鄱阳湖北部湖区沉积物重金属分布及其潜在生态风险评价

杨期勇*，曾明，谢琪，程鹏飞，邱秀文，黄亮，赵军凯

1. 九江学院鄱阳湖生态经济研究中心，江西 九江 332005；2. 九江学院化学与环境工程学院，江西 九江 332005；

3. 九江市流域管理与生态保护重点实验室（九江学院），江西 九江 332005；4. 九江学院旅游与国土资源学院，江西 九江 332005

重金属元素具有难降解、易积累、毒性大和易被生物富集吸收等特点，是对环境人体健康最具有威胁的污染物之一。微量浓度重金属即可产生毒性，在微生物作用下会转化为毒性更强的有机金属化合物，可被生物富集，过量的重金属除了对鱼类自身生理活动造成影响，如镉可改变鱼类的营养结构，抑制鱼鳃对钙的吸收，影响鱼类生长代谢及组织器官功能（涂宗财等，2017），还可通过食物链进入人体，造成慢性中毒。

鄱阳湖是中国第一大淡水湖，承担着调洪蓄水、调节气候、降解污染等多种生态功能，其湖滨湿地、滩涂具有重要的生态价值，是多种珍稀鸟类和动物的栖息地，在中国乃至全球生态格局中具有十分重要的地位。鄱阳湖流域重金属资源丰富，其中信江中游的永平铜矿和乐安河中、下游的德兴铜矿，是中国著名的大型铜业基地。近年来，随着鄱阳湖流域工业化、城镇化的快速发展，大量的重金属随着河流排放入湖，2006—2012年乐安河流域企业每年排放含重金属工业废水均超过3×106t，含6种主要重金属（Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、As），这些含重金属工业废水排入乐安河后，会优先吸附在颗粒物上，随河水一起流入鄱阳湖（伍恒赟等，2014）。

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，沉积物中的重金属污染物在一定条件下，如受到水流扰动，会再次进入水体而造成二次污染（乔胜英等，2005；Kunwar et al.，2005）。长期以来，沉积物重金属对环境的污染，受到国内外专家学者的广泛关注（Ghrefat et al.，2006；Yu et al.，2008；Coz et al.，2008；Yao et al.，2009；Sun et al.，2010）。近年来，受气候变化和人类活动的影响，鄱阳湖枯水期时间延长，湖泊低水位频发，湖泊的“河流属性”显著，推动了水体中的重金属由“水相”转“固相”从而进入沉积物中，给湖泊渔业和水生态环境带来了潜在的生态隐患（金艳等，2007；刘婉清等，2014）。

前人基于沉积物现场调查数据，对鄱阳湖流域沉积物重金属分布特征和污染现状进行了研究（弓晓峰等，2006；李鸣，2010；胡春华等，2011；刘婉清等，2014；伍恒赟等，2014；简敏菲等，2014）。本文基于丰、枯水期鄱阳湖入江水道、内湖北部湖区的沉积物调查资料，分析了区域内沉积物重金属的分布特征和影响因素，并进行了重金属污染的潜在风险评价。

1　实验部分

1.1　样品采集

分别于2015年7月鄱阳湖丰水期和2015年11月枯水期，在鄱阳湖入江水道和内湖北部湖区采集了11个和12个表层沉积物样品（丰水期的姑塘镇站未取样成功），采样站点布设如图1和图2所示。在枯水期到来之前鄱阳湖湖区出现强降雨，使得采样湖区水位只比丰水期采样时低3 m左右。

通过自制拖拉式采样器对鄱阳湖表层沉积物进行采样。沉积物经自然风干，玛瑙研磨过100目筛选，装入预处理封口袋中备用。

1.2　测试方法

沉积物中Cd测定采用石墨炉原子吸收分光光度法（GB/T17141—1997），Hg采用冷原子吸收分光光度（GB/T17136—1997），As采用原子荧光法（GB/T22105.2—2008），Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T17138—1997），Pb采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法（GB/T17140—1997）。

