巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)*

劉　新，蔣　豫,，高俊峰，尹洪斌，蔡永久**

(1：南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)(2：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

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巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)*

劉新1，蔣豫1,2，高俊峰2，尹洪斌2，蔡永久2**

(1：南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)(2：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

為了解巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流沉積物中重金屬的污染特征，對表層沉積物中重金屬元素含量進(jìn)行分析，基于地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法對沉積物污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，并對沉積物重金屬來源進(jìn)行初步分析. 結(jié)果表明，河流沉積物中重金屬的平均含量顯著高于湖區(qū)，是湖區(qū)沉積物重金屬含量的1.18～5.15倍，其中南淝河Cu、Zn、Pb、As和Hg含量較高，分別是背景值的3.53、16.98、3.98、5.84和23.11倍，西半湖Cu、Zn、Pb、Cd和Hg平均含量要高于東半湖，是全湖平均的1.04～1.45倍. 地積累指數(shù)法和H?kanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果均表明，Cd和Hg是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，在所調(diào)查的表層沉積物中Cd和Hg數(shù)值分別為43.17～3870.94和29.96～924.57，已處于較大風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值. 此外，源分析結(jié)果表明，巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr、Hg和As相關(guān)性顯著，具有相似的來源，可能來自于工業(yè)廢水與生活污水.

巢湖；沉積物；重金屬；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；污染特征

重金屬元素作為主要環(huán)境污染物，具有難降解、易積累、毒性大的特性，且有通過食物鏈危害人類健康的潛在危險(xiǎn)，一直是環(huán)境保護(hù)和科學(xué)研究的重點(diǎn)[1-4]. 沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，進(jìn)入湖泊的重金屬通過絮凝或沉淀作用，多數(shù)進(jìn)入沉積物中. 它一方面是水體重金屬的匯，另一方面沉積物中的重金屬在一定條件下會重新釋放進(jìn)入水體而成為潛在污染源[5]，并對湖水具有持久影響[6-7]. 因此，沉積物是水環(huán)境中重金屬污染程度的“指示劑”[8]，能很好地反映湖泊受重金屬污染狀況.

巢湖位于安徽省中部，是我國第五大淡水湖泊. 水域面積約為770 km2，不僅具有航運(yùn)、漁業(yè)、農(nóng)灌、防洪等多種功能[9]，更是合肥市及沿湖城市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要水源. 然而，近些年來，流域人口劇增，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，在人類活動的影響下，每年接納周邊城市排入的生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水，不僅造成巢湖富營養(yǎng)化問題嚴(yán)重，而且重金屬污染也日益突出. 已有許多研究報(bào)道了巢湖全湖的重金屬污染狀況[10-12]，但對主要出入湖河流的關(guān)注較少，杜臣昌等[13]運(yùn)用富集系數(shù)法對巢湖主要出入湖河流河口區(qū)表層沉積物重金屬污染狀況進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)南淝河河口重金屬人為污染最重，其次是柘皋河河口，派河、白石天河、杭埠河等河口表層沉積物中重金屬元素人為污染程度較弱；Shao等[14]利用模糊綜合評價(jià)法對南淝河沉積物重金屬污染狀況進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)南淝河主要河道及上游支流四里河和板橋河污染嚴(yán)重，下游支流年埠河和店埠河污染較輕. 湖區(qū)的污染物絕大多數(shù)來自入湖河流輸入[15]，因而在對巢湖全湖重金屬評價(jià)的同時(shí)加入主要出入湖河流，可以從整體上對巢湖湖區(qū)和主要出入湖河流重金屬污染狀況進(jìn)行對比分析，對巢湖流域重金屬污染的治理有重要意義.

