陸志華，蔡 梅，王元元，錢 旭，潘明祥

(太湖流域管理局水利發(fā)展研究中心，上海 200434)

湖泊底泥是重金屬﹑營養(yǎng)鹽等污染物質(zhì)的蓄積地[1]. 來自河流輸入、大氣沉降等的污染物質(zhì)與懸浮顆粒物結(jié)合進入湖泊中，通過沉降作用，蓄積于湖泊底泥的表層[2]. 重金屬作為典型的累積性污染物，其顯著的生物毒性和持久性，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅[3]. 重金屬通過吸附、絡(luò)合、沉淀等作用而沉積到底泥中，同時與水相保持一定的動態(tài)平衡，當環(huán)境條件發(fā)生變化時，重金屬極易被釋放到間隙水中，在擴散作用下最終釋放到湖泊水體中，引起“二次污染”[4]，成為湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的重要污染內(nèi)源[5]. 底泥中重金屬能夠較好地反映水體污染狀態(tài)以及水生態(tài)環(huán)境演變過程，一直以來都是科學研究的重點對象[6]，南四湖[1]、洞庭湖[7]、巢湖[8]、西氿[9]、太湖等湖泊底泥中重金屬污染狀況均備受關(guān)注. 因此，開展湖泊底泥重金屬污染狀況分析，對于湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究、湖泊污染底泥生態(tài)清淤等具有重要意義.

太湖是我國第三大淡水湖，水域面積2338 km2，平均水深1.89 m，屬典型的平原淺水湖泊. 太湖以其獨特的優(yōu)越自然條件在維系和支撐著自身及長三角生態(tài)平衡，其生態(tài)功能作用受損也將影響長三角可持續(xù)發(fā)展[10]. 從1980s開始，太湖周邊區(qū)域的人口數(shù)量增加和經(jīng)濟快速發(fā)展，導致大量未經(jīng)處理或部分處理的工農(nóng)業(yè)和生活污水排放造成太湖重金屬污染. 經(jīng)過多年治理，流域污染有所好轉(zhuǎn)，但底泥中重金屬污染仍然是威脅太湖生態(tài)環(huán)境的主要問題之一[11]. 已有許多研究報道了太湖底泥重金屬污染狀況. 太湖底泥重金屬污染的研究早期在1980s有所開展，2000年至今再次得到持續(xù)關(guān)注，部分研究主要關(guān)注梅梁湖[12-13]、竺山湖[2,14]、東太湖[3]、胥湖[15]等局部湖區(qū)，也有一些研究達到全湖尺度，但是普遍存在采樣點稀疏的情況，且大部分研究并未進行分層研究；綜合諸多研究[16-26]發(fā)現(xiàn)，梅梁湖、竺山湖、西部沿岸區(qū)、貢湖等湖區(qū)重金屬污染較為嚴重，且Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni 8種重金屬是太湖底泥最受關(guān)注的重金屬元素，其中Cd是潛在生態(tài)風險的主要貢獻者. 無錫市環(huán)境保護局和中國科學院南京地理與湖泊研究所[25]于1980-1981年組織開展了太湖環(huán)境質(zhì)量調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)部分河口及梅梁湖地區(qū)有輕微的重金屬污染. 中國科學院南京地理與湖泊研究所[26]于1988年再次對太湖底泥重金屬污染進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)無錫、蘇州和長興沿岸是重金屬的主要污染區(qū). Qu等[16]基于2000年2月全湖13個點位的底泥數(shù)據(jù)、王海等[22]基于2000年11月全湖12個點位數(shù)據(jù)、袁旭音等[23]基于2000年全湖44個點位數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)梅梁湖是太湖底泥重金屬污染最嚴重的地區(qū)，As、Hg、Cu、Zn、Ni等重金屬含量在太湖北部湖區(qū)較高. 尹洪斌等[27]基于全湖2007年8-9月206個點位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)五里湖、貢湖、西部、南部湖區(qū)的底泥重金屬污染程度較高，其他湖區(qū)污染程度中等. 陳春宵等[28]基于2009年5月全湖37個點位數(shù)據(jù)、袁和忠等[5]基于2009年11月全湖6個點位數(shù)據(jù)、劉恩峰等[29]基于全湖2009年37個點位數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)太湖淺層底泥中重金屬含量高于背景值，北部湖區(qū)如竺山湖重金屬污染程度顯著高于其他湖區(qū)，北湖湖區(qū)的潛在生態(tài)風險也相對更高. 秦延文等[30]基于2011年8-9月全湖30個點位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)太湖淺層底泥中Cd、Pb、Cu、Zn 4種重金屬元素均有一定程度的富集，其中Cd的富集程度最為嚴重，且Cd為最主要的污染元素. Niu等[31]基于2013年8月全湖59個點位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)重金屬含量較高的分布區(qū)域主要集中在竺山湖、梅梁湖、貢湖. 任杰等[17]基于2015年10月全湖21個點位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Cd具有較重生態(tài)風險，竺山湖和梅梁湖的重金屬污染情況最嚴重. 鄧延慧等[20]基于2020年3月全湖20個點位數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Cr、Pb、Cu、Zn平均含量均高于背景值，最高值均位于竺山湖心. 因此，總體來看，西部沿岸區(qū)、竺山湖、梅梁湖、貢湖等太湖沿岸區(qū)域重金屬污染較為嚴重，這種空間分布特征主要與周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和人類生活關(guān)系密切，湖灣周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快，居住人口眾多，因而污染狀況顯得愈加明顯.