1.3　评价方法

潜在生态风险指数法是瑞典学者 Hakanson（1980）提出的，该方法综合考虑了重金属元素的毒性、重金属元素污染的敏感性，以及重金属元素区域背景值的差异，并给出了重金属元素潜在生态风险程度的定量划分，是国内外沉积物质量评价中应用最为广泛的方法之一，其评价公式为：

式中，RI为沉积物中多种重金属潜在生态风险指数；Ci为污染物的实测值（mg·kg-1）；为鄱阳湖流域沉积物重金属背景值（《鄱阳湖研究》编委会，1988），如表1所示；为单个污染物

图1　鄱阳湖丰水期调查点位Fig. 1　The survey sites of Poyang Lake in high-water period

图2　鄱阳湖枯水期调查点位Fig. 2　The survey sites of Poyang Lake in low-water period

表1　沉积物中重金属含量参考值和毒性系数Table 1　Reference value and toxicity coefficient of heavy metal in sediment

2　结果与讨论

2.1　鄱阳湖北部湖区沉积物重金属分布特征

丰水期Cd质量分数最高的是赣江北支采样点，达2.941 mg·kg-1（表3），最低的是湖口渡口采样点，为 0.64 mg·kg-1，均值为 1.87 mg·kg-1；Cu 质量分数最高的是星子水文站采样点，达51.26 mg·kg-1，最低的是赣江中支采样点，为19.71 mg·kg-1，均值为36.56 mg·kg-1；Zn质量分数最高的是棠荫水文站采样点，达256.83 mg·kg-1，最低的是虞家河采样点，为 82.02 mg·kg-1，均值为 270.28 mg·kg-1；Cr质量分数最高的是星子水文站采样点，达75.41 mg·kg-1，最低的是赣江中支采样点，为30.06 mg·kg-1，均值为51.09 mg·kg-1；Ni质量分数最高的是棠荫水文站采样点，达63.60 mg·kg-1，最低的是虞家河采样点，为 22.26 mg·kg-1，均值为 50.78 mg·kg-1；Pb 质量分数最高的是都昌水文站采样点，达75 mg·kg-1，最低的是屏峰山采样点，为 36 mg·kg-1，均值为 56 mg·kg-1；Hg质量分数最高的是棠荫水文站采样点，达0.138 mg·kg-1，最低的是赣江中支采样点，为0.05 mg·kg-1，均值为 0.09 mg·kg-1；As质量分数最高的是星子水文站，达17.88 mg·kg-1，最低的是湖口渡口采样点，为 9.28 mg·kg-1，均值为 17.94 mg·kg-1。

表2　各指标范围对应的污染程度Table 2　The degree of pollution corresponding to each indicator range

表3　丰水期重金属检测结果Table 3　Heavy metal detection results in high-water period　　　　　　　　　mg·kg-1

枯水期Cd质量分数最高的是星子水文站采样点，达1.407 mg·kg-1（表4），最低的是大湖池采样点，为 0.623 mg·kg-1，均值为 0.93 mg·kg-1；Cu质量分数最高的是黄金嘴采样点，达66.65 mg·kg-1，最低的是棠荫水文站采样点，为28.09 mg·kg-1，均值为40.22 mg·kg-1；Zn质量分数最高的是吴城镇码头采样点，达393.05 mg·kg-1，最低的是湖口水文站采样点，为 123.35 mg·kg-1，均值为 197.50 mg·kg-1；Cr质量分数最高的是星子水文站采样点，达42.25 mg·kg-1，最低的是柳树湾航道采样点，为 25.96 mg·kg-1，均值为 33.65 mg·kg-1；Ni质量分数最高的是黄金嘴采样点，达34.54 mg·kg-1，最低的是棠荫水文站采样点，为 21.03 mg·kg-1，均值为 27.36 mg·kg-1；Pb质量分数最高的是黄金嘴采样点，达340 mg·kg-1，最低的是大湖池采样点，为 48 mg·kg-1，均值为119.45 mg·kg-1；Hg质量分数最高的是大湖池采样点，达0.188 mg·kg-1，最低的是屏峰山—长岭采样点，为 0.05 mg·kg-1，均值为 0.088 mg·kg-1；As质量分数最高的是黄金嘴采样点，达 91.80 mg·kg-1，最低的是大湖池采样点，为 14.95 mg·kg-1，均值为 35.92 mg·kg-1。

