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    西涼湖沉積物重金屬及營養(yǎng)元素分布特征及污染評價

    2024-07-26 00:00:00周大量李柏霖曾強胡紅娟吳辰熙
    湖北農業(yè)科學 2024年7期

    收稿日期:2023-12-25

    作者簡介:周大量(1985-),男,湖北咸寧人,工程師,主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作,(電話)15926930670(電子信箱)279736081@qq.com;通信作者,李柏霖(1997-),男,湖北宜昌人,碩士,主要從事環(huán)境污染類研究,(電子信箱)bolinli97@163.com。

    周大量,李柏霖,曾 強,等. 西涼湖沉積物重金屬及營養(yǎng)元素分布特征及污染評價[J]. 湖北農業(yè)科學,2024,63(7):53-59,66.

    摘要:以西涼湖沉積物為研究對象,利用地累積指數法和潛在生態(tài)風險指數法評估其重金屬元素的污染情況,利用綜合污染指數法和有機污染指數法評價其氮、磷元素及有機質的污染情況。結果表明,西涼湖沉積物整體受到重金屬污染水平較低,Cu、Zn、As、Hg污染情況在空間分布上相似,少數點位Cd、Ni、Hg元素達中度或重度污染,歸因于養(yǎng)殖飼料和交通運輸。西涼湖沉積物中氮、磷元素污染評價結果顯示,磷元素污染情況相對較輕,80%的點位處于中度污染水平;氮元素污染情況嚴重,所有點位均達重度污染;氮、磷元素的綜合評價中所有點位均達重度污染。有機污染指數法評價結果顯示,所有點位有機污染指數均大于0.50,達重度污染水平。結合氮、磷元素的評價結果,將外源污染歸因于西涼湖曾經過度發(fā)展?jié)O業(yè)造成的營養(yǎng)輸入。

    關鍵詞:西涼湖;沉積物;重金屬;營養(yǎng)元素;有機質;分布特征;污染評價

    中圖分類號:X524 文獻標識碼:A

    文章編號:0439-8114(2024)07-0053-07

    DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.07.008 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

    Distribution characteristics and pollution assessment of heavy metals and nutrients in sediments of Xiliang Lake

    ZHOU Da-liang1, LI Bo-lin2, ZENG Qiang3, HU Hong-juan2, WU Chen-xi2

    (1.Xianning Ecological Environment Bureau, Xianning 437000, Hubei, China; 2.Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China; 3.Hubei Ecological Environment Monitoring Center Station, Wuhan 430072, China)

    Abstract:Taking Xiliang Lake as the research object, the pollution of heavy metal elements was evaluated by the geo-accumulation index method and the potential ecological risk index method, and the pollution of nitrogen, phosphorus and organic matter was evaluated by the comprehensive pollution index method and the organic pollution index method. The results showed that the overall level of heavy metal pollution in the sediment of Xiliang Lake was relatively low, and the spatial distribution of Cu, Zn, As and Hg heavy metal elements was similar. A few points showed moderate or severe pollution of Cd, Ni and Hg elements, which was attributed to aquaculture feed and transportation. In the assessment of nitrogen and phosphorus pollution in the sediment of Xiliang Lake, it was found that phosphorus pollution was relatively low, with a moderate pollution level at 80% of the points; the nitrogen pollution situation was severe, and all points had reached severe pollution. All points in the comprehensive evaluation of nitrogen and phosphorus elements had reached severe pollution. The evaluation results of the organic pollution index method showed that the organic pollution index at all points was greater than 0.5, reaching the level of severe pollution. Based on the evaluation results of nitrogen and phosphorus elements, the external pollution was attributed to the nutrient input caused by the excessive development of fisheries in Xiliang Lake.

    Key words: Xiliang Lake;sediments; heavy metals; nutrient elements; organic matter; distribution characteristics; pollution assessment

    沉積物在湖泊生態(tài)系統中具有重要地位,是水體污染物重要的“儲存庫”,同時具有“源”和“匯”的作用[1]。進入水體的污染物會在水流速度緩慢的時候沉降到沉積物中,在一定條件下,污染物會再次進入水體造成污染[2]。沉積物中累積的氮、磷等營養(yǎng)元素會重新釋放,從而影響水質,一定條件下甚至會促進水華的形成[3]。因此,對于沉積物中污染物的分析和評價有利于掌握湖泊的污染狀況,同時為湖泊水污染防控提供重要參考。

