基于正定因子矩阵的南滇池湿地沉积物重金属来源解析及潜在生态风险评价*

史文昌 兰明国 侯 邑 牛 洁

(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明 650504;2.中国地质调查局昆明自然资源综合调查中心,云南 昆明 650100;3.云南师范大学地理学部,云南 昆明 650500)

湿地是被广泛应用于改善和治理河流、湖泊、降雨径流和生活污水等地表污染水体的常用工程技术手段[1]。湿地通过水陆相互作用形成的生态系统对周边环境进行调控,依靠植被吸附、沉积和微生物分解等方式降低污染物含量,进而改善水环境[2],集净水、蓄水、景观和科普功能于一体[3-4]。

湿地沉积物中的重金属是湿地系统中的主要污染物之一[5]。重金属具有持久性、高毒性、生物累积性和非生物降解性,不仅会抑制湿地中微生物、植物的生物活性,从而降低湿地的环境自净能力,还能通过食物链等方式在生物体内富集,危害湿地生物乃至人体健康[6-8]。

查明湖泊湿地重金属的来源并评价其生态风险是湖泊污染研究的重要内容[9]。正定因子矩阵(PMF)是美国环境保护署(USEPA)推荐的污染物来源分析方法之一,是一种不依赖于污染源的化学成分谱分析[10]。沉积物中的重金属在迁移和积累过程中易受到外界因素的干扰而具有很强的空间变异性[11]。因此,探究和辨别湖泊湿地沉积物重金属的污染来源,并制定相应的源头治理和防控措施至关重要,PMF是一种较好的可行方法。

滇池是云贵高原最大的淡水湖,也是国家环境保护重点治理的3大湖泊之一。自20世纪70年代开始,昆明城市扩张和市区人口剧增加剧了入湖河流水质的恶化进而使得湖泊受到污染。为了治理滇池水体污染,政府建设了一系列水污染治理工程,包括在滇池湖滨带修建了连片的环湖湿地。其中,南滇池国家城市自然湿地公园(即原东大河湿地,以下简称南滇池湿地)作为滇池流域最大的湿地,因其丰富的水禽、动植物种类和宜人的景色风光,已成为市民休憩、游玩的主要场所,但有关其重金属污染的研究[12-13]极为匮乏。本研究通过对南滇池湿地沉积物中As、Cd、Co、Cu、Hg、Ni和Pb 7种重金属的含量进行分析,并应用PMF确定重金属污染的来源后揭示重金属污染风险,为湿地重金属污染监测和控制、生态环境修复等研究提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

于2021年1月在包含湿地主要河流东大河在内的溪流、湿地沼泽、湿地水塘中比较均匀地布设了33个采样点(见图1),用重力活塞取样器采集深度为0～10 cm的沉积物约1 kg,装入聚乙烯密封袋封存、编号后带回实验室。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

将沉积物样品置于白瓷盘中于阴凉处自然风干,剔除砂石、根茎等杂物,用玛瑙研钵研磨并过200目尼龙筛,45 ℃烘24 h,在阴暗、干燥环境下保存、备用。参照《区域地球化学样品分析方法 第3部分：钡、铍、铋等15个元素量测定 电感耦合等离子体质谱法》(DZ/T 0279.3—2016)和《区域地球化学样品分析方法 第5部分：镉量测定 电感耦合等离子体质谱法》(DZ/T 0279.5—2016),使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,iCAP-QC,Thermo Fisher)测定Cd、Co、Cu、Ni和Pb含量;参照《区域地球化学样品分析方法 第13部分：砷、锑和铋量测定 氢化物发生-原子荧光光谱法》(DZ/T 0279.13—2016),使用原子荧光光度计(AFS-9800)测定As含量;参照《区域地球化学样品分析方法 第17部分：汞量测定 蒸气发生-冷原子荧光光谱法》(DZ/T 0279.17—2016),使用原子荧光光谱仪(XGY-1011A)测定Hg含量。在土水比为1 g∶5 mL的情况下在转速为300 r/min的条件下往复振荡15 min后,使用多功能水质分析仪(DZB-718 L)测量pH。

