黃體斌,陳 禹,陸嘉昂,夏 霆,徐 寧

(1.南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院 江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210036;3.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,江蘇 南京 211800)

目前,水體沉積物污染已成為最熱門(mén)的水體環(huán)境污染問(wèn)題之一[1]。重金屬是水體沉積物污染最主要的研究對(duì)象,重金屬污染對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成了一定程度的破壞[2]。重金屬污染物進(jìn)入水體后,在一定的水動(dòng)力條件下逐步遷移、吸附、沉積至表層沉積物中,沉積物是河流重金屬重要的“匯”;當(dāng)外界氧化還原條件、pH和水動(dòng)力條件等發(fā)生變化時(shí),沉積物中的重金屬會(huì)重新釋放到水體中,導(dǎo)致水體二次污染[3]。因此,研究沉積物的污染特征對(duì)湖泊和水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理非常重要[4]。

太湖流域是我國(guó)人口最為集中、城鎮(zhèn)化進(jìn)程最快的地區(qū)之一,該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,但因未采取嚴(yán)格的水污染防治措施,造成水環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯[5]。目前,針對(duì)流域重金屬污染研究雖已展開(kāi),但研究區(qū)域都是從局部出發(fā)[6],未能從整體角度研究。本文以江蘇省太湖流域整體區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,設(shè)置201個(gè)點(diǎn)位研究其表層沉積物元素Cu、As、Cd和Hg的含量[7],分析重金屬污染等級(jí),以期為太湖流域重金屬污染狀況進(jìn)行分區(qū)域治理與防治提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 區(qū)域概況與采樣點(diǎn)分布

課題組于2019年8月在江蘇省太湖流域進(jìn)行采樣。采樣區(qū)域包括蘇州、無(wú)錫、常州、鎮(zhèn)江及南京在內(nèi)對(duì)太湖水質(zhì)有影響的水體區(qū)域。

江蘇省政府在《江蘇省太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃(試行)》中劃分了49個(gè)太湖流域水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū),并將49個(gè)分區(qū)依據(jù)生態(tài)功能劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個(gè)級(jí)區(qū)[8]。

1.2 重金屬檢測(cè)

將采集的樣品風(fēng)干后用四分法取樣,用瑪瑙研缽研磨,過(guò)150 μm的篩網(wǎng)后儲(chǔ)存?zhèn)溆肹9]。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定沉積物樣品中Cu、As、Cd和 Hg含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

太湖流域沉積物重金屬含量分布等數(shù)據(jù)處理均采用Arcgis 10.4軟件。

1.4 評(píng)價(jià)方法

目前還沒(méi)有太湖流域沉積物重金屬背景值[10],通過(guò)查閱文獻(xiàn)[11],選擇蘇南地區(qū)沉積物中重金屬含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的環(huán)境背景值為參考,見(jiàn)表1。

表1 沉積物中重金屬的環(huán)境背景值

1.4.1 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)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson于20世紀(jì)80年代提出,目前被普遍運(yùn)用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染狀況[12]。該方法不只是單純考慮了重金屬的含量,還將重金屬與特定環(huán)境的環(huán)境效應(yīng)以及重金屬對(duì)生物毒性的影響考慮在內(nèi),定量地區(qū)分重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別[13],其計(jì)算方法見(jiàn)式(1)—(3)。

(1)

(2)

(3)

表2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)[14]

1.4.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)是由德國(guó)科研工作者穆勒提出并用于研究土壤和底泥重金屬污染水平的指標(biāo)[15],其計(jì)算方法見(jiàn)式(4)。

Igeo=log2(Ci/XBi)

(4)

式中:Igeo為地積累指數(shù);Bi為重金屬i含量的背景值,mg/kg;X為校正系數(shù),通常為1.5[16],用于校正地域差異引起的金屬背景值變化。 參考文獻(xiàn)[17],地累積指數(shù)與分級(jí)見(jiàn)表3。

表3 地累積指數(shù)與分級(jí)[17]

2 結(jié)果和分析

2.1 重金屬分布特征

測(cè)得太湖流域不同采樣點(diǎn)沉積物中重金屬含量,結(jié)果如圖1所示。由圖1可得:太湖流域沉積物在不同采樣點(diǎn)的Cd、Hg、As、Cu含量分別為0.04～2.93、0.03～0.89、0.13～21.30、0.03～148.00 mg/kg。太湖流域表層沉積物中Cd、Hg、As、Cu 4種重金屬的平均含量分別為0.40、0.15、11.61、27.62 mg/kg。重金屬按平均含量由大到小排序?yàn)镃u、As、Cd、Hg，與于佳佳等[7]研究結(jié)果一致,分別是各自背景值的1.18、1.24、4.71、6.00倍,對(duì)應(yīng)的重金屬變異系數(shù)分別為69%、76%、32%、82%。文獻(xiàn)[18]研究表明,當(dāng)變異系數(shù)>20%,沉積物重金屬含量的空間差異由人類(lèi)活動(dòng)引起。依據(jù)Wilding等[19]對(duì)變異系數(shù)的等級(jí)分類(lèi),Cu、Cd和Hg的變異系數(shù)都超過(guò)36%,是高度變異,而As為中度變異,表明Cu、Cd和Hg受人為因素影響較大。

