高郵湖底泥及出入湖河口表層沉積物重金屬元素分布與潛在生態風險評價

金 鵬, 祁 超, 郭炳躍, 張 斌

(江蘇省地質勘查技術院,江蘇南京210049)

0 引 言

高郵湖地處江蘇與安徽交界處,水域總面積為760.67 km2,是中國第六大淡水湖。高郵湖以蓄水、行洪和灌溉調配功能為主,兼顧飲用水源地、水產養殖、水質凈化及生物多樣性維持等生態服務功能。自21世紀以來,隨著產業結構的優化,高郵湖“鴨-稻-魚”生產模式的興起,濕地水產養殖、“鴨連片”特色產業企業迅速崛起,形成了一個集農、林、漁、牧為一體的復合型生態農業系統(孟靈芳等,2015)。畜禽養殖等特色產業的擴增使高郵湖周邊工農業污水排放量不斷增加,大量陸源污染物在高郵湖體沉積,重金屬積累表現最為明顯(蔣豫等,2015)。重金屬通過懸浮擴散、生化吸附、絮凝沉淀及生物積累等方式在河湖底泥中富集,在適當條件下,又通過物理、化學、生物反應,經水流作用重新釋放,對高郵湖原始生態環境造成了二次破壞(郭劉超等,2019;白冬銳等,2021;李健等,2021)。

目前,對河湖底泥重金屬分布與生態風險評價研究日益增多(湯莉莉等,2008;陳書琴等,2011;高吉權等,2019;陸志華等,2022),評價方法以地累積指數法、內梅羅綜合污染指數及潛在生態危害指數法等較為多見(葉永欽等,2018;郭炳躍等2019;黃俊等,2020;李秋燕等,2021;楊帆等,2022)。但在評價時考慮的因子不同、選用的參數不同,導致各方法評價體系存在差異,且多數只局限于河湖體本身,未涉及周邊河流、濕地等,導致評價結果可能存在一定的局限性及片面性。

基于上述原因,對湖體與河口實施多點位聯合監測,查清高郵湖及出入湖河口沉積物中的重金屬含量及分布,并采用多方法結合、相似比對的方式進行重金屬污染及生態風險評價,劃分區內潛在生態風險等級,分析污染成因,鎖定關鍵污染因子,為高郵湖生態環境質量改善以及出入湖河口土壤污染防控提供科學依據。

1 沉積物采集與處理

1.1 樣品采集

為對高郵湖湖體及周邊出入湖河流與濕地中的重金屬污染分布特征進行全面調查及風險評價,設置多點位聯合監測采樣點25個(圖1)。其中,高郵湖湖體監測點20個(DZ01—DZ20);周邊出入湖河口、濕地監測點5個,分別為JC1(京杭運河界首鎮段)、JC2(高郵湖與京杭運河連通水閘)、JC3(高郵湖與邵伯湖連接處)、JC4(操兵壩向陽河閘口)和JC5(備戰村秦欄河口)。

圖1 高郵湖底泥、周邊出入湖河口及濕地表層沉積物采樣點位示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling points distribution in the bottom mud of Gaoyou Lake, and surface sediments of its surrounding estuary and wetland

底泥及表層沉積物樣品采集時間為2020年10月22—28日,期間無降水影響,采用彼得森采泥器,在高郵湖湖體及出入湖河口、濕地處共采集25個沉積物樣品,采樣點位見圖1。樣品的采集、流轉、制備及保存程序均符合《多目標區域地球化學調查規范(1∶250 000)》要求。

1.2 樣品分析

樣品分析項為8種重金屬元素Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg。其中,Cu、Zn、Pb、Ni、Cd采用ICP-MS法測定,Cr采用ZSX Primus Ⅱ型X射線熒光光譜儀測定,Hg、As采用AFS法測定。為保證分析結果的準確性,各檢測項抽取10%的樣品進行平行樣分析,結果合格率為100%,滿足質量要求。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數法 單因子污染指數Pi可視為實測含量所占標準值的份額,用以表征污染程度。計算公式:

(1)

式(1)中:Pi為污染指數;Ci為實測含量;Si為標準值,選用里下河淺洼平原表層土壤重金屬背景值,mg/kg,分別為Cu 27.0、Zn 74.0、Ni 34.6、Pb 25.9、Cd 0.13、Cr 81.0、As 8.70、Hg 0.062(廖啟林等,2011)。

1.3.2 內梅羅綜合指數法 以單因子污染指數為數據基礎,為避免均值評價法導致的偶然性,引入最大綜合污染指數,得到各重金屬污染指數的均方根值,即內梅羅綜合指數P綜。計算公式:

(2)

式(2)中,P綜為綜合指數,Pi max為綜合指數最大值,Pi ave為綜合指數平均值。

1.3.3 地累積指數法 地累積指數法(Müller,1969)將成巖作用、沉積特征及其他影響引起的背景值波動進行修正后,取以2為底的對數函數作為Igeo值,從而定量評價重金屬的富集作用。評價公式為:

(3)

式(3)中,Cn為實測含量,Bn為土壤背景值(里下河淺洼平原表層土壤重金屬背景值),1.5為修正系數。

1.3.4 潛在生態風險評價 潛在生態風險指數法(Hakanson et al.,1980)將單項金屬污染指數進行分級,同時考慮重金屬的環境毒害效應,結合毒性響應系數進行綜合評價。評價公式如下。

(1)單項金屬污染指數:

(4)

式(4)中,Cf,i為污染指數,Ci為土壤重金屬元素實測含量,Cn,i為土壤重金屬元素背景值。

(2)重金屬單項潛在生態風險指數:

Er,i=Tr,iCf,i

(5)

式(5)中:Er,i為單項潛在生態風險指數;Tr,i為毒性響應系數,分別為:Cu 5、Zn 1、Ni 5、Pb 5、Cd 30、Cr 2、As 10、Hg 40。

(3)重金屬綜合潛在生態風險指數:

RI=∑Er,i

(6)

單項生態風險指數與毒性響應系數加權求和后得到RI值。

2 結果與分析

2.1 各采樣點重金屬元素含量特征統計

各采樣點重金屬元素含量統計結果(表1、圖2)顯示,25個采樣點8種重金屬元素中,僅Hg含量(平均值)未超過里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,As含量(最大值)超過農用地土壤污染風險篩選值。重金屬元素標準差變異系數大小順序為Cd>As>Zn>Ni>Cu>Hg>Pb>Cr,數值越大離散程度越高,各采樣點的空間位置、沉積環境不同是變異系數差異的主要原因。

表1 重金屬元素含量統計結果

圖2 各采樣點重金屬元素含量統計圖Fig. 2 Statistical diagram of heavy metal elements content at each sampling point

圖3顯示:重金屬元素含量累積最高點為DZ07,最低點為DZ08,兩者相差1.87倍;空間分布特征整體表現為高郵湖西側(DZ08、DZ10)、南側(DZ15、DZ16、DZ20)重金屬元素含量較低,東側(DZ07)、東北側(DZ01、DZ02、DZ03)、東南側(DZ13、DZ17、DZ18)重金屬元素含量普遍較高,以高郵湖下游與邵伯湖聯通處為甚。各點位含量差異可能受各入湖河流污染來源、水流作用、沉積環境或重金屬特性影響。DZ07位于近高郵湖東岸湖中沉積區域,Zn、Pb、Cd等重金屬富集現象可能受湖水更新周期較長、水流作用較小的影響。Cu和Ni最高值出現在JC5采樣點(備戰村秦欄河口區域),水環境質量監測數據顯示,2020年5月—2021年5月,秦欄河口斷面水質為Ⅳ—Ⅴ類,屬于中度—重度污染(王寧等,2020;揚州市生態環境局,2021)。李瑩杰等(2016)的研究表明,高郵湖局部區域存在輕度甚至偏中度的Cu、Ni污染,可能與該流域電鍍、制革和有色金屬冶煉有關。