為掌握太湖沿岸區(qū)最新的底泥重金屬污染狀況及生態(tài)風險，本文基于水利部太湖流域管理局最新組織的太湖全湖污染底泥勘察項目中太湖沿岸區(qū)0～30 cm深度區(qū)間淺層底泥重金屬(Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni)含量數(shù)據(jù)，分析太湖淺層底泥重金屬含量分布特征，運用潛在生態(tài)風險指數(shù)法及空間插值分析方法對重金屬污染生態(tài)風險進行評價，運用主成分分析法和相關(guān)性分析法對重金屬來源進行初步分析，以期為太湖底泥重金屬污染防治提供一定參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 底泥樣品數(shù)據(jù)基本情況

水利部太湖流域管理局于2018—2019年組織中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司和廣東地質(zhì)實驗測試中心完成了太湖水下地形測量及污染底泥勘察項目. 本文采用該項目中0～30 cm深度區(qū)間底泥重金屬含量數(shù)據(jù)開展分析. 該項目對太湖底泥污染較嚴重的重點區(qū)域(梅梁湖、竺山湖、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、東太湖、貢湖6個沿岸湖區(qū))進行采樣，對于東部沿岸區(qū)及湖心區(qū)基本未進行采樣. 按照2 km×2 km正方形網(wǎng)格布設(shè)采樣點，主要入湖河道河口在沿水流方向向湖區(qū)1 km處布設(shè)采樣點，沿岸區(qū)一般沿距岸線50 m、1.5 km布設(shè)采樣線，在采樣線上間隔1.5 km布設(shè)采樣點(圖1). 調(diào)查取樣時間為2018年10—11月，使用箱式采樣器采集30 cm深度內(nèi)的3層樣品，0～10、10～20、20～30 cm深度區(qū)間分別布設(shè)采樣點230、159、115個，將采集的底泥樣品依次裝入專用的容器中送至實驗室進行分析，重金屬測試指標包含Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni，其中Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，Hg、As含量采用原子熒光光譜儀(AFS)測定. 采樣測試過程嚴格實施“采樣-保存-運輸-測試”的全流程質(zhì)量控制措施，使各項數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠得到有效保證，滿足《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL219-2013)等相關(guān)要求.

1.2 空間插值方法

本文運用ArcGIS軟件，采用GIS空間插值法對有限的離散的實測數(shù)據(jù)點進行插值，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的連續(xù)化，分析太湖底泥重金屬含量的空間分布特征. 空間插值法被廣泛應用于氣溫、降雨、污染物濃度等方面，常用的空間插值法有反距離加權(quán)、全局多項式、局部多項式、普通克里金及徑向基函數(shù)等. 本文采用徑向基函數(shù)法進行空間插值(網(wǎng)格尺寸為200 m×200 m)，總體擬合度較高，在極值區(qū)沒有明顯偏差.

