阳宗海表层沉积物中的重金属生态风险评估

张玉玺，孙继朝，向小平，黄冠星，刘景涛，陈 玺，王金翠

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北正定 050803)

近年来，受工农业快速发展的影响，地表水重金属污染事件频频发生，尤其湖泊水更新速率滞缓，湖泊污染状况日趋严重，直接危及湖泊生态及周边区域的饮水安全。湖泊污染已成为政府及民众普遍关注的大问题。在众多污染物中，重金属因其难降解性、普遍的生物毒性、生物累积性和生物放大作用而一直备受关注[1]。进入湖中的重金属，大部分会被水中悬浮颗粒吸附并通过沉淀作用转移到沉积物中，因而湖底沉积物也被称为水体重金属的“贮藏库”[2]。当水体环境发生改变，或在水生生物等的作用下，沉积物中的重金属会重新释放到水体中，形成二次污染，导致潜在的生态风险[3]。因此，沉积物中重金属的质量比常被用作判别水环境质量的重要参考指标[4]。

阳宗海是云南省九大高原湖泊之一，位于昆明市的东南角。湖面呈纺锤形，东西宽2.5km，南北长12.7 km，湖岸线长32.3 km，湖面面积31.9 km2(水位1770 m时)，流域面积192 km2。阳宗海平均水深20m，最深29.7m，蓄水量6.04亿m3，换水周期为13 a，其补给水源主要来自天然降雨、阳宗大河和七星河汇水、摆依河人工补水及地下水。汤池河是阳宗海唯一的出水口，河水最终汇入南盘江。近20 a来，阳宗海沿湖兴建了许多工矿企业及旅游度假村，主要有北岸的火电厂、煤矿、温泉，三十亩南的铝厂，宝尖山南的高尔夫球场及南岸谈葛营附近的磷肥厂等。随着工、矿、旅游业的发展，进入阳宗海的重金属不断增加，并聚集在阳宗海的沉积物中。2008年的阳宗海砷污染事件更是恶化了阳宗海湖泊环境，加剧了阳宗海沉积物的生态风险。通过对阳宗海表层沉积物样品的系统采集与分析，查明了重金属 Ti、Mn、Zn、V、Cr、Cu、Ni、Co、Pb、As在阳宗海表层沉积物中的质量比与分布情况，评价这些重金属的潜在生态风险，可为阳宗海生态环境的恢复和治理提供决策依据。

1 样品采集与分析

1.1 样品采集

2009年4月2—4日，借助GPS定位，利用抓斗式采泥器采集阳宗海表层0～5 cm沉积物样品25组(取样点位置见图1)。混匀后置于聚乙烯塑料袋中，于实验室阴凉处自然风干，剔除动植物残体和石块，经粉碎机粉碎后，过200目筛，置105℃烘箱烘8 h，取出后放入干燥皿冷却。

1.2 样品分析

从干燥皿称取土样4.0 g，放入模具内拨平，用低压聚乙烯镶边垫底，在30000 kg压力下，压制成直径32 mm，镶边外径40 mm的试样圆片，采用荷兰帕纳科公司AXIOSPW4400型X射线荧光光谱仪测定各项指标。

图1 阳宗海沉积物取样点位置

1.3 数据处理与图形制作

数据处理及分析用SPSS 18.0软件完成，样点分布图及等值线图借助MAPGIS 6.7软件绘制，等值线采用克立格(Kriging)网格化法内插。

2 结果与讨论

2.1 重金属质量比

阳宗海表层沉积物中10种重金属质量比的统计结果和分布情况见表1和图2。从表1可看出，各重金属平均质量比均高于云南省土壤环境背景值[5]，阳宗海存在不同程度的重金属富集，其中，As的质量比平均值达到背景值的2.9倍，最高值更是达10倍以上。依据GB 15618—1995《全国土壤环境质量标准》，Zn和As分别有1个和6个样品的质量比超过3级标准，表明局部有较为严重的Zn和As污染，且As的污染程度最重。重金属的变异系数表明，Mn、V、Cr、Ni、Co 和 Pb 在沉积物中的区域分布较均匀，Ti、Zn、Cu在不同区域的分布存在轻微的差异，As的变异系数最高，呈显著的区域分布差异，指示可能受到人类活动的影响。另外，本研究还对沉积物中Cd的质量比进行了测试，结果均小于方法检出限(0.5 mg/kg)，因此未对Cd进行评价。

表1 阳宗海表层沉积物中重金属质量比统计结果

图2 阳宗海表层沉积物中重金属质量比分布(单位:mg·kg－1)

根据焦伟等[6]的研究成果，与相邻的滇池相比，除As、Cr高于滇池，Ni与滇池相当外，阳宗海表层沉积物中其他重金属质量比均明显低于滇池。但与同是云南九大高原湖泊之一的异龙湖相比，阳宗海表层沉积物中除了Pb的质量比略低外[7]，其他As、Cu、Cr、Ni、Zn 等重金属的质量比均高于异龙湖。