鄱阳湖底泥中Cd、Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Hg、As等8种重金属元素在丰水期和枯水期的均值，与鄱阳湖流域沉积物重金属背景值（《鄱阳湖研究》编委会，1988）进行比较，结果如图3所示。由图3可知，除Ni外，其余7种重金属均值含量都高于背景值，尤其是Cu、Zn和Pb，其在枯水期的均值分别是背景值的8.68倍、4.67倍、9.28倍。

李鸣（2010）研究了鄱阳湖丰水期、平水期、枯水期水体中重金属含量，认为不同时期湖区水体中Pb、Cu、Zn、Cr、Cd的含量整体变化不大，枯水期和平水期Fe、Mn含量整体高于丰水期。涂淑玲等（2005）对2004年平水期（4月）与枯水期（10月）鄱阳湖湖区水体进行了采样，研究发现平水期和枯水期水体重金属含量整体变化不大；简敏菲等（2015）研究发现采样点水体中Cu、Pb、Cd等重金属的浓度均未超出地表水环境质量Ⅲ类标准限值。综合前人研究成果，水体中重金属的浓度变化不大，且均低于地表水环境质量标准中Ⅲ类水的限值，因此本文未对水体进行采样和分析，研究发现沉积物中重金属含量能较好地反映不同区域重金属污染情况。

表4　枯水期重金属检测结果Table 4　Heavy metal detection results in low-water period　　　　　　　　　mg·kg-1

表5　沉积物重金属均值与背景值Table 5　The mean values and background values of heavy metal in sediment　　　　　mg·kg-1

图3　鄱阳湖沉积物重金属均值与背景值柱状图Fig. 3　A histogram of the background value and the mean value of heavy metal in sediment of Poyang Lake

2.2　沉积物重金属含量趋势分析

赣江水系和饶河水系是鄱阳湖五大水系中的两条主要水系（图 4），本调查中的棠荫水文站、都昌水文站、赣江北支、星子水文站、屏峰山、湖口水文站等 6个采样点较均匀分布在这两大水系中，其中星子水文站处于赣江水系与饶河水系交界处（图 5）。丰、枯水期从棠荫水文站至湖口水文站6个采样点沉积物中各重金属含量趋势如图6所示，图中散点从左至右分别对应棠荫水文站向北至湖口各水文站，这6个站位丰水期沉积物重金属含量整体上高于枯水期。

图4　鄱阳湖两大水系分布图Fig. 4　Two water systems of Poyang Lake

图5　6个采样点位分布图Fig. 5　Distribution map of 6 smpling sites

对图6中重金属在棠荫水文站以北站位的趋势进行了分析，得出了以下结论，（1）丰水期Cd含量高于枯水期，内湖站位的沉积物含量整体上高于入江水道站位；枯水期入江水道沉积物Cd含量整体上高于内湖站位。（2）6个采样点沉积物中 Cu含量在丰水期和枯水期都呈现出较明显增加的趋势。在丰水期调查的棠荫水文站以北的9个采样点中，入江水道中除了星子水文站和湖口水文站外，其他几个采样点沉积物中Cu含量整体上小于内湖中的棠荫水文站、赣江南支站和都昌水文站等采样点。除黄金嘴站位外，枯水期内湖站位Cu含量略低于入江水道中的站位。（3）丰水期沉积物Zn含量整体上高于枯水期，丰水期6个采样点的Zn含量没有表现为明显的变化趋势，枯水期则呈现较明显的下降趋势。（4）在丰、枯水期，6个采样点的Cr含量呈现升高的趋势，丰水期入江水道口的赣江北支采样点和星子水文站采样点沉积物的 Cr含量明显高于其他采样点。（5）各采样点枯水期Pb含量整体高于丰水期，丰水期各采样点 Pb含量变化较小，枯水期除棠荫水文站外，其他采样点 Pb含量变化亦不明显。枯水期的棠荫水文站 Pb含量大大高于其他5个采样点，且棠荫水文站附近的柳树湾航道、黄金嘴两个采样点的 Pb含量也明显高于其他点（见表4）。（6）丰水期沉积物Ni含量明显高于枯水期。丰水期各采样点Ni含量变化较小，表现为缓慢的下降趋势；枯水期各采样点沉积物的Ni含量表现为小幅的上升。（7）丰水期沉积物的Hg含量高于枯水期，丰水期各采样点Hg含量表现为下降的趋势，枯水期Hg含量则呈现小幅的上升。（8）枯水期 As含量整体高于丰水期，在丰、枯水期都表现为下降的趋势，丰水期变化较小，而枯水期下降趋势较为明显。枯水期的柳树湾航道、黄金嘴两个取样点沉积物的 As含量明显高于其他采样点（见表4）。

