劉 成,邵世光,范成新,周麒麟,商景閣 (1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

重金屬污染由于其在環(huán)境中的隱蔽性、持續(xù)性和不可降解性而受到了廣泛關(guān)注[1].通過生物富集和生物放大作用[2-3],重金屬可對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重危害.在地表水體中,重金屬會隨著地表徑流遷移、沉降,逐步轉(zhuǎn)移至沉積物中,并可能在一定環(huán)境條件下釋放到水體中造成環(huán)境危害和生態(tài)風(fēng)險[4].

目前對重金屬污染的評價方法主要有沉積物富集系數(shù)法[5]、臉譜圖法[6]、過量回歸法[7]、地積累指數(shù)法[8]和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[9]等.其中,地積累指數(shù)法著重評價某種金屬污染水平,潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法則考慮了各種金屬污染的綜合作用[10],本文擬使用這2種方法對巢湖重污染匯流灣區(qū)重金屬污染狀況進行評價.

巢湖是我國第五大淡水湖,水域面積770km2,流域面積13486km2,平均水深2.69m.巢湖周圍共有大小入湖河流 33條[11],從水體污染物含量和入湖污染物量的分配而言,西半湖的污染程度和入湖量要明顯高于東半湖[12-13].在巢湖西半湖北部的匯流湖灣區(qū)域,所分布的3條重污染河流(南淝河、十五里河、塘西河)主要承受來自合肥市的地表徑流水體,受到了嚴重污染.而目前關(guān)于巢湖重金屬污染的研究一般關(guān)注全湖的污染狀況,研究區(qū)域較分散,在不考慮該重污染灣區(qū)的情況下生態(tài)風(fēng)險并不高[14],本研究采用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法,對該重污染灣區(qū)沉積物重金屬污染特征和風(fēng)險進行評估,旨在為巢湖污染治理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 研究區(qū)域采樣點位及沉積物分布Fig.1 Sampling sites and sediment distribution in the present study

本文研究區(qū)域為巢湖西半湖自塘西河至南淝河外的匯流湖灣區(qū),涉及水域面積約20km2.2013年 3月,在湖灣內(nèi)有泥區(qū),用 GPS定位設(shè)置了 17個采樣點,用柱狀采樣器(Φ90mm×500mm)采集無擾動柱狀樣品,湖灣內(nèi)沉積物深度分布及采樣點分布情況見圖 1.樣品采集后使用上頂法對其進行分層,在0～10cm深度之間按每2cm間隔分層,在大于10cm深度,則每4cm間隔分層.

1.2 樣品處理及測定

將沉積物分層樣品放入冰箱冷凍后轉(zhuǎn)移至真空冷凍干燥器干化處理,去除樣品中的沙石和動植物殘體,研磨后過150目尼龍分樣篩,分裝在聚乙烯塑料袋中貯存?zhèn)溆?

沉積物中 As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和Zn的測定使用7700X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS),Hg的測定使用Hydra-c型全自動測汞儀.

1.3 評價方法

1.3.1 地積累指數(shù)(Igeo)法廣泛應(yīng)用于重金屬污染評價[15-16].該方法在評價過程中主要考慮元素的富集作用[17],其評價方程是:

式中,Cn為某種金屬的實測含量;Bn為該金屬在沉積巖中的地球化學(xué)背景值,本文使用安徽省土壤重金屬背景值[18]:As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn分別為9.0, 0.097, 66.5, 20.4, 0.033, 29.8,26.6, 62.0mg/kg;1.5是考慮到成巖作用引起的背景值波動而引入的參數(shù)[16].

地積累指數(shù)法根據(jù)Igeo數(shù)值的大小將重金屬污染程度劃分為7級,具體分級情況見表1.

