湖沉積物顆粒組成以粉砂粒級(jí)組分為主, 其占比范圍為27.47%—85.08%, 均值為68.81%；砂粒組分次之, 占比范圍為0.00%—66.72%, 均值為17.51%；粘粒組分比例最小, 占比范圍為為5.43%—26.11%, 均值為13.68%。沉積物中TOC和TN含量分別為1.68%± 0.57%和1.58%±0.64%。重金屬Cd、Cu、Pb、Zn和Hg的含量分別為0.91 mg·kg-1±1.00 mg·kg-1, 37.51 mg·kg-1± 7.69 mg·kg-1, 50.11 mg·kg-1±12.34 mg·kg-1, 147.98 mg·kg-1± 20.97 mg·kg-1和118.7 μg·kg-1±45.6 μg·kg-1。除了元素Cd以外, 其他元素均值和中值差別較小。

表3 升金湖表層沉積物粒度組分、TOC、TN和金屬元素含量 (n=36)

2.2 升金湖重金屬含量與長(zhǎng)江下游其它湖泊的比較

對(duì)長(zhǎng)江下游其它湖泊的研究[6, 14]結(jié)果表明, 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖沉積物中Hg和Cd含量較高, 富營(yíng)養(yǎng)化較重的巢湖和太湖的重金屬含量反而低于洞庭湖和鄱陽(yáng)湖。選取上述湖泊及本地區(qū)菜子湖的研究結(jié)果[2]與本研究做了對(duì)比, 如表4所列。與同樣是重要水鳥(niǎo)越冬棲息地的濕地湖泊相比, 升金湖表層沉積物重金屬Cu、Pb、Zn和Hg含量略高于鄱陽(yáng)湖, 而Cd高于鄱陽(yáng)湖。洞庭湖表層沉積物Cd和Hg含量明顯高于升金湖, 而兩個(gè)湖泊Cu和Pb含量則相當(dāng)。與臨近的安慶菜子湖相比, 升金湖Zn含量較高而Pb含量則略低, 兩個(gè)湖泊Cu和Cd含量相當(dāng)。與富營(yíng)養(yǎng)化較為嚴(yán)重的巢湖和太湖相比, 升金湖、鄱陽(yáng)湖和洞庭湖重金屬含量明顯偏高, 可見(jiàn)水鳥(niǎo)越冬地濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境保護(hù)需要引起足夠重視。

2.3 粒度組分、有機(jī)碳、總氮和重金屬元素含量的空間分布特征

升金湖沉積物僅樣點(diǎn)S2以砂粒組分為主, 而樣點(diǎn)S19、S27和S31樣品中無(wú)砂粒組分。上湖西南部 (樣點(diǎn)S1-S7) 及上、中湖北岸(樣點(diǎn)S15、S20、S22-S26)沉積物砂粒含量較高, 上、中湖南岸 (S8、S9、S12、S14、S18和S19樣點(diǎn)) 及下湖南岸 (S31-S36樣點(diǎn)) 沉積物樣品粘粒組分較高。TOC含量空間變化不明顯, 除個(gè)別樣點(diǎn) (S1、S3、S21、S32和S35) 以外, 沉積物TOC含量普遍較高, 最大值在S9樣點(diǎn), 其次是S19和S25樣點(diǎn), 它們分別位于中部湖區(qū)的南岸、湖中和北岸。TN含量空間上呈明顯梯度變化, 西南部 (樣點(diǎn)S1-S7)、中部和東北部個(gè)別樣點(diǎn) (S18-S20、S31、S32、S35和S36) 沉積物TN含量均接近于1%, 中部南岸 (樣點(diǎn)S22、S24-S27) 沉積物TN含量均高于2.3%, 其余樣點(diǎn)TN含量均在2%左右。

升金湖沉積物重金屬元素含量的空間分布具有明顯特征, Cu、Pb和Zn分布特征相似, 含量低值均在樣點(diǎn)S18, 樣點(diǎn)S9和S34是含量高值中心, 各元素含量空間變化較小, 表明整個(gè)湖區(qū)沉積物中Cu、Pb和Zn分布較為均一。Cd含量變化較大, 在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的差異。20個(gè)樣點(diǎn)Cd含量超過(guò)水系沉積物元素背景值, 5個(gè)樣點(diǎn) (S6、S7、S11、S16和S31) 含量超過(guò)2.00 mg·kg-1, 而有5個(gè)樣點(diǎn) (S5、S20、S24、S26和S32) Cd含量則低于0.10 mg·kg-1。升金湖沉積物中的Hg含量在空間分布上變化較小, 最小值位于樣點(diǎn)S25, 高值則分布在S1、S2、S9和S10等樣點(diǎn)。

