洞庭湖表层底泥重金属污染及其生态风险评价

樊 娟, 吴文晖, 胡树林, 潘海婷, 廖岳华

(1.湖南省环境监测中心站, 长沙 410014;2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，长沙 410014)

1 前 言

湖南被誉为“有色金属之乡”, 有色金属开采冶炼已有上百年历史。有色金属采选和冶炼给国家创造了巨大的经济效益，同时也给生态环境带来了很大压力[1～3]。湖南省地表水资源相对较为丰富，全省境内河流通过洞庭湖汇入长江。资料显示，湖南境内的主要河流均不同程度地受到了重金属污染[4～6]。目前，关于洞庭湖底泥重金属污染及分布的研究尚不多见。姚志刚等[7]于2004年10月采集了洞庭湖湖区底泥样59件，研究了采桑湖区、大通湖区、西洞庭湖区、万子湖区、横岭湖区和东洞庭湖区的Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As和Hg的平均含量，运用地累积指数法对其污染程度进行了评价。祝云龙等[8]于2003～2004年在西洞庭湖、南洞庭湖、东洞庭湖和大通湖、城陵矶采集700个沉积物样品，测定了沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的含量，并用地积累指数方法和主成分分析法对沉积物中的重金属污染状况进行了评价和分析。万群等[9]基于2008年1月对东洞庭湖6个监测断面的采样分析，通过地累积指数模型、多变量分析理论和主成分分析法，研究了东洞庭湖沉积物中重金属的污染富集分布特征及其主要来源。左兰兰等[10]根据2003～2010年的Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd和Hg监测数据，分析和评价了洞庭湖沉积物中重金属污染及生态风险。2011年《湘江重金属污染治理实施方案》获国务院批准，湖南省在全国率先全面开展重金属污染治理试点。

2011年启动实施以来，湘江流域重金属污染最严重的株洲清水塘、湘潭竹埠港、长沙七宝山、衡阳水口山、郴州三十六湾、岳阳原桃林铅锌矿和娄底锡矿山等7大区域，污染综合整治取得明显成效，共关闭、淘汰、改造、搬迁涉重金属企业800多家，开工建设了239个项目，总投资255亿元。截至目前，已完成投资108亿元，湘江流域汞、镉、铅、砷、总铬累计减排200多t。为了查明湖南省全面开展重金属污染治理以来重金属元素在洞庭湖表层底泥中的空间分布及来源，为洞庭湖生态环境的整治与环境管理决策提供依据，2013年11月，本研究首次在7条河流入湖口及西洞庭湖、南洞庭湖、东洞庭湖和大通湖、城陵矶布设了31个点位，采集了表层底泥(0～20cm)样品92个，对样品的重金属元素含量进行了分析测试，阐述了洞庭湖各子湖区表层底泥中重金属的空间分布特征及来源，并对重金属的污染程度进行了潜在生态风险评价。

2 材料与方法

2.1 样点布设与样品采集

洞庭湖位于湖南省东北部，介于北纬28°30′～30°20′，东经110°40′～113°10′，分为西、东、南洞庭湖。主要入湖河流有湘江、资江、沅江、澧水及长江三口(松滋、太平、藕池)、汩罗江、新墙河，入湖水量相当于鄱阳湖3倍，太湖的10倍。洞庭湖流域内的这些河流每年携带大量泥沙入湖，其中一部分自城陵矶输出进入长江，另一部分则淤积在东、南、西洞庭湖及湖区洪道内。洞庭湖底地面自西北向东南微倾，底质多泥或淤泥型[9]。根据洞庭湖的整体形态、水流方向和污染特点，2012年11月在洞庭湖入、出口及湖区共布设31个样点(见图1)。所有采样点的定位均采用手持GPS完成。采用重力采样器，在每个样点的左、中、右位置分别抓取表层底泥样品约3 000g。样品保存于密封的塑料袋中，迅速带回实验室储存在4 ℃的冷藏室内冷藏以备分析。

