南方河网地区鱼塘与河涌底泥重金属污染现状调查与评价

严 桦，徐颂军，刘晓伟，丘锦荣，卢文洲

（1. 华南师范大学地理科学学院，广东 广州 510631；2. 环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655；3.国家环境保护水环境模拟与污染控制重点实验室，广州 510655；4. 广东省水与大气污染防治重点实验室，广州 510655）

近年来，农业污染作为影响我国水环境安全的首要因素，国家战略要求加强控制面源污染（主要为农业源）、改善水环境质量和人居环境健康［1］。随着经济发展水平的提高和人口密度的增大，畜禽饲养趋向规模化发展，单位耕地面积的畜禽粪便污染也日益严重，且逐渐向人口密集、水系较发达的东部各省份聚集，尤其是南方河网地区［2-3］。作为我国水产品养殖高度集约化的南方河网地区，其水质环境的安全对水产养殖和人类健康至关重要。由于大规模的畜渔混养养殖场在南方地区，对畜禽粪便和饲料投放的处理主要以鱼塘消纳为主、土地利用为辅，导致鱼塘及其附近河涌底泥中畜禽粪便和重金属的大量蓄积，不仅会加重环境污染对附近水环境的威胁，也会增加畜禽粪便污染对食品和人体健康影响的风险［4-7］。

国内外的大量研究表明，底泥对重金属污染物具有极强的累积作用，且随着上覆水体环境条件的变化，底泥沉积物中的重金属可能被释放造成“二次污染”［8-10］。因此，加强对南方河网地区养殖场所属鱼塘及其附近河涌底泥中重金属的研究非常迫切。目前，国内外关于水体底泥中重金属污染特征、污染程度评价已经有大量的研究，但多以某具体河道、某湖泊或某海湾为研究对象研究底泥重金属污染状况［11-17］，而对于河网地区畜禽养殖废物造成的环境污染研究鲜见报道。本研究通过单因子污染指数和综合污染指数对我国南方河网地区畜渔混养鱼塘及其附近河涌底泥中重金属含量分布规律、污染状况进行评价，并利用相关性分析探讨重金属污染的原因，旨在为重金属污染控制及其风险评价提供基础数据，为河网地区水环境风险防控对策提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

样品采自南方河网地区4家典型养殖场（ZXF、YS、YX、FH）所属鱼塘及其塘外河涌，用柱状采泥器，按每隔10 cm间距分层采集0～10、11～20、21～30、31～40 cm 等 4层底泥样品，共采集32个底泥样品。

1.2 测定指标及方法

样品采集后，在塑料盆中搅匀，用塑料袋封装运至实验室，自然风干后取约10 g底泥，105℃烘至恒重，测定含水率。将风干后底泥过1 mm筛，去除可见植物组织和大砂砾等，研磨过0.150 mm筛，用于检测分析pH值、有机质、全氮（TN）、全磷（TP）、铜、锌、铅、总铬、砷等指标，具体分析方法见表1。

表1 主要测定指标分析方法

1.3 评价方法

采用中国绿色食品发展中心推荐的单项污染指数法和综合污染指数法［18］，土壤评价标准参考无公害水产品产地环境要求的重金属限值［19］。单项污染指数计算公式为：

式中，Pi为重金属元素的污染指数，Ci为重金属含量实测值，Si为水产养殖底质环境质量标准值。当Pi＜1时，表示底泥未受污染；反之，表示底泥受污染，且Pi值越大，受污染程度越严重。

在单项污染指数评价的基础上，采用兼顾单因子污染指数平均值和最大值的内梅罗综合污染指数（Pm）法进行评价，其计算公式为：

式中，Pm为采样点的综合污染指数，Pimax为i采样点重金属污染物单项污染指数中的最大值，为单因子指数平均值。Pm≤0.7污染等级为安全，0.7＜Pm≤1为安全警戒线，1＜Pm≤2为轻污染，2＜Pm≤3为中污染，Pm＞3为重污染。