2.4 重金屬元素含量與分布的影響因素

升金湖表層沉積物中TOC/TN比值為0.48—2.98, 表明有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于湖泊水體內(nèi)生的生物殘?bào)w及腐敗沉積[15]。通過(guò)分析重金屬與沉積物中TN和TOC的相關(guān)性, 可以推斷出沉積物中重金屬的潛在來(lái)源和分布特征[16, 17]。沉積物粒度也是影響重金屬含量分布的重要因素之一, 有文獻(xiàn)[18]報(bào)道沉積物粒徑越小, 其重金屬含量就越高。

表4 長(zhǎng)江下游典型湖泊沉積物重金屬含量

重金屬元素含量與粒度和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果 (表5) 顯示, Cu、Pb和Zn 在p<0.01水平下顯著相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.78 (Cu-Pb)、0.66 (Pb-Zn)和0.82 (Zn-Cu), 這表明升金湖表層沉積物中重金屬Cu、Pb和Zn具有相似的來(lái)源或影響因素。Pb與TOC在p<0.01水平下顯著相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.44, 其余4種元素與TOC的相關(guān)性不明顯。5種重金屬元素與TN相關(guān)性均較差, 表明湖泊內(nèi)生生物沉積不是重金屬元素的主要來(lái)源和影響因素；重金屬可能主要來(lái)自于地表徑流、人為排放和大氣沉降等外部源。重金屬Cd與263 μm的粉砂粒徑組分在p<0.01水平下顯著相關(guān), 表明Cd主要賦存于地表徑流帶來(lái)的粒級(jí)組分中；而大部分樣點(diǎn)Cd含量超標(biāo)可能與長(zhǎng)江中下游地區(qū)Cd元素含量異常[19], 或者人為活動(dòng)有一定關(guān)系。其它元素與2-63 μm粒徑組分沒(méi)有明顯的相關(guān)性。Pb與>63 μm的砂粒組分在p<0.05水平下顯著負(fù)相關(guān), 表明粗顆粒砂顯著影響到Pb元素的賦存。5種重金屬元素與<2 μm的粘粒組分均沒(méi)有明顯的相關(guān)性, 表明升金湖沉積物中金屬元素分布受細(xì)粒徑粘土吸附作用影響較小。

此外, 從元素含量和空間分布整體特征看, 樣點(diǎn)S9位于中部湖區(qū)南岸靠近居民生活區(qū), 為重金屬元素 (除Cd外)、TOC和TN的共同高值點(diǎn)；樣點(diǎn)S34重金屬元素含量很高, 該樣點(diǎn)位于升金湖東北角的水流緩慢的湖灣處, 其東部有包括海螺水泥生產(chǎn)原料的多個(gè)采礦地點(diǎn), 這可能是S34號(hào)采樣點(diǎn)重金屬含量高的主要原因。表明人為活動(dòng)也是升金湖部分樣點(diǎn)重金屬含量和分布的重要影響因素。

2.5 升金湖沉積物重金屬污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.5.1 重金屬污染程度

重金屬Cu、Pb和Zn在所有采樣點(diǎn)的I值均介于0—1之間, 屬于輕度污染, 表明升金湖周邊地表徑流疊加上人為活動(dòng)因素導(dǎo)致這三種重金屬含量普遍超出地區(qū)背景值, 形成輕度污染。重金屬元素Cd的I值范圍為0—2.4, 在整個(gè)湖區(qū)波動(dòng)較大, 超過(guò)一半以上的采樣點(diǎn)沒(méi)有形成Cd污染, 但也有7個(gè)樣點(diǎn)處于偏中度污染和3個(gè)樣點(diǎn)處于中度污染。對(duì)于金屬元素Hg, 幾乎所有采樣點(diǎn)的I值都在2左右, 個(gè)別采樣點(diǎn)的Io值甚至達(dá)到3以上, 污染級(jí)別在偏中度至偏重度之間。綜上所述, 升金湖表層沉積物重金屬污染程度大小依次為Hg>Cd>Cu>Pb> Zn。