統(tǒng)計(jì)太湖流域不同級(jí)區(qū)沉積物重金屬含量,結(jié)果如圖2所示。由圖2可得:4級(jí)生態(tài)區(qū)按照Cd平均含量從高到低的排序?yàn)棰?0.588 mg/kg)、Ⅳ(0.361 mg/kg)、Ⅱ(0.276 mg/kg)、Ⅰ(0.245 mg/kg),其中在Ⅰ級(jí)區(qū)出現(xiàn)Cd含量最高值(2.93 mg/kg,分區(qū)Ⅰ-01),說(shuō)明分區(qū)Ⅰ-01中Cd污染最為嚴(yán)重,主要由于此區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)蕩湖,周邊多為工業(yè)園聚集區(qū),印染、塑膠、橡膠、鋼鐵等產(chǎn)業(yè)的廢水排放致使Cd的污染加重。4級(jí)生態(tài)區(qū)按照Hg平均含量從高到低的排序?yàn)棰?0.15 mg/kg)、Ⅲ(0.14 mg/kg)、Ⅳ(0.13 mg/kg)、Ⅰ(0.10 mg/kg),各級(jí)區(qū)中Hg的含量變化不大,但是所有分區(qū)Hg的平均含量都高于背景值。沿湖地區(qū)的Hg含量更高,這是由于進(jìn)出湖水系中的Hg沉降在沿湖地區(qū),造成了Hg含量偏高。4級(jí)生態(tài)區(qū)按照As平均含量從高到低的排序?yàn)棰?11.62 mg/kg)、Ⅲ(10.79 mg/kg)、Ⅰ(10.18 mg/kg)、Ⅳ(8.17 mg/kg),As在Ⅱ級(jí)區(qū)含量最高,其中分區(qū)Ⅱ-07屬于滆湖,周邊多為綜合生活功能區(qū)和農(nóng)田,周邊的汽車(chē)廢棄物、農(nóng)田廢水、電鍍廢棄物等都會(huì)引起As含量的升高。4級(jí)生態(tài)區(qū)按照Cu平均含量從高到低的排序?yàn)棰?27.70 mg/kg)、Ⅲ(23.81 mg/kg)、Ⅰ(21.35 mg/kg)、Ⅱ(19.54 mg/kg),Ⅰ和Ⅱ級(jí)區(qū)中Cu含量變化不大,但是Ⅲ和Ⅳ級(jí)區(qū)中Cu含量變化較大,文獻(xiàn)[20]研究表明,沉積物中重金屬含量分布差異與該區(qū)域土地利用類(lèi)型相關(guān),Ⅳ級(jí)區(qū)中張家港地區(qū)存在金屬加工廠,Ⅲ級(jí)區(qū)中無(wú)錫市電路板生產(chǎn)企業(yè)較多,都會(huì)造成沉積物Cu含量超標(biāo)。

圖1 太湖流域沉積物重金屬含量分布Fig.1 Distribution of heavy metals content in sediments of Taihu Lake Basin

圖2 重金屬在各水生態(tài)功能區(qū)含量分布Fig.2 Distribution of heavy metals content in various ecological functional areas

與我國(guó)其他地區(qū)湖泊流域重金屬含量做對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知:太湖流域沉積物中Hg高于玄武湖與琵琶湖地區(qū)，As的含量與除小清河外的其他地區(qū)相比略低,而Cu含量明顯低于琵琶湖以外的其他地區(qū)。與地理位置相近的玄武湖相比,發(fā)現(xiàn)Cd、Hg和As含量比較接近,而玄武湖的Cu含量高于太湖流域的Cu含量,可能是城市湖泊水體較小,且處于城市內(nèi)部,更容易受到人為因素的影響。與東湖相比,太湖流域的Cd、Hg、As和Cu含量均較低。太湖流域的Cu含量要高于琵琶湖地區(qū),琵琶湖作為南京內(nèi)湖,在景區(qū)內(nèi)部,所以Cu含量較低。洞庭湖Cd、Hg、As和Cu都高于太湖流域,說(shuō)明洞庭湖重金屬污染高于太湖流域。而小清河作為河流,Cu也遠(yuǎn)高于太湖流域?？傮w而言,太湖流域Cu含量比其他內(nèi)湖少,污染也較輕,表明近年來(lái)太湖流域?qū)u排放的管控措施嚴(yán)格。