1.3 重金屬污染評價方法

底泥重金屬污染評價方法主要有單因子評價法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法﹑地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法、潛在生態(tài)風險指數(shù)法等. 潛在生態(tài)風險指數(shù)法是瑞典科學家Hakanson提出的一種綜合考慮重金屬毒性、評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?、重金屬區(qū)域背景值差異，可以綜合反映底泥中重金屬潛在生態(tài)影響的評價方法[32]，在底泥重金屬污染評價中廣泛應用[33-34]，也是環(huán)境保護部制定的《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南(試行)》中推薦的重金屬污染底泥鑒別評估標準的制定方法. 因此，本文采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對太湖底泥重金屬污染進行評價. 計算公式如下：

圖1 太湖湖區(qū)劃分及不同深度底泥采樣點分布Fig.1 Lake area division of Lake Taihu and distribution of sediment samples at different depths

1)單項重金屬污染指數(shù)：

Cf=Ci/Cn

(1)

式中，Cf為重金屬i的污染指數(shù)，Ci為重金屬i的實測含量，Cn為重金屬i的評價參比值，即為底泥重金屬的背景值，本文選用文獻[16,27,35]提出的太湖底泥重金屬含量背景值，見表1.

2)單項重金屬i的潛在生態(tài)風險指數(shù)：

Er=Tr·Cf

(2)

式中，Er為單項重金屬i的潛在生態(tài)風險指數(shù)，Tr為重金屬毒性響應系數(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見表1.

表1 太湖底泥重金屬背景值及重金屬毒性響應系數(shù)Tab.1 Background values and toxicity response coefficients of heavy metals in sediments of Lake Taihu

3)多項重金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI為單項重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)之和，即:

RI=∑Er

(3)

Er、RI和潛在生態(tài)風險等級劃分見表2. 另《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南(試行)》提出，工程區(qū)重金屬污染底泥的疏?？刂浦礡I≥300. 因此，本文以RI≥300作為底泥屬于重金屬嚴重污染的鑒別標準.

表2 重金屬單項和綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)等級劃分Tab.2 Classification of potential ecological risk index of heavy metals

1.4 重金屬源解析方法

主成分分析法[34]、相關(guān)性分析法[36]是底泥重金屬來源分析常用的方法. 主成分分析法采用數(shù)學降維或特征提取方法，將原來眾多的且具有一定相關(guān)性的原始變量進行線性變換，提取出數(shù)目較少且彼此間互不相關(guān)的重要變量，使用較少的有代表性的因子來解釋眾多變量的主要信息，并推測有關(guān)污染源的信息[37]. 一般認為，底泥中重金屬元素含量之間及其之間的比率具有相對的穩(wěn)定性，當?shù)啄嗟膩碓聪嗨苹蛳嗤瑫r，其各元素之間具有顯著的相關(guān)性，因此通過重金屬元素之間的相關(guān)分析，可以確定重金屬在底泥中的含量變化的控制因素，反映不同元素間沉積環(huán)境的相似性和受人為影響程度的強弱[38]. 本文使用SPSS 18軟件進行主成分分析、相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬含量分布特征分析

圖2 太湖沿岸區(qū)不同深度底泥重金屬含量(圖中誤差線以標準差計)Fig.2 Contents of heavy metals in sediments at different depths in the coastal area of Lake Taihu