2.5.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

升金湖表層沉積物中五種重金屬的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)的分布情況如圖2所示。從單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)看, 重金屬Cd在36個(gè)采樣點(diǎn)中, 72%處于中度及以下風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 28%處于高度及以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別在整個(gè)采樣區(qū)的變化幅度比較大；重金屬Cu、Pb、Zn 的污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別明顯低于Cd, 所有采樣點(diǎn)都處于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別最高的是元素Hg, 采樣點(diǎn)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別均高于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占百分比為78%, 部分采樣點(diǎn)達(dá)到很?chē)?yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表5 沉積物中金屬元素、有機(jī)碳、總氮和粒度組分相互之間的相關(guān)系數(shù)

注:*<0.05,**<0.01 (雙尾檢驗(yàn))。

圖2 升金湖表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

Figure 2 Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediments from Shengjin Lake

綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的范圍在73.1—602.2, 均值為312.1, 中值為310.5。其中, 元素Hg是最主要的貢獻(xiàn)因子, 貢獻(xiàn)率在47%—94%之間；其次是重金屬Cd, 貢獻(xiàn)率為1%—47%；Cu和Pb的貢獻(xiàn)率相近, 分別為2%—16%和1%—12%；Zn的貢獻(xiàn)率最小, 僅為0%—3%。42%的采樣點(diǎn)處于中度及以下風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 58%處于高度及以上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 其中S16號(hào)樣點(diǎn)為嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)?？偟膩?lái)看, 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的順序依次為Hg>Cd>Cu=Pb=Zn。上述分析結(jié)果表明升金湖表層沉積物重金屬污染整體上處于中高度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 主要的污染元素為Hg和Cd, 與此前長(zhǎng)江下游巢湖、太湖、洞庭湖、鄱陽(yáng)湖和菜子湖表層沉積物重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果[2, 6, 14]相一致。

地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示金屬Hg和Cd在升金湖區(qū)有較大污染, 但對(duì)湖區(qū)重金屬污染等級(jí)的判別上又存在較大差異。地質(zhì)累積指數(shù)法顯示湖區(qū)整體處于中度及以下的污染程度, 而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法則指示整個(gè)湖區(qū)的重金屬污染處于中度及以上等級(jí)。這主要與兩種污染評(píng)價(jià)方法的原理和標(biāo)準(zhǔn)有關(guān), 地質(zhì)累積指數(shù)法能夠綜合分析自然地質(zhì)過(guò)程對(duì)背景值的影響以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響, 但不能反映不同重金屬疊加后的綜合結(jié)果或是不同重金屬相互反應(yīng)等對(duì)環(huán)境的影響, 而且地質(zhì)累積指數(shù)法沒(méi)有考慮不同重金屬毒性的大小以及環(huán)境對(duì)不同重金屬的敏感程度, 因此污染評(píng)價(jià)結(jié)果較輕；而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在研究區(qū)域重金屬環(huán)境背景值和實(shí)測(cè)值的基礎(chǔ)上, 綜合考慮不同重金屬的生物毒性及其綜合作用結(jié)果, 能夠反映重金屬污染對(duì)研究區(qū)域生物的影響, 近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用[20, 21]。相比之下, 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀, 但是因?yàn)闈撛谏鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法本身仍有一些不足, 如沒(méi)有考慮重金屬賦存形態(tài)對(duì)自身生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的影響[3, 5, 22], 而且重金屬污染本身是由多種因素綜合作用的結(jié)果, 所以在使用上述方法進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí), 還要通過(guò)參考其他一些方法或者適當(dāng)修改參數(shù)指標(biāo)等途徑使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。

