鄱阳湖湖口段沉积物重金属污染特征及潜在生态风险评价

冯 敏, 杨晓琴, 陈 玲, 黄 庭

(1.武汉博源中测检测科技有限公司，湖北 武汉 430000；2.南昌大学 资源环境与化工学院 ，江西 南昌 330000)

鄱阳湖湖口段沉积物重金属污染特征及潜在生态风险评价

冯 敏1, 杨晓琴1, 陈 玲1, 黄 庭2

(1.武汉博源中测检测科技有限公司，湖北 武汉 430000；2.南昌大学 资源环境与化工学院 ，江西 南昌 330000)

为了解鄱阳湖与长江交汇区沉积物中重金属含量以及各污染物的潜在生态危害程度，通过采样分析As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等7种重金属含量及污染特征分布的基础上，采用地积累指数法和潜在生态风险指数法对鄱阳湖底泥中的重金属污染进行综合性的评价分析.结果表明，鄱阳湖湖口段沉积物已经受到了不同程度的重金属污染；沉积物中Cd、Cu和Hg受人为影响比较严重，Cr、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的积累；区域重金属元素潜在生态风险主要受制于Hg和Cu，潜在生态风险贡献率大小排序为：Hg(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).图2，表4，参16.

鄱阳湖；沉积物；重金属；生态风险评价

重金属污染是一个极为严峻的环境问题，其主要特点为污染范围广、持续时间长、污染隐蔽性高、难以被降解[1].重金属在湖泊中通过生物富集和放大作用转化成具有更强毒性的重金属化合物，对水生动植物产生巨大的危害，从而破坏湖泊的生态环境并对人体健康构成潜在的影响[2].湖泊沉积物作为湖泊环境中重金属的主要储存库，可以反映湖泊中重金属污染的状况，并对湖水具有持久影响，同时沉积物中的重金属污染物有成为二次污染源的潜在危险[3].

鄱阳湖地处江西省北部，是中国最大的淡水湖泊，它以赣、抚、信、饶、修5大水系为主体，流域总面积16万km2.改革开放以来，鄱阳湖流域经济发展迅速，人口密度大，工矿企业集中，物资和能源消耗相对密集，其水体成为各类污染物的接纳场所，流域的土壤、底泥、沉积物以及水生动植物都面临着严峻的重金属污染威胁，这已经成为影响该区域生态安全的重要问题[4].近年来，鄱阳湖区域逐渐成为国内外湖泊重金属污染的研究热点，鄱阳湖及其流域重金属污染的研究成果较为丰富[5-8]，多见于对中心湖区沉积物和流域河流中沉积物中重金属污染的评价报道，而对鄱阳湖与长江交汇区水域沉积物生态风险重金属污染评价研究尚未开展.因此，以湖口县鄱阳湖与长江交汇区域的沉积物为研究对象，采用文献[9]的地积累指数法以及文献[10]的潜在生态危害指数法对湖口段的沉积物中的重金属污染特征和潜在生态危害进行评价，分析区域重金属污染特征与生态风险等级，以期为该区环境质量评价和生态环境修复提供科学依据和技术支撑.

1 采样与分析

1.1 区域背景与采样点

鄱阳湖位于江西省的北部，长江中下游南岸，115°50′～ 116°44′E,28°25′～ 29°45′N，是一个过水性、吞吐型、季节性的湖泊.研究区域为鄱阳湖湖口段是鄱阳湖汇入长江的终点，也是长江下游的起点，区域内丘陵地貌突出，山丘起伏，港汊纵横，水域宽广.气候属于亚热带湿润性气候，雨量充沛，四季分明，年平均气温17.4 ℃；最冷月(1月)平均气温4.2 ℃，最热月(7～8)平均气温28.8 ℃，常年无霜期258.8天；年平均降水量1 442.5 mm.采样点空间分布如图1所示，通过实地调查，在充分考虑样点布局的空间变异基础上，进一步控制结果的高精度，按照1 km2内采集一个沉积物样品的标准，使用沉积物采样器进行采样，共计采样21个点.