    西涼湖為湖北省第五大湖泊,屬長江中游典型的草型淺水湖泊[4],具有灌溉排澇、調節(jié)氣候、生活供水、水產養(yǎng)殖、旅游航運等多種功能,是生物多樣性保護的重要水體[5]。作為供水和漁業(yè)的重要區(qū)域,其生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。對于西涼湖的水質及水生生物種群的調查研究已有報道[6-8],但對于西涼湖沉積物的污染狀況目前尚不清楚。

    歷史上為解決人民群眾“吃魚難”的問題,20世紀70年代以來西涼湖開始發(fā)展圍網養(yǎng)殖,為保障水產品供給發(fā)揮了重要作用。然而,隨著超負荷圍網養(yǎng)殖,圍網面積一度超過全湖面積的60%,在造成嚴重污染的同時,導致漁業(yè)資源急劇衰退和沉水植物群落的退化[7]。為了保護西涼湖,2017年完成養(yǎng)殖圍網拆除,2020年實行全年禁漁,從此西涼湖進入生態(tài)恢復階段[8]。然而,多年來人類活動的影響累積仍將在沉積物中體現。本研究對西涼湖沉積物中污染物的分布特征進行了調查和評價,以期為西涼湖水生態(tài)環(huán)境保護與修復提供數據支撐。

    1 研究區(qū)概況

    西涼湖位于嘉魚、蒲圻、咸寧3縣(市)交界處。水位22.8 m,面積72.3 km2,平均水深3.8 m,最大水深5.0 m,集水面積827 km2,蓄水量2.78億m3,是長江中下游地區(qū)典型的淺水湖泊[9,10]。主要入湖河流有汀泗河、泉口河、宋家河、舒橋河及馬鞍河,湖水主要經余碼河在嘉魚的余碼頭注入長江,另外,也可經金水河在江夏的金口文昌閣注入長江。

    2 材料與方法

    2.1 樣品采集

    采樣于2021年3月進行,在西涼湖水域隨機布設20個點位(圖1)。用彼得森采泥器采集表層沉積物(0~10 cm)。去除碎石雜物后,混合均勻裝入潔凈的聚乙烯自封袋中保存。

    2.2 樣品處理

    所采集沉積物樣品經冷凍干燥機干燥,再用瑪瑙研缽研磨后過100目尼龍篩,分裝于磨口玻璃瓶中密封備用。

    沉積物中總氮、總磷和有機質含量分別采用全量凱氏定氮法(HJ 717—2014)、堿熔-鉬銻抗分光光度法(HJ 632—2011)和重鉻酸鉀氧化-分光光度法(HJ 615—2011)測定。沉積物中銅、鋅、鎳、砷、鎘、鉛采用電感耦合等離子體質譜法(HJ803—2016)測定;六價鉻采用堿溶液提取-火焰原子吸收分光光度法(HJ 1082—2019)測定;汞采用微波消解/原子熒光法(HJ 680—2013)測定。

    2.3 評價方法

    2.3.1 地累積指數法 地累積指數法(Geoaccumulation index)是綜合人為污染因素、自然成巖作用和地球化學背景值的研究方法,是判斷區(qū)域性土壤重金屬累積的簡便方法[11]。地累積指數法會因土壤背景值不同而具有不確定性,但對于背景值穩(wěn)定的湖泊表層沉積物而言,是衡量沉積物重金屬污染的有效方法[12]。其具體計算式如下。

    [Igeo=log2[Cn/kBn]] (1)

    式中,Igeo為沉積物中各重金屬元素的地累積指數;Cn為沉積物中重金屬元素n的實測濃度;Bn為沉積物中重金屬元素n的環(huán)境背景值;k為變化常數,考慮沉積物差異引起的環(huán)境背景值變動,取k=1.5。根據各重金屬Igeo,可將沉積物中重金屬污染劃分為7個等級,見表1。

    2.3.2 潛在生態(tài)風險指數法 潛在生態(tài)風險指數法(Potenial ecological risk index)是基于水環(huán)境沉積學理論建立的生態(tài)風險評價方法[13]。該方法將重金屬的生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯系在一起,采用具有可比性、等價屬性指數進行評價。潛在生態(tài)風險指數的計算式如下。

    [RI=i=1nEir=i=1nTir×CifCin] (2)