目前國內(nèi)外評價(jià)沉積物中重金屬污染的常用方法有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、地積累指數(shù)法、沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法、沉積物富集系數(shù)法、回歸過量分析法和臉譜圖法等[16-18]. 這些方法有不同的特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際應(yīng)用方面也存在各自的局限性. 其中，地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法是目前使用最普遍的3種方法. 地積累指數(shù)法可反映重金屬分布的自然變化特征，同時(shí)還考慮了人類活動對環(huán)境的影響，但未考慮不同重金屬毒性效應(yīng)的差別. 潛在生態(tài)危害指數(shù)法全面考慮了評價(jià)區(qū)域重金屬的毒性和重金屬區(qū)域背景值的差異，可用于綜合評價(jià)重金屬對生態(tài)環(huán)境的潛在影響[19]. 沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)可以很好地反映沉積物中重金屬對生物的潛在毒性[20]. 因此，綜合運(yùn)用這3種方法能較好地評價(jià)沉積物受重金屬污染的程度，有助于更全面地分析和了解沉積物中重金屬的毒性和潛在危害.

本文調(diào)查巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物中重金屬(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg、Ni)含量，分析重金屬的空間分布特征，并用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法和主成分分析法對其重金屬污染特征進(jìn)行評價(jià)和分析，以期為巢湖重金屬污染治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

1　材料與方法

1.1采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品采集

巢湖以姥山島為界，可以分為東、西半湖，西半湖的水質(zhì)狀況明顯劣于東半湖，受到的氮、磷污染比東半湖嚴(yán)重[21]. 綜合考慮巢湖入湖河流分布、人類干擾程度、湖泊水動力、水質(zhì)等因素的空間特征[22-23]，在巢湖湖區(qū)和主要出入湖河流共布設(shè)40個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，其中西半湖12個(gè)，東半湖21個(gè)，主要出入湖河流7個(gè). 2013年4月用彼得森采泥器采集表層沉積物(0～15 cm)，將泥樣混勻后冷凍保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理及分析.

圖1 巢湖采樣點(diǎn)分布Fig.1　Distribution of sampling sites in Lake Chaohu

1.2樣品處理及分析

沉積物樣品使用冷凍干燥機(jī)干燥，并剔除動植物殘?bào)w及石塊，經(jīng)瑪瑙研缽研磨處理后過100目尼龍篩后置于干燥器中待用. 沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Ni的含量使用安捷倫7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，Hg的含量使用Hydra-c型全自動測汞儀測定. 考慮到樣品測定的準(zhǔn)確度和精度，分別對樣品進(jìn)行重復(fù)分析和標(biāo)樣分析(重復(fù)率為10%)，樣品分析誤差均小于10%，分析結(jié)果符合質(zhì)控要求. 沉積物基本性質(zhì)如表1所示，總氮(TN)、總磷(TP)含量以過硫酸鉀聯(lián)合消解法測定，燒失量(LOI)以550℃焙燒4.5h重量法測定.

表1 巢湖及主要出入湖河流表層沉積物的基本性質(zhì)

1.3評價(jià)方法

1.3.1地積累指數(shù)法地積累指數(shù)法是德國海德堡大學(xué)Muller[24]提出來的. 此評價(jià)方法考慮了人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值，還特別考慮到由于自然成巖作用可能會引起背景值變動的因素，給出很直觀的重金屬污染級別. 計(jì)算方法為：

Igeo=log2(Ci/k·Cn)

(1)

式中，Igeo為重金屬i的地積累指數(shù)；Ci為重金屬i在沉積物中的含量，Cn為沉積巖中所測該重金屬的地球化學(xué)背景值，采用安徽省土壤重金屬環(huán)境背景值[25](表2)；k為考慮到成巖作用可能會引起的背景值的變動而設(shè)定的常數(shù)，一般k=1.5[26].

表2　沉積物中重金屬的環(huán)境背景值

根據(jù)Igeo數(shù)值的大小，將沉積物中重金屬的污染程度分為7個(gè)等級，即0～6級，如表3所示.

表3 重金屬污染程度與Igeo的關(guān)系

1.3.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合考慮了重金屬的毒性、評價(jià)區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行砸约爸亟饘賲^(qū)域背景值的差異，可以綜合反映沉積物中重金屬的潛在生態(tài)影響[27]. 計(jì)算公式如下：

1) 單項(xiàng)重金屬污染指數(shù)：

Cf=Ci/Cn

(2)

式中，Cf為重金屬i的污染指數(shù)，Ci為重金屬i的實(shí)測含量，Cn為重金屬i的評價(jià)參比值(表2).