图6　重金属含量散点分布图Fig. 6　Scattered points distribution of heavy metals content

上述关于丰、枯水期的鄱阳湖湖区的表层沉积物重金属分布的趋势分析与前人研究基本一致。刘婉清等（2014）根据 2012年丰、枯水期鄱阳湖湖区多站位表层沉积物调查数据，分析了丰、枯水期沉积物重金属的分布态势，认为丰水期沉表层积物Cr、Pb、Cu、Zn、Cd等重金属含量整体高于枯水期，表现为丰水期湖区东南部高于西北部和入江水道，而枯水期则表现为湖区西北部和入江水道高于东南部。

2.3　重金属分布的影响因素

重金属的分布与河流输入量、湖泊水位和水动力以及湖泊岸线息息相关，本文针对这些因素，对重金属的空间分布的影响因素进行了分析。

2.3.1河流输入量的影响

鄱阳湖重金属主要来源于五大入湖河流输入的工业污水（吕兰军，1994；弓晓峰等，2006），李鸣（2010）基于五大入湖河流入湖段的水体和沉积物调查资料，发现Pb和Cr主要来源于信江、饶河和抚河，Cu和 Cd主要来源于信江和饶河，Zn则主要来源于信江、饶河和赣江，丰水期入湖河流重金属含量高于枯水期，五大河入湖段和湖区沉积物重金属含量平均值如表6所示。本研究发现，河流的输入对鄱阳湖重金属的分布具有重要的作用，丰水期河流输入重金属的量超过枯水期，使得丰水期湖泊沉积物重金属含量整体上高于枯水期；前人研究发现信江、饶河和赣江是鄱阳湖湖区 Zn的主要来源（李鸣，2010），本次丰水期调查期内湖区和入江水道各站位沉积物Zn含量变化不大（图6），这可能与丰水期赣江水体中有较多的 Zn流入入江水道有关。

表6　五大河入湖段和湖区沉积物重金属平均质量分数Table 6　The mean value of heavy metals mass fraction in sediment of 5 river tails and lake area　　　mg·kg-1

2.3.2湖泊水位、水动力的影响

鄱阳湖表现为高水位时呈现湖相，低水位时为河相，形成“洪水一片，枯水一线”的独特景观（彭俊，2015）。丰水期湖泊水量较大，水位较高，五河来水进入鄱阳湖后，水体流速骤降（张琍等，2014），携带的污染物易于沉积，导致各重金属含量高且分布集中；相对于丰水期的高水位湖面，枯水期鄱阳湖水位较低，具有河流属性，该阶段湖水落槽，鄱阳湖内湖的流速较高（李云良，2013），更容易将大量沉积于五河河口处的沉积物重金属冲刷至水体中，携带至更远的区域，使得鄱阳湖枯水期沉积物重金属分布更均匀（刘婉清等，2014）。