    式中,RI為潛在生態(tài)風險指數;[Eir]為沉積物中重金屬元素i的潛在生態(tài)危害指數;[Tir]為沉積物中重金屬元素i的毒性系數,重金屬元素Ni、Cu、Pb、Zn、Hg、As、Cr、Cd在沉積物中的毒性系數分別為5、5、5、1、40、10、5、30;[Cif]為沉積物中重金屬元素i的實測濃度;[Cin]為沉積物中重金屬元素i的背景值[14-16],由于西涼湖位于湖北省咸寧市,故選用湖北省A層土壤中重金屬元素含量的算術平均值作為背景值,Cr、Pb、Cd、As、Hg、Ni、Cu、Zn的背景值分別為86.0、26.7、0.17、12.3、0.08、37.3、30.7、83.6 mg/kg。根據RI和Eri的大小,將沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險等級劃分為5級,見表2。

    2.3.3 綜合污染指數法 采用綜合污染指數法評價表層沉積物中總氮(TN)、總磷(TP)的污染程度,先由單項污染因子公式計算綜合污染指數(FF),再進行綜合污染程度分級[6,17],具體計算式如下。

    [Sn=CinCsn] (3)

    [FF=F2+F2max2] (4)

    式中,FF為綜合污染指數;Sn為TN或TP的污染指數,其中n為TN或TP;[Cin]為TN或TP的實測濃度;[Csn]為TN或TP的評價標準含量,TN、TP分別取 1 000、320 mg/kg;F為TN或TP的污染評價指數STN、STP的平均值;Fmax為TN或TP的污染評價指數STN、STP中的最大值。根據FF將沉積物中TN和TP的綜合污染程度劃分為4級,見表3。

    2.3.4 有機污染指數法 綜合污染指數法將TN、TP綜合成一個指標來表征表層沉積物的污染狀況,相較于單一污染指數法更具有代表性,但忽略了有機物指標,故引入有機污染指數對沉積物的有機污染狀況進行評價[14]。其計算式如下。

    [OI=0.95CTN+COM1.724] (5)

    式中,OI為有機污染指數;CTN為總氮含量測定值;COM為有機質含量測定值。根據OI將沉積物中有機污染物等級劃分為4級,見表4。

    3 結果與分析

    3.1 西涼湖沉積物中重金屬分布

    采用ArcGIS插值法繪制各點位西涼湖沉積物中重金屬分布情況,具體如圖2所示。對比圖1發(fā)現,Ni元素僅在點位7和點位8間含量最高(圖2a);西涼湖中部Hg、Zn、Cu、As元素的含量相對其他區(qū)域較高(圖2b、圖2c、圖2d、圖2e);Pb元素僅在點位15處含量較高(圖2f);Cd元素較高濃度的區(qū)域在西涼湖中較分散(圖2g)。由此可知,Cu、Zn、As、Hg元素含量在各個點位分布規(guī)律相似,來源可能具有一致性;而Ni、Cd、Pb元素在不同點位含量表現出較大差異,說明其來源不同,受到人為活動干擾情況不同。

    3.2 西涼湖沉積物中重金屬污染程度評價

    西涼湖表層沉積物中各重金屬含量均值測定結果為Zn含量101.65 mg/kg、Ni含量91.25 mg/kg、Pb含量34.50 mg/kg、Cu含量34.35 mg/kg、As含量15.24 mg/kg、Cd含量0.71 mg/kg、Hg含量0.087 mg/kg。根據《中國土壤環(huán)境背景值》中湖北省A層土壤重金屬元素含量的算術平均值判斷,除了未檢出的Cr外,其他重金屬含量均超過背景值,Zn含量為背景值的1.22倍,Ni含量為背景值的2.45倍,Pb含量為背景值的1.29倍,Cu含量為背景值的1.12倍,As含量為背景值的1.24倍,Cd含量為背景值的4.18倍,Hg含量為背景值的1.09倍。此外,對比沉積物中重金屬含量與全球頁巖重金屬元素豐度(Zn>Cr>Cu>Pb>As>Cd>Hg),發(fā)現豐度基本一致,說明西涼湖受到人類活動影響較小[18]。