對太湖沿岸區(qū)0～30 cm不同深度區(qū)間Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni 8種重金屬含量進行統(tǒng)計(圖2)，發(fā)現(xiàn)不同湖區(qū)不同重金屬的含量分布情況不盡相同、具有明顯的空間異質(zhì)性. 從不同湖區(qū)來看，(1)竺山湖的Hg、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni 7種重金屬含量均高于其他湖區(qū)、Cd含量在各湖區(qū)中居第2位，且8種重金屬含量均高于太湖平均背景值. 0～30 cm底泥內(nèi)Hg含量在0.05～0.28 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為0.16 mg/kg, 超過背景值的42.4%; As含量在6.19～24.10 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為14.33 mg/kg, 超過背景值的52.5%; Pb含量在21.60～60.80 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為44.53 mg/kg, 超過背景值的1.8倍，Cu含量在27.90～211.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為101.23 mg/kg, 超過背景值的4.4倍; Zn含量在89.70～565.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為293.00 mg/kg, 超過背景值的4.0倍; Cr含量在65.10～412.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為193.67 mg/kg, 超過背景值的1.4倍; Ni含量在35.20～170.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為97.70 mg/kg, 超過背景值的4倍，Cd含量在0.17～1.55 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為0.84 mg/kg, 超過背景值的2.1倍.(2)梅梁湖主要表現(xiàn)為Ni含量在各湖區(qū)中居第2位，Pb、Cu、Zn、Cr含量在各湖區(qū)中居第3位，且Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni含量均高于背景值. 0～30 cm底泥內(nèi)Cd含量在0.07～0.57 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為0.34 mg/kg, 超過背景值的24.7%; Pb含量在19.90～71.40 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為36.50 mg/kg, 超過背景值的1.3倍; Cu含量在20.60～68.20 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為40.90 mg/kg, 超過背景值的1.1倍; Zn含量在65.40～185.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為123.00 mg/kg, 超過背景值的1.1倍; Cr含量在54.50～145.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為95.03 mg/kg, 超過背景值的19.8%; Ni含量在27.80～79.90 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為51.00 mg/kg, 超過背景值的1.6倍.(3)貢湖主要表現(xiàn)為As、Pb、Cu、Zn、Cr含量在各湖區(qū)中居第2位，Cd、Ni含量在各湖區(qū)中居第3位，且Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni含量均高于背景值. 0～30 cm底泥內(nèi)Cd含量在0.10～3.60 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為0.65 mg/kg, 超過背景值的1.4倍; As含量在4.13～41.50 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為11.73 mg/kg, 超過背景值的24.8%; Pb含量在24.00～50.90 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為37.00 mg/kg, 超過背景值的1.4倍; Cu含量在24.20～120.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為44.13 mg/kg, 超過背景值的1.3倍; Zn含量在71.10～337.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為138.00 mg/kg, 超過背景值的1.3倍; Cr含量在58.10～146.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為93.37 mg/kg, 超過背景值的17.7%; Ni含量在27.60～70.60 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為45.73 mg/kg, 超過背景值的1.3倍.(4)西部沿岸區(qū)主要表現(xiàn)為Cd含量在各湖區(qū)中居第1位，Hg含量居第2位(但未超過背景值)，Pb、Cu、Zn、Ni含量居第4位，Cr含量居第5位，且Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量均高于背景值. 0～30 cm底泥內(nèi)Cd含量在0.52～13.90 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為2.45 mg/kg, 超過背景值的8.1倍; Pb含量在19.00～46.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為37.03 mg/kg, 超過背景值的1.4倍; Cu含量在17.20～45.60 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為32.23 mg/kg, 超過背景值的70.5%; Zn含量在64.10～160.00 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為116.33 mg/kg, 超過背景值的97.2%; Ni含量在17.90～58.30 mg/kg范圍內(nèi)，平均含量為39.10 mg/kg, 超過背景值的1倍.(5)南部沿岸區(qū)主要表現(xiàn)為As含量在各湖區(qū)中居第3位，Cd、Cr含量居第4位，Pb、Cu、Zn、Ni含量居第5位，且Cd、As、Pb、Cu、Zn、Ni含量均高于背景值.(6)東太湖主要表現(xiàn)為As含量在各湖區(qū)中居第5位，其余重金屬含量均最低、居第6位，且Pb、Cu、Zn、Ni含量均高于背景值，Hg、As、Cr含量低于背景值，Cd含量略高于背景值、基本持平. 從0～30 cm不同深度區(qū)間來看，0～10、10～20 cm深度區(qū)間內(nèi)不同湖區(qū)不同重金屬的含量基本上均高于20～30 cm深度區(qū)間內(nèi)重金屬含量，但貢湖的Cd、Cu、Zn除外；0～10 cm與10～20 cm深度區(qū)間之間不同湖區(qū)不同重金屬的含量無明顯規(guī)律，部分湖區(qū)部分重金屬表現(xiàn)為0～10 cm深度內(nèi)含量高于10～20 cm深度內(nèi)含量，也有表現(xiàn)為10～20 cm深度內(nèi)含量高于0～10 cm深度內(nèi)含量，如貢湖的0～10 cm深度內(nèi)As含量明顯高于10～20 cm深度內(nèi)含量，竺山湖的0～10 cm深度內(nèi)As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni含量低于10～20 cm深度內(nèi)含量. 總體來看，竺山湖、西部沿岸區(qū)、貢湖、梅梁湖等湖區(qū)重金屬含量較高，南部沿岸區(qū)、東太湖重金屬含量相對較低；各個湖區(qū)的Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量, 竺山湖的Hg、As、Cr含量, 貢湖的As、Cr含量, 南部沿岸區(qū)的As含量和梅梁湖的Cr含量均高于背景值；0～30 cm不同深度區(qū)間內(nèi)底泥重金屬含量越往表層相對越高.