本研究发现丰水期内湖站位沉积物中Cd含量整体上高于入江水道站位（图 6），这可能由于湖区Cd主要来源于信江、饶河和抚河，丰水期湖泊水位较高，较多的Cd沉积在河流入湖处，随着距离加长，沉积物中Cd含量减少；枯水期入江水道站位沉积物中Cd含量高于内湖站位，这可能由于枯水期河流Cd来量减少，湖泊河流属性增强，重金属向下游河道扩散，使得入江水位沉积物中 Cd含量较高。

在丰水期调查的棠荫水文站以北的9个采样点中，除了星子水文站和湖口水文站外，入江水道中其他几个采样点Cu含量整体上小于内湖中的棠荫水文站、赣江南支和都昌水文站等采样点。除黄金嘴外，枯水期内湖采样点Cu含量略低于入江水道中的采样点。

枯水期湖泊的河流属性增强，沉积物中重金属向下游河道扩散，使得入江水道沉积物中的含量高于内湖区，本次调查中几个采样点的Zn、Cr、Ni、Hg等重金属都表现出这种趋势（图6）。

2.3.3湖泊岸线的影响

鄱阳湖岸线形态对于沉积物中重金属的分布有重要的影响。枯水期的黄金嘴、柳树湾航道采样点的Zn、Pb、As含量明显高于其他点位，这段湖岸为农业区，没有工业排放污染源，重金属含量高可能是由于鄱阳湖岸线在此有较明显的突出，而枯水期鄱阳湖湖区水位较低，河流属性加强，突出的岸线使水体中的悬浮泥沙容易在此沉积，因而重金属含量较高。

2.3.4降雨的影响

任泓泉等（2013）研究表明河流上游暴雨引起洪峰，上游沉积物中重金属随洪水流入下游水库，使得水库水质和沉积物的重金属污染加重。本次枯水期调查前发生了一场强降雨，使得调查时水位较高，降雨对于沉积物重金属的分布有一定的影响。鄱阳湖枯水期河流属性增强，降雨使得湖区流速加大，会导致五大入湖河流河口区富含重金属的沉积物向下游输运，也会增高北部湖区和入江水道水域的沉积物重金属含量。

表7　生态风险评价结果Table 7　Ecological risk assessment results

2.4　污染物重金属评价

3　结论

根据 2015年丰水期和枯水期鄱阳湖北部湖区的沉积物调查资料，分析了沉积物中Cd、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Hg等重金属在调查水域的分布特征，揭示了重金属分布的影响因素，并采用Hakanson重金属元素潜在生态风险指数评价了沉积物中重金属个体风险危害程度和综合风险危害程度。结论如下：

（1）丰水期鄱阳湖北部湖区沉积物中Cd、Cr、Ni含量整体上高于枯水期，枯水期沉积物中 Cu、Zn、Pb、As含量整体高于丰水期。

（2）鄱阳湖沉积物中8种重金属，除Ni外，其他重金属在沉积物中的含量均高于鄱阳湖流域沉积物重金属背景值，其中Cu、Zn和Pb的枯水期均值分别是背景值的8.68倍、4.67倍、9.28倍。

（3）受河流输入量、湖泊水位和水动力以及湖泊岸线等因素的影响，北部湖区沉积物重金属含量分布具有一定的规律性：丰水期河流输入重金属的量超过枯水期，使得丰水期湖泊沉积物重金属含量整体上高于枯水期；枯水期湖泊的河流属性增强，沉积物中重金属向下游河道扩散，使得入江水道沉积物中的含量高于内湖区；鄱阳湖岸线形态对沉积物中重金属的分布有重要的影响，枯水期鄱阳湖湖区水位较低，河流属性加强，突出的岸线使水体中的悬浮泥沙易沉积于此，故其重金属含量较高。

（4）鄱阳湖底泥重金属潜在生态风险评价结果表明：鄱阳湖底泥重金属均存在一定的潜在危害性，鄱阳湖个体潜在危害程度顺序为：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Zn＞Cr，其中 Cd 的个体潜在危害指数为417，潜在危害风险性极高。综合潜在生态风险指数RI均值为528.4，属于极强潜在生态危害。

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