洞庭湖表层沉积物重金属生态风险及其变化趋势研究

张光贵，田琪，郭晶

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，岳阳 414000



洞庭湖表层沉积物重金属生态风险及其变化趋势研究

张光贵*，田琪，郭晶

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，岳阳 414000

尽管针对洞庭湖沉积物中重金属的研究工作较多，但是针对其生态风险及其变化趋势的研究工作比较少见。基于2012年2月和2013年4月对洞庭湖9个具有代表性监测点位的采样分析以及相关监测历史资料的收集，采用Hakanson生态危害指数法，研究了洞庭湖表层沉积物中重金属的生态风险及其变化趋势。结果表明，洞庭湖表层沉积物中Cd、Hg、As、Cu和Pb的含量分别为0.60～20.7 mg·kg-1、0.090～0.640 mg·kg-1、10.4～83.7 mg·kg-1、17.9～70.9 mg·kg-1和16.9～95.8 mg·kg-1，其大小顺序为Pb>Cu>As>Cd>Hg。洞庭湖表层沉积物中重金属单因子生态风险程度顺序为Cd>Hg>As>Pb>Cu，Cd和Hg为主要重金属风险污染物，其中Cd为首要污染物；全湖RI 值在117.10～589.80之间，平均289.99，在空间分布上，表现为南洞庭湖区>西洞庭湖区>东洞庭湖区；根据Hakanson提出的分级标准，南洞庭湖区Cd具有极高的生态风险，全湖生态风险程度为中。初步分析结果表明，30年来，除Hg外，其它重金属生态风险均有一定上升，其中以Cd的上升趋势较明显，全湖重金属生态风险程度由低生态风险上升到中生态风险，提高了一个等级。因此，洞庭湖流域重金属污染治理应以湘江和资水的Cd为重点。

重金属；污染；生态风险；变化趋势；洞庭湖；表层沉积物

近年来湖泊重金属污染问题日益严重，成为国内外十分关注的环境问题之一。一般情况下，湖泊沉积物是各种污染物质的“汇”，但在一定条件下沉积物中的重金属又会释放到上覆水中，沉积物转成水体污染的“源”[1]，严重影响湖泊上覆水体的质量，造成水环境的“二次污染”和生态风险[2-6]。此外，表层沉积物是水体中底栖生物的重要生活场所和食物来源，沉积物中的重金属可直接或间接地对水生生物产生毒害作用，并通过生物富集、食物链放大等过程进一步影响陆地生物和人类[7]。目前，沉积物中重金属的生态毒性或生态风险已引起了研究者的广泛关注[8]，因此研究沉积物中重金属的潜在生态风险及其变化趋势对防控湖泊水体重金属污染有重要指导意义。

洞庭湖是目前长江中游荆江段唯一与长江干流直接相通的湖泊，具有调蓄、饮用、渔业、灌溉、航运、调节湖区气候、旅游和生物多样性保护等重要生态功能。相关研究结果表明，洞庭湖水系已受到不同程度的污染[9]，重金属健康风险不断增加[10]，洞庭湖水质呈总体下降趋势[11-12]。尽管近年来有学者针对洞庭湖沉积物重金属开展了相关研究，如姚志刚等[13]对洞庭湖各水系入湖口和湖区沉积物的重金属环境地球化学特征进行了研究，祝云龙等[14]对洞庭湖不同湖区沉积物中重金属含量及其空间分布、污染状况与来源进行了研究，万群等[15]对东洞庭湖沉积物中重金属的分布特征、污染程度与来源进行了研究，唐晓娇等[16]和李飞等[17]分别采用基于盲数理论的水体沉积物重金属污染评价模型和基于梯形模糊数的沉积物重金属污染风险评价模型对洞庭湖沉积物重金属污染状况进行了评价，左兰兰等[18]利用潜在生态危害指数法对洞庭湖沉积物中重金属生态风险进行了评价，祝慧娜等[8]在潜在生态危害指数法的基础上，引入区间排序法对洞庭湖沉积物中重金属生态风险进行了分析，但对洞庭湖沉积物中重金属生态风险变化趋势的研究尚未见报道。目前，沉积物重金属污染生态风险评价方法较多，具有代表性的主要有地累积指数法、潜在生态危害指数法、沉积物质量基准法等[7]，由于潜在生态危害指数法不仅考虑了重金属含量，而且将重金属的生态、环境与毒理学联系在一起，同时也顾及了背景值的地区差异性[19]，因而得到了广泛应用与认可[20-21]。本研究通过对洞庭湖表层沉积物中镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铜(Cu)和铅(Pb)等重金属含量的测定，利用潜在生态危害指数法对其潜在生态风险现状进行评价，同时搜集洞庭湖沉积物中重金属监测的历史资料，对洞庭湖表层沉积物中重金属生态风险变化趋势进行分析，以期为了解和掌握洞庭湖沉积物中重金属生态风险状况及其变化趋势、防控洞庭湖水体重金属污染提供参考和依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，北接长江松滋、太平、藕池三口，南纳湘、资、沅、澧四水，经城陵矶汇入长江，湖体呈近似“U”字形，总流域面积25.72万km2，集水面积104万km2，水位33.50 m时(岳阳站，黄海基面)，湖长143.00 km，最大湖宽30.00 km，平均湖宽17.01 km，湖泊面积2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相应蓄水量167亿m3，是我国第二大淡水湖。受泥沙淤积、筑堤建垸等自然和人类活动的影响，洞庭湖现已明显地分化为西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3个不同的湖泊水域。洞庭湖为一典型的过水性洪道型湖泊[22]，兼具河流与湖泊双重属性，其水流方向大致为西洞庭湖→南洞庭湖→东洞庭湖→长江[23]。