2) 單項(xiàng)重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)：

Er=Tr·Cf

(3)式中，Er為單項(xiàng)金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Tr為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，反映重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度. 各重金屬的Tr分別為：Hg=40、Cd=30、As=10、Cu=Pb=Ni=5、Cr=2、Zn=1[28].

3) 多項(xiàng)金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為單項(xiàng)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)之和，即：

RI=∑Er

(4)

Er、RI和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級如表4所示.

1.3.3沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法在缺乏生物毒性試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫的沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)對重金屬的毒性做出判斷可以對水體沉積物污染進(jìn)行評價(jià)，加拿大、美國佛羅里達(dá)、澳大利亞、新西蘭和中國香港等部分國家和地區(qū)都利用生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫法建立了沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn). 由于巢湖是淡水湖，因此本文將沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg、Ni等重金屬含量與加拿大淡水沉積物基準(zhǔn)[29](表5)進(jìn)行比較. 當(dāng)某種重金屬污染物濃度低于臨界效應(yīng)濃度(TEL)時(shí)，意味著負(fù)面生物毒性效應(yīng)幾乎不會發(fā)生；高于必然效應(yīng)濃度(PEL)時(shí)，負(fù)面生物毒性效應(yīng)將頻繁發(fā)生；如果污染物濃度介于TEL值和PEL值之間，負(fù)面生物毒性效應(yīng)會偶爾發(fā)生.

表4　單項(xiàng)及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)與分級標(biāo)準(zhǔn)

表5　加拿大淡水沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)

2　結(jié)果與討論

2.1沉積物中重金屬的總量分布特征

巢湖沉積物中重金屬分布具有明顯的空間差異性(圖2)：河流沉積物中重金屬的平均含量顯著高于湖區(qū)，是湖區(qū)沉積物重金屬的1.18～5.15倍，且各出入湖河流沉積物中Zn、Cd含量差異較大. 其次，西半湖Cu、Zn、Pb、Cd和Hg的平均含量要高于東半湖，是全湖平均的1.04～1.45倍. 從整體上看，巢湖西半湖重金屬含量相對較高，污染相對嚴(yán)重，這說明巢湖沉積物中重金屬含量較高的區(qū)域主要與沿湖經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及人類活動使排入湖泊的污染物含量增加有關(guān)，這與王永華等[30]對巢湖底泥污染物的研究結(jié)果一致. 王金等[31]對巢湖流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水污染程度的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)合肥市擁有機(jī)械、電子、化工、輕紡、冶金等34個(gè)工業(yè)行業(yè)，這些工業(yè)企業(yè)所排放的污水通過南淝河、十五里河、派河進(jìn)入西半湖，所以西半湖承接了合肥市大部分污水，導(dǎo)致重金屬含量相對偏高，Cd、Hg污染嚴(yán)重. 同時(shí)，王金等[31]還發(fā)現(xiàn)巢湖市產(chǎn)業(yè)以食品、牧業(yè)、漁業(yè)為主，相比于化工、冶金等重工業(yè)產(chǎn)生的污染較少，所以巢湖市境內(nèi)的東半湖重金屬污染較輕.

圖2 巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬含量平均值(Cu、Cr、As使用方差分析，Zn、Pb、Cd、Hg、Ni使用非參數(shù)檢驗(yàn))Fig.2　Average contents of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu and its main tributary rivers

從巢湖主要出入湖河流沉積物中重金屬含量的比較情況來看(圖3)，幾乎所有出入湖河流沉積物中重金屬含量都超出了安徽省土壤重金屬環(huán)境背景值，其中南淝河污染較嚴(yán)重，沉積物中Cu、Zn、Pb、As和Hg的含量明顯高出其它幾條河流，分別是背景值的3.53、16.98、3.98、5.84和23.11倍. 另外，裕溪河沉積物中Cd含量最高，為12.52 mg/kg，高出背景值129.03倍；7條河流中Cr、Ni含量相差不大. 合肥市分布著較多的化工、電鍍、冶金、輕紡等行業(yè)，這些行業(yè)排放的工業(yè)廢水大都進(jìn)入南淝河，導(dǎo)致南淝河沉積物中重金屬含量偏高. 出湖河流裕溪河河口處Cd含量偏高主要是因?yàn)樵诤涌谔幉煌锢砘瘜W(xué)性質(zhì)水體交匯混合，原有水環(huán)境如河水pH值、電導(dǎo)率、懸浮物濃度等以及水動力條件都會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致無機(jī)物的絮凝和懸浮顆粒的沉淀等[32]，引起此處沉積物中Cd含量偏高.

