滇池沉积物中重金属污染特征及其生态风险评估

刘勇，朱元荣，吴丰昌*，廖海清，刘燕，施国兰

1. 贵阳学院生物与环境工程学院，贵阳550005；2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012

滇池沉积物中重金属污染特征及其生态风险评估

刘勇1，朱元荣2，吴丰昌2*，廖海清2，刘燕1，施国兰2

1. 贵阳学院生物与环境工程学院，贵阳550005；2. 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012

采集了滇池北部和中心区域2根柱状沉积物样品，分析其常量元素（Fe、Mn、Al、Ti、Ca、K）、微量元素（Ba、Sr、Cu、Pb、Zn、V、Cd）剖面分布特征，并采用Håkanson潜在生态危害指数法对典型重金属（Cd、Cu、Zn、Pb）进行了污染潜在生态风险评估。结果表明：沉积物中常量元素以Fe2O3、CaO及Al2O3为主，MnO、K2O及TiO2含量较少，变化范围是Fe2O3为8.0～14.9%、MnO为0.1～0.2%、Al2O3为9.0～20.1%、TiO2为1.5%～2.8%、CaO为0.4～21.7%、K2O为1.5～2.0%；微量元素Pb, Cd, Zn, Ba, Cu, Sr 及V含量均较高，变化范围是Pb为73.8～105.3 mg·kg-1、Cd为1.0～3.4 mg·kg-1、Zn为123.4～210.6 mg·kg-1、Ba为264.8～435.7 mg·kg-1、Cu为77.5～133.5 mg·kg-1、Sr为34.9～137.5 mg·kg-1以及V为177.7～284.7 mg·kg-1。尤其表层0～12 cm内（1950 s以后），各元素含量值均明显高于12 cm以下各值，20世纪50年代后滇池流域内工农业发展及污染物输入是造成金属元素含量累积的主要因素。沉积物中典型重金属Cu、Zn、Pb、Cd污染潜在生态风险评估结果：Cu、Zn和Pb处于中度污染，且值越接近表层（0～12 cm）其值越高，这表明自1950S后污染程度不断加重，其中Cd累积与污染比较严重，分析多种元素的多因子污染参数之和Cd表明滇池沉积物中多种元素污染整体处于“较高”污染程度，分析多种元素的潜在生态风险指数RI表明滇池沉积物中重金属潜在生态风险处于“很高”水平。同时，滇池北部沉积物中重金属潜在危害较严重且近年来污染有加重趋势。

沉积物；重金属污染；风险评估；滇池

沉积物是湖泊中重金属等化学元素的主要蓄积库之一。沉积物中化学元素的地球化学记录和迁移转化特征对于揭示不同历史时期湖泊环境变迁，气候变化以及自然和人类活动在这一过程中产生的影响等均有重要意义（Li等，2009）。沉积物中化学元素剖面分布特征和迁移转化机理的研究，可以探求元素间的相关性，揭示湖泊历史污染事件，甚至重建湖泊沉积环境演化历史（Zhou等，2001）。另外，对沉积物中典型重金属污染进行风险评价，可有效了解湖泊沉积物中重金属富集特征及污染来源，并预测其对湖泊环境可能产生的潜在的“二次污染”（Huang等，2004；张永三等，2009）。目前，国内学者已在我国长江流域和云贵高原等区域的湖泊开展了大量相关研究工作, 并揭示了湖泊演变与沉积物中化学元素之间的关系（Wu等，2001；Liu等，2008；邴海健等，2010）。

滇池位于昆明市南侧（东经102°36′～102°47′，北纬24°40′～25°02′），是我国西南地区最大的湖泊。滇池为浅水湖泊，以北部一天然沙堤为界分为北部的草海与南部外海（为主体），全湖平均水深为4.4 m，蓄水量约为15.7亿m3。滇池兼有城市供水、工农业用水、旅游、航运、水产养殖、气候调节等诸多功能，在当地的经济和社会发展中具有极其重要的作用。近年来，由于滇池区域特殊的地理位置、周边人口快速增长以及工农业飞速发展，导致滇池内汇集了大量的有毒有害污染物和营养盐（朱元荣等，2010）。尤其是近三十年来，大量N、P等营养物质的输入和湖泊生态破坏，导致滇池的富营养化问题已十分严重（刘勇等，2012）。

目前，关于滇池沉积物的研究，大多侧重于表层沉积物营养盐及重金属污染的调查研究（陈云增等，2006；Gong等，2009；朱元荣等，2011）。本文采集了滇池沉积物柱状样品，测定其重金属元素的含量并分析其剖面分布规律，以及选取典型重金