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)法既可評價多種金屬元素的協(xié)同作用,又考慮了單個金屬的毒性污染[17].評價公式為:

(1) 單個重金屬污染指數(shù)

(2) 單個重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

(3) 多個金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

表1 地積累指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級[20-21]Table 1 Classification of Igeo and potential ecological risk indexes

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬含量分析

匯流灣區(qū)表層沉積物(0～2cm)中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為 13.3,0.777, 67.1, 33.0, 0.269, 28.7, 54.1, 306mg/kg,基本高于各自背景值,表明均存在一定的污染.從表層沉積物中各金屬元素的分布圖中看出(圖2),含量較高的區(qū)域均集中在距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區(qū),由人類活動產(chǎn)生的重金屬污染物在這幾個重污染河道的遷移、匯集下,堆積至該區(qū)域.同時,該區(qū)域也是匯流灣區(qū)內(nèi)沉積物蓄積深度較大的區(qū)域(圖1),由于地表徑流的沖刷導(dǎo)致沉積物和金屬污染物堆積在這一低洼區(qū)域而不是河口處,這與余輝等[21]的研究結(jié)果相近.統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),各采樣點的重金屬元素含量間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P＜0.01),說明各金屬的污染來源相近且可能形成以某種金屬為主的復(fù)合性污染[22-23].

匯流灣區(qū)沉積物中各金屬元素富集倍數(shù)(富集倍數(shù)計算使用安徽省土壤環(huán)境背景值[18])大小順序是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni,分別是8.14, 8.01, 4.95, 2.03, 1.62, 1.47, 1.01, 0.96.其中,富集倍數(shù)最大的是 Hg,在研究區(qū)沉積物中的含量 為 0.170～0.358mg/kg,遠 遠 高 于 湖 心 區(qū)(0.080mg/kg)[24];其 次 是 Cd,含 量 為 0.422～1.064mg/kg.

從湖灣區(qū)各重金屬的垂向分布情況來看(圖3),幾乎所有重金屬都在深度 22～24cm處出現(xiàn)含量明顯下降趨勢,該結(jié)果與杜臣昌等[25]對巢湖沉積物巖芯受重金屬污染的研究結(jié)果相近,其認為人為污染始于 1950s(深度相當于 24cm).與背景值(圖3中虛線)比較,22cm深度以上Hg和Cd的富集倍數(shù)最高,As、Cr和Ni最小,幾乎未產(chǎn)生富集作用.說明巢湖匯流灣區(qū)沉積物主要受Hg、Cd等重金屬富集污染的影響和威脅.

2.2 地積累指數(shù)法評價

使用地積累指數(shù)法對匯流湖灣區(qū)表層各重金屬污染狀況進行了評價(表2).由表2可見,污染程度分布于0～3之間,共4級.各重金屬污染程度大小依次是 Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.同富集倍數(shù)分析結(jié)果相似,污染程度最重的仍然是Hg和Cd,2金屬污染等級(L)為 3,已達到中度污染水平;Cr、Ni和 As的污染等級為0,表明湖灣區(qū)尚未有Cr、Ni和As的污染形成.用SPSS19.0對各金屬元素進行聚類分析后發(fā)現(xiàn)(圖 4),Hg和Cd的污染可能是由人類活動排放的污染源引起的[26],而相關(guān)性分析表明兩者顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù) 0.812,P＜0.01),可能來自相同的污染源.Tang等[26]的研究表明,巢湖入流河道 Cd等金屬污染可能主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥(主要為磷肥)的過度使用.另外,匯入湖灣區(qū)的南淝河、十五里河和塘西河流經(jīng)合肥市人口最為密集的區(qū)域,流域內(nèi)眾多的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他人類活動都有可能導(dǎo)致金屬污染的產(chǎn)生,并隨地表徑流匯入湖灣區(qū),沉降至沉積物中.

