红碱淖沉积物重金属分布特征及生态风险评价

＊梅小乐

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院 内蒙古 010018）

湖泊沉积物是湖泊水环境的重要组成部分之一，是湖泊系统中众多营养物质与污染物迁移转化的载体。随着城市化进程加快，工业、农业、交通等产生的重金属污染物随径流等进入河流，最后进入湖泊沉积物发生富集，当外界环境发生变化时，重金属又从沉积物中释放进入到水体中，对水环境造成一定的威胁[1-2]。红碱淖位于陕北革命老区，为当地社会经济发展作出了巨大贡献，但红碱淖属于沙漠型湖泊，生态环境脆弱，气候环境特殊敏感。近年来湖泊萎缩严重，水质恶化，引起了广泛关注[3-4]。目前针对红碱淖的研究主要集中在湖泊面积变化[5-6]、水质评价[7]、古湖泊学[8-10]等方面，对于沉积物重金属污染现状尚不明晰。因此本文分析红碱淖沉积物重金属表层及垂向分布特征，并对存在的生态风险进行评价，旨在了解红碱淖沉积物重金属污染现状，为红碱淖水资源合理开发利用及生态环境保护提供一定的理论依据。

1.材料与方法

(1)研究区概况

红碱淖（38°13ˊ～39°27ˊN，109°42ˊ～110°54ˊE）位于陕西省神木县，是全国最大的沙漠淡水湖。湖泊面积44.17km2，平均水深8.2m。红碱淖属温带半干旱大陆性季风气候，多年均降雨量约400mm。湖面呈三角形状，入湖河流主要有扎沙克河、壕赖河、松道河、东葫芦素河、七卜素河、前尔林兔河和马连河等七条季节性河流。

(2)样品采集及处理

通过对红碱淖实地考察，结合湖泊水域特征、水文条件等，2020年6月在湖面选取5个采样点，基本覆盖全湖，能够反映整个湖泊沉积状况。采样点位置，如图1所示。样品采集时利用GPS定位，在每个采样点利用彼得逊采泥器采集表层沉积物，清除碎石、动植物残体等杂物，混匀后使用聚乙烯密封袋，低温保存迅速移至实验室分析重金属等指标。并使用柱状采泥器于采样点HJ3、HJ5采集柱状底泥，每5cm分层装入自封袋密封保存备用。重金属测试方法：样品风干后去除杂质，混合均匀，研磨过120目筛。取0.1g样品采用HCl-NHO3-HF-H2O2消解法进行消解，消解后赶酸，最后定容至100mL装入样品瓶中。利用原子吸收和原子荧光法分别测定铜（Cu）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）4种重金属元素含量，质量控制样品标准误差不超过5%。

图1 采样点位置

(3)重金属污染评价方法

①地累积指数法。地累积指数法由德国德堡大学Muller提出，能定量反映土壤中重金属的污染程度，现广泛应用于土壤、沉积物等重金属污染评价中[11-12]，计算式为：

式中：Cn为元素n的实测含量；Bn为所测元素的环境背景值，本文采用陕西省土壤元素背景值（Cd：0.09，Cu：21.40，Hg：0.03，As：11.10）；K为校正系数，一般取1.5。地累积指数Igeo分级标准与污染程度划分，如表1所示。

表1 地累积指数Igeo分级标准与污染程度划分

②潜在生态风险指数法。潜在生态风险指数法由瑞典科学家Hakanson提出的，是将沉积物中的重金属背景值、性质及环境效应等各种因素综合考虑在内的一种评价方法[13]，计算式如下：

式中：Cfi为某污染因子；Ci为某金属的实测值；Cni为计算所需的参比值，采用陕西土壤背景值（Cd：0.09，Cu：21.40，Hg：0.03，As：11.10）；Tri为某污染物的毒性响应系数，Cd、Cu、Hg、As的毒性响应系数分别为30、5、40、10；Eri为某单个污染物的潜在生态风险指数；IR为多种重金属综合潜在生态风险指数，对应的污染级别，如表2所示。

表2 单个污染物潜在生态风险指数Eri和多种重金属综合潜在生态风险指数IR

2.结果与分析

(1)表层沉积物重金属空间分布

红碱淖表层沉积物重金属空间分布，如图2所示。Hg含量变化范围为0.042～0.058mg/kg，平均值为0.051mg/kg。Hg含量呈现湖心区＞湖周的规律。As含量变化范围为1.4～5.09mg/kg，平均值为3.10mg/kg，其空间分布特征与Hg相似，湖心区＞湖周。Cu的含量变化范围为2～4mg/kg，平均值为3.5mg/kg，HJ1点位未检出，HJ7点位含量较小，其余点位含量差异较小。Cd含量变化范围为0.13～0.2mg/kg，平均值为0.16mg/kg，超出陕西省土壤环境背景值（0.0886 mg/kg）1.8倍，最高值位于HJ9点位，其余点位由HJ1到HJ7呈现逐渐减小的趋势。