属进行污染风险评价，旨在认识滇池沉积物中重金属的历史污染状况及其潜在危害性，进而为滇池地区的生态修复提供科学依据。

图1 滇池沉积物采样点位Fig. 1 Map of Lake Dianchi showing coring sites

1 实验材料与方法

1.1样品采集

2010年4月在滇池外海使用自制的重力沉积物采样器分别采集了滇池北部和中部区域的沉积物柱芯样品，包括S1点位和S2点位（图1），现场进行分割处理，表层0～20 cm沉积物以1 cm间隔进行分割，20 cm以下以3 cm间隔进行分割，置于密封袋中并冷冻保存。样品经冷冻干燥处理后，使用玛瑙研钵研磨，并过100目筛后于密封袋中0 ℃以下保存备用。

1.2样品分析

准确称取50 mg沉积物样品于聚四氟乙烯微波消解管中，滴入少量超纯水润湿样品，分别加入2 ml优级纯浓HCl、5 ml优级纯浓HNO3及1 ml优级纯浓HF混匀，加内膜旋转盖，密闭并置于微波炉的旋转托盘上，在190 ℃条件下消解30 min。降温后打开消解管旋盖并转移至水浴锅中，于95 ℃加热赶酸，至消解液颜色由深黄色变为浅黄色（或接近无色）。将消解后的样品转移至50 ml比色管中并定容至50 ml，取其中0.5 ml再次稀释至50 ml。实验选取水系沉积物标准物质GSD-12同步消解并测定。利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）分析测定样品中金属元素含量。

1.3重金属污染风险评价方法

对湖泊沉积物中重金属污染进行生态风险评价可以进一步准确认识和描述其污染程度。其中，Håkanson提出的潜在生态危害指数法能综合体现多种污染物的整体效应，并定量划分了污染物的潜在生态风险程度，本研究采用该方法对滇池沉积物中重金属污染现状进行评价（徐争启等，2008）。

Håkanson提出的潜在生态危害指数法具体步骤如下：

（1）沉积物污染程度的计算，即单一污染物参数计算公式为：

多种污染物的污染参数之和Cd的计算公式为：

（2）沉积物的潜在生态风险指数计算，即单一污染物的潜在生态风险参数计算公式：

表1 重金属的毒性系数Table 1 The toxic factor of heavy metals

多种重金属污染元素的潜在生态风险指数RI计算公式：

2 结果与分析

2.1滇池沉积物中金属元素的剖面分布特征

2.1.1 常量元素和微量元素剖面分布特征

滇池两个点位沉积物中部分常量元素（Fe、Mn、Al、Ti、Ca、K）质量分数(w/%)变化范围分别是：Fe2O3为8.0～14.9%、MnO为0.1～0.2%、Al2O3为9.0～20.1%、TiO2为1.5%～2.8%、CaO为0.4～21.7%、K2O为1.5～2.0%（图2）。两个点位沉积物中均以Fe2O3、CaO、Al2O3为主，MnO、K2O、TiO2含量较少。总体上，S1点位w(MnO)/%和w(CaO)/%显

著高于S2点位，而w(K2O)/%、w(Al2O3)/%低于S2点位，两个点位w(Fe2O3)/%和w(TiO2)/%无明显差异性。这可能与昆明盆地北部多碳酸盐岩与玄武岩等以及南部多碎屑岩与磷块岩的沉积物物源供应差异有关（薛传东等，2007；Wang等，2009）。

图2 滇池沉积物常量元素剖面分布图Fig.2 Vertical profiles of major element fractions in sediments from Dianchi Lake

滇池两个点位沉积物中各微量元素（Pb、Cd、Zn、Ba、Cu、Sr、V）含量变化范围分别是：Pb为73.8～105.3 mg·kg-1、Cd为1.0～3.4 mg·kg-1、Zn为123.4～210.6 mg·kg-1、Ba为264.8～435.7 mg·kg-1、Cu为77.5～133.5 mg·kg-1、Sr为34.9～137.5 mg·kg-1以及V为177.7～284.7mg·kg-1。微量金属元素在剖面上的变化规律基本一致。依据Xiong等利用137Cs精确计年法对滇池沉积速率的测定表明滇池沉积物12 cm处约为20世纪50年代（Xiong等，2010）。滇池沉积0～12 cm内，Zn、Ba、Sr和Cd含量均随着沉积深度增加而增加且约在5 cm处达最大值后又开始减少，12 cm以下变化较小。V、Pb和Cu含量均表现出自表层向下而逐渐增加，其中自12 cm以下变化平缓且趋于稳定（图3）。这表明1950s前后滇池微量元素变化明显，这与该时期内人类活动以及湖泊演变发展有很大关系。其中，流域内工农业发展和污染物排放是主要的影响因素之一（王天阳和王国祥，2008）。同时，沉积物表层0～5 cm内各微量元素含量及变化趋势可能表明近些年物源污染得到一定控制沉积物中化学元素富集量相对减少。