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

應(yīng)用式(2)～式(4)對匯流湖灣區(qū)沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價反映(表 3,只列出部分代表性點位),除位于南淝河口附近的12,16和17號以及十五里河河口附近的3號點位具有重度潛在生態(tài)風(fēng)險外,其余點位均具有嚴重的潛在生態(tài)風(fēng)險,說明由于重金屬的存在,匯流湖灣區(qū)沉積物對水生生物以及人類健康存有潛在危害[27].其中,位于南淝河河口處的17號點雖然仍具有重度潛在生態(tài)風(fēng)險,但因 1999年后表層底泥分別經(jīng)過多次環(huán)保疏浚和航道疏浚,與其他類似深度的1,2,3,4,12和16號點位進行t檢驗比較,其沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險有極顯著性差異(t計=5.30＞t表(0.01,6)=4.03).

圖2 湖灣區(qū)表層沉積物重金屬含量分布(mg/kg)Fig.2 Levels of heavy metal in the surface sediment of the bay studied (mg/kg)

圖3 湖灣區(qū)沉積物重金屬含量垂向分布Fig.3 Vertical distributions of heavy metal contents in sediments of the bay studied

表2 表層沉積物重金屬地積累指數(shù)及污染等級Table 2 Igeo and contamination level of heavy metals in surface sediment

圖4 沉積物重金屬聚類分析Fig.4 Dendrogram of cluster of heavy metals in sediment

從各金屬的風(fēng)險指數(shù)來看(表3),其大小依次是 Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Ni＞Cr.其中污染貢獻最大的仍然是Hg和Cd,這2種金屬的平均風(fēng)險指數(shù)分別為325.59和240.28,達到嚴重和較重潛在生態(tài)風(fēng)險狀態(tài).這與之前的研究結(jié)果相似,石志芳等[24]及程杰等[14]分別認為Hg和Cd是巢湖的主要風(fēng)險因子.Hg可以損害魚類的鰓組織[28],影響魚類的呼吸;Cd會在水生生物的肝臟和腎臟內(nèi)累積[29].這兩種金屬都可以通過生物富集進入人體內(nèi),對人體肝臟、腎臟等內(nèi)臟組織造成嚴重危害.從Hg和Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險垂向分布分析(圖 5),Hg在 10cm 以上具有嚴重生態(tài)風(fēng)險,在22cm以上具有較重生態(tài)風(fēng)險,34cm處仍具有中度生態(tài)風(fēng)險;Cd則在18cm以上具有較重的生態(tài)風(fēng)險,直至 26cm 處仍具有中度生態(tài)風(fēng)險.受 Hg和 Cd主要污染貢獻影響,沉積物綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI在14cm以內(nèi)都具有嚴重生態(tài)風(fēng)險(≥525).因此,在對巢湖進行重金屬整治時可著重考慮對該灣區(qū)進行針對Hg和Cd污染的環(huán)保疏浚,以消除這兩種金屬的生態(tài)威脅.

表3 表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與風(fēng)險等級Table 3 Potential ecological risk indexes and risk level of surface sediment

圖5 Eri(Hg、Cd)及RI垂向分布Fig.5 Vertical distributions of Eri (Hg, Cd) and RI along sediment depth

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3 結(jié)論

3.1 匯流灣區(qū)底泥主要蓄積于距南淝河、十五里河和塘西河河口 700m 以上的湖灣低洼區(qū),該泥區(qū)表層沉積物各重金屬含量大多都高于安徽省區(qū)域背景值.各金屬污染程度大小依次為Hg＞Cd＞Zn＞Pb＞Cu＞As＞Cr＞Ni.

3.2 匯流灣區(qū)沉積物中Hg和Cd為主要污染重金屬,其中富集倍數(shù)最大的是 Hg(8.14),其次是Cd(8.01).Hg和 Cd的污染深度最大分別達到34cm和26cm.

3.3 從單個重金屬生態(tài)風(fēng)險考慮,大多數(shù)重金屬仍處于低風(fēng)險狀態(tài).但受Hg和Cd的影響,湖灣區(qū)各點位的風(fēng)險指數(shù)(RI)基本處于嚴重污染水平.建議對湖灣進行重金屬治理時重點考慮對Hg和Cd的治理措施和入湖控制.

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