圖3 各點位重金屬元素累積含量等值線圖Fig. 3 Contour map of cumulative heavy metal elements content at each sampling point

李書恒等(2013)利用高郵湖某沉積柱沉積物地球化學記錄解譯了近300年來高郵湖的沉積信息,結果表明,人類活動對高郵湖環境的影響主要發生在近百年,尤其是20世紀80年代后,隨著人口增長及鄉鎮工業的快速發展,湖區工業污水、農藥及生活廢水排放量急劇增加,部分重金屬進入湖泊水體,導致湖泊重金屬富集。20世紀90年代以來,高郵湖沉積物中重金屬元素含量呈明顯上升趨勢。

2.2 沉積物中重金屬元素相關性分析

采用SPSS軟件對各項重金屬元素含量進行Pearson相關性分析,得到各重金屬元素之間相關系數矩陣(表2)。8種重金屬元素中,除Hg與Ni之間表現為弱相關外,其余重金屬元素間的相關程度為中等及以上。Ni與Cr、Pb、Zn、Cu存在極強相關性,表明高郵湖及周邊河流中的重金屬元素存在緊密聯系;Hg與其他7種重金屬元素相關性較弱,且Hg含量未超過里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,表明其富集來源可能僅與湖泊原始土壤重金屬元素背景值有關。變異系數與相關性分析結果表明無明顯的人為重金屬污染特征。

表2 重金屬元素相關系數矩陣

2.3 潛在生態風險評價

2.3.1 單因子污染指數法評價 單因子污染指數Pi評價結果(表3)表明,各級樣點污染情況多為輕度污染,中度污染樣點的重金屬元素僅有As、Cd,占比分別為20%、28%,無重度超標。單因子污染指數均值排序為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為1.70(As),最小值為0.78(Hg),表明研究區總體上Hg為無污染,其余7種重金屬元素均為輕度污染,全區無中度及以上重金屬污染。2011—2012年,陳乾坤等(2013)對駱馬湖、洪澤湖及高郵湖等7個江蘇西部湖泊的表層沉積物重金屬元素分布特征進行了調查評價,發現高郵湖湖泊表層沉積物中污染最嚴重的重金屬元素為Cd、As,其次為Zn、Cu、Pb,與此次單因子污染指數評價結果排序相似。

表3 單因子污染指數評價結果

2.3.2 內梅羅綜合指數法評價 內梅羅污染指數P綜評價結果如表4。P綜排序為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為2.43(As),最小值為0.94(Hg),8種重金屬元素中As、Cd為中度污染,Hg為清潔,其余5種為輕度污染?？傮w而言,研究區重金屬污染程度為輕度—中度污染,但As、Cd兩種重金屬元素對高郵湖生態環境的影響需引起重視。

表4 內梅羅污染指數評價結果

2.3.3 地累積指數法評價 地累積指數Igeo評價結果(表5)表明,8種重金屬元素中,As、Cd輕度污染比例分別為68%、44%,其余元素未受污染比例占90%以上,全區無偏中度及以上污染樣點;Igeo平均值排序為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為0.14(As),最小值為-0.96(Hg),且除As元素外,其余元素Igeo平均值均為負值,表明全區8種重金屬元素污染評價中,僅As為輕度污染,其余元素均為無污染。著眼于生態環境保護高質量發展,輕度污染元素As的后續污染變化值得關注。

表5 重金屬元素地累積指數及污染等級

2.3.4 潛在生態風險指數評價 潛在生態風險指數RI評價結果(表6)顯示,8種重金屬元素單項潛在生態風險指數排序為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。受毒性響應系數影響,重金屬元素Cd屬中風險水平,其余元素為低風險。Cd處于中等污染水平的樣品數為15件,占總樣品數的60%,且均為高郵湖底泥樣,最大污染指數點位為DZ07。評價結果與陳乾坤等(2013)的研究結果即江蘇西部湖泊表層沉積物中重金屬單項潛在生態風險大小順序均為Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn的結論相印證(未涉及Hg),該研究認為高郵湖Cd、As污染與近年來湖泊周邊鄉鎮工業迅速發展產生的大量工業廢水排放有關。