2.2 重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)評價

本文采用Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni 8種重金屬計算潛在生態(tài)風險指數(shù). 經(jīng)空間插值分析(圖3)，太湖沿岸區(qū)0～30 cm不同深度區(qū)間淺層底泥重金屬低風險(RI<150)的區(qū)域主要分布在東太湖、南部沿岸區(qū)、梅梁湖絕大部分湖區(qū)、貢湖，中風險(150≤RI<300)的區(qū)域主要分布在竺山湖、貢湖北部、西部沿岸區(qū)北部與南部、南部沿岸區(qū)的西北角沿岸側(cè)，較高風險(300≤RI<600)的區(qū)域主要分布在西部沿岸區(qū)中部、貢湖北部、竺山湖北部，很高風險及以上(RI≥600)的區(qū)域主要分布在西部沿岸區(qū)的城東港至洑西河之間近岸側(cè)，其中0～10 cm深度內(nèi)存在部分極高風險(RI≥1200)的區(qū)域，10～20 cm和20～30 cm深度內(nèi)無極高風險區(qū)域. 從不同深度區(qū)間來看，0～10 cm深度內(nèi)，低風險、中風險、較高風險、很高風險、極高風險區(qū)域面積分別為773.67、256.78、67.54、11.00、0.96 km2，其中較高風險以上區(qū)域面積為79.50 km2，占太湖沿岸區(qū)總面積的7.16%；10～20 cm深度內(nèi)，低風險、中風險、較高風險、很高風險區(qū)域面積分別為790.39、224.54、90.83、4.19 km2，無極高風險區(qū)域，其中較高風險以上區(qū)域面積為95.02 km2，占太湖沿岸區(qū)總面積的8.56%；20～30 cm深度內(nèi)，低風險、中風險、較高風險、很高風險區(qū)域面積分別為810.86、216.35、75.87、6.87 km2，無極高風險區(qū)域，其中較高風險以上區(qū)域面積為82.74 km2，占太湖沿岸區(qū)總面積的7.45%. 綜上，西部沿岸區(qū)中部、竺山湖北部、貢湖北部不同深度底泥內(nèi)均存在重金屬嚴重污染區(qū)域(重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI≥300的區(qū)域). 通過GIS疊加分析得到0～30 cm深度區(qū)間內(nèi)重金屬嚴重污染區(qū)域主要分布在西部沿岸區(qū)中部(茭瀆港至烏溪港近岸側(cè))，面積為104.54 km2，占該湖區(qū)的51.33%；竺山湖北部，面積為10.80 km2，占該湖區(qū)的16.62%；貢湖北部(望虞河入河口附近)，面積為6.89 km2，占該湖區(qū)的4.21%；合計面積為122.23 km2.

圖3 太湖沿岸區(qū)不同深度底泥重金屬污染(潛在生態(tài)風險)分類評價Fig.3 Evaluation diagram of heavy metal pollution (potential ecological risk) in sediments at different depths in the coastal area of Lake Taihu

進一步分析西部沿岸區(qū)、竺山湖、貢湖3個湖區(qū)中重金屬嚴重污染區(qū)域(重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI≥300的區(qū)域)中不同重金屬的生態(tài)風險貢獻(圖4)，發(fā)現(xiàn)西部沿岸區(qū)中重金屬嚴重污染區(qū)域主要表現(xiàn)為Cd處于很高污染(Er≥320)，0～30 cm不同深度內(nèi)Cd的Er為411.67～485.32，貢獻率達84.15%～86.36%，其他重金屬均處于低風險(Er<40)；竺山湖中重金屬嚴重污染區(qū)域表現(xiàn)為Cd、Hg處于較高風險(80≤Er<160)，0～30 cm不同深度內(nèi)Cd的Er為107.22～127.50，貢獻率為32.47%～38.75%，Hg的Er為80.00～85.94，貢獻率為24.22%～25.05%；貢湖中重金屬嚴重污染區(qū)域表現(xiàn)為Cd處于很高污染(Er≥320)，0～30 cm不同深度內(nèi)Cd的Er為201.11～400.00，貢獻率為64.34%～77.37%. 因此，西部沿岸區(qū)、貢湖主要表現(xiàn)為Cd污染，竺山湖主要表現(xiàn)為Cd、Hg復合污染，且西部沿岸區(qū)的Cd污染最為嚴重.