2.2 重金属分布与来源

阳宗海表层沉积物中重金属的水平分布特征大致分为两种类型。Zn、Cr、Pb、As的分布特征相似，在阳宗海南北两岸的质量比相对较高，而在阳宗海中间地带的质量比较低，质量比最高值位于阳宗海南岸的谈葛营附近，次高值位于阳宗海北岸的施家咀附近。Ti、Mn、V、Cu、Ni和 Co 的分布特征相似，其质量比高值点都位于阳宗海东岸黄水洞附近，而阳宗海南北两岸的重金属质量比相对较低(图2)。上述沉积物中的重金属分布特征指示可能存在两种不同的主要污染来源。对各重金属进行聚类分析，聚类方法采用组间联结，度量标准选取Pearson相关性法。计算结果的树状图(图3)表明，根据分布特征，可将重金属分为两大类，Zn、Cr、Pb、As为一类，其中Zn和Pb具有非常好的相似性，它们均为典型的污染组分，主要受工、矿及旅游业排污等人类活动影响所致。Zn主要来自含砷矿石的工业，如阳宗海南岸磷肥厂的主要原料为硫锌矿，附近沉积物中Zn的质量比普遍较高。Cr主要来自含铬矿石的加工、金属表面处理等排放的污水。Pb主要来自两岸企业的燃煤，如阳宗海北岸火电厂附近沉积物中Pb的质量比相对较高。As主要来自含As矿石的利用。阳宗海地区的温泉水、褐煤、硫锌矿中都含有较高的砷，因此阳宗海北岸的温泉、火电厂、煤矿及南岸磷肥厂附近的沉积物中As的质量比相对较高。另外，这4种重金属的质量比高值点附近均表现出环绕湖岸线分布的态势，这是由于当含有较高质量比重金属的废水排入湖中后，被湖水冲淡而形成不同密度的水团，从而产生了沿岸流。这也间接指示了排污现象的存在。Ti、Mn、V、Cu、Ni和Co 可归为另一大类，其中 Ti、V、Co具有非常好的相似性，且在较小的测度范围与Ni的相似性较好，在较大的测度上与Mn、Cu也有相似性。由于阳宗海地区没有涉及这6种重金属的企业，这6种重金属的分布特征与人类活动密集区没有关系，且质量比高值区均位于阳宗海未受开发的东岸黄水洞附近，指示这6种重金属主要来自岩石风化等自然因素，受人类活动影响甚微。

图3 重金属系统聚类分析树状图

2.3 重金属生态风险评估

利用Hakanson[8]提出的潜在生态风险指数法对阳宗海表层沉积物的重金属生态风险进行评价。该方法是根据重金属性质及其环境行为特点，从沉积学角度对沉积物中重金属污染进行评价。该方法将重金属质量比、生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行重金属污染评价，并对地区污染程度进行定量分析，分析其潜在生态风险程度，这种方法在研究沉积物生态效应中具有较明显的优势[8-10]。重金属潜在生态风险指数计算公式为

式中:RI为多种重金属的潜在生态风险指数;为重金属i的潜在生态风险系数为重金属i的富集系数;为重金属i的实测质量比;为沉积物背景参考值，本研究选取云南省土壤重金属背景值作为参考;为重金属i的毒性响应系数，反映重金属在水相、沉积固相和生物相之间的响应关系。本研究根据Hakanson[8]和徐争启等[11]的研究成果，设定10种重金属的毒性响应系数分别为与污染程度的分级标准见表2。

表2 评价指标与污染程度和潜在生态风险程度的关系

表3 沉积物中重金属污染单因子评价结果统计

图4 不同重金属潜在生态风险系数比较

图5 阳宗海表层沉积物中重金属潜在生态风险指数分布

表4 阳宗海表层沉积物中重金属潜在生态风险系数和潜在生态风险指数

图5反映了阳宗海重金属潜在生态风险指数的分布情况。全湖来看，重金属潜在生态风险指数一般在150之内，虽然阳宗海北岸施加咀和东岸黄水洞附近也有RI相对较高的区域，但总体上还属轻微风险程度。只有位于谈葛营附近的N03取样点的潜在生态风险指数较高，达160.06，属中等风险程度，低于滇池的潜在生态风险指数(RI介于100～800)[6]，而较异龙湖的潜在生态风险指数略高[7]。结合阳宗海表层沉积物中各重金属质量比与分布特征，分析其原因，认为主要是阳宗海As的潜在生态风险较大引起的。在N03取样点，EAsr对RI指数的贡献量达65%。而在RI指数较高的N01取样点，EAsr的贡献量也达到61%。因此As是阳宗海表层沉积物中最突出的生态风险因子。虽然Cu和Cr在阳宗海表层沉积物中的富集程度也较高，但因其生物毒性相对较低，因此不是主要的生态风险因子。

3 结论

a.阳宗海湖底表层沉积物中，Ti、Mn、Zn、V、Cr、Cu、Ni、Co、Pb、As 的质量比平均值依次为9413.1 mg/kg、617.9 mg/kg、149.2 mg/kg、189.6 mg/kg、145.8 mg/kg、97.6 mg/kg、55.1 mg/kg、27.4 mg/kg、40.3mg/kg、31.4 mg/kg。Zn、Cr、Pb、As 的分布特征具有较高的相关性，它们主要来自人类活动造成的污染。Ti、Mn、V、Cu、Ni、Co 的分布特征相似，以岩石风化等自然因素来源为主。

b.阳宗海表层沉积物中重金属的富集程度按富集系数均值大小依次为 As、Cu、Cr、Co、Zn、Ni、V、Mn、Ti、Pb，其中，As、Cu、Cr的富集程度相对较高。阳宗海重金属潜在生态风险指数一般在150之内，总体上属轻微风险程度。只有位于阳宗海南岸谈葛营附近区域的沉积物受As的影响，潜在生态风险达到了中等程度。重金属对阳宗海生态风险贡献程度由大到小依次为 As、Cu、Co、Ni、Pb、Cr、V、Zn、Mn、Ti，其中，As产生的潜在生态风险较其他重金属明显偏高，是阳宗海最主要的生态风险因子。

为避免阳宗海湖泊环境继续恶化，应对阳宗海周边企业的排污加强监测管理，对阳宗海沉积物中的重金属进行治理，并通过宣传强化人们的环保意识。

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