南昌市湖泊重金属源识别及污染特征风险评价

史艳萍，张 洁*，毛 苇，严如玉，胡克龙，凌 铭，计 勇

（1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌，330099；2.江西省港航管理局，江西 南昌，330038；3.南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌，330099）

0 引言

城市湖泊作为城市重要的地表水资源在城市生境中具有不可替代的生态效能，同时其作为大气沉降、市政污水排放及暴雨径流的主要受纳体也面临着严重的重金属污染[1]。城市湖泊水体受到污染将直接降低其提供休闲娱乐及截污纳污的生态服务功能。不同区域的城市湖泊由于城市发展水平、产业结构及生活水平的差异往往会形成不同的重金属种类、来源和分布水平[2]。地表水中的重金属污染是一个全球性的环境问题，全球范围来看，在过去的五十年里，人们开始关注水环境中的重金属污染[3]，美国国家环境保护局已将水体沉积物重金属含量作为评价水体环境的重要指标之一。控制水系沉积物重金属污染是防控水体重金属污染的主要工作之一[4]。国外针对水环境中沉积物的重金属做出了许多研究，利用许多重金属污染评定指数进行污染评价。尽管许多针对水体中重金属的污染都围绕着沉积物展开，但也有一些研究同时考虑溶解于水体中的重金属，了解水体中的重金属污染状况更能反映重金属的迁移状况。现如今，湖泊重金属污染问题越来越受到重视，但大部分研究着重于国内较大的内陆湖泊及重点流域的重点湖泊，对于城市内的中小型湖泊鲜少研究。目前开展的在广州[5]、西安[6]等城市的湖泊重金属研究均表明其存在不同程度的重金属污染。综上所述，了解城市湖泊重金属污染对于维护城市水生态环境、促进人水和谐具有重要意义。

南昌市水系纵横、湖泊众多，随着城市的快速发展，城市湖泊也出现了水体发臭、富营养化等环境污染，严重影响了城市景观及居民生活，因此有必要对南昌市湖泊水体状态进行了解并有针对性提供治理建议。目前针对南昌市湖泊研究多注重富营养化[7]及水质物化指标[8]的研究，对于湖泊重金属污染特征及风险评价研究较少。故本文以南昌市湖泊为研究对象，分析不同开发程度湖泊重金属的污染状况并进行相关分析，为今后南昌市湖泊重金属治理和生态环境改善提供科学依据及解决策略。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

该研究以南昌市三个开发程度不同的湖泊进行展开。青山湖（QSH）位于南昌市区东郊青山湖区，其蓝藻爆发现象较为严重，通过相关部门治理该现象得到了一定的改善，但2018-2019年，水质恶化呈轻微反弹趋势，发生了多次藻类水华事件。前湖（QH）位于南昌市红谷滩新区，属于天然湖泊，原为养鱼山塘，后经水库清淤，形成了目前水面面积1.65km2的工程规模。象湖（XH）西临赣江，由南江、北江、东江、西江，以及青山湖的水流汇聚而成，其主要通过玉带河与青山湖水系进行连通，四周交通发达，周围存在排污管直排现象。

1.2 样品采集

2020年11～12月在湖泊枯水期进行样点采集，共采集了12个水样点，8个沉积物样点，见图1。所有采样点均通过GPS（全球定位系统，海王星300E）定位，水中沉积物采用彼得逊采泥器（HAD-XDB0201D，北京恒奥德）采集表层0～10cm沉积物，并编号装入聚乙烯自封袋中；水样采用采水器（KH055-2L，北京）进行采集，并编号装入聚乙烯塑料瓶中。为了保证水样中重金属含量在测定时不沉淀且不被容器壁吸附，现场加入硫酸调节pH至1～2。采样完毕后，将所有样品带回实验室并保存在4℃冷藏室内备用。