2.2地積累指數(shù)法評價(jià)

巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg和Ni的Igeo范圍分別為-1.39～1.23、-1.24～3.50、-1.45～1.41、-2.05～0.13、-0.06～6.43、-1.40～1.96、-1.00～3.95和-2.34～-0.05，西半湖的Igeo要略高于東半湖. 除了Ni處于清潔狀態(tài)外，其它各重金屬都處于污染狀態(tài)，其中Cd和Hg是最主要的污染物，西半湖已受到較嚴(yán)重的Cd、Hg污染，另外南淝河的污染也較嚴(yán)重，Hg、Zn達(dá)到偏重度污染程度，Cd為中度污染，Cu、Pb、As處于偏中度污染水平，Cr處在輕度污染水平(圖4). 南淝河的重金屬污染主要與合肥市的工業(yè)廢水和生活污水排放有關(guān)，而巢湖西半湖重金屬污染主要通過南淝河輸入，來自合肥等城市的廢水是主要的污染源.

2.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果顯示(圖5)，除Cd、Hg、As外均為低風(fēng)險(xiǎn)程度，西半湖Cd處于中等-重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，Hg處于低-重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；東半湖Cd處于中等-嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，Hg處于低-較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；南淝河Cd、Hg為嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，As處在中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；裕溪河Cd處于嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，Hg為較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；派河Cd、Hg達(dá)到較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；兆河、柘皋河Cd處于較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，杭埠河、白石天河則為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；兆河、柘皋河、杭埠河、白石天河Hg處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平. 由此可見，Cd和Hg是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子.

另外，由重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(圖6)可以看出，西半湖生態(tài)危害較東半湖嚴(yán)重，基本上處于重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；南淝河和裕溪河存在嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；派河、杭埠河、兆河、柘皋河達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；白石天河則處在低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平. 這種區(qū)域差異與巢湖流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間格局相符，體現(xiàn)了湖泊沉積物重金屬污染程度與流域內(nèi)人類活動的方式以及強(qiáng)度之間的密切關(guān)系. 與南淝河、裕溪河相比，南部入湖河流杭埠河、白石天河、兆河處于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，流域內(nèi)人口相對較少，城市化進(jìn)程相對較低，人類活動方式以農(nóng)業(yè)、漁業(yè)為主，所以這些河流的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對較低.

圖3 巢湖主要出入湖河流沉積物重金屬含量的比較(虛線代表安徽省土壤重金屬環(huán)境背景值)Fig.3　Contents of heavy metals in surface sediments of main tributary rivers in Lake Chaohu

圖4 巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物的重金屬污染等級分布Fig.4　Contamination grades of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu and its main tributary rivers

圖5 巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物的重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分布Fig.5　Individual grades of potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu and its main tributary rivers

圖6 巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分布Fig.6　General grades of potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu and its main tributary rivers

2.4沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)評價(jià)