各重金属标准曲线相关系数均大于0.99。每份沉积物样品重复测量3次,相对标准偏差在±5%内,同时空白实验无目标重金属检出。样品分析中穿插测定土壤成分分析标准物质(GSS-20、GSS-22、GSS-24、GSS-28),回收率为86.8%～115.8%,处于可接受范围内(80%～120%)[14]。

1.2 PMF来源解析模型和潜在生态风险指数法

1.2.1 PMF来源解析模型

PMF来源解析模型使用USEPA的PMF 5.0软件计算,PMF与其他受体模型的最大区别是考虑了测量变量的不确定度[15]。

1.2.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是由科学家HAKANSON[16]提出的重金属潜在生态风险评估法,综合考虑了环境化学、生物毒理学、生态学等方面的协同效应,具体计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：RI为综合潜在生态风险指数;Ei为重金属i的潜在生态风险指数;Ti为重金属i的毒性响应因子;ci为重金属i的实测质量浓度,mg/kg;si为重金属i的地球化学背景值,mg/kg。

重金属的毒性响应因子取值参照文献[17]。重金属的地球化学背景值采用中国土壤元素背景值中云南省A层土壤背景值的算术平均值[18]。本研究中的重金属毒性响应因子和地球化学背景值列于表1中。重金属污染的潜在生态风险评价参照文献[19]。

2 结果与讨论

2.1 南滇池湿地沉积物重金属含量特征

南滇池湿地沉积物重金属质量浓度的统计特征如表2所示。7种重金属的浓度平均值从大到小依次为Pb、Cu、Ni、As、Co、Cd、Hg。Hg、Cd和Pb的浓度平均值分别超出地球化学背景值5.38、1.75、0.88倍,说明这3种重金属存在大量富集;而As和Ni的浓度最大值分别超出地球化学背景值0.67、0.82倍,也存在一定程度地富集。变异系数的大小反映各重金属的空间分布差异[20]。Cd、Hg、Pb和Ni的变异系数超过了41%,说明存在严重的人为干扰。沉积物的pH为5.77～7.76,平均值为7.24,参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),Cd和Pb的浓度最大值超出土壤风险筛选值。

2.2 南滇池湿地沉积物重金属来源解析

2.2.1 PMF来源解析模型结果

在基础模式下,选择不同的因子数(4～7)统一运行20次,确定最佳因子数为6,各重金属预测浓度与实际浓度线性拟合决定系数(R2)均大于0.94,说明不同采样点的重金属预测浓度与实际浓度差异较小,模型预测结果较准确。此外,使用Fpeak旋转工具对各重金属荷载矩阵进行旋转,能够消除矩阵分析中对某一重金属贡献率的过度偏斜,提高解释可信度[21]。本研究中,当Fpeak运行系数为-0.5,旋转bootstraps次数为20时,最能代表最终的贡献率特征。

PMF来源解析模型得到的6个因子的贡献率如图2所示,平均来看,因子2(42.59%)>因子1(24.59%)>因子3(11.06%)>因子5(8.89%)>因子6(6.93%)>因子4(5.94%)。其中,因子1对Hg来源的贡献率达到55.30%,因子2对Cd、Pb、Cu和Co来源的贡献率分别为69.4%、47.2%、45.5%、42.1%,这2个因子对其余重金属来源的贡献率也都超过了16%,故因子1和因子2是南滇池湿地沉积物重金属污染的最大贡献来源。此外,因子3、因子4和因子5对各重金属污染来源的贡献率为0.1%～19.6%,因子3对As、Co和Ni来源的贡献率较大,因子4对Pb来源的贡献率较大,因子5对As、Co、Cu、Hg和Ni来源的贡献率较大。因子6对7种重金属来源的贡献率均小于10%。综上所述,As、Co、Cu和Ni污染主要来源于因子2,其次来源于因子1和因子3;Cd污染主要来源于因子2,其次来源于因子1;Hg污染主要来源于因子1,其次来源于因子2;Pb污染主要来源于因子2,其次来源于因子1和因子4。