图1 研究区域采样点示意图

1.3 样品处理与分析

样品采回后，将沉积物样品进行干燥处理，除杂研磨，过筛（100目）后置于干燥器中待用。利用混酸（硝酸∶氢氟酸∶高氯酸=5∶4∶2）进行电热板消解，消解结束后将溶液转移至25ml容量瓶中，加入3ml磷酸氢二铵溶液冷却定容于25ml容量瓶中，摇匀备测。水样则按照《水与废水监测分析方法》[9]中重金属[铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）、铅（Pb）]测定处理方法进行前期处理后备测。其中，沉积物未检测Cr含量，实验所用试剂均为优级纯。

1.4 重金属污染分析

利用国内外[10]广泛采用的单因子指数法、内梅罗指数法、地质累积指数法（Igeo）[11]、潜在生态风险指数法（RI）[12]对水体重金属污染状况进行分析。本研究中，采取地表水环境质量标准中的Ⅲ类标准GB3838-2002进行因子分析，污染判别标准见表1。

1.5 数据处理与分析

本研究中，样品测量所获数据利用Excel 2019和Origin 2016软件对重金属含量数据进行分析处理以及制图；使用SPSS 22对重金属含量进行Pearson相关性分析及主成分分析（PCA）。

2 重金属污染分析评价

2.1 水体重金属污染特征

对采集水样中的6种重金属分别进行单因子污染指数计算，主要污染元素结果见图2。将图2结果与表1中单因子指数取值情况与污染水平进行对比发现，三个湖泊水体中均存在严重的Cr污染，污染指数最小值也已超过5.20，属于重度污染水平。从三个湖泊Cr单因子污染指数平均值来看，QH污染最为严重，均值已达32.60；Ni的污染严重性在三个湖泊中均值从大到小依次为 QH（8.87）>QSH（6.25）>XH（1.44），均受到 Ni污染威胁；Cu及Zn在三个湖泊中单因子污染指数均小于1，属于清洁水平；Cd除在QH1呈现清洁水平，在其余湖泊采样点均存在不同程度的污染，尤其以QSH污染最为严重；Pb在三个湖泊中污染指数都超过单因子污染指数最大限值，存在重度污染。虽然各个湖泊重金属的污染程度并不一致，但就各重金属污染在湖泊中的占比而言，三个湖泊的重金属污染具有类似的比重，说明重金属在城市不同湖泊中可能存在较为一致的扩散降解水平。

图2 水体主要污染重金属单因子指数分布特征

表1 污染指数的评价标准

通过单因子污染指数可以确定各个点位的重金属污染情况，为了解每个湖泊总体污染情况，引入内梅罗综合污染指数综合各污染物对各湖泊进行污染评价。通过内梅罗综合污染指数可知，三个湖泊各采样点综合指数均超过污染最高限制，处于重金属重度污染水平。比较三个湖泊采样点综合指数均值，QH（23.88）>QSH（23.39）>XH（13.31），三个湖泊重金属污染水平均处于重度污染，QH受重金属污染威胁最大。

2.2 沉积物重金属污染特征

南昌市城市湖泊沉积物样品重金属含量描述性统计分析见表2。

表2 重金属含量描述性统计分析表 mg·kg-1

通过上述数据分析可知，五种重金属在三个湖泊内累积程度大不相同。Cd在三个湖泊内均超过南昌市土壤元素背景值，其中XH及QH的Cd含量基本超过国家土壤环境质量二级标准，综合南昌市土壤元素背景值及国家土壤环境质量标准可知，Cd污染为三个湖泊内最主要的重金属污染。

沉积物重金属地质累积指数显示结果见表3。

表3 重金属地质累积指数评价结果

5种沉积物重金属地质累积指数平均值由大到小依次为 QSH：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn，Cd 达轻度污染；XH：Cd>Pb>Ni>Cu>Zn，Cd达偏中度污染，这与熊戬等[13]人对象湖底泥重金属污染的研究结果一致；QH：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn，Cd达偏中度污染。比较三个湖泊沉积物重金属污染水平，QH的污染较为严重。综合三个湖泊沉积物及水体重金属污染情况分析，Cr、Cd及Pb为主要的湖泊污染重金属。

