大縱湖（興化片區(qū)）底泥重金屬時(shí)空分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(qū)）底泥重金屬時(shí)空分布及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)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(píng)估重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，探討潛在的影響因素。結(jié)果表明，地累積指數(shù)法得出Cd是研究區(qū)污染程度最高，達(dá)到偏中度污染程度;潛在生態(tài)危害指數(shù)法得出，Cd達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害，Hg在入湖河口和湖內(nèi)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害，出湖河口達(dá)到中等生態(tài)危害。底泥重金屬時(shí)空特征研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)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(duì)較小。

關(guān)鍵詞 底泥;重金屬;時(shí)空分布;生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);大縱湖（興化片區(qū)）

中圖分類號(hào) X826? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 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(xiàng)目 水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2018ZX07208006-004）;國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41907154）;江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（BK20191110）。

作者簡(jiǎn)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(gè)湖泊眾多的國家，全國共有湖泊20 000多個(gè)[1]。湖泊一直是滿足人類消費(fèi)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和娛樂需求的最重要的淡水資源，然而，由于人類活動(dòng)，河流和湖泊受到嚴(yán)重污染，全世界范圍內(nèi)都存在化學(xué)物質(zhì)和過量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)地表水造成污染的問題。過量的化學(xué)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)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(huán)境問題主要包括富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬污染、水體酸化等。

底泥作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在為水生動(dòng)植物生長(zhǎng)提供基本養(yǎng)分的同時(shí)也是各種污染物富集的場(chǎng)所，通過檢測(cè)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及重金屬易吸附沉降在底泥中，而底泥又時(shí)刻與水體進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，人們往往重視外源污染而忽視內(nèi)源污染，事實(shí)上，當(dāng)外源污染得到控制時(shí)，水體與底泥中污染物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，污染物會(huì)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(qū)、泰州市興化兩地，當(dāng)?shù)赜置胶?，為古射陽湖?jīng)分化解體后的殘跡湖之一。地處里下河平原腹地，是運(yùn)東湖群中地勢(shì)最為低下的地區(qū)。湖形略近橢圓形，湖面面積為36.783 km2，興化境內(nèi)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(xué)者對(duì)大縱湖的研究較少，主要集中在水生植物、底棲動(dòng)物等水生態(tài)方面，對(duì)于底泥的研究較少，因此，筆者選取大縱湖興化片區(qū)為研究區(qū)域，對(duì)興化片區(qū)大縱湖流域底泥污染物時(shí)空分布特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，為相關(guān)部門提供大縱湖興化片區(qū)較為全面的數(shù)據(jù)，為改善湖泊環(huán)境、湖泊污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大縱湖位于長(zhǎng)江、淮河兩大水系交融的蘇北里下河水鄉(xiāng)，地處鹽城市鹽都區(qū)大縱湖鎮(zhèn)和興化市中堡鎮(zhèn)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為119°43′～119°50′E、33°07′～33°13′N;東與鹽城市鹽都區(qū)大縱湖鎮(zhèn)濱湖街區(qū)相接，北與鹽城市鹽都區(qū)樓王鎮(zhèn)北龍港街區(qū)相接，西與泰州興化市沙溝鎮(zhèn)相接，南以大縱湖與泰州興化市中堡鎮(zhèn)相接（圖1）。大縱湖湖面呈橢圓形，東西最長(zhǎng)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(qū)域?yàn)榇罂v湖興化片區(qū)，該片區(qū)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(qū)為研究對(duì)象，在2018—2019年每個(gè)季度對(duì)多個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)時(shí)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(diǎn)位1、2、3代表入河湖口;4、5、6、7、8代表湖內(nèi);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(gè)點(diǎn)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(nèi)保存并于當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室，所有樣品在儀器分析前，經(jīng)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(biāo)號(hào)待測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

測(cè)定的指標(biāo)包括銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、汞（Hg）重金屬指標(biāo)，試驗(yàn)分析方法如表1所示。采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，Origin 2018進(jìn)行繪圖。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)法（Igeo）[5-7]在1969年由德國學(xué)者M(jìn)iller提出，能反映沉積物中重金屬元素潛在污染程度，其計(jì)算方法如下：

Igeo=log2Cn1.5Bn（1）

式中，Igeo為地累積指數(shù);Cn為金屬元素n的實(shí)測(cè)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(shù)。Igeo越大，表明該地區(qū)重金屬污染越嚴(yán)重[9]。地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及污染程度見表2。

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）[10]是由瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出，用于評(píng)價(jià)重金屬污染和潛在生態(tài)危害的方法。它根據(jù)重金屬的污染特征及能造成的生態(tài)影響，定量地劃分重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。 其計(jì)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子;Tir為重金屬i的毒性系數(shù)，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg的毒性系數(shù)分別為5、1、5、30、2、5、10和40[12];Wis為底泥重金屬含量實(shí)測(cè)值（mg/kg）;Cin為單一元素參比值（mg/kg）;RI是多個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及污染程度見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥重金屬時(shí)空分布