需要注意的是, 湖泊、河流或者濕地重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果直接取決于環(huán)境背景值的選擇。目前, 對(duì)于此類(lèi)評(píng)價(jià)還未有較為統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)。如同樣是評(píng)價(jià)巢湖沉積物重金屬污染程度, 有研究選擇受人為活動(dòng)影響較小的底層沉積物的化學(xué)組成作為背景值參照[14, 23], 有些研究選取中國(guó)土壤(安徽段)元素背景值作為參照[24, 25]。還有研究則選取所在水系的沉積物元素背景值作為參照[2]。升金湖地處長(zhǎng)江下游, 本研究選擇所在水系的江河沉積物元素背景值[10]作為參照, 得出Hg和Cd為主要的污染物, 其中Hg對(duì)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)最大, 占比為74%±13%, Cd占比為17%±14%。而如果選取中國(guó)土壤(安徽段)元素背景值[26]作為參照, 得出的結(jié)果是Cd和Hg為主要的污染物, 其中Cd對(duì)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)貢獻(xiàn)最大, 占比為59%±27%, Hg占比為31%±21%, 因?yàn)樵诤笠唤M參照中, Cd的土壤背景值僅為水系沉積物背景值的1/5, 而Hg背景約是原來(lái)數(shù)值的3倍。今后相關(guān)的評(píng)價(jià)研究中需要根據(jù)研究目的和所在研究區(qū)域來(lái)謹(jǐn)慎選取背景參照。

3 結(jié)論

1)升金湖表層沉積物5種重金屬的含量除Cd外幾乎全部超過(guò)長(zhǎng)江下游水系江河沉積物元素背景值, 但總體超標(biāo)倍數(shù)較低。Cd含量在整個(gè)湖區(qū)空間變化較大, 而Cu、Pb、Zn和Hg空間分布較均勻。Cu、Pb和Zn相關(guān)性較好, 具有相似的來(lái)源。

2)地質(zhì)累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明升金湖表層沉積物重金屬Cu、Pb和Zn以輕度污染為主, Cd處于無(wú)污染到中度污染等級(jí), Hg處于偏中度到偏重度污染等級(jí)；重金屬污染程度大小為Hg>Cd>Cu>Pb>Zn。

3)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明升金湖重金屬污染水平整體處于中高度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 大小排序?yàn)镠g>Cd>Cu=Pb=Zn；Hg和Cd是主要的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子, 其中Hg的貢獻(xiàn)率最大, 但這也取決于參照背景值的選取。

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Distribution and contamination evaluation of heavy metals in the sediments from Shengjin Lake National Nature Reserve

ZHANG Mingzhen, ZHOU Jun, GE Fang, XU Zifu, WANG Xiaofang, HUANG Tao*

School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

In order to understand the environmental status of the wetland systems, we collected the surface sediments from Shengjin Lake, analyzed the heavy metals including Cd, Cu, Pb, Zn and Hg, grain size, total organic carbon (TOC) and total nitrogen (TN) in sediments, and evaluated the pollution degree of heavy metals by using the geoaccumulation index and potential ecological risk index. The results showed that the concentrations of Cd, Cu, Pb, Zn and Hg in the sediments were 0.91 mg·kg-1±1.00 mg·kg-1, 37.51 mg·kg-1±7.69 mg·kg-1, 50.11 mg·kg-1±12.34 mg·kg-1, 147.98 mg·kg-1±20.97 mg·kg-1and 118.7 μg·kg-1±45.6 μg·kg-1, respectively, and all of them were higher than each of their regional environmental baseline. Cu, Pb and Zn correlated very well with each other, indicating likely common sources. The results of geoaccumulation index of metals indicated a low pollution level at Shengjin Lake, following the order of Hg>Cd>Cu>Pb>Zn. While the potential ecological risk index of heavy metals indicated a moderate to high ecological risk, following the order of Hg>Cd>Cu=Pb=Zn. Hg and Cd were the main contributing factors for the potential ecological risk of heavy metals. Sometimes, the level of heavy metals contamination in lakes or rivers depends on the selection of the environmental baseline.

Shengjin Lake; heavy metal; geoaccumulation index; potential ecological risk index

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.002

S157.2

A

1008-8873(2019)01-009-8

2018-01-30;

2018-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41476165); 濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目; 安徽大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(KYXL2016044)

張明真(1996—), 女, 山東濟(jì)寧人, 研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué), E-mail: zhangmz0126@163.com

黃濤, 男, 博士, 副教授, 主要從事環(huán)境生物地球化學(xué)研究, E-mail: huangt@ahu.edu.cn

張明真, 周軍, 葛方, 等. 升金湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)湖泊沉積物重金屬分布及污染評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(1): 9-16.

ZHANG Mingzhen, ZHOU Jun, GE Fang, et al. Distribution and contamination evaluation of heavy metals in the sediments from Shengjin Lake National Nature Reserve[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 9-16.