图1 研究区地理位置与采样点分布示意图Fig.1 Location and sampling sites of the study area

1.2 样品的处理及测定

2013年10月利用重力采样器分别在鄱阳湖湖口区采集湖泊沉积物，样品共计21个.样品运回实验室后，放在低温真空抽湿干燥机中对样品进行冷冻干燥48 h，待干燥完成，除去沙石、动植物碎片等明显异物，混合均匀，用玛瑙碾钵将样品研细过100目尼龙筛，用四分法进行缩分得到样品，供重金属含量分析测试用.

As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等6种重金属元素样品用王水酸化消解后，采用美国PerkinElmer公司电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定其浓度，利用国家标准样品多元素标准溶液为参考溶液，样品分析误差小于±10%.Hg元素用王水酸化消解后采用原子荧光光谱仪(AFS2202E)进行测定.

2 重金属测定结果及污染评价

2.1 湖口段沉积物中重金属含量与分布规律

2.1.1 鄱阳湖湖口段沉积物中重金属含量

对鄱阳湖湖口段沉积物中的重金属含量进行测定，结果如表1所示.表2是鄱阳湖重金属元素的背景值.

表1 鄱阳湖湖口段沉积物中重金属含量(单位：mg/kg)

表2 鄱阳湖底质重金属元素含量背景值 (mg/kg)

研究区域沉积物中7种重金属元素的含量范围分别是：As在8.45～18.79 mg/kg、Cd在0.12～0.70 mg/kg、Cr在54.70～101.00 mg/kg、Cu在22.90～57.40 mg/kg、Hg在0.03～0.15 mg/kg、Pb在21.54～49.40 mg/kg、和Zn在50.90～160.60 mg/kg之间.可以看出，研究区域沉积物重金属元素含量变化均比较明显.变异系数能够反映总体土壤样品中各个采样点的平均变异程度[11-12].研究区域沉积物中不同重金属元素含量的变异差异较大，表层重金属变异系数由大到小依次为：Cd(46.1%) > Hg(38.9%)>Cu(27.8%) >Zn(24.0%) > Pb(21.6%) > As(19.8%) > Cr(14.8%).这反映了重金属在该研究区域分布的不均质性，即变异系数越大，则该元素在研究区沉积物中含量分布越不平均，说明受人类活动干扰越明显.此外，有研究表明土壤中元素受人为活动影响将产生较大的正偏度[13].从表1中看出，研究区重金属元素Cd、Cu和Hg均具有较高的正偏度，这进一步表明研究区土壤中Cd、Cu和Hg受人为影响比较严重.

从重金属元素的含量来看，除了As和Cd之外，Cr 、Cu、Hg、Pb、Zn元素的平均含量高于鄱阳湖沉积物背景值，分别为背景值的2.69、7.51、1.30、2.93、2.48倍，说明湖口段沉积物中Cr 、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的积累.

2.1.2 鄱阳湖湖口段沉积物中重金属分布规律

研究区沉积物中As金属元素最大值出现在5号采样点，最小值是在21号采样点.沉积物中重金属As含量超标点(2，6，5，11)主要分布在湖段左侧靠近庐山区的湖岸.

研究区沉积物中Cd金属元素最大值出现在4号采样点，最小值是在21号采样点.沉积物中重金属Cd含量主要分布在湖段右侧靠近4号采样点的湖口县湖岸.

研究区域内沉积物重金属Cr含量均高于鄱阳湖沉积物背景值，沉积物中Cr金属元素最大值出现在2号采样点，最小值是在21号采样点.Cr含量浓度梯度主要是由湖段左岸的2号采样点和右岸的4、8、14和19号采样点向下游扩散.

研究区域内沉积物重金属Cu含量均高于鄱阳湖沉积物背景值，研究区沉积物中Cu金属元素最大值出现在4号采样点，最小值是在20号采样点.高浓度区域集中在4、8、14和19号采样点，靠近研究区域右岸的湖口县湖岸.

研究区沉积物中Hg金属元素最大值出现在靠近湖口县湖岸的4号采样点，最小值是在21号采样点.