表6 潛在生態風險等級評價結果

研究區RI值在78.8～178.8之間,平均值為115.7,主要貢獻因子為Cd,總體生態風險屬于低風險狀態。值得注意的是,DZ01、DZ02、DZ07監測點評價結果為中風險等級,且高郵湖底泥樣品RI平均值(122.3)高于出入湖河口RI平均值(89.2),表明重金屬污染物沿入湖河口向湖心區匯聚,有沿途富集趨勢,底泥成為重金屬污染物的重要載體,這與高吉權等(2019)、陸志華等(2022)的研究結果即洞庭湖、太湖等底泥重金屬分布規律相似。

2.4 評價方法的比較

單因子污染指數評價法操作簡單,表達直觀;內梅羅綜合指數法以取均方根值的形式代替均值評價,兼顧了極值的影響,評價更為客觀。本次單因子與內梅羅污染指數法的污染評價結果一致,污染指數均值排序均為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,但前者對As、Cd評價為輕度污染,而后者評價為中度污染。究其原因,在單因子污染指數法評價時,As、Cd單因子污染指數最大值表現更為突出;在內梅羅綜合指數法評價時兼顧了極值的影響,避免了均值評價的局限性。

根據地累積指數法評價結果,各項重金屬Igeo值表現為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,僅As為輕度污染,其余元素均為無污染狀態。在潛在生態風險指數法評價中,單項風險指數表現為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn,Cd風險指數最大,評價結果屬中風險,其余元素為低風險。對比可知,Cd、As、Pb的污染指數排序均居前,Zn與Hg污染指數排序變化較大。造成評價結果差異的主要原因是潛在生態風險指數法吸納了元素毒性響應系數來進行多指標綜合評價,毒性響應系數越高者(如Cd、Hg)風險指數越大,毒性響應系數最低者(如Zn)潛在生態風險指數最小,危害最低,潛在生態風險指數法更突出重金屬元素的環境毒害效應,側重重金屬元素對環境載體的整體生態影響。

3 結 論

通過對高郵湖底泥及出入湖河口表層沉積物重金屬污染進行分析和評價,得出以下結論。

(1) 8種重金屬元素監測數據顯示,僅Hg含量(平均值)未超過里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,As含量(最大值)超過篩選值?？臻g分布特征整體表現為高郵湖西側與南側重金屬元素含量較小,東側及東南側重金屬元素含量普遍較大,以高郵湖下游與邵伯湖連通處為甚。各點位的含量差異可能受各入湖河流的污染來源、水流作用、沉積環境或重金屬特性影響。

(2) Pearson相關性分析表明:重金屬元素Ni與Cr、Pb、Zn、Cu之間存在顯著的同源性;Hg與其他7種重金屬元素之間相關性較弱,且Hg含量未超過里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,表明其富集來源可能僅與原始湖泊土壤重金屬元素背景值有關。

(3) 單因子污染指數顯示,研究區Hg為無污染狀態,其余7種重金屬元素均為輕度污染;內梅羅綜合污染指數評價顯示,僅As與Cd為中度污染,Hg為清潔,其余元素為輕度污染。Cd、As兩種重金屬元素對高郵湖生態環境的影響需引起重視。

(4) 地累積指數Igeo平均值除As元素外,其余元素均為負值,表征僅As為輕度污染,其余元素均呈無污染狀態;綜合潛在生態風險指數RI平均值為115.7,揭示總體生態風險屬于低風險狀態。評價引入了毒性響應系數,改變了Cd元素風險等級及Zn、Hg強弱順序,突出了重金屬元素的環境毒害效應,偏重其對環境載體的整體生態影響。

(5) 高郵湖底泥樣品RI均值高于出入湖河口,表明重金屬污染物沿入湖河口向湖心區匯聚,有沿途富集趨勢,底泥成為重金屬污染物的重要載體。