40個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中8種重金屬的潛在毒性順序?yàn)椋篘i>As>Cr>Pb>Zn>Cd>Hg>Cu. 在這些采樣點(diǎn)中，Ni、As、Cr、Pb、Zn、Cd、Hg和Cu含量高于PEL的百分比分別是35%、22.5%、2.5%、2.5%、2.5%、2.5%、2.5%和0%，在TEL與PEL之間的百分比分別是50%、72.5%、95%、42.5%、30%、15%、7.5%和15%. 通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Ni元素的潛在生物毒性很大，負(fù)面生物效應(yīng)頻繁發(fā)生的樣點(diǎn)主要分布在西半湖、東半湖的東北湖區(qū)以及兆河、裕溪河、柘皋河；As除在L1、R4采樣點(diǎn)的潛在生物毒性較小，其它采樣點(diǎn)的潛在生物毒性均較大，負(fù)面生物效應(yīng)將頻繁發(fā)生或偶爾發(fā)生；Cr在表層沉積物中的潛在生物毒性相對較大，負(fù)面生物效應(yīng)偶有發(fā)生；Pb、Zn在西半湖表層沉積物中的潛在生物毒性較東半湖大，負(fù)面生物效應(yīng)將偶爾發(fā)生；Cu、Cd和Hg除在個(gè)別點(diǎn)位表層沉積物中潛在生物毒性較大，負(fù)面生物效應(yīng)偶有發(fā)生外，其它點(diǎn)位的潛在生物毒性均很小，可能不會發(fā)生明顯的負(fù)面生物效應(yīng).

由地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的分析結(jié)果可以看出，Igeo與Er對Cd、Hg的評價(jià)結(jié)果基本一致，都指出Cd和Hg是巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流沉積物中主要的重金屬污染物，且對巢湖造成了嚴(yán)重的生態(tài)危害. 這與之前的研究結(jié)果相似，程杰等[10]及石志芳等[33]分別認(rèn)為Cd和Hg是巢湖的主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子. 但是，通過沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法(TEL-PEL)分析，卻得出了相反的結(jié)果，Ni元素的潛在生物毒性較大，居于8種重金屬之首，負(fù)面生物效應(yīng)頻繁發(fā)生，這與Yin等[34]運(yùn)用TEL-PEL標(biāo)準(zhǔn)對巢湖湖區(qū)沉積物重金屬的評價(jià)結(jié)果一致. 有文獻(xiàn)表明[35]，TEL-PEL標(biāo)準(zhǔn)存在一定的局限性，它是基于某一地區(qū)大量的沉積物化學(xué)與相應(yīng)生物效應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，而本文采用的是加拿大的TEL-PEL標(biāo)準(zhǔn)，可能并不適用于巢湖，有待進(jìn)一步研究分析.

2.5重金屬來源分析

表6 巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物重金屬主成分分析

主成分分析在沉積物中重金屬的源解析中被廣泛應(yīng)用，本研究采用SPSS 20.0軟件對巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物中重金屬進(jìn)行主成分分析(KMO檢驗(yàn)值為0.724，大于0.5，適合做主成分分析)，發(fā)現(xiàn)沉積物中8種重金屬所代表的全部信息可用前2個(gè)主成分(其中，特征值：5.456+1.242=6.698個(gè)變量，累積貢獻(xiàn)率：83.74%)來體現(xiàn)(表6). 因此，通過對前2個(gè)主成分的分析，基本上能夠反映數(shù)據(jù)所代表的大部分信息.

第1主成分的貢獻(xiàn)率為68.21%，其中Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg表現(xiàn)出較高的載荷(>0.8)，Pearson相關(guān)分析(表7)表明Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg之間相關(guān)性顯著，具有相似的來源，而且這6種元素主要來自于電鍍、金屬冶煉、采礦等工業(yè)企業(yè)以及生活污水[34]，所以第1主成分代表著工業(yè)廢水和生活污水對沉積物的重金屬污染. 此外，Ni在第1主成分上也表現(xiàn)出中等載荷，且與Cu、Pb、Cr、As相關(guān)性顯著，可知第1主成分也部分支配著Ni的來源. 第2主成分的貢獻(xiàn)率為15.53%，Cd表現(xiàn)出中等載荷(0.576)，在第1主成分上載荷較低，由Cd的地積累指數(shù)結(jié)果可以看出，裕溪河、南淝河及西半湖Cd的污染程度較高，而南部入湖河流Cd的污染程度較低，并且低于湖區(qū)表層沉積物，這說明Cd可能來源于其它的工業(yè)源，有待進(jìn)一步研究. 因此，第2主成分主要表征了其它工業(yè)源對表層沉積物中Cd含量的影響.