研究区沉积物中Pb金属元素最大值出现在19号采样点，最小值是在21号采样点.金属Pb高含量浓度分布在湖口县湖岸的4号和19号采样点附近.

研究区沉积物中Zn金属元素最大值出现在16号采样点，最小值是在21号采样点.金属Zn高含量浓度分布在湖口县湖岸的4和19号采样点附近和靠近左湖岸庐山区的11和16号采样点附近.

从结果中可以看出，靠近湖岸两边的4、8、11、14、19号点重金属元素含量相对较高，大坝隔断的20、21、15号采样点附近重金属元素含量较低.

2.2 地积累指数评价法

2.2.1 地积累指数评价法及背景参照标准

地积累指数(Index of Geoaccumulation,Igeo)是德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller[9]于1979年提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标.计算公式为：

式中,Ci是元素i在小于2 μm 沉积物中的含量；Bi为质沉积岩(即普通岩)中该元素的地球化学背景值，研究采用鄱阳湖底泥背景值作为参照标准；1.5是考虑了各地岩石差异可能会引起的变动而取的系数.Igeo值与重金属污染水平关系见文献[7].

2.2.2 沉积物中各金属元素的地积累指数及其分级

各采样点沉积物中的地积累指数以及指数分级见表3.Cr、Cu、Pb、Hg、Zn的地积累指数比较突出，其中Cu的地积累指数为3，为中度到强度污染.As和Cd基本没有污染，其余的为轻度和中度污染.

从总体的污染程度分析，各污染物的地积累污染程度大小排序为：Cu> Pb> Cr> Zn> Hg> As> Cd.

表3 地累积指数Igeo与污染程度Tab.3 Index of Geo-accumulation and pollution classification

2.3 重金属的潜在生态危害评价

2.3.1 重金属生态风险评价方法

研究使用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法[10]对研究区土壤重金属生态风险进行评价.其计算公式为：

式中，RI为总的重金属元素潜在生态风险指数；Ei为重金属元素潜在生态危害系数；Ti为重金属元素的毒性系数，毒性系数分别取10(As)、30(Cd)、2(Cr)、5(Cu)、40(Hg)、5(Ni)、5(Pb)和1(Zn)[14,15]；Ci为重金属含量；Co为重金属背景值，采用鄱阳湖底质重金属背景值[16]；总的潜在生态风险指数RI为各重金属Ei之和.重金属的潜在生态风险分级标准见表4.

表4 潜在生态风险指数与分级标准Tab.4 Potential ecological risk index and grading criteria

2.3.2 重金属生态风险系数和风险指数空间分布

湖口段沉积物重金属Ei和RI值的空间分布特征如图2所示.7种重金属元素在沉积物中的Ei值变化范围分别为：As：6.32～14.05；Cd：7.84～28.04；Cr：3.69～6.81；Cu：24.11～60.42；Hg：24.38～93.75；Pb：8.62～19.76；Zn：1.11～3.51.由此可知，湖口段沉积物中Hg和Cu的Ei值显著高于其它5种重金属元素，且二者均呈现出明显的空间变化性.此外，大多数采样点As、Cd、Cr、Pb和Zn的Ei值则基本都低于40.

根据重金属元素Ei平均值大小，得到7种重金属元素潜在生态风险排序为：Hg(51.82)>Cu (37.55)>Pb(14.66)>Cd(12.22)>As(10.74)>Cr(5.38) >Zn(2.48).根据生态风险指数与分级标准可知，研究区表层土壤中Hg和Cu的潜在生态风险处于中等风险等级，其余Pb、Cd、As、Cr和Zn元素均处于轻微风险等级.

研究区沉积物7种重金属元素平均的潜在生态风险贡献率大小排序为：Hg(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%)，由此不难看出，研究区重金属元素潜在生态风险主要受制于Hg和Cu，两者联合潜在生态风险贡献近66%，因此应给予格外的关注.由图2可知重金属元素对研究区沉积物各个采样点位总的潜在生态风险程度.其中2号(170.2)、3号(154.1)、4号(222.34)、8号(165.4)、11号(159.4)、14号(185.4)、19号(190.6)采样点超过了150，潜在生态风险属于中等级别，而其余点位属于潜在生态风险轻微级别.

