巢湖表層沉積物重金屬污染特征研究

楊陽 李小龍 楊碧瑩 楊金香 胡友彪 劉翔

摘要：研究湖泊沉積物中重金屬的含量及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)評(píng)估湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重大意義。通過文獻(xiàn)收集2002 - 2016年巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬濃度數(shù)據(jù)，全面分析近15年內(nèi)10種重金屬的污染特征、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和主要來源。結(jié)果顯示，As、Cd、Cu、Cr、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn元素近15年已有數(shù)據(jù)年份的平均含量分別為12. 33、0.398、41. 75、67. 59、31 506、0. 120、722.5、31. 12、37. 30和108. 7mg/kg，除Cr外，其余元素皆高于安徽省土壤背景值;從時(shí)間濃度變化特征來看，元素Cd、Fe、Hg、Mn、Ni和Pb濃度變化較大，As、Cr、Cu和Zn元素濃度變化較為穩(wěn)定;空間污染分布為西湖區(qū)>全湖>東湖區(qū)。地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，元素在西湖區(qū)的污染程度為Cd>Hg>Zn>Pb>Mn>Fe>As> Ni>Cu>Cr，Cd、Hg和Zn屬“中度”污染。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，西湖區(qū)多處于中等生態(tài)危害，全湖與東湖區(qū)多屬于輕微生態(tài)危害，Cd貢獻(xiàn)最多，多為強(qiáng)生態(tài)危害。污染來源分析表明.As、Cu、Cr和Cd主要來源于工農(nóng)業(yè)復(fù)合污染，Pb主要來源于交通污染，Zn主要來源于煤炭燃燒、垃圾焚燒等。

關(guān)鍵詞：沉積物;重金屬污染;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);源分析

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1098（ 2020）04-0046-09

作者簡(jiǎn)介：楊陽（1995-），女，安徽青陽人，在讀碩士，研究方向：水環(huán)境重金屬污染評(píng)價(jià)。

湖泊沉積物為湖泊中各物質(zhì)遷移的最終載體，可體現(xiàn)湖泊生態(tài)環(huán)境的大量信息[1]，因此研究湖泊沉積物中重金屬的含量及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)評(píng)估湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重大意義[2-3]。近年，關(guān)于巢湖表層沉積物重金屬污染的研究已大量開展，表明巢湖表層沉積物重金屬歷年來皆有不同程度污染[4-7]，但對(duì)巢湖表層沉積物中重金屬的研究多以單次采樣和一年內(nèi)的采樣時(shí)間為研究周期。目前，還少有對(duì)巢湖表層沉積物重金屬進(jìn)行連續(xù)多年采樣、分析評(píng)價(jià)的系統(tǒng)研究。本次通過文獻(xiàn)收集2002 - 2016年巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合巢湖流域人口經(jīng)濟(jì)增長及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變遷，對(duì)巢湖表層沉積物重金屬的多年污染變化特征進(jìn)行比較分析，采用地累積指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)指數(shù)法對(duì)歷年重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析重金屬的主要來源，為巢湖沉積物重金屬污染治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

巢湖（31°42'40. 87”～31°25 '11. 45”N，117 °17'27. 90”- 117°50'35. 78”E）位于安徽省中部，現(xiàn)有湖區(qū)面積約789km2[8]。巢湖主要的人湖河流有8條，1條出湖河流，其中杭埠河，南淝河與白石天河人湖徑流量占75%以上，出湖河流為東部的裕溪河。湖水主要靠地面徑流補(bǔ)給，集水范圍包括合肥、巢湖、肥東、肥西、廬江、舒城、無為等兩市五縣。

以“巢湖”、“重金屬”、“沉積物”等關(guān)鍵詞在“CNKI”、Web of Science等數(shù)據(jù)庫檢索歷年以來關(guān)于巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬文獻(xiàn)，并將所收集信息分析整理。本次收集到了2002 - 2016年15年間的巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)收集于不同的文獻(xiàn)，已有年份沉積物中重金屬濃度變化的因素可能與周邊地區(qū)重金屬排放量情況、不同文獻(xiàn)中采樣點(diǎn)位置、季節(jié)[9-10]、分析儀器及精度不同、水中浮游生物的作用[11]及沉積物再懸浮釋放等因素有關(guān)。由于本文研究目的是為了從宏觀上探討分析巢湖沉積物近15年的變化特征，參考相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析方法，所以在時(shí)間和空間上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了概化。根據(jù)文獻(xiàn)給出的采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)位，將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄整合，且以姥山島為界，進(jìn)一步將其劃分為東西半湖進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，同年數(shù)據(jù)采用平均值算法，并記錄濃度范圍，以便對(duì)巢湖表層沉積物重金屬污染進(jìn)行分區(qū)域研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬濃度歷年變化特征

本次研究選擇歷年研究次數(shù)較多的10種重金屬元素（Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Fe和Mn）進(jìn)行深入分析[12-34]，其歷年濃度變化特征如圖1所示。從時(shí)間濃度變化特征來看，元素Fe、Mn、Pb、Hg、Cd和Ni濃度變化較大，Cr、As、Cu和Zn元素濃度變化較穩(wěn)定。大部分元素如Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn和Pb的濃度在2006 - 2010年之間，整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì);在2010 - 2016年間，元素Fe、Ni、Hg、Cd、Pb和Zn的濃度出現(xiàn)不同程度的下降。Cd、Hg、Ni、Pb和Cr濃度在2010年最高，分別為0. 920、0.179、44. 70、94. 90和80. 10mg/kg; Cd、Cr、Cu、Mn和Zn濃度在2006年最低，分別為0.003、56. 82、22. 19、259.3和64. 68mg/kg。