1.4 数据统计

试验数据用Excel 2016软件进行处理，利用SPSS17.0进行相关性分析，并采用Origin 9.0作图分析。

2 结果与分析

2.1 鱼塘与河涌不同深度底泥基本理化性质分析

从图1可以看出，南方河网地区猪鱼混养鱼塘及其附近河涌底泥pH介于5.13～8.32之间，65.63%的样品pH低于7.0，说明底泥主要呈偏酸性；有机质含量为5.49～68.31 g/kg，平均为17.94 g/kg；全氮和全磷含量分别为0.393～4.155和0.191～9.111 g/kg。鱼塘底泥的pH值略高于河涌底泥，表层底泥又高于底层底泥；与有机质含量变化趋势一样，河涌底泥的全氮和全磷含量均比鱼塘底泥高，且最大值均出现在河涌表层底泥中。此外，河涌的有机质、全氮和全磷含量垂直分布规律是由表层向底层明显递减，而在鱼塘底泥中各层变化规律不明显。

图1 河涌与鱼塘不同深度底泥的基本理化性质

表2 河涌与鱼塘不同深度底泥的主要重金属含量（mg/kg）

2.2 鱼塘与河涌不同深度底泥重金属含量分析

鱼塘与河涌各点位样品不同深度底泥的主要重金属As、Cr、Cu、Pb、Zn含量测定结果（表2）表明，鱼塘底泥的As含量变化范围在45.6～103.2 mg/kg，河涌在 35.2～123.0 mg/kg。进一步分析发现，河涌表层底泥的As含量高于底层，平均为73.21 mg/kg，比鱼塘底泥（70.06 mg/kg）略高。

Cr含量在底泥中的垂直分布规律表现为0～10 cm＞ 11～20 cm ＞ 21～30 cm ＞ 31～40 cm，且河涌底泥的Cr含量（133.66 mg/kg）为鱼塘（54.36 mg/kg）的2.5倍。其中，河涌位点ZXF和FH在0～10 cm底泥的Cr含量最高，分别达到535.0和368.6 mg/kg，远超出区域背景值［20］。

从测定结果看，鱼塘与河涌各位点样品不同深度底泥的Cu含量最大值是采样点河涌FH、达到637.0 mg/kg，比同位点的鱼塘高出29倍。鱼塘与河涌各位点样品不同深度底泥的Pb含量介于14.10～84.00 mg/kg之间，河涌底泥的平均Pb含量为44.44 mg/kg，鱼塘底泥则为39.91 mg/kg。河涌采样位点FH中表层0～10 cm的Zn含量最高、达到1076.5 mg/kg，最低Zn浓度是河涌位点ZXF中底层31～40 cm、为26.7 mg/kg。

2.3 鱼塘与河涌底泥理化性质与重金属含量的相关性分析

从表3相关性分析看，底泥中有机质含量与总氮、总磷以及重金属Cu、Pb、Zn含量呈显著正相关关系，相关系数分别为0.862、0.904、0.900、0.468、0.895。进一步分析发现，底泥中总氮、总磷含量与重金属Cu、Pb、Zn含量呈显著正相关关系。然而，底泥理化性质（如pH、总氮、总磷等）与重金属As、Cr的相关性不大，说明重金属Cu、Pb、Zn的污染主要受有机质含量与总氮、总磷的影响，而As、Cr污染与Cu、Pb、Zn重金属污染的来源不同，说明底泥重金属的来源并不单一。

表3 底泥理化性质与重金属含量的相关性分析

2.4 鱼塘与河涌底泥重金属污染评价

底泥评价标准参考《无公害水产品产地环境要求》中几种重金属的限值，各样品重金属单项和综合污染指数结果见图2和表4。从单项指数上看，鱼塘与河涌底泥重金属重污染程度表现为 As＞Cr＞Cu＞Zn＞Pb，其中在所有样品中As的重污染比例高达78.1%，受到Cr重污染的有12.5%，Cu和Zn的重污染分别有2个和1个样品，所占比例较小，各位点未受到Pb的重污染。受到中污染的有As占18.8%，Cr和Cu都只有2个样品，占6.3%。约有50%位点受到Cr的轻度污染，受到Cu和Pb轻污染的均占25%。总体看来，河涌底泥受污染程度比鱼塘底泥高。