图2 鄱阳湖湖口段沉积物重金属元素生态风险评价结果Fig.2 Results of potential ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Poyang Lake

3 结论与讨论

对鄱阳湖湖口段的沉积物中的重金属浓度水平和分布状况进行了调查研究，借助于地累积指数和生态危害评价法研究周边环境生态风险情况，得出结论如下：

(1)研究区域中Cd、Cu和Hg受人为影响比较严重；

(2)沉积物中Cr、Cu、Hg、Pb和Zn均存在一定程度的积累；(3)研究区重金属元素潜在生态风险主要受制于Hg和Cu，潜在生态风险贡献率大小排序为：Hg(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).

鄱阳湖作为中国第一大淡水湖，为长江流域的一个重要的过水性、吞吐型、季节性的浅水湖泊，湖区的重金属污染在空间上存在较大的差异性.由于鄱阳湖流域面积较大，当前的研究未能深入分析整个湖区的重金属污染状况和污染特征，只有通过全面的采样调查，才能准确获取区域的重金属分布数据，从而对湖区进行潜在生态风险评价.本研究主要通过湖泊沉积物这个单一指标进行重金属生态风险评价，具有一定的代表性与典型性，却不完善.因此，在以后的研究中，需要联合分析多种重金属元素载体(水体与水生植物)，从时间和空间的尺度结合其含量及赋存形态，探讨重金属污染来源、成因以及湖区生态风险.

[1] 任旭喜.土壤重金属污染及防治对策研究[J].环境保护科学,1999,25(5):31-33.

Ren Xu-xi.The heavy metal pollution in soil and the prevention measurement [J].Environmental Protection Science,1999,25(5):31-33.

[2] 邴海健,吴艳宏,刘恩峰,等.长江中下游不同湖泊沉积物中重金属污染物的累积及其潜在生态风险评价[J].湖泊科学,2010,22(5):675-683.

Bing Hai-jian,Wu Yan-hong,Liu En-feng,et al..The accumulation and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the sediment of different lakes with in the middle and lower reaches of Yangtze River[J].Journal of lake sciences,2010,22(5):675-683.

[3] 乔胜英,蒋敬业,向 武,等.武汉地区湖泊沉积物重金属的分布及潜在生态效应评价[J].长江流域资源与环境,2005,14(3):353-357.

Qiao Sheng-ying,Jiang Jing-ye,Xiang Wu,et al.Distribution of heavy metals in sediments in lakes in Wuhan with assessment on their potential ecological risk[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2005,14(3):353-357.

[4] 赵其国,黄国勤,钱海燕.鄱阳湖生态环境与可持续发展[J].土壤学报,2007,44(2):318-326.

Zhao Qi-guo,Huang Guo-qin,Qian Hai-yan.Ecological environment and sustainable development of Poyang Lake [J].Acta Pedologica Sinica,2007,44(2):318-326.

[5] 张 杰,陈 熙,刘倩纯,等.鄱阳湖主要入湖口重金属的分布及潜在风险评价[J].长江流域资源与环境,2014,23(01):95.

Zhang Jie,Chen Xi,Liu Qian-Chun,et al.Distribution and potential risk assessment of heavy metals in the sediment main estuaries of lake Poyang’s tributaries[J].Resources and environment in the Yangtze Basin,2014,23(01):95.

[6] 简敏菲,徐鹏飞,熊建秋,等.乐安河-鄱阳湖段湿地表土重金属污染风险及水生植物群落多样性评价[J].生态与农村环境学报,2013,29(4):415-421.

Jian Min-fei,Xu Peng-fei,Xiong Jian-qiu,et al.Risk of heavy metal pollution in surface soil and diversity of aquatic plant communities in the Le’an River [J].Journal of ecology and rural environment.2013,29(4):415-421.