2.3 沉积物重金属风险评价

研究区域各重金属潜在生态风险指数（RI）评价结果见表4。

表4 潜在风险指数评价结果

三个湖泊的单项潜在生态危害系数均值由大到小均为Cd>Cu>Pb>Ni>Zn，RI风险等级均为低风险。表明3个湖泊虽然地理位置大不相同，但受到主要生态威胁的重金属相同，从而可推测南昌市湖泊主要重金属污染类型。分析各湖泊风险等级可知，QSH中，各样点及综合样点均值风险等级均为低风险，即QSH受重金属污染胁迫的潜在风险较小；XH中，2个样点的潜在生态风险指数表明，XH2综合潜在生态风险指数已达到中等风险，且XH2与综合样点均值风险指数较高，接近中等风险程度，故XH存在一定的重金属污染风险；QH中，从均值水平判定QH的综合潜在生态风险为低风险，但其存在2个样点为中等风险，故该湖泊的重金属污染风险等级处于较高水平。

3 重金属污染源识别分析

3.1 水体重金属源分析

对三个湖泊检测的6种重金属元素进行初步Pearson相关性分析及主成分分析。相关性结果显示，Ni、Cu 及 Cu、Zn 两组元素呈现极显著相关（P＜0.01），表明该三种元素来源有较强的一致性。综合而言，Cr、Ni、Zn、Cd、Pb都有不同程度的相关性，可能来源于多种污染源，但几种元素在某种污染源上达到一定程度的重合。KMO检验和Bartlett球形检验结果为KMO值0.619（＞0.5），Bartlett球形检验值 43.758，显著性水平为 0，各重金属元素相关性较强，适合进行因子分析。

主成分分析结果见表5，主成分1（PC1）的特征值为3.522，方差贡献率较高，达 58.699%。其中，Ni、Cu、Zn、在 PC1 上的因子载荷分别为 0.856，0.943，0.910，因子载荷高，且三元素相关性均超过0.7，表明三种元素极可能来自同一污染源。有研究表明，Cu、Zn可能来自汽车轮胎及金属部件的磨损及大气污染沉降、工业污染随地表径流汇入以及周边居民、医院、车站等污水排放的影响[1]，燃油汽车尾气中含有较高含量Ni[2]。除此之外，Ni也存在于农药和化肥中[14]。结合研究区域水体重金属分析结果，三个湖泊Cu及Zn污染均处于清洁水平，三个湖泊受到Ni污染威胁，且QH＞QSH＞XH。三个湖泊周围存在着大量污水的排放及废水的汇入，可推测PC1代表了污水排放污染。主成分2（PC2）的特征值为1.418，方差贡献率为23.634%，Cd、Pb在PC2上的因子载荷较高且较为接近，两者相关性为0.594，具有相似的来源。Cd、Pb在水体中的来源主要为工农业污水排放的早期沉积及交通运输，结合水体重金属分析结果，在三个湖泊中均存在较为严重的Cd、Pb污染，且三个湖泊周围存在较大的交通运输量。推测PC2代表了交通运输。

表5 水体重金属元素主成分分析结果

3.2 沉积物重金属相关性分析

5种重金属之间存在着一定的相关性。Cd、Pb（P＜0.05）之间表现出显著的正相关关系，两元素的相关系数达0.685（＞0.5）处于较高态势，表明该组重金属可能具有相同的成因或相同的来源。而Cd元素主要来源于工业“三废”的排放[15]，土壤及沉积物中的Pb元素主要来源于大气沉降[16]。除此之外，Pb元素还来源于汽车尾气及道路表面油漆的磨损，是交通源污染的标志性物质[17]。据此可以判断，Cd及Pb两种重金属产生主要受人类活动影响，且极大可能来源于交通污染。Ni与Cu、Zn、Pb之间表现出显著的负相关关系，与Cd正相关性较低，仅为0.058，说明Ni与这几种元素具有一定的异质性，无相似的来源。在一定程度上可认为，Ni为孤立元素，与其他元素来源相背。Ni主要来源于土壤母质[18]，可推测在三个湖泊沉积中Ni主要成因为自然因素。相关系数矩阵计算得到的因子特征值和累计贡献率表明，第1主因子、第2主因子提供了86.459%以上的源信息。因此，在本研究中主要提取前两个最重要的主因子 F1、F2。