从综合污染指数分析，其污染等级可分为3个等级，其中重污染占40.6%、中污染占46.9%、轻污染占12.5%，所有样品都受到轻污染及以上程度的影响，亟需进行污染控制和底泥疏浚治理。由图2和表4可知，河涌FH和ZXF两个位点的0～10 cm底泥受到的污染程度最高，其Pm分别高达15.61和8.00，这是由于河涌FH养殖场主要受到Cu、Cr和Zn污染的影响，而河涌ZXF主要受As和Cr污染的影响。根据最终的评价分析结果，YS养殖场的鱼塘底泥相对清洁，但是其Pm值也达1.99，处于轻污染状态。总体来看，河涌底泥的重金属污染程度严重高于鱼塘，这与单因子污染评价指数的分析结果相一致。

图2 河涌与鱼塘底泥主要重金属污染指数分布

表4 底泥主要重金属污染的内梅罗综合指数

3 结论与讨论

本研究结果表明，南方河网地区典型养殖场的鱼塘及其附近河涌底泥受多种重金属不同程度的污染，河涌底泥中各重金属含量远高于鱼塘，其中河涌底泥中营养盐和重金属含量还呈现表层富集现象。在垂直剖面上，河涌底泥重金属呈现出由表层向底层递减的趋势，说明近几年南方河网地区的河涌底泥重金属有加重的趋势，人类活动的影响日益加剧。各重金属单项污染指数中污染指数最高的是As，多为重污染，其次是Cr，Cu、Pb、Zn较小，多为轻污染。各样品位点的综合污染指数均大于1，说明南方河网地区典型养殖场的鱼塘及其附近河涌底泥样品均受到轻污染及以上的影响，其中重污染占40.6%、中污染占46.9%，且河涌底泥污染程度比鱼塘底泥更严重。南方河网地区的养殖场尤其是养猪场的养殖废物处置主要以鱼塘消纳为主、土地利用为辅，且鱼塘水每年定期或不定期外排，导致周边河涌营养盐和重金属得以大量沉积。因此，高度集约化的畜渔混养的养殖行为是导致河涌底泥严重沉积的主要因素。

本研究结果表明，鱼塘与河涌底泥各采样点的 As、Cr、Cu、Pb、Zn等重金属含量均明显高于区域背景值，且河涌ZXF采样点表层（0～10 cm）底泥的重金属含量均显著高于鱼塘。此外，各采样位点的鱼塘与河涌底泥重金属含量分布不均，表现为河涌FH底泥0～10、11～20、21～30、31～40 cm土层的重金属分布为 Zn＞ Cu ＞ Cr ＞ Pb ＞As，而鱼塘 FH 底泥的重金属分布则为 As ＞ Zn ＞ Cr ＞ Pb ＞ Cu。谢文平等［21］研究表明，鱼塘底泥中重金属元素Cr、Cu、Zn、As、Hg、Cd、Pb的平均含量分别为83.86、46.19、242.16、32.38、0.64、1.00和 60.06 mg/kg，重金属污染程度依次为 Cd＞ Hg＞ Zn＞ Pb＞As＞ Cu＞ Cr，其中Cd污染程度为中强，是底泥污染最严重的元素。

进一步研究发现，采样点河涌ZXF、YS、YX底泥0～10、11～20、21～30 cm等泥层的重金属含量高于底层（31～40 cm）。而采样点鱼塘 ZXF、YS、YX、FH 底泥 0～10、11～20、21～30、31～40 cm等泥层的重金属含量未呈现有规律的变化趋势。侯晓辉［22］研究表明，河涌底泥中不同重金属的垂直变化规律不一样，具体表现为Zn含量随深度增加呈锯齿状下降，Cr、Pb含量整体上呈“表层低、中间高、底层低”的趋势，Cu表层高、底层低，这与本研究的结果不太一致，可能是由于周围环境差异所造成的。