[7] 弓晓峰,陈春丽,周文斌,等.鄱阳湖底泥中重金属污染现状评价[J].环境科学,2006,27(4):732-736.

Gong Xiao-feng,Chen Chun-li,Zhou Wen-bin,et al.Assessment on heavy metal pollution in the sediment of Poyang Lake [J].Environmental science.2006,27(4):732-736.

[8] Zhang X,Zhang S,Ying W,et al.Heavy metals pollution on the sediments in lakes Dianchi,Erhai and Poyanghu and historical records[J].GeoJournal,1996,40(1-2):201-208.

[9] Muller G 1979.Schwermetalle in den sediment des Rheins,Veranderungem Seit 1971.Umschau,79:778-783.

[10] Hakanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control.A sedimentological approach[J].Water research,1980,14(8):975-1001.

[11] Nezhad M T K,Tabatabaii S M,Gholami A.Geochemical assessment of steel smelter-impacted urban soils,Ahvaz,Iran[J].Journal of Geochemical Exploration,2015,152(152):91-109.

[12] Lv J,Yang L,Zhang Z,et al.Factorial kriging and stepwise regression approach to identify environmental factors influencing spatial multi-scale variability of heavy metals in soils [J].Journal of Hazardous Materials,2013,261(13):387-397.

[13] Martín J A R,Ramos-Miras J J,Boluda R,et al.Spatial relations of heavy metals in arable and greenhouse soils of a Mediterranean environment region (Spain) [J].Geoderma,2013,200:180-188.

[14] Yi Y,Yang Z,Zhang S.Ecological risk assessment of heavy metals in sediment and human health risk assessment of heavy metals in fishes in the middle and lower reaches of the Yangtze River basin [J].Environmental Pollution,2011,159(10):2 575-2 585.

[15] Zhao Q,Liu S,Li D,et al.Spatio-temporal variation of heavy metals in fresh water after dam construction:A case study of the Manwan Reservoir,Lancang River[J].Environmental Monitoring & Assessment,2011,184(7):4 253-4 266.

[16] 鄱阳湖研究编委会.鄱阳湖研究[M].上海:上海科学技术出版社,1988.

The editorial Committee of “Studies on Poyang Lake”.Studies on Poyang Lake [M].Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1998.

Abstract：In order to investigate the heavy metals content and the pollutant potential ecological hazards in sediments from the confluent area of Yangtze River and Poyang Lake,the contamination of sediment heavy metals in Poyang Lake was comprehensively assessed by the geoaccumulation index and the potential ecological risk index based on sampling analysis of heavy metals (As,Cd,Cr,Cu,Hg,Pb and Zn) and pollutant characteristics.The results showed that the sediments in Poyang Lake were polluted to a certain degree by heavy metals,from which Cd,Cu and Hg were mainly influenced by human activities,and Cr,Cu,Hg,Pb,and Zn were accumulated in the study area.The potential ecological risk of heavy metal elements in the region were mainly controlled by Hg and Cu,and their contribution rates were sorted by size as follows:Hg(38.4%)>Cu(27.8%)>Pb(10.9%)>Cd(9.1%)>As(8.0%)>Cr(4.0%)>Zn(1.8%).2figs.,4tabs.,16refs.

Keywords：Poyang Lake; sediment; heavy metals; ecological risk assessment

Biography：FENG Min,female,born in 1986，engineer,environmental monitoring.

PollutantCharacteristicsandEcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsinSedimentsfromtheConfluentAreaofYangtzeRiverandPoyangLake

FENGMin1，YANGXiao-qin1，CHENLing1，HUANGTing2

(1.Wuhan Boyuanzhongce Testing Technology Co., LTD,Wuhan,Hubei,430000,China;2.School of Resources,Environmental &Chemical Engineering,Nanchang University.Nanchang,Jiangxi,330000)

X131.3

A

2017-05-17

国家自然科学基金项目( 编号:41402312A)

冯 敏( 1986-) ，女，陕西渭南人 ，工程师，研究方向:环境监测．

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.03-001