圖4 太湖沿岸區(qū)重金屬嚴重污染區(qū)域(RI≥300)中不同重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)情況Fig.4 Potential ecological risk index of different heavy metals in the seriously polluted area of heavy metals (RI ≥300) in the coastal area of Lake Taihu

表3 太湖沿岸區(qū)淺層底泥重金屬主成分分析Tab.3 Principal component analysis of heavy metals in shallow sediments in the coastal area of Lake Taihu

2.3 重金屬來源探討分析

圖5 太湖沿岸區(qū)淺層底泥重金屬主成分1 和2解釋重金屬的載荷Fig.5 Loads of the explanation of principal components 1 and 2 of heavy metals in shallow sediments in the coastal area of Lake Taihu

主成分分析(表3、圖5)表明，太湖沿岸區(qū)淺層底泥中8種重金屬所代表的全部信息可以由F1和F22個主成分表達，其特征值分別為5.356、1.103，累積貢獻率為80.74%，通過對這兩個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. 第一主成分的貢獻率為66.95%，其中Zn、Cu、Cr、Ni、Hg表現(xiàn)出較高的載荷(>0.8)，Pearson相關(guān)分析(表4)表明Zn、Cu、Cr、Ni、Hg之間相關(guān)性顯著，具有相似的來源，Zn、Cu、Cr、Ni主要來源于電鍍、機械制造、金屬冶煉、皮革生產(chǎn)等工業(yè)產(chǎn)業(yè)[14,39]，Hg主要來源于電鍍、化工、造紙、醫(yī)院等行業(yè)排放的廢水以及含Hg農(nóng)藥[40]，所以第一主成分主要代表著工業(yè)廢水對淺層底泥的重金屬污染. 此外，Pb、As在第一個主成分上也表現(xiàn)出中等載荷(分別為0.717、0.555)，且與Cu、Zn、Cr、Ni相關(guān)性顯著，可知第一主成分也部分支配著Pb、As的來源，Pb除了來自電鍍等工業(yè)廢水外，合成橡膠和PVC工廠在生產(chǎn)過程中會使用含Pb的添加劑，河湖行船含Pb汽油的使用引起的大氣沉降也是Pb的來源[14,30,39-40]，As主要來源于醫(yī)藥、化肥、紡織、印染等行業(yè)排放的廢水以及燃煤[14,40]. 第二主成分的貢獻率為13.79%，Cd表現(xiàn)為較高的載荷(0.910)，而其在第一主成分載荷較低(0.057)，且Cd與其他重金屬的相關(guān)性均不顯著或很低，說明Cd的污染源與其他元素不同，Cd主要來自于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期使用農(nóng)藥和化肥[14,39]，因此第二主成分主要表征了農(nóng)業(yè)面源對淺層底泥中Cd含量的影響.

