鄱陽(yáng)湖流域重金屬污染評(píng)價(jià)與分析*

劉佳偉 楊明生

(南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，江西 南昌 330031)

湖泊流域資源豐富，對(duì)所在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維持周邊生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)氣候等具有巨大作用[1]。然而隨著社會(huì)發(fā)展，湖泊流域重金屬污染日益嚴(yán)重[2]。重金屬難以被生物降解，當(dāng)濃度積累到一定水平后將對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康造成不良影響[3-4]。沉積物是湖泊信息變化的記錄者[5]，進(jìn)入湖泊的重金屬通過(guò)吸附沉降[6]、自由擴(kuò)散[7]、共沉淀[8]等方式匯集到沉積物中，因此沉積物的重金屬含量能有效反映湖泊重金屬污染水平[9]。目前國(guó)內(nèi)大多湖泊均存在不同程度的重金屬污染現(xiàn)象，且多為人類(lèi)活動(dòng)影響所致[10]。

鄱陽(yáng)湖周邊人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)豐富，存在重金屬污染現(xiàn)象[11]，尤以信江、饒河流域污染顯著[12-13]，并影響到鄱陽(yáng)湖流域[14-15]。為掌握鄱陽(yáng)湖流域重金屬污染特征及污染水平，本研究采集鄱陽(yáng)湖流域表層沉積物、剖面沉積物、稻田及菜地表層的土壤樣品，測(cè)定分析不同樣品中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg共7種重金屬的含量及pH、氧化還原電位(Eh)、土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、黏粒(粒徑<0.01 mm)含量，運(yùn)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)，并進(jìn)行重金屬含量與理化參數(shù)的相關(guān)性分析，探究鄱陽(yáng)湖流域不同類(lèi)型土壤重金屬累積現(xiàn)狀、污染特征及土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬污染的影響，以期為鄱陽(yáng)湖流域重金屬污染整治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嵉厍闆r，于2019年分批次采集鄱陽(yáng)湖流域贛江北支、贛江中支、贛江南支、修水河、撫河、信江、饒河及湖口段表層沉積物樣品共15個(gè)；采集贛江中支、贛江南支、信江、湖口段剖面沉積物樣品27個(gè)，不同深度樣品采樣間隔約10 cm，總采樣深度約70 cm；采集贛江中支、贛江北支、饒河周邊稻田或菜地表層的土壤樣品共25個(gè)。每個(gè)樣品采樣量均在1 kg左右，自然風(fēng)干，搗碎除去殘?jiān)?，四分法取適量樣品用研缽研磨過(guò)100目篩，裝入密封袋待測(cè)。

1.2 檢測(cè)分析方法

理化性質(zhì)指標(biāo)：沉積物及土壤pH采用PHB-4型便攜式pH計(jì)測(cè)定；Eh采用CT-8022型便攜式Eh計(jì)測(cè)定；SOM采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定；黏粒含量采用激光粒度儀測(cè)定。

重金屬含量：樣品經(jīng)HCl-HNO3-HF(體積比3∶1∶1)微波消解后，Pb、Cd采用《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)測(cè)定；Cr、Cu、Zn采用《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)測(cè)定；Hg、As采用《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定 微波消解/原子熒光法》(HJ 680—2013)測(cè)定。質(zhì)量控制采用GSS-30標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收，測(cè)定結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。

1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

采用地累積指數(shù)法[16]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法[17]對(duì)研究區(qū)域重金屬污染進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。地累積指數(shù)在單因子指數(shù)法的基礎(chǔ)上考慮人為因素及地球化學(xué)因素的影響，是在單因子指數(shù)法基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算的一種污染評(píng)價(jià)方法。地累積指數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:Iigeo為重金屬i的地累積指數(shù)；Ci為重金屬i的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度，mg/kg；Bi為重金屬i的背景值，mg/kg；K為地球化學(xué)常數(shù)，一般取1.5。Iigeo≤0時(shí)表示重金屬i無(wú)污染，05時(shí)表示重金屬i為極強(qiáng)污染。

潛在生態(tài)危害指數(shù)能夠反映環(huán)境中各種重金屬的毒害效應(yīng)，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：RI為重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)；Eri為重金屬i的單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tri為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別取值為5、5、1、2、30、10、40[18]；Si為重金屬i在《土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值(試行)》(GB 15618—2018)中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)

2 結(jié)果討論

2.1 沉積物及土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)

對(duì)鄱陽(yáng)湖流域表層沉積物樣品的重金屬質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，并與鄱陽(yáng)湖底質(zhì)重金屬背景值[19]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，鄱陽(yáng)湖流域表層沉積物中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg的平均值分別為39.8、43.0、119.4、70.2、0.79、19.6、0.146 mg/kg，分別為背景值的8.38、3.44、2.61、2.37、1.05、1.46、2.28倍，說(shuō)明7種重金屬均存在不同程度的累積現(xiàn)象，累積程度為Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd。重金屬空間變異系數(shù)表明，Cd空間變異性為強(qiáng)變異水平，其余重金屬均為中等變異水平，Cd的空間分布差異最顯著。

表2 表層沉積物重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

剖面沉積物樣品重金屬質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3?？傮w看來(lái)，不同采樣區(qū)域剖面沉積物中7種重金屬含量差異較大，這可能與周邊人為活動(dòng)密集程度不同有關(guān)；根據(jù)重金屬變異系數(shù)可知，4個(gè)區(qū)域的剖面沉積物樣品中Cu、Zn變異系數(shù)均小于10%，說(shuō)明Cu、Zn隨采樣深度變化較小，而Hg的變異系數(shù)較大，湖口區(qū)域剖面沉積物中Hg的變異系數(shù)高達(dá)72%，說(shuō)明Hg含量隨深度的變化十分明顯?？傮w看來(lái)，剖面沉積物樣品中重金屬垂向分布規(guī)律并不明顯。