图2 红碱淖表层沉积物空间分布

(2)沉积物重金属垂直分布特征

红碱淖湖泊沉积物重金属垂向分布特征，如图3和图4所示。对于HJ3点位，Hg元素含量变化范围为0.04～0.06 mg/kg，平均值为0.05mg/kg，随深度增加呈现先增大后减小的变化规律。As元素含量变化范围为1.95～3.75mg/kg，平均值为3.08mg/kg，其垂向变化规律与Hg相似，随着深度增加Hg含量先增加后减小。Cu元素含量的变化范围为2～6mg/kg，平均值为3.71mg/kg，随着深度的增加，Cu含量呈现先减小再增加再减小的变化趋势。Cd元素含量的变化范围为0.15～0.26mg/kg，平均值为0.21mg/kg，其垂向变化规律与Hg和As基本一致，随着深度的增加，呈现先增大后减小的变化趋势。

图3 点位HJ3重金属垂向分布

图4 点位HJ5重金属垂向分布

对于HJ5点位，Hg元素含量变化范围为0.038～0.044 mg/kg，平均值为0.041mg/kg，随深度增加呈现减小的变化趋势，在5cm位置达到最大值0.044kg/kg，10cm处减小到最小值0.038mg/kg。As元素含量变化范围为1.40～1.75mg/kg，平均值为1.55mg/kg，其垂向变化规律为随着深度增加As含量逐渐增加。Cu元素含量的变化范围为2.00～4.00mg/kg，平均值为3.00mg/kg，随着深度的增加，Cu含量呈现先增大再减小的变化趋势。Cd元素含量的变化范围为0.13～0.24mg/kg，平均值为0.21mg/kg，随着深度的增加，呈现先增大后减小的变化趋势，在10cm处达到最大值0.24mg/kg。

(3)红碱淖表层沉积物重金属污染风险评价

利用地累积指数法和潜在生态风险评价法对红碱淖表层沉积物重金属进行污染风险评价。结果如表3和表4所示。地累积指数法评价结果表明，红碱淖湖泊表层沉积物重金属镉处于轻度污染状态，其余重金属无污染，沉积物总体较为清洁。潜在生态风险的指数法评价结果中表明，在红碱淖表层沉积物中重金属污染的风险处于中等生态环境危害水平，有一定的污染风险。各点位污染风险程度强弱为：HJ9＞HJ1＞HJ3＞HJ5＞HJ7。红碱淖重金属污染水平较低，但是具有一定的生态危害，应加强保护，防患于未然。

表3 红碱淖表层重金属地累积指数法评价结果

表4 红碱淖表层重金属潜在生态风险指数法评价结果

3.结论

（1）红碱淖表层沉积物重金属Hg含量变化范围为0.042～0.058mg/kg，平均值为0.051mg/kg，As含量变化范围为1.4～5.09mg/kg，平均值为3.10mg/kg，Cu的含量变化范围为2～4mg/kg，平均值为3.5mg/kg，Cd含量变化范围为0.13～0.2mg/kg，平均值为0.16mg/kg，其中Cd超出陕西省土壤环境背景值（0.0886mg/kg）1.8倍，各重金属空间分布规律总体呈现湖心区＞湖周区。

（2）柱状沉积物HJ3点位，Hg元素含量变化范围为0.04～0.06mg/kg，平均值为0.05mg/kg，As元素含量变化范围为1.95～3.75mg/kg，平均值为3.08mg/kg，Cu元素含量的变化范围为2～6mg/kg，平均值为3.71mg/kg，Cd元素含量的变化范围为0.15～0.26mg/kg，平均值为0.21mg/kg，垂向变化规律整体随着深度的增加，呈现出先增大后减小的变化趋势。柱状沉积物HJ5点位，Hg元素含量变化范围为0.038～0.044mg/kg，平均值为0.041mg/kg，As元素含量变化范围为1.40～1.75mg/kg，平均值为1.55mg/kg，Cu元素含量的变化范围为2.00～4.00mg/kg，平均值为3.00mg/kg，Cd元素含量的变化范围为0.13～0.24mg/kg，平均值为0.21mg/kg，As、Cu和Cd垂向变化规律柱状沉积物HJ3变化基本一致，呈现随着深度增加先增大后减小的变化规律，Hg与HJ3点位相反，有一定的波动，总体呈现减小的变化趋势。

（3）利用地累积指数法和潜在生态风险评价法对红碱淖表层沉积物重金属进行污染风险评价，结果表明，重金属Cd处于轻度污染水平，各重金属元素均有中等生态危害。