2.2.2 重金属来源解析

因子1的最主要荷载重金属为Hg。由于Hg含量远超地球化学背景值,且变异系数较高,所以推测Hg来源于人类活动。相关研究表明,Hg污染主要来源于人为活动中矿物熔炼和冶金等化学燃烧过程产生的含Hg及其化合物的废气,经过大气迁移和沉降累积于沉积物种[22]81。云南省作为多矿区省份,富含大量矿产资源。考虑到南滇池湿地的地理位置及其周边环境,推断因子1为矿物燃烧、冶金等过程产生的废气经大气沉降后在湿地沉积物中富集的来源。

因子2的最主要荷载重金属为Cd,此外对除Hg以外的其他5种重金属的贡献率也均超过38%。相关研究表明,这6种重金属被广泛地应用于农业生产活动。As、Cu和Pb常被用于制作无机抗菌剂[23];而Cu、Pb,尤其是Cd则被大量添加于氮肥、磷肥等农业肥料中[24]。此外,南滇池湿地内的东大河及其他河流也可能携带重金属污染物[25]。实地考察发现,南滇池湿地周边有大量农业大棚,存在河水灌溉的现象。因此,推断因子2为施肥、灌溉和喷洒农药等农业活动来源。

表1 重金属的毒性响应因子和地球化学背景值Table 1 Toxic response factors and geochemical backgrounds of heavy metals

表2 南滇池湿地沉积物重金属质量浓度统计特征Table 2 Statistics characteristics of heavy metals in sediments of South-Dianchi wetland

图2 PMF来源解析模型的污染因子贡献率Fig.2 Contribution rates of pollution factors identified in PMF source analysis model

As、Co、Cu和Ni是因子3的主要荷载重金属。由于这4种重金属的浓度平均值均低于地球化学背景值,且变异系数相对较低,表明它们受到人为活动的影响较低[22]81。相关研究表明,岩石风化和成土作用等自然演变行为会使得区域内的重金属发生迁移[26]217,[27],推断因子3为自然因素来源。

因子4仅主要影响了Pb和Hg,且贡献率不高。Pb和Hg主要共同来源于垃圾焚烧、工业和矿业废水、废气排放[26]217,[28],可以推测因子4 为垃圾焚烧或工业和矿业废水、废气排放源。

2.3 南滇池湿地沉积物重金属潜在生态风险评价

由图3可见,每种重金属的潜在生态风险指数平均值从大到小依次为Hg、Cd、Pb、As、Cu、Ni、Co。其中,Pb、As、Cu、Co和Ni的潜在生态风险指数均小于40,属于轻微生态危害类别;Cd的潜在生态风险指数平均值为82.74,判定为强生态危害;Hg的潜在生态风险指数平均值为254.75,达到了很强生态危害。7种重金属的综合潜在生态风险指数平均值为364.66,属于强生态危害,需要加以重视,主要是由Hg和Cd贡献,应当结合来源解析结果,在大气、污废水监测中对这两种重金属进行更加细致的调查及管控。QIAN等[29]和LI等[30]对滇池沉积物重金属含量特征进行了研究,发现南滇池湿地重金属污染以Hg、Cd和As最为严重,与本研究的结果基本吻合。

图3 重金属潜在生态风险指数Fig.3 Potential ecological risk indexes for heavy metals

3 结 论

(1) 南滇池湿地沉积物中Hg、Cd、Pb的浓度平均值超出地球化学背景值,As和Ni的浓度最大值超出地球化学背景值。Cd、Hg、Pb和Ni的变异系数超过了41%。Cd和Pb的浓度最大值还超出了GB 15618—2018的土壤风险筛选值。

(2) PMF来源解析模型分析出6种潜在的污染因子,主要的4种分别为矿物燃烧、冶金等过程产生的废气沉降,施肥、灌溉和喷洒农药等农业活动,自然因素,垃圾焚烧或工业和矿业废水、废气排放。

(3) 7种重金属的综合潜在生态风险指数平均值为364.66,属于强生态危害,主要是由Hg和Cd贡献,它们的潜在生态风险指数平均值分别为254.75、82.74,依次达到了很强生态危害和强生态危害。