2.4 重金屬含量及生態(tài)風險評價已有成果對比分析

進一步基于已有文獻成果，分析太湖不同湖區(qū)淺層底泥的重金屬含量變化情況(表5)以及潛在生態(tài)風險指數(shù)變化狀況(表6). 分析發(fā)現(xiàn)，較2007年各湖區(qū)重金屬含量[27]，梅梁湖的Hg、Cd、As、Pb、Cu含量有所減少，Cr含量有所增加；較2007年，竺山湖的Hg含量保持不變，Pb含量略有增加，Cd、Cu、Cr含量有所增加且增幅較大，As含量有所減少，較2014年，竺山湖的Cd、As、Pb、Cu、Zn含量有所減少，Cr含量有所增加，Ni含量基本保持不變；較2007年，貢湖的Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr含量均有所減少，東太湖的Hg、As、Cr含量有所增加、Cd、Pb、Cu含量有所減少，西部與南部沿岸區(qū)的Hg、Cd、Cu、Cr含量有所增加、As、Pb含量有所減少. 由于不同學者的采樣時間、采樣點數(shù)量、計算重金屬生態(tài)風險時關(guān)注的重金屬元素、采用的背景值不一樣等諸多原因，不同研究得出的太湖重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)(RI)不宜直接開展對比分析，但是從總體規(guī)律上來看，2000年以來，相較于其他元素，Cd元素的生態(tài)風險最為嚴重，Hg元素的生態(tài)風險次之；較2007年各重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)[27]，Hg、Cd、As、Pb的潛在生態(tài)風險指數(shù)有所下降，Cu、Cr的潛在生態(tài)風險指數(shù)略有增加. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象，除了與不同學者的采樣條件、采樣環(huán)境、樣品數(shù)量、淺層底泥的深度等不同有關(guān)之外，也可能與不同年份的水雨情、入湖污染變化情況、藍藻暴發(fā)情況[41-42]、不同湖區(qū)開展的局部底泥疏浚情況[3,43]、不同湖區(qū)沉積物沉積速率不同[44]等諸多因素有關(guān)，這也說明了太湖淺層底泥重金屬分布的復雜性，不同湖區(qū)不同重金屬元素的空間分布差異性較大.

表4 太湖沿岸區(qū)淺層底泥重金屬元素之間的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.4 Pearson correlation coefficients of the heavy metal elements in shallow sediments in the coastal area of Lake Taihu

表5 不同年份太湖不同湖區(qū)淺層底泥重金屬含量(mg/kg)*Tab.5 Contents of heavy metals in shallow sediments in different parts of Lake Taihu in different years

表6 太湖淺層底泥重金屬生態(tài)風險指數(shù)歷史數(shù)據(jù)對比*Tab.6 Comparison of historical datas of heavy metal ecological risk index in shallow sediments in Lake Taihu

3 結(jié)論

1)太湖沿岸區(qū)淺層底泥中重金屬分布具有明顯的空間異質(zhì)性，竺山湖、西部沿岸區(qū)、貢湖、梅梁湖等湖區(qū)重金屬含量較高，南部沿岸區(qū)、東太湖重金屬含量相對較低；各個湖區(qū)的Cd、Pb、Cu、Zn、Ni含量，竺山湖的Hg、As、Cr含量，貢湖的As、Cr含量，南部沿岸區(qū)的As含量和梅梁湖的Cr含量均高于背景值.

2)潛在生態(tài)風險指數(shù)法評價結(jié)果顯示，太湖沿岸區(qū)淺層底泥中重金屬嚴重污染區(qū)域(重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI≥300的區(qū)域)主要分布在西部沿岸區(qū)中部(茭瀆港至烏溪港近岸側(cè))、竺山湖北部、貢湖北部(望虞河入河口附近)，面積分別約為104.54、10.80、6.89 km2；Cd和Hg是主要的重金屬生態(tài)風險貢獻因子、且毒性較強，西部沿岸區(qū)、貢湖主要表現(xiàn)為Cd處于很高污染程度，竺山湖主要表現(xiàn)為Cd、Hg處于較高風險程度.

3)重金屬源分析結(jié)果表明，太湖沿岸區(qū)淺層底泥中Zn、Cu、Cr、Ni、Hg、Pb、As具有相似的來源，可能主要來自于工業(yè)污染；Cd可能主要來自于農(nóng)業(yè)污染.

4)太湖淺層底泥重金屬分布及變化過程較為復雜，建議持續(xù)開展底泥重金屬污染監(jiān)測與評價工作；對于重金屬生態(tài)風險較高的區(qū)域，特別是西部沿岸區(qū)，建議加強Cd的污染防控，在控制好外源污染的前提下可開展局部生態(tài)清淤試點；建議在今后的工作中，開展太湖底泥沉積物—水界面重金屬遷移轉(zhuǎn)化、底泥重金屬釋放機理、底泥重金屬與太湖水環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系等研究.

致謝：感謝水利部太湖流域管理局提供的太湖水下地形測量及污染底泥勘察項目中關(guān)于太湖沿岸區(qū)淺層底泥重金屬的監(jiān)測化驗數(shù)據(jù)，感謝中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司和廣東地質(zhì)實驗測試中心在現(xiàn)場采樣與監(jiān)測化驗等過程中付出的辛勞.