2.2 分析测定

样品在实验室里自然风干后，在55℃下烘干，剔除大小砾石、贝壳及动植物残体等杂质，用研钵研磨过100目尼龙筛，然后测定底泥中重金属含量。样品中Cu、Pb、Zn、Cd和Cr采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES, Optima 2100DV)测定。具体方法是：称取0.100 0g加工好的样品于25mL聚四氟乙烯坩埚中，加入3mL盐酸、3mL硝酸、3mL 氢氟酸和1mL高氯酸，于120℃预溶1h，升温至240℃，蒸发至高氯酸白烟冒尽，加入3mL盐酸，在电热板上加热至溶液清亮，冷却后转入定量试管中，用去离子水稀释至刻度，摇匀待测。样品中Hg、As采用原子荧光法测定。样品用1∶1王水(1mL硝酸、3mL盐酸和4mL蒸馏水)在热水浴上加热煮沸，消解1h，用去离子水稀释定容，测As前用硫脲和苦杏仁酸预还原，用硼氢化钠氢化法测定(仪器型号为AFS-230E)；测Hg采用冷原子吸收法(仪器型号为WCG-208)。分析过程以国家土壤一级标准物质GBW(GSS1-GSS8)系列样品为质控标样，测量相对误差小于5%。

2.3 潜在生态风险评价方法

(1)

(2)

表1 潜在生态风险评价指标与分级关系Tab.1 Potential ecological risk evaluation index and classification relationship

3 结果与分析

3.1 洞庭湖及主要河流入湖口表层底泥中重金属含量

为了详细分析各子湖区表层底泥的重金属变化特征及污染来源状况，将洞庭湖分为大通湖、西洞庭湖、南洞庭湖、东洞庭湖和城陵矶5个子湖区(段)。5个子湖区(段)以及主要河流入湖口表层底泥中重金属含量统计结果见表2，其平均含量如图2所示。

图2 洞庭湖各子湖区以及主要河流入湖口表层底泥中重金属的平均含量Fig.2 Average mass ratio of heavy metals in the superficial sediment of Dongting Lake and main streams

采样区域CdPbCuZnAsHgCr湘江入湖口4.23～7.4558.6～85.525.4～39.8193.5～221.046.37～63.340.156～0.21737.4～48.1资江入湖口3.75～8.6545.0～54.515.9～32.45127.0～206.025.03～45.420.117～0.15336.5～57.0沅江入湖口2.87～7.7130.1～42.519.8～35.5123.4～153.29.36～14.540.104～0.36347.2～56.3澧水入湖口0.8～1.332.3～46.518.3～26.256.3～93.529.37～44.640.078～0.20634.7～47.8汨罗江入湖口1.04～3.3555.6～62.132.5～40.3123.5～172.215.32～26.670.113～0.13134.7～59.1

续表2

从图2和表2可以看出，洞庭湖各子湖区表层底泥Cd的平均含量大小顺序为：西洞庭湖>大通湖>城陵矶>东洞庭湖>南洞庭湖，且Cd的平均含量全部超过国家土壤质量三级标准限值(≤1.0mg/kg)。西洞庭湖Cd的含量在1.50～4.91mg/kg之间，平均为3.73mg/kg，最高值是国家土壤质量三级标准的4.91倍。大通湖Cd的含量在1.20～6.44mg/kg之间，平均为3.13mg/kg，最高值为国家土壤质量三级标准的6.44倍。城陵矶Cd的含量在1.25～5.66mg/kg之间，平均为2.75mg/kg，最高值为国家土壤质量三级标准的5.66倍。东洞庭湖Cd的含量在1.50～3.25 mg/kg之间，平均为2.48mg/kg，最高值为国家土壤质量三级标准的3.25倍。南洞庭湖Cd的含量在1.25～4.11mg/kg之间，平均为2.24mg/kg，最高值出现在万子湖东面的样点，为国家土壤质量三级标准的4.11倍。主要河流的入湖口Cd的平均含量也均超过国家土壤质量三级标准，其中尤以资江、沅江和湘江入湖口Cd含量较高，分别为8.65、7.71和7.45 mg/kg，其次是汨罗江和新墙河入湖口，分别为3.35和2.20mg/kg，长江三口和澧水入湖口Cd含量较低。根据各子湖区Cd含量和湖区污染源分布特点及水流方向可推知，西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖Cd分别主要来源于沅江、资江和湘江，而大通湖是一个近乎封闭的水体，其表层底泥较高含量的Cd来源于周边涉Cd企业。

洞庭湖各子湖区表层底泥中Pb的含量均属于国家土壤质量二级标准(35～350mg/kg)，其平均含量大小顺序为：东洞庭湖>城陵矶>南洞庭湖>大通湖>西洞庭湖。东洞庭湖Pb的含量在60.0～138.7mg/kg之间，城陵矶Pb的含量在39.0～74.6mg/kg之间，南洞庭湖Pb的含量在43.1～66.5mg/kg之间，大通湖Pb的含量在42.5～65.4mg/kg之间，西洞庭湖Pb的含量在46.9～56.1mg/kg之间。主要入湖河流的入湖口Pb含量均属于国家土壤质量二级标准，按照Pb含量高低排序依次为湘江>汨罗江>资江>长江三口>新墙河>澧水>沅江，其中湘江入湖口Pb平均含量为85.5mg/kg。