表3 剖面沉積物重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

本研究稻田表層土壤樣品主要采集于贛江中支旁的朱港農(nóng)場(chǎng),贛江北支旁的昌邑鄉(xiāng)、吳城，饒河所處的鄱陽(yáng)縣4個(gè)區(qū)域。由于菜地為散戶人工耕作，因此菜地土壤采樣點(diǎn)零星分布于研究區(qū)內(nèi)。稻田及菜地土壤樣品重金屬質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。不同采樣區(qū)域水稻田耕作方式不同，朱港農(nóng)場(chǎng)采用集中式機(jī)械化耕作模式，種植地塊相對(duì)集中；昌邑鄉(xiāng)、吳城、鄱陽(yáng)縣均為散戶耕作模式，種植地塊分布不集中。不同耕作模式土壤中重金屬含量存在一定差異，與其他3個(gè)區(qū)域相比，朱港農(nóng)場(chǎng)樣品中Cr、As的含量相對(duì)較小，而Cu、Zn含量相對(duì)較大。菜地土壤與稻田土壤相比，Zn、Cd的含量較小，而Cr、As含量較大，Hg的含量相近。

表4 土壤樣品重金屬質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

鄱陽(yáng)湖流域沉積物及土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，鄱陽(yáng)湖流域沉積物中Cu、Pb、Zn是主要的累積元素，土壤中無(wú)明顯的重金屬累積現(xiàn)象，土壤質(zhì)量良好。沉積物中7種重金屬污染程度為Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd，土壤中7種重金屬除Hg屬于無(wú)污染至中度污染外，其他重金屬元素均不存在污染情況。沉積物與土壤重金屬污染情況存在明顯差異，沉積物重金屬污染程度大于土壤，表明流域內(nèi)沉積物與土壤污染機(jī)理可能不同。從研究區(qū)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)可以看出，由于Cd元素毒性較大，沉積物中Cd的單因子潛在生態(tài)危害指數(shù)為58.79，達(dá)到中等危害水平，其余重金屬均為輕微危害水平。鄱陽(yáng)湖流域沉積物的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為88.06，遠(yuǎn)高于土壤的27.01，2種評(píng)價(jià)方法均表明鄱陽(yáng)湖流域沉積物重金屬污染較土壤嚴(yán)重。

表5 重金屬污染評(píng)價(jià)指數(shù)

2.3 相關(guān)性分析

由表6可見(jiàn)，鄱陽(yáng)湖流域沉積物及土壤理化性質(zhì)波動(dòng)較大，將各樣品理化性質(zhì)參數(shù)與重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可見(jiàn)，pH與重金屬含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與Cu、Zn呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.330、-0.432(P<0.01)；除Cu外，SOM與重金屬呈正相關(guān)關(guān)系，與Pb呈顯著正相關(guān)關(guān)系；Eh與7種重金屬均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Pb的負(fù)相關(guān)性最顯著；黏粒與重金屬含量呈正相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn)，土壤不同理化性質(zhì)參數(shù)對(duì)重金屬的影響存在很大不同。另外Cu、Pb、Zn、Cr、As、Cd之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明6種重金屬具有一定的同源性；而重金屬Hg的含量?jī)H與黏粒極顯著正相關(guān)，與其他6種重金屬相關(guān)性不顯著，說(shuō)明Hg的來(lái)源與其他6種重金屬不同。

表6 沉積物和土壤的理化性質(zhì)

表7 理化參數(shù)與重金屬的相關(guān)系數(shù)1)

2.4 主成分分析

將重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，以數(shù)據(jù)方差大于10%的原則解析出3個(gè)主成分。由表8可見(jiàn)，3個(gè)主成分共解釋了85.34%的變量信息。主成分1特征值為4.18，方差為59.79%，是主要因子。除重金屬Hg外，其余6種重金屬在主成分1中的載荷相近，結(jié)合相關(guān)系數(shù)分析可知，這6種重金屬同源性較大，從空間分布上看，這6種重金屬與流域內(nèi)采礦活動(dòng)具有很大關(guān)系，因此主成分1可以代表流域采礦工業(yè)活動(dòng)；主成分2特征值為1.09，方差為15.52%，與重金屬Hg的載荷高達(dá)0.94，Hg與其他6種重金屬來(lái)源不同，可能是受成土母質(zhì)的影響，因此主成分2可以解釋為自然因素；主成分3特征值為0.70，方差為10.03%，重金屬Cr、Cu在主成分3種的載荷較大，可能與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)。綜上所述，可以認(rèn)為鄱陽(yáng)湖流域內(nèi)人為工農(nóng)業(yè)活動(dòng)是重金屬污染的主要來(lái)源。

表8 主成分分析結(jié)果

3 結(jié) 論

鄱陽(yáng)湖流域沉積物與土壤重金屬含量存在明顯差異，沉積物重金屬污染程度顯著大于土壤，兩者可能存在不同的重金屬污染機(jī)制。沉積物中7種重金屬污染程度為Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd，Cu、Pb、Zn是主要累積的元素，沉積物剖面重金屬垂向分布規(guī)律不明顯。鄱陽(yáng)湖流域沉積物中Cd達(dá)到中等危害水平，其余重金屬均為輕微危害水平，鄱陽(yáng)湖流域沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較土壤嚴(yán)重。相關(guān)性分析表明，pH、Eh與重金屬含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；SOM、黏粒含量與重金屬含量總體呈正相關(guān)關(guān)系。主成分分析顯示，鄱陽(yáng)湖流域內(nèi)人為工農(nóng)業(yè)活動(dòng)是重金屬污染的主要來(lái)源。