在垂直剖面上，本研究结果表明，河涌不同深度的底泥中有机质、全氮、全磷和重金属含量表现为由表层向底层递减的趋势，前人研究也表明在垂直剖面上不同类型湖区沉积物的营养盐和重金属均表现出表层向深层递减的特征［23-24］。但这种趋势在鱼塘底泥中表现不明显，这可能是因为鱼塘定期清淤，爆气增氧导致鱼塘底泥受到人为扰动的原因［25］。相关研究还表明，底泥中重金属的垂直剖面分布特征可反映底泥重金属的污染历史及不同时间段人类活动对重金属污染的影响程度，因此河涌底泥重金属由表层向底层递减的分布特征说明最近几年河涌底泥的重金属污染日益严重，大规模畜渔混养等养殖行为对其附近河涌底泥重金属污染的影响不断加剧［26］。

单项污染指数评价结果表明，养殖场的鱼塘及其附近河涌底泥重金属含量远远超出《无公害水产品产地环境要求》标准，且河涌底泥比鱼塘底泥污染程度更为严重。其中以As污染最严重，有78.1%样品的底泥为重污染程度；其次是Cr，有12.5%为重污染程度；Cu、Pb、Zn重金属污染程度多为轻污染。谢文平等［27］研究结果表明，养殖鱼塘底泥中7种重金属的单项潜在生态风险指数表现为Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr，其中As的潜在生态风险指数最大，这是因为As的毒性系数较高，除Hg、Cd外与本研究结果基本一致。

综合污染指数分析结果表明，南方河网地区典型养殖场的鱼塘及其附近河涌底泥的污染程度已相当严重。许振成等［28］研究表明，北江底泥受多种重金属污染且污染程度相当严重，各种重金属的污染程度表现为Zn＞As＞Pb≈Cu＞Cr，这与本研究区域的污染程度相似。

鱼塘与河涌底泥中重金属污染与理化性质的相关性分析表明，底泥中重金属Cu、Pb、Zn与有机质、全氮、全磷呈显著的正相关性。由此可知，底泥蓄积造成的营养盐释放成为鱼塘与河涌污染的内源负荷。鱼塘与河涌底泥中重金属Cu、Pb、Zn呈显著正相关，说明Cu、Pb、Zn具有同源污染的特征；而As、Cr重金属污染与Cu、Pb、Zn重金属污染的来源不同，说明底泥重金属的来源并不单一。侯晓辉［22］研究也发现，底泥中Cu含量与Zn含量呈显著正相关，但Pb含量与Cu、Zn含量的相关性不显著，这可能是因为环境不同所造成的。

参考文献：

［1］ 杨飞，杨世琦，诸云强，等. 中国近30年畜禽养殖量及其耕地氮污染负荷分析［J］. 农业工程学报，2013，29（5）：1-11.

［2］ 仇焕广，廖绍攀，井月，等. 我国畜禽粪便污染的区域差异与发展趋势分析［J］. 环境科学，2013，34（7）：2766-2774.

［3］ 王世琴，张乃锋，屠焰，等. 我国南方地区草食畜禽养殖现状及饲料对策［J］. 中国畜牧杂志，2017，53（2）：151-156.

［4］ 蔡继晗，李凯，郑向勇，等. 水产养殖重金属污染现状及治理技术研究进展［J］. 水产科学，2010，29（12）：749-752.

［5］ 潘丹，孔凡斌. 养殖户环境友好型畜禽粪便处理方式选择行为分析—— 以生猪养殖为例［J］. 中国农村经济，2015（9）：17-29.

［6］ 孔凡斌，王智鹏，潘丹. 畜禽规模化养殖环境污染处理方式分析［J］. 江西社会科学，2016，36（10）：59-65.