3.3 沉积物重金属主成分分析

对5种重金属进行相关性分析后可知，Ni与其余四种重金属正相关性不显著，因此在进行主成分分析时，将Ni去除对其余四种重金属进行主成分分析。KMO 值和 Bartlett值分别为 0.217（＜0.5）和 13.502，显著性水平为0.036（＜0.05），由于样点数据较少，数据并不同时满足因子分析的前提条件，进行因子分析效果可能不完美，在以上前提下，为了大致了解研究区域沉积重金属来源情况，进行数据主成分分析。

主成分1（PC1）的特征值为1.989，方差贡献率为49.734%。Cd、Pb在PC1上的因子载荷分别为0.946、0.735，达0.685的显著相关性，表明两者有较为相似的来源及空间布局。就研究湖泊而言，Cd、Pb在XH与QH含量较高，Cd主要来源于工业“三废”的排放，XH清淤前存在大量污水排放口，虽经过清淤，但重金属难以降解仍存在部分累积于现存底质中，除此之外，XH经玉带河与QSH相连接，两湖之间存在着连通性，在一定程度上具有相似性，XH的水也由抚河故道的水汇入，受到外来水源的影响。Cd累积还与农药、磷肥及含有抗生素饵料的施用有关[19]。QH曾经是一座养鱼山塘，现存在一养殖场，饵料的投放使得大量Cd积累，除此之外，QH周围生活污水散排，管网错接漏接，多处垃圾堆放等现象也较为突出。Pb来源于大气沉降，XH周围交通发达，大量汽车尾气的排放使得Pb随着大气降尘及降雨冲刷汇入湖泊最终累积。故PC1代表了废水废气等人为污染源。

主成分2（PC2）的特征值为1.255，方差贡献率为31.381%。Zn、Pb在PC2上的因子载荷分别为0.913、0.640，两元素相关性不显著，认为PC2中的主要因子为Zn。Zn在三个湖泊中污染较低，其主要来源于镀锌、造纸等工业的污染排放，同时包括汽车轮胎磨损及煤燃烧产生的粉尘等。在三个湖泊周围工业区较少，周围道路交通车辆较多，交通车辆产生的重金属可能是湖泊重金属沉积的一大来源。

表6 沉积重金属元素主成分分析结果

综合水体及沉积物重金属源分析结果可以发现，两者主成分及其可能代表的污染源存在着差异。水体中，PC1的主要载荷为Ni、Cu、Zn，推测其主要代表污水排放污染，PC2载荷为Cd、Pb，交通运输、农业饵料农药的使用、工业污水的排放等都可能产生Cd污染，汽车尾气及道路表面油漆磨损都会产生Pb污染，在此推测PC2代表了交通运输；沉积物中，PC1代表元素为Cd、Pb，PC2代表元素为Zn，恰恰与水体中重金属主成分相反，但各主成分代表的污染源较为一致。推测三个湖泊中交通运输及废水废气的排放是湖泊重金属的主要污染源，但来自不同污染物排放产生的重金属量及不同重金属在水体中的沉降累积程度存在差异，使得水体与沉积物中重金属类型分布存在差异。

4 结论

（1）对湖泊重金属含量进行因子分析，结果表明Cr及Pb为湖泊水体主要重金属污染元素，QH水体重金属污染最为严重；由沉积物中重金属含量平均值可知三个湖泊Cd含量均超过南昌市土壤元素背景值，具有一定的污染性，其中XH及QH的Cd含量基本超过国家土壤环境质量二级标准。

（2）湖泊沉积物重金属的Igeo及RI的结果表明：Ni、Cu、Zn、Cd、Pb已存在不同程度的累积及污染风险，其中Cd及Pb累积程度最为严重；三个湖泊的风险程度从大到小均为Cd>Cu>Pb>Ni>Zn，其中QH的综合潜在生态风险程度最大。

（3）在本研究中，对水体重金属及沉积物重金属均进行了重金属源识别分析，结果表明，水体和沉积物由于重金属沉降累积程度不同，所得分析结果具有一定差异，但三个湖泊重金属主要来源于交通运输及废水废气排放污染，典型污染源元素包含Cu、Zn、Cd、Pb。