1.2 样品采集

为较好地反映沉积物中重金属污染状况，克服单次监测点位少、数据代表性不够的缺陷，本研究选择在沉积物环境相对稳定的非汛期(枯水期)进行了两次监测。分别于2012年2月和2013年4月，采用抓斗式采泥器采集洞庭湖表层沉积物样品，采样深度约0～10 cm，每个采样点采集3个平行样品现场混匀，装入封口袋，4℃保存。采样点的布设参考了洞庭湖水质常规监测断面，共设置9个采样点，其中西洞庭湖区3个，分别是南嘴(S1)、蒋家嘴(S2)和小河嘴(S3)，南洞庭湖区3个，分别是万子湖(S4)、横岭湖(S5)和虞公庙(S6)，东洞庭湖区3个，分别是鹿角(S7)、东洞庭湖(S8)和洞庭湖出口(S9)，所有采样点采用便携式GPS定位，采样点位置见图1。

1.3 样品处理及分析

所采沉积物样品经冷冻干燥后去除各种杂质，再经玛瑙研钵研磨处理后过100目尼龙筛，分装于塑料袋中密封以待测。

Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg采用冷原子吸收分光光度法测定，As采用原子荧光法测定，Cu、Pb采用火焰原子吸收分光光度法测定。为保证分析的准确性，实验每个样品设置2个平行样，平行分析误差<5%，取平均值为结果。

1.4 评价方法

1.4.1 潜在生态危害指数

潜在生态危害指数法[24]由瑞典科学家Hakanson于1980年提出，是一种相对快速、简单和标准的用于划分沉积物污染程度及水域潜在生态风险的方法。潜在生态危害指数计算公式如下：

1.4.2 生态风险贡献率

为了找出沉积物中重金属的主要风险污染物，引入生态风险贡献率ki，并将ki按从大到小的顺序累加，确定∑ki>80%的前几项污染物为主要风险污染物。

1.4.3 评价参数的确定

图1 洞庭湖采样点分布Fig. 1 Sampling sites in Dongting Lake

表1 沉积物中重金属的参比值和毒性系数

1.4.4 生态危害程度划分标准

表2 沉积物中重金属生态危害程度分级标准

2 结果(Results)

2.1 沉积物中重金属的含量

洞庭湖表层沉积物中重金属的监测结果见表3。由表3可知，洞庭湖表层沉积物中Cd在0.60～20.7 mg·kg-1之间，平均值为5.77 mg·kg-1；Hg在0.090～0.640 mg·kg-1之间，平均值为0.225 mg·kg-1；As在10.4～83.7 mg·kg-1之间，平均值为26.2 mg·kg-1； Cu在17.9～70.9 mg·kg-1之间，平均值为39.1 mg·kg-1；Pb在16.9～95.8 mg·kg-1之间，平均值为53.7 mg·kg-1。同一重金属在不同样点间的变异程度不同，其中Cd的变异系数最大，As、Hg、Pb次之，Cu的变异系数最小。洞庭湖表层沉积物中重金属含量的大小顺序为Pb>Cu>As>Cd>Hg。

2.2 沉积物中重金属的生态风险评价

全湖RI 值在117.10～589.80之间，平均289.99，生态风险程度为中，西洞庭湖区、南洞庭湖区和东洞庭湖区的RI 值分别为194.00、496.37和179.62，表现为南洞庭湖区>西洞庭湖区>东洞庭湖区，南洞庭湖区具有高生态风险，西洞庭湖区和东洞庭湖区的生态风险为中。

2.3 生态风险变化趋势分析

为了分析洞庭湖表层沉积物重金属生态风险变化趋势，本研究还搜集了洞庭湖表层沉积物中重金属监测的历史资料[13,15-16,29]，利用相同方法对重金属生态风险进行评价，并将其评价结果与上述评价结果进行比较，具体见表5、图2。