洞庭湖各子湖区表层底泥中Cu的平均含量大小顺序为：东洞庭湖>城陵矶>大通湖>南洞庭湖>西洞庭湖，且Cu的平均含量均属于国家土壤质量二级标准(35～100mg/kg)。东洞庭湖Cu的含量在42.0～53.6mg/kg之间，城陵矶Cu的含量在30.5～47.1mg/kg之间，大通湖Cu的含量在23.5～49.4mg/kg之间，南洞庭湖Cu的含量在27.0～55.5mg/kg之间，西洞庭湖Cu的含量在25.0～34.1mg/kg之间。主要入湖河流的入湖口Cu的含量均属于国家土壤质量二级标准，按照Cu含量高低排序依次为资江>汨罗江>长江三口>湘江>澧水≈沅江≈新墙河，以资江入湖口表层底泥中Cu含量最高，平均为45.0mg/kg。

洞庭湖各子湖区表层底泥中Zn的含量均属于国家土壤质量二级标准(100～300mg /kg)。其平均含量大小顺序为：东洞庭湖>大通湖>城陵矶>南洞庭湖≈西洞庭湖。东洞庭湖Zn的含量在148.0～205.7mg/kg之间，大通湖Zn的含量在77.4～192.7mg/kg之间，城陵矶Zn的含量在97.0～213.8mg/kg之间，南洞庭湖Zn的含量在88.7～170.1mg/kg之间，西洞庭湖Zn的含量在100.9～146.8mg/kg之间。主要入湖河流的入湖口Zn含量亦均属于国家土壤质量二级标准，按照Zn含量高低排序依次为湘江>资江>汨罗江>沅江>新墙河≈长江>澧水，以湘江入湖口Zn含量最高，平均为221mg/kg。

洞庭湖各子湖区表层底泥中As的平均含量大小顺序为：东洞庭湖>大通湖>西洞庭湖>南洞庭湖>城陵矶。除城陵矶As平均含量属于国家土壤质量一级标准(≤15mg/kg)外，其他各子湖区表层底泥As含量均属于国家土壤质量二级标准(15～30mg/kg)，且各子湖区As平均含量都高于湖南土壤As背景值(11 mg/kg)[15]。其中，东洞庭湖As平均含量在15.5～29.7 mg/kg之间，平均为23.9mg/kg。大通湖As平均含量在13.4～37.6mg/kg之间，平均为21.6mg/kg。西洞庭湖As平均含量在14.1～26.5mg/kg之间，平均为19.9mg/kg。南洞庭湖As平均含量在9.69～25.9mg/kg之间，平均为17.3mg/kg。城陵矶As平均含量在7.42～16.2 mg/kg之间，平均为11.9mg/kg。主要入湖河流除长江和沅江湖口As平均含量属于国家土壤质量一级标准外，其他河流入湖口As平均含量均超过国家土壤质量一级标准，其中新墙河和汨罗江入湖口属于国家土壤质量二级标准，而澧水、资江和湘江入湖口表层底泥中As平均含量都超过国家土壤质量三级标准(30mg/kg)，分别是国家三级标准的1.49、1.51和2.11倍。由此可知，湘江、澧水和资江分别对东洞庭湖、西洞庭湖和南洞庭湖的As污染贡献最大，而大通湖As污染则是周边涉砷企业所致。城陵矶表层底泥中As平均含量比其它子湖区的低，说明水体中的砷较稳定地固定于洞庭湖表层底泥中，而未发生长距离迁移至洞庭湖外，因此对长江下游水环境质量影响很小。

洞庭湖各子湖区表层底泥中Hg的平均含量大小顺序为：西洞庭湖>东洞庭湖>城陵矶>南洞庭湖>大通湖。大通湖和南洞庭湖中Hg属于国家土壤质量一级标准(≤0.15 mg/kg)，城陵矶、东洞庭湖和西洞庭湖中Hg属于国家土壤质量二级标准(0.15～1.0mg/kg)。西洞庭湖Hg的含量在0.111～0.353mg/kg之间，东洞庭湖Hg的含量在0.137～0.267mg/kg之间，城陵矶Hg的含量在0.059～0.223mg/kg之间，南洞庭湖Hg的含量在0.079～0.165mg/kg之间，大通湖Hg的含量在0.089～0.145mg/kg之间。主要入湖河流中，长江三口、新墙河和汨罗江入湖口Hg的含量属于国家土壤质量一级标准，沅江、湘江、澧水和资江入湖口Hg的含量均属于国家土壤质量二级标准，按照Hg含量高低排序依次为沅江>湘江>澧水>资江。