［7］ 莫海霞，仇焕广，王金霞，等. 我国畜禽排泄物处理方式及其影响因素［J］. 农业环境与发展，2011，28（6）：59-64.

［8］ 宋静宜，傅开道，苏斌，等. 澜沧江水系底沙重金属含量空间分布及其污染评价［J］. 地理学报，2013，68（3）：389-397.

［9］ 张霖琳，梁宵，魏复盛. 汀江某河段底泥中重金属含量的测定及生态风险评价［J］. 环境化学，2012，31（7）：945-951.

［10］ 杨卓，李贵宝，王殿武，等. 白洋淀底泥重金属的污染及其潜在生态危害评价［J］. 农业环境科学学报，2005（5）：115-121.

［11］ 滑丽萍，华珞，高娟，等. 中国湖泊底泥的重金属污染评价研究［J］. 土壤，2006（4）：366-373.

［12］ 宋宪强，雷恒毅，余光伟，等. 重污染感潮河道底泥重金属污染评价及释放规律研究［J］. 环境科学学报，2008（11）：2258-2268.

［13］ 宁建凤，邹献中，杨少海，等. 广东大中型水库底泥重金属含量特征及潜在生态风险评价［J］. 生态学报，2009，29（11）：6059-6067.

［14］ 范文宏，张博，陈静生，等. 锦州湾沉积物中重金属污染的潜在生物毒性风险评价［J］. 环境科学学报，2006（6）：1000-1005.

［15］ 张俊华，卢翠玲，刘玉寒，等. 开封城郊河道底泥重金属形态垂向分布特征及风险评价［J］.农业环境科学学报，2017，36（6）：1192-1201.

［16］ 权轻舟. 国内湿地重金属污染评价的研究进展［J］. 中国农学通报，2017，33（8）：60-67.

［17］ 吴金莲. 北京城市流域底泥重金属形态特征及其生态风险评价［J］. 水土保持研究，2017，24（5）：321-328.

［18］ 中国绿色食品发展中心. 绿色食品 产地环境调查、监测与评价规范（NY/T1054-2013）［S］.2013.

［19］ 国家质量监督检验检疫总局. 农产品安全质量 无公害水产品产地环境要求（GB/T 18407.4-2001）［S］. 2001.

［20］ 张山岭，杨国义，罗薇，等. 广东省土壤无机元素背景值的变化趋势研究［J］. 土壤，2012，44（6）：1009-1014.

［21］ 谢文平，余德光，郑光明，等. 珠江三角洲养殖鱼塘水体中重金属污染特征和评估［J］. 生态环境学报，2014，23（4）：636-641.

［22］ 侯晓辉. 广州市三条重污染河涌底泥中主要污染物的垂直分布研究［D］. 广州：华南理工大学，2012.

［23］ 毛志刚，谷孝鸿，陆小明，等. 太湖东部不同类型湖区疏浚后沉积物重金属污染及潜在生态风险评价［J］. 环境科学，2014，35（1）：186-193.

［24］ 丁涛，田英杰，刘进宝，等. 杭州市河道底泥重金属污染评价与环保疏浚深度研究［J］. 环境科学学报，2015，35（3）：911-917.

［25］ 王漫漫，陆昊，李慧明，等. 太湖流域典型河流重金属污染和生态风险评估［J］. 环境化学，2016，35（10）：2025-2035.

［26］ 马玉，李团结，高全洲，等. 珠江口沉积物重金属背景值及其污染研究［J］. 环境科学学报，2014，34（3）：712-719.

［27］ 谢文平，覃顺枫，马丽莎，等. 海南淡水养殖环境中有机氯农药及重金属残留情况分析［J］.环境化学，2017，36（6）：1407-1416.

［28］ 许振成，杨晓云，温勇，等. 北江中上游底泥重金属污染及其潜在生态危害评价［J］. 环境科学，2009，30（11）：3262-3268.