2.1.1 重金屬污染情況。大縱湖（興化片區(qū)）pH變化較為平穩(wěn)，處于7.0～7.5，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》風(fēng)險(xiǎn)篩選值進(jìn)行評(píng)價(jià)。大縱湖（興化片區(qū)）表層沉積物樣品中重金屬濃度結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(qū)）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(fēng)險(xiǎn)篩選值，其余重金屬濃度均未超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值，說明Cd污染程度嚴(yán)重。變異系數(shù)又稱“標(biāo)準(zhǔn)差率”，是用于比較不同樣本數(shù)據(jù)的離散程度。將變異系數(shù)（CV）劃分為3個(gè)等級(jí)，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(shù)均高于0.36，為高度變異;Cd、Hg變異系數(shù)均低于0.16，為低度變異。

2.1.2 重金屬時(shí)空分布特征。根據(jù)采樣點(diǎn)檢測(cè)結(jié)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(jù)實(shí)地調(diào)查大縱湖（興化片區(qū)）存在大量圍網(wǎng)式水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，水產(chǎn)養(yǎng)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?yàn)镃d大量存在于農(nóng)藥、化肥中，磷肥中Cd含量可以達(dá)到300 mg/kg[7]，大縱湖流域分布著大量的農(nóng)田，農(nóng)藥化肥殘留隨地表徑流進(jìn)入大縱湖，累積在沉積物中。根據(jù)研究區(qū)氣象資料，5—9月降水量712.2 mm，占年降水量的69.3%。研究區(qū)降水量主要呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，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(qū)域，因此夏季研究區(qū)重金屬濃度偏低。入河湖口2、3號(hào)點(diǎn)位（鯉魚河、中引河）相較于1號(hào)點(diǎn)位（西孤河）重金屬含量更高，說明研究區(qū)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(duì)較小。Zn和Ni在時(shí)空上無明顯的分布規(guī)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(xiàn)下降趨勢(shì)，僅As含量在出湖河口。

2.2 底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)。根據(jù)公式（1）計(jì)算得出大縱湖（興化片區(qū)）底泥重金屬地累積指數(shù)（Igeo）如表5所示。從表5可以看出，研究區(qū)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(jí)無污染;As在入湖河口和出湖河口處于2級(jí)輕度污染，湖內(nèi)為1級(jí)無污染;Hg在入湖河口和湖內(nèi)處于2級(jí)輕度污染，出湖河口為1級(jí)無污染;Cd在3處均處于3級(jí)偏中度污染，污染程度最高?？傮w上來看，研究區(qū)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)。根據(jù)公式（2）、（3）計(jì)算得出大縱湖（興化片區(qū)）底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)如表6所示。從表6可以看出，研究區(qū)底泥重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（Eir）在0.96～126.92。評(píng)價(jià)結(jié)果與地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的差別，這是由于Hg的毒性系數(shù)較高，即使在底泥中濃度較低，也會(huì)產(chǎn)生較大的潛在生態(tài)危害[13]。重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As均處于I級(jí)輕微生態(tài)危害;Hg在入河湖口和湖內(nèi)達(dá)到Ⅲ級(jí)強(qiáng)生態(tài)危害，出湖河口為Ⅱ級(jí)（中等生態(tài)危害）;Cd在3處均處于Ⅲ級(jí)強(qiáng)生態(tài)危害，生態(tài)危害最高。無論國內(nèi)還是國外，Hg和Cd都屬于極強(qiáng)污染[14]。從多個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）角度來看，3處均處于Ⅱ級(jí)中等生態(tài)危害，其中湖內(nèi)RI值最高，達(dá)到259.12?？傮w上來看，研究區(qū)底泥重金屬處于輕微生態(tài)危害，底泥重金屬生態(tài)危害程度較小。

3 結(jié)論

（1）大縱湖（興化片區(qū)）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(fēng)險(xiǎn)篩選值，其余重金屬均未超出篩選值。

（2）從底泥重金屬時(shí)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(qū)主要污染來源。

（3）從底泥重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析得出，2種評(píng)價(jià)方法均得出研究區(qū)Cd是最大的污染物。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 董志虎.基于上游原水水質(zhì)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(yè)大學(xué)，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(xué)分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，38（7）：2586-2598.

[6] 才項(xiàng)措毛，周強(qiáng)，毛旭鋒，等.高原城市梯級(jí)濕地底泥重金屬時(shí)空分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，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(yíng)養(yǎng)化及底泥重金屬污染評(píng)價(jià)[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，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(xué)基準(zhǔn)值[J].中國地質(zhì)，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(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].水生態(tài)學(xué)雜志，2018，39（4）：24-30.

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

[11] 熊鴻斌，周鋼.巢湖市城區(qū)黑臭水體綜合水質(zhì)與底泥重金屬污染研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J].凈水技術(shù)，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(píng)價(jià)[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2020，37（1）：30-36，83.

[14] 舒?zhèn)ィ惈h，高陽俊.基于3種方法對(duì)河道底泥重金屬污染評(píng)價(jià)[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，35（1）：1-9.