表3 洞庭湖表层沉积物重金属监测结果统计

表4 洞庭湖表层沉积物中重金属生态风险评价结果

表5 重金属生态风险评价结果比较

图2 不同年份潜在生态危害指数比较Fig. 2 Comparison of the potential ecological risk indexes in different years

3 讨论(Discussion)

洞庭湖表层沉积物中重金属生态风险以Cd最高，Hg次之，其它重金属较低，此评价结果与左兰兰等[18]的基本一致。南洞庭湖区特别是横岭湖(S5)和虞公庙(S6)表层沉积物中重金属生态风险较高，主要是受入湖河流湘江和资水的影响，有研究结果表明，南洞庭湖区湘江和资水入湖的河口三角洲上沉积物重金属含量最高[14,30]。湖南素有“有色金属之乡”之称，矿产资源丰富，特别是湘江流域衡阳水口山的铅锌矿、郴州的钨矿、湘潭的锰矿和资水流域锡矿山的锑矿更是蜚声中外，然而随着矿产资源的开发和洞庭湖流域工业生产的迅速发展，洞庭湖水系水质已受到不同程度的重金属污染，尤以湘江和资水污染较为严重[10]。西洞庭湖区的蒋家嘴(S2)表层沉积物中重金属生态风险相对较高可能与沅江河口沉积物中Hg和Cd含量较高有关[13]。

30年来，尽管Cd和Hg仍是洞庭湖表层沉积物中重金属的主要风险污染物，但Cd和Hg的生态风险贡献率发生了相反的变化，即Cd的贡献率不断上升，Hg的贡献率不断下降，首要风险污染物由1984年的Hg变为2004年后的Cd。因此，洞庭湖流域重金属污染治理应以湘江和资水的Cd为重点。

万群等[15]的研究结果表明，洞庭湖沉积物中Hg主要受工业废物排放和有色采冶支配，周军等[31]的分析结果表明，2004～2008年，湖南省工业废水中Hg的排放量呈逐年下降趋势，洞庭湖表层沉积物中Hg的生态风险贡献率下降可能与洞庭湖流域工业企业Hg的排放量减少有关。

在洞庭湖表层沉积物重金属生态风险变化趋势分析中，没有考虑不同年份沉积物样品采集、前处理与分析方法等不一致可能带来的影响，这本身就存在一些不确定性，因此本研究所得生态风险变化趋势分析结论仅仅是初步结果。

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Heavy Metal Ecological Risk of Surface Sediments in Dongting Lake and Its Tread

Zhang Guanggui, Tian Qi, Guo Jing

Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province, Yueyang 414000, China

Received 19 September 2014 accepted 29 October 2014

Although there are many studies on heavy metals in Dongting Lake sediments, the information regarding heavy metal ecological risk and its trend is little. This paper discussed the heavy metal ecological risk of surface sediments in Dongting Lake and its trend, based on sampling analysis of 9 representative monitoring sites in February 2012 and April 2013 and some historical monitoring data. Hakanson's Potential Ecological Risk Index (RI ) Method was employed in this paper. The results show that the contents of Cd, Hg, As, Cu and Pb in surface sediments range from 0.60 mg·kg-1to 20.7 mg·kg-1, 0.090 mg·kg-1to 0.640 mg·kg-1, 10.4 mg·kg-1to 83.7 mg·kg-1, 17.9 mg·kg-1to 70.9 mg·kg-1and 16.9 mg·kg-1to 95.8 mg·kg-1, respectively. The descending order is as follows: Pb>Cu>As>Cd>Hg. The potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Dongting Lake can be arranged as Cd>Hg>As>Pb>Cu. Cd and Hg are the main heavy metal risk pollutants, and Cd is the primary pollutant. The RI values of the whole lake are between 117.10 and 589.80, with an average value of 289.99. The spatial distribution of RI average values has certain characteristics. South Dongting Lake is the highest area, West Dongting Lake is the middle one, and East Dongting Lake is the lowest region. According to the classification standard proposed by Hakanson, the Cd in South Dongting Lake has extremely high ecological risk. The ecological risk level of Dongting Lake is medium. In terms of the preliminary analysis, the ecological risks of other heavy metals have risen, to some extent, in the past 30 years, except Hg. And Cd's rising trend is obvious. The heavy metal ecological risk level in Dongting Lake has changed from low risk to medium. Therefore, heavy metal pollution control in Dongting Lake basin should focus on Cd in Xiangjiang River and Zishui River.

heavy metals; pollution; ecological risk; trend; Dongting Lake; surface sediments

张光贵(1964-), 男, 学士, 主要从事水环境监测与生态研究, E-mail: zhangguanggui64@163.com

10.7524/AJE.1673-5897-20140919001

2014-09-19 录用日期：2014-10-29

1673-5897(2015)3-184-08

X171.5

A

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