    參照《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準試行》(GB 15618—2018)執(zhí)行標準:當土壤中污染物含量低于篩選值時,農用地土壤污染風險低,一般情況下可忽略;當土壤中污染物含量高于篩選值時,可能存在農用地土壤污染風險,需要加強土壤環(huán)境監(jiān)測和農產品協同監(jiān)測;當土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量均高于篩選值、等于或低于管制值時,可能存在土壤污染風險,導致食用農產品不符合食品質量安全標準,原則上需要采取安全管控措施;當土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr的含量高于管制值時,食用農產品不符合食品質量安全范圍,原則上應采取禁止種植食用農產品等嚴格管控措施。各重金屬的篩選值和管制值見表5。對比可知,西涼湖沉積物中僅重金屬Cd和Ni元素含量超過篩選值,Ni元素不存在管制值,Cd元素低于管制值,其他重金屬元素含量均低于篩選值,由此表明西涼湖沉積物中重金屬污染風險低。

    3.2.1 地累積指數法評價結果與分析 將西涼湖各點位沉積物中重金屬元素的平均實測含量與湖北省A層土壤中重金屬元素環(huán)境背景值代入式(1),可計算得到西涼湖沉積物中重金屬污染的Igeo,再根據表1確定污染等級,結果見表6。由表6可知,西涼湖沉積物中除Cr未檢出外,其他7種重金屬Cu、Zn、Ni、As、Hg、Cd、Pb整體均為輕度污染及以下,Igeo范圍分別為-1.53~0.50、-1.09~0.29、-1.00~2.38、-1.18~0.54、-1.23~0.06、-0.87~3.08、-2.15~1.10;除元素Cd和Ni在少數點位的地累積指數偏高,其他重金屬元素在各點位的地累積指數均較低,表明西涼湖沉積物重金屬污染情況較輕,環(huán)境良好。

    Cd元素的Igeo在點位2、11、12、13、16處達中度污染,在點位6達偏重度污染,說明在以上點位處存在人為污染,考慮西涼湖周邊距離高速路較近,故容易受到Cd元素污染,但整體而言,重金屬污染情況較輕。Ni元素在點位7、8分別到達偏中度和中度污染,以上2個點位處的Ni元素污染評價情況與圖2a中Ni含量分布一致,說明該區(qū)域受到人類活動的影響,Ni元素的來源為工業(yè)廢水和巖土風化[19],因此需要關注該地區(qū)的工業(yè)污染情況[20]。

    3.2.2 潛在生態(tài)風險指數法評價結果與分析 將沉積物中各重金屬元素在各采樣點的重金屬含量實測值與湖北省A層土壤中重金屬元素環(huán)境背景值代入式(2)中,可計算得到西涼湖沉積物中重金屬污染的Er和RI,再根據表2確定重金屬污染的潛在生態(tài)風險等級,結果見表7。由表7可知,西涼湖沉積物中除未檢出Cr外,其他重金屬Cu、Zn、Ni、As、Hg、Cd、Pb的潛在生態(tài)危害指數范圍分別為2.4~9.6、0.5~1.4、0.6~6.7、4.6~15.1、25.6~62.7、2.4~36.4、1.6~14.8;根據RI,各點位沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風險水平均為低風險,不會對環(huán)境造成影響;而點位2、3、5、9、10、11、12、17、18處沉積物中Hg的Er高于40,其潛在生態(tài)風險等級為中等,淡水沉積物中的無機汞在厭氧細菌的作用下會轉化為毒性更高的有機汞,故具有較高的計算因子,因此對Hg元素的評價要求更高,對該重金屬的重視程度更高。

    綜上可知,西涼湖沉積物中重金屬含量均不高,但個別重金屬含量略高于背景值,這是因為該區(qū)域尚未發(fā)展重工業(yè),對西涼湖生態(tài)環(huán)境的的污染尚不明顯。但重金屬Cd和Ni的地累積指數評價等級為輕度污染,重金屬Hg的潛在生態(tài)風險等級為中等風險,需要重視Cd和Hg金屬的污染情況。Cd和Hg的污染常來源于工業(yè)活動和廢棄物、機動車尾氣排放[21],西涼湖周邊有2條高速路,由此認為Cd和Hg元素來源于周邊機動車活動。

    由圖2可知,Hg與Zn、Cu、As元素含量分布情況相似,說明西涼湖還可能受到Cu、Zn、As元素的影響,但這3種重金屬元素的影響情況處于較低水平。Cu、Zn和As元素常來源于漁業(yè)養(yǎng)殖中的飼料以及農業(yè)灌溉徑流,因此西涼湖區(qū)域不僅受到交通運輸、工業(yè)及廢棄物的影響,還受到漁業(yè)養(yǎng)殖、農業(yè)灌溉的污染和影響[22]。