表4 不同區(qū)域沉積物的重金屬含量

2.2 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1)Ⅰ級(jí)區(qū)中：As、Cu單因子重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);Cd在Ⅰ-01(543.76)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重,在Ⅰ-04(171.13)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重度,其余均為輕微-中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Hg在Ⅰ-03(262.40)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重度,其他均為較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Hg是Ⅰ級(jí)區(qū)的最主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子。

2)Ⅱ級(jí)區(qū)中：As、Cu單因子重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd單因子重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大值在Ⅱ-07(261.00),風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重度,最小值在Ⅱ-01(14.82)，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕微,Cd在Ⅱ級(jí)區(qū)內(nèi)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)差別較大;Hg在Ⅱ-06(435.20)為嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其他為較重-重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3)Ⅲ級(jí)區(qū)中：As、Cu單因子重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd在Ⅲ-19(320.59)達(dá)到嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其他大多數(shù)為中等-較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Ⅲ-09(513.60)、Ⅲ-19(363.73)、Ⅲ-16(339.73)內(nèi)Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重,其他分區(qū)大多為較重-重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4)Ⅳ級(jí)區(qū)中：As、Cu單因子重金屬均為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Cd在Ⅳ-07(182.29)達(dá)到重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其他大多數(shù)為中等-較重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);Ⅳ-01(654.93)、Ⅳ-14(341.96)內(nèi)Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重,其他分區(qū)大多為較重-重度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

不同級(jí)區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)圖3。由圖3可得:4個(gè)級(jí)區(qū)按潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由大到小的排序?yàn)棰?、Ⅲ、Ⅱ、?4個(gè)級(jí)區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為重度。其中,Ⅰ級(jí)區(qū)中Ⅰ-01(RI=700.98)達(dá)到嚴(yán)重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。Ⅱ級(jí)區(qū)中Ⅱ-06(RI=515.22)、Ⅱ-02(RI=428.41)的RI較高,Ⅱ級(jí)區(qū)主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子為Hg。Ⅲ級(jí)區(qū)中,RI的差異較大,重金屬Cd和Hg的共同作用使得Ⅲ-19(722.76)的RI在該級(jí)區(qū)內(nèi)最大,Ⅲ-14(188.40)的RI最小。Ⅳ級(jí)區(qū)中,Ⅳ-01(834.81)的RI最大,同時(shí)也為太湖流域內(nèi)的最大值,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重。49個(gè)分區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大多為中度-重度。

2.3 地累積指數(shù)

太湖流域不同重金屬地累積污染等級(jí)見(jiàn)圖4。由圖4可得:通過(guò)式(4)計(jì)算得到Cd、Hg、As、Cu地累積指數(shù)范圍分別為-1.73～3.59、-0.25～3.44、-1.61～0.05、-2.23～0.80,平均值分別為0.97、1.66、-0.56和-0.71。重金屬按其污染等級(jí)由高到低依次為Hg、Cd、As、Cu。金屬Cd 采樣點(diǎn)以偏中度污染為主,采樣點(diǎn)占比為37.5%,偏重度污染、中度污染、輕度污染、清潔的采樣點(diǎn)占比分別為2.5%、12.5%、32.5%、15.0%;金屬Hg采樣點(diǎn)以偏中度污染為主,采樣點(diǎn)占比為57.5%,偏重度污染、中度污染、輕度污染、清潔的采樣點(diǎn)占比分別為5.0%、22.5%、12.5%、2.5%,As、Cu采樣點(diǎn)以清潔狀態(tài)為主,采樣點(diǎn)占比分別為95.0%、82.5%,輕度污染的采樣點(diǎn)占比分別為5.0%、17.5%。地累積指數(shù)表明太湖流域Hg、Cd 偏中度污染,As、Cu處于清潔水平。

圖3 太湖流域不同水生態(tài)功能區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.3 Comprehensive potential ecological risk index of different ecological functional areas of Taihu Lake Basin

圖4 太湖流域不同重金屬地累積污染等級(jí)Fig.4 Cumulative pollution degree of different heavy metals in Taihu Lake Basin

3 結(jié)論

1) 采用ICP-MS測(cè)得太湖流域沉積物重金屬平均含量:Cu平均含量為27.62 mg/kg，As平均含量為11.61 mg/kg，Cd平均含量為0.40 mg/kg，Hg平均含量為0.15 mg/kg。

2)通過(guò)單因子重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算,4種重金屬按潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由高到低依次為Cd、Hg、As、Cu。

3)通過(guò)比較潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)發(fā)現(xiàn),4個(gè)級(jí)區(qū)按潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)從大到小依次為Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ,4個(gè)級(jí)區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為重度。

4)通過(guò)地累積指數(shù)計(jì)算,4種重金屬按地累積污染等級(jí)由高到低依次為Hg、Cd、As、Cu。