洞庭湖各子湖区表层底泥中Cr的含量均属于国家土壤质量一级标准(≤90mg/kg)，且各样点间差别不大。其平均含量大小顺序为：东洞庭湖>城陵矶>大通湖>西洞庭湖>南洞庭湖。东洞庭湖Cr的含量在52.0～63.1mg/kg之间，平均为57.5mg/kg；城陵矶Cr的含量在48.0～62.1mg/kg之间，大通湖Cr的含量在33.0～61.4mg/kg之间，西洞庭湖Cr的含量在47.0～55.4mg/kg之间，南洞庭湖Cr的含量在43.4～57.6mg/kg之间。主要入湖河流的入湖口Cr含量均属于国家土壤质量一级标准，且平均含量差别较小，按照Cr含量高低排序依次为资江>汨罗江>长江三口>湘江>澧水>沅江>新墙河，资江入湖口Cr含量最高，平均为57.0 mg/kg。

总体上来说，洞庭湖各子湖区表层底泥以Cd污染最为严重，所有样点Cd含量均超过国家土壤质量三级标准限值；其次为Pb、Cu和Zn，三者含量均属于国家土壤质量二级标准；再次为As和Hg，东洞庭湖和西洞庭湖等湖区As、Hg均属于国家土壤质量二级标准；而Cr对洞庭湖表层底泥的污染最轻。

3.2 洞庭湖重金属污染生态风险评价

表3 洞庭湖重金属污染的潜在生态风险系数与潜在生态危害综合指数RITab.3 Risk factor and risk index of heavy metal pollution in Dongting Lake

从多种重金属的潜在生态危害综合指数RI计算结果(表3)看，西洞庭湖表层底泥重金属污染最严重，其重金属污染潜在生态风险指数程度分级为极高(RI>600)，即西洞庭湖重金属污染对生态潜在危害极高；南洞庭湖、东洞庭湖、城陵矶和大通湖重金属的潜在生态危害综合指数RI均在400～600之间，此4个子湖区重金属污染潜在生态风险指数分级为高，即该4个子湖区的重金属对生态潜在危害处于高风险状态。根据RI数值大小，洞庭湖各子湖区重金属复合污染程度由重到轻依次为：西洞庭湖>大通湖>城陵矶>东洞庭湖>南洞庭湖，这与姚志刚等[7]采用地积累指数法评价洞庭湖重金属复合污染状况得出的结论不一致，他们认为各子湖区重金属污染程度排序是：东洞庭湖>大通湖>南洞庭湖(横岭湖+万子湖)>西洞庭湖。然而，祝云龙等[8]研究表明洞庭湖重金属污染程度排序为：南洞庭湖>东洞庭湖>西洞庭湖>大通湖>城陵矶，这与本研究结果存在较多相似之处。

4 结 论

洞庭湖各子湖区(段)表层底泥中以Cd污染最为严重，所有样点Cd含量均超过国家土壤质量三级标准限值；其次为Pb、Cu和Zn，各子湖区以上三种金属含量均属于国家土壤质量二级标准；再次为As和Hg，东洞庭湖和西洞庭湖等湖区As、Hg均属于国家土壤质量二级标准；而Cr对洞庭湖表层底泥的污染最轻。主要河流入湖口中Cd污染在湘江、资江和沅江入湖口表层底泥最为严重，Hg污染在沅江入湖口最为严重，Pb污染在湘江入湖口表层底泥最为严重，As污染在湘江、资江和澧水入湖口最为严重，Cu和Cr污染在资江和汨罗江最为严重，Zn污染在湘江、资江最为严重。

利用潜在生态风险指数法评价洞庭湖各子湖区(段)表层底泥重金属的复合污染状况，结果表明：西洞庭湖重金属污染对生态潜在危害极高(RI>600)；南洞庭湖、东洞庭湖、城陵矶和大通湖的重金属污染潜在生态风险指数分级为高，即该四个子湖区的重金属对生态潜在危害处于高风险状态。按照RI数值大小，洞庭湖各子湖区(段)重金属复合污染程度由重到轻依次为：西洞庭湖>大通湖>城陵矶>东洞庭湖>南洞庭湖。