表7　巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物中重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)

**表示顯著相關(guān)，P<0.01.

3　結(jié)論

1)巢湖表層沉積物中重金屬分布具有明顯的空間差異性：河流沉積物中重金屬的平均含量顯著高于湖區(qū)，是湖區(qū)沉積物重金屬的1.18～5.15倍；其中，南淝河沉積物中Cu、Zn、Pb、As和Hg含量較高，分別是背景值的3.53、16.98、3.98、5.84和23.11倍，Cd含量最高值出現(xiàn)在裕溪河，為12.52 mg/kg，7條河流沉積物的Cr、Ni含量相差不大. 其次，西半湖Cu、Zn、Pb、Cd和Hg的平均含量要高于東半湖，是全湖平均的1.04～1.45倍.

2)地積累指數(shù)法評價(jià)結(jié)果顯示，Cd和Hg是巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流沉積物中最主要的重金屬污染物. 污染最嚴(yán)重的是南淝河，Hg和Zn達(dá)到偏重度污染程度，Cd為中度污染，Cu、Pb和As處于偏中度污染水平，Cr處在輕度污染水平.

3)通過H?kanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)得知，Cd和Hg是主要的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子. 其次，西半湖生態(tài)危害較東半湖嚴(yán)重，基本上處于重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；南淝河和裕溪河存在嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

4)源分析結(jié)果表明，巢湖湖區(qū)及主要出入湖河流表層沉積物中Cu、Zn、Pb、Cr、Hg、As具有相似的來源，可能來自于工業(yè)廢水與生活污水.

致謝：感謝丁勝榮、高金山等協(xié)助完成野外采樣，感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對本文樣品分析提供的支持.

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Pollution characteristics of heavy metals and the risk assessment for the surface sediments from Lake Chaohu and its main tributary rivers

LIU Xin1, JIANG Yu1,2, GAO Junfeng2, YIN Hongbin2& CAI Yongjiu2**

(1:NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,P.R.China)(2:KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)

Shallow lakes are important freshwater resources and have the functions of flood control, transportation, agriculture, aquaculture, tourism, drinking and ecological protection. The environmental quality of shallow lakes is highly related to human health and sustainable development of social economy. Rapid urbanization and economic development have resulted, progressively, in deteriorating freshwater conditions. Lake Chaohu is the fifth largest freshwater lake in China. In order to characterize the pollution characteristics of heavy metals in surface sediments of Lake Chaohu, 33 and 7 sediment samples were collected in April 2013 from Lake Chaohu and its main tributary rivers, respectively. The contents of eight heavy metals (Cu, Zn, Pb, Cr, Cd, As, Hg and Ni) in the samples were analyzed and the risk of heavy metal contamination was evaluated using geo-accumulation index, H?kanson potential ecological risk index and sediment quality guidelines. The mechanization level of various components or elements was analyzed. The results showed that the average contents of heavy metals in surface sediments of the main tributary rivers were higher from 1.18 to 5.15 times than the contents in the whole lake surfaces. The contents of Cu, Zn, Pb, As and Hg in surface sediments of Nanfei River were even higher than those of other rivers, and were 3.53, 16.98, 3.98, 5.84 and 23.11 times greater than the background values, respectively. The average contents of Cu, Zn, Pb, Cd and Hg in the west regions were higher than those of the east regions, and also higher from 1.04 to 1.45 times than those of the whole lake. The results using the geo-accumulation index and the potential ecological risk assessment both indicated that Cd and Hg were the main contribution of the potential ecological risk elements, and they had reached the serious risk level (43.17-3870.94 and 29.96-924.57). The results of source analysis revealed that contents of Cu, Zn, Pb, Cr, Hg and As were highly positively related each other, indicating that they have the same sources which may be from industrial and domestic sewage.

Lake Chaohu; sediments; heavy metals; risk assessment; pollution characteristics

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(3)： 502-512

10.18307/2016.0305

?2016 byJournalofLakeSciences

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501-002-008)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB956100)和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)聯(lián)合資助. 2015-03-22收稿;2015-09-14收修改稿. 劉新(1968～), 男, 副教授; E-mail: xin126mail@126.com.

**通信作者; E-mail: caiyj@niglas.ac.cn.