    3.3 西涼湖沉積物中氮、磷和有機物污染評價

    3.3.1 西涼湖沉積物中氮、磷和有機質分布情況 采用ArcGIS插值繪制和分析各點位處西涼湖沉積物中氮、磷和有機質的分布情況,具體如圖3所示。由圖3可知,各點位沉積物中總氮含量均大于6 500 mg/kg,在點位5含量尤其高;沉積物中總磷含量在點位15附近高于+U0my+FUmbD+1MRzQ1pw4w==540 mg/kg,其他點位均相對較低;湖區(qū)東部的有機質含量明顯高于西部,在點位18附近區(qū)域含量達最高。

    3.3.2 綜合污染指數法評價結果及分析 對各點位處的TN、TP含量實測值進行綜合污染指數分析,代入式(3)和式(4),可計算得到西涼湖沉積物中氮、磷污染的FF,再根據表3確定污染等級,結果見表8。由表8可知,單獨對沉積物磷元素進行評價時,所有監(jiān)測點位中有4個點位STP超過1.5,達重度污染,占總數的20%,其他點位均為中度污染,由此可知,西涼湖區(qū)域磷元素污染情況相對較輕。單獨對沉積物氮元素進行評價時發(fā)現,所有監(jiān)測點位STN均超過2.0,達重度污染,西涼湖區(qū)域氮元素污染情況嚴重。綜合氮、磷元素進行評價時,所有監(jiān)測點位的FF均超過2.0,達重度污染,其中點位5的STN最高,為7.71,且FF也為最高,達6.30,與ArcGIS插值圖中污染情況一致。由此可知,西涼湖沉積物中磷元素污染情況相對較輕,但整體評價受到氮元素的影響,綜合污染評價指數嚴重超標,使得所有監(jiān)測點位沉積物氮、磷元素綜合污染均達到重度污染。沉積物中氮元素一般來源于水生生物殘體和外源營養(yǎng)鹽輸入后的沉降[23],西涼湖中沉積物氮的嚴重污染可以歸因于曾大力開發(fā)漁業(yè),漁業(yè)圍網面積曾一度達到60%以上[24,25],從而使?jié)O業(yè)廢水成為西涼湖中氮元素的主要來源,需要重點關注并控制治理。

    3.3.3 有機污染指數法評價結果與分析 將西涼湖沉積物檢測所得的TN含量與有機質含量代入式(5),計算得到沉積物有機污染的OI,再根據表4確定有機污染物等級,結果見表9。由表9可知,西涼湖各監(jiān)測點位的有機污染指數OI均大于0.50,表明各點位有機污染均達到重度污染等級。

    綜上所述,綜合污染指數法與有機污染指數法的評價結果一致,西涼湖沉積物中氮、磷元素為重度污染,有機質為重度污染,受到的污染歸因于漁業(yè)過度發(fā)展、工業(yè)排放、交通運輸等造成的營養(yǎng)鹽沉積和有機污染物沉降。

    4 小結

    西涼湖沉積物中除Cr外,其他7種重金屬均接近湖北省A層沉積物背景值,污染程度較輕。地累積指數法評價表明,Cu、Zn、As、Hg、Pb元素無污染,Cd、Ni元素在少數點位達中度污染或偏重度污染水平。生態(tài)風險指數法評價表明,各點位重金屬元素潛在生態(tài)風險水平均為低風險,有9個點位Hg元素的Er高于40,其潛在生態(tài)風險等級達中等。根據Cd、Ni、Hg元素的來源,造成污染的情況可歸因于交通運輸和工業(yè)活動。重金屬元素分布結果顯示,Cu、Zn、As、Hg分布存在相似性,說明這4種元素的污染來源相關,其中Cu、Zn元素可能來源于養(yǎng)殖飼料,As、Hg元素可能來源于交通運輸與工業(yè)活動。

    綜合污染指數法評價表明,20%點位的STP超過1.5,達到重度污染,其他點位均為中度污染;所有監(jiān)測點位STN均超過2.0,達重度污染;綜合氮、磷元素進行評價時,所有監(jiān)測點位的FF均超過2.0,達重度污染。通過有機污染指數法發(fā)現西涼湖中所有點位的有機污染指數均大于0.50,達重度污染等級,鑒于西涼湖歷史養(yǎng)殖活動,認為西涼湖的外源有機污染輸入與氮元素污染源一致,來源于漁業(yè)活動。

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