As、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn元素最大濃度分別高達(dá)安徽省土壤背景值的2. 41、8.85、1. 15、5.80、1.83、4.36、2.44、1.79、3.66和4.59倍[35]，其中元素Hg、Pb和Zn歷年濃度皆超過安徽省土壤背景值，其余元素均有不同程度的富集，僅Cd濃度在部分年份超過了土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，具有污染風(fēng)險(xiǎn)，其余元素歷年均未超過。Cr、Ni和As歷年濃度均，超過了加拿大沉積物質(zhì)量準(zhǔn)則，說明在該閾值水平以上，Cr、Ni和As有可能會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，具有一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余元素均有部分年份的濃度超過。以上結(jié)果表明，Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Cu存在一定的生態(tài)和人類健康風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)監(jiān)控管理。整體上看，與我國其他湖泊如太湖[36]及鄱陽湖[37]相比，巢湖的污染程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太湖，而與鄱陽湖差別不大。

由圖4可看出，元素Cu、Cr、Ni、Pb和Zn在2006 - 2010年的變化趨勢(shì)與合肥市企業(yè)數(shù)、化肥施用量、城鎮(zhèn)生活污水排放量各指標(biāo)的變化趨勢(shì)較為契合，皆呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì);2011～2016年間，化肥施用量、工業(yè)廢水排放量、城鎮(zhèn)生活污水排放量及人口數(shù)各指標(biāo)呈現(xiàn)偶有波動(dòng)但整體維持下降或平穩(wěn)的變化，同期各元素濃度也呈現(xiàn)一定的變化。由聚類分析結(jié)果可知，重金屬來源被分為三大類，第一類包括重金屬As、Cu、Cr、Cd，來源于工農(nóng)業(yè)的復(fù)合污染。As通常來源于人類活動(dòng)，如農(nóng)業(yè)用藥及化肥[43]，Cu、Cr和Cd主要來源于金屬冶煉、電鍍、機(jī)械制造等工業(yè)[44]。巢湖流域內(nèi)合肥市有冶金、機(jī)械、化工、輕紡等34個(gè)工業(yè)行業(yè)，巢湖流域農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，但農(nóng)藥化肥利用率低，污染嚴(yán)重，2015年合肥市巢湖流域化肥及農(nóng)藥施用量高達(dá)22.4萬t和5 098t，但利用率僅達(dá)30% -40%，從而對(duì)環(huán)境造成污染[45]。第二類為Pb，主要來源于交通污染，是機(jī)動(dòng)車污染源的標(biāo)識(shí)元素，隨著人口的增加，經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，企業(yè)數(shù)與生活需求相應(yīng)加大，據(jù)安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒，2015年民用車輛擁有量為1045. 85萬輛，相比2005年增長了81.7%，私人車輛擁有量為708. 658萬輛，是2005年的12倍，交通運(yùn)輸業(yè)迅猛發(fā)展。第三類為Zn，主要來源于煤炭燃燒、垃圾焚燒[46]等，據(jù)安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒，全省2013年電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)及燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的企業(yè)數(shù)分別達(dá)到166和47家，相比2002年增長了55%和213%，相關(guān)工業(yè)的快速增長，加劇了Zn對(duì)環(huán)境的污染。這與重金屬與經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)相關(guān)性的分析結(jié)果保持一致，揭示了巢湖周邊地區(qū)近年來的人口變化，經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，以及巢湖周邊向巢湖進(jìn)行重金屬污染物排放量變化的特征，從宏觀角度解釋了重金屬濃度變化的因素。

3 結(jié)論

（l）近15年已有數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)e、Mn、Pb、Cr、Hg、Ni濃度變化較大，Cd、As、Cu、Zn元素濃度變化較穩(wěn)定。巢湖表層沉積物受到各重金屬不同程度的污染，貢獻(xiàn)最多的屬Cd、Hg、Zn、Pb，其中Cd污染最為嚴(yán)重，多為強(qiáng)生態(tài)危害。

（2）重金屬污染空間分布特征為西湖區(qū)>全湖>東湖區(qū)，受到合肥市多電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、金屬冶煉工業(yè)及制造業(yè)等，工業(yè)廢水及周邊地區(qū)排放的生活污水通過各人湖河流長期匯人西湖區(qū)的影響，導(dǎo)致西湖區(qū)重金屬濃度較高。

（3）聚類分析結(jié)果表明As、Cu、Cr、Cd來源相似，主要來源于工農(nóng)業(yè)復(fù)合污染;Pb主要來自于交通污染;Zn主要來源于煤炭燃燒和垃圾焚燒等。結(jié)合相關(guān)性分析及聚類分析結(jié)果，表層沉積物重金屬濃度變化特征受巢湖流域的人口、企業(yè)、工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量及化肥施用量等因素的影響。

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（責(zé)任編輯：李麗）