另外，沉积物金属元素中的w(Sr)/w(Ba)比值可以作为判别沉积环境类型和水体盐度的重要参数（Raiswell和Buckley，1988）。滇池两个点位沉积物的w(Sr)/w(Ba)比值均表现为由表层向深层沉积物逐渐减少并趋于稳定，其变化范围分别为：0.17～0.47、0.21～0.50（图4）。这表明在近期滇池演变的过程中，湖泊中的盐度以及沉积物源量是逐渐增加的过程，尤其20世纪50年代以来人类活动更加的频繁可能给滇池沉积物带来更多物源和金属元素污染，但近些年可能有下降的趋势。

图3 滇池沉积物微量元素剖面分布图Fig.3 Vertical profiles of microelement fractions in the Dianchi Lake sediments

图4 滇池沉积物微量元素w(Sr)/w(Ba)比值剖面分布图Fig.4 Vertical profiles of Sr/Ba atomic ratio in the Dianchi Lake sediments

2.1.2 重金属剖面分布特征

湖泊沉积物中重金属作为水体污染重要的敏感指示剂，通过生物富集和放大作用，会对生态系统构成直接或间接的威胁（Farkas等，2007）。本文选取滇池沉积物中典型的4种重金属（Cd、Cu、Zn、Pb）进行分析。结果表明滇池两个点位沉积物中Cd和Zn含量变化趋势均表现为随着沉积深度增加而先增加后降低，其中0～12 cm含量变化明显，12 cm以下变化较平缓。Pb含量剖面变化波动较大，其中表层0～3 cm和17 cm以下含量相对较低，3～17 cm内相对较高。Cu含量表现为随着沉积深度增加而增加（图3和表2）。同时，分析表明S1点位沉积物中4种重金属含量均高于S2点位，其中S1点位沉积物中Cd含量显著高于S2点位。结合整个滇池流域，其中90%以上的企业在草海附近，包括印染厂、造纸厂、冶炼厂及制革厂等（尹家元等，1999）以及北部的Cd和Zn含量高，这表明其对滇池生态潜在污染效应较大。

表2 滇池沉积物重金属含量、国家土壤环境质量标准值及云南土壤背景值Table 2 Heavy metal fractions in the Dianchi Lake sediments, the state soil environment quality standard and yunnan soil background value

依据国家土壤环境质量标准值（GB 15618—1995）以及云南土壤背景值（中国环境监测总站，1990）（表2）表明：滇池两个点位0～12 cm（约近60年来）内沉积物中4种重金属（Cd、Cu、Zn、Pb）含量均显著高于国家土壤环境质量一级标准值（为保护区域自然生态，维护自然背景的土壤环境质量限制值）以及云南土壤背景值，其中Cd含量甚至超过国家土壤环境质量三级标准值（为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值）并达2～3倍。这表明近60年来滇池区域存在重金属污染，其中Cd污染较为严重。

2.2滇池沉积物中重金属的污染风险评价

本文研究的重金属元素（Cd、Cu、Zn、Pb）少于Håkanson提出的8种，根据Håkanson的方法，并结合本研究采用的底泥中污染物数量和种类，对所测污染物的dC和RI值进行了调整，重新定义后的四种重金属元素dC和RI范围见表3（刘成等，2002；徐争启等，2008）。将两个点位沉积物柱样以12 cm为界限，分0～12 cm内（1950 s后）和12 cm以下（1950 s前）研究重

金属污染特征，分析结果见表4和表5。

表3 、、和RI值相对应的污染程度及潜在生态风险程度Table 3 Degrees of contamination and potential ecological risk corresponding to the values of,,and RI

表3 、、和RI值相对应的污染程度及潜在生态风险程度Table 3 Degrees of contamination and potential ecological risk corresponding to the values of,,and RI

C 单因子污染物污染程度dC 总体污染程度ii f E 单因子污染物r生态风险程度 RI 总的潜在生态风险程度＜1 低 ＜5 低微 ＜30 低微 ＜20 低微1～3 中 5～10 中等 30～60 中等 20～40 中等3～6 较高 10～20 较高 60～120 较高 40～80 较高≥6 很高 ≥20 很高 120～240 高 ≥80 很高≥240 很高

表4 滇池沉积物中重金属单因子污染指数及综合污染指数Table 4 The single factor pollution index and synthesis pollution index of sediment heavy metals in Dianchi Lake

表5 滇池潜在生态风险参数和潜在生态风险指数Table 5 The potential ecological risk factor and the potential ecological risk index in Dianchi Lake

3 结论

（1）滇池沉积物12 cm处(约为1950 s)金属元素变化明显，近十几年来滇池流域内工农业快速发展和污染物的输入是导致沉积物物源增加，及一些与人为活动密切相关的常量元素、微量元素（Ba、Sr、Cu、Pb、Zn、V、Cd）增加的重要因素。

（2）滇池沉积物中典型重金属（Cd、Cu、Zn、Pb）污染风险评价分析表明了Cu、Zn、Pb三种重金属为中度污染程度，潜在生态风险程度属于低微水平，然而近60年来重金属污染急剧加重，其潜

在的环境危害也越大。滇池沉积物中Cd污染较严重，潜在生态风险程度属于高-很高污染程度，对生态环境危害较大。同时滇池北部污染较南部严重，这表明人为污染输入可能是重金属污染来源的主要因素。

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sediments of Dianchi Lake

LIU Yong1, ZHU Yuanrong2, WU Fengchang2*, LIAO Haiqing2, LIU Yan1, SHI Guolan2
1. School of Biological and Environmental Engineering, Guiyang University, Guiyang, 550005, China; 2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing, 100012, China

Two sediment profiles were collected from the northern and central parts of Dianchi Lake. Distribution characteristics of major elements (Fe, Mn, Al, Ti, Ca and K) and trace elements (Ba, Sr, Cu, Pb, Zn, V and Cd) were investigated. And then the potential ecological risk of heavy metals (Cd, Cu, Zn and Pb) was analyzed by the method of Håkanson. The contents of Fe2O3, CaO, and Al2O3were high and contributed mainly to the major elements, while the contents of MnO, K2O and TiO2were low in the sediments from Dianchi Lake. The contents of Fe2O3, CaO, Al2O3, MnO, K2O and TiO2were 8.0～14.9 %, 0.4～21.7 %, 9.0～20.1 %, 0.1～0.2 %, 1.5～2.0 %, and 1.5%～2.8 %, respectively. For the trace elements, contents of Pb, Cd, Zn, Ba, Cu, Sr and V were relatively high, which were 73.8～105.3 mg·kg-1, 1.0～3.4 mg·kg-1, 123.4～210.6 mg·kg-1, 264.8～435.7 mg·kg-1, 77.5～133.5 mg·kg-1, 34.9～137.5 mg·kg-1and 177.7～284.7 mg·kg-1, respectively. The contents of these elements were greater in the top 12 cm of sediments, which were due to industrial and agricultural development after 1950s. The ecological risk assessment on 4 typical heavy metals including Cu, Zn, Pb, and Cd showed that the value ofwas greater in the top 12 cm, which indicated the pollution status of heavy metals were serious after 1950 s. The Cu, Zn, and Pb were in the status of moderate pollution. The Cd was accumulated in the sediments, which was in the serious pollution status. The multiple factor pollution index, such as the value of Cd, showed that heavy metal pollution was at the level of “high”. The index of RI for ecological risk assessment also showed that the potential ecological risk was at a “very high” level. Further more, ecological risk of heavy metals from sediments was greater in northern part of Dianchi Lake, and the pollution becomes more serious in recent years.

sediment; heavy metals; risk assessment; Dianchi Lake

X131.2

A

1674-5906（2014）07-1181-06

国家自然科学基金项目(40973090；41261140337)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2008CB418200)

刘勇(1987年生)，男，讲师，硕士研究生，主要从事环境污染与生态修复研究。E-mail: Lyong821mmm@163.com。

吴丰昌，男，研究员，博士，博导，主要从事环境地球化学和水质基准研究。E-mail: wufengchang@vip.skleg.cn

2013-12-27

刘勇，朱元荣，吴丰昌，廖海清，刘燕，施国兰. 滇池沉积物中重金属污染特征及其生态风险评估[J]. 生态环境学报, 2014, 23(7): 1181-1186.

LIU Yong, ZHU Yuanrong, WU Fengchang, LIAO Haiqing, LIU Yan, SHI Guolan. Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sediments of Dianchi Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1181-1186.