鄱阳湖沉积物重金属空间分布及潜在生态风险评价

伍恒赟，罗 勇，张起明，康长安，杨旭楠

1.江西省环境监测中心站，江西 南昌 330039

2.中山大学环境科学与工程学院，广东 广州 510275

鄱阳湖地处江西省北部，是中国第一大淡水湖。鄱阳湖及其主要入湖河流(赣江、抚河、信江、修水、饶河)一起为流域内工农业、生活用水提供重要保障。另外，鄱阳湖是国际重要湿地之一，在保护生物多样性方面发挥着巨大的作用［1］。

近年来，随着江西省工业化、农业现代化和城镇化进程不断加快，尤其是鄱阳湖生态经济区上升为国家战略后，鄱阳湖水环境更容易受到不同程度的重金属污染。重金属进入鄱阳湖水体后，由于不能被水体自身净化，因此不断发生沉降作用而进入沉积物，使沉积物成为重金属的主要蓄集库。另一方面，由于理化条件的改变，重金属也可以从沉积物中重新释放，导致生态环境恶化，甚至通过食物链对人类健康造成威胁［2-5］。沉积物中重金属蓄积量可以反映沉积物对上覆水体影响的持久能力，从而可以反映鄱阳湖重金属的危害程度。尽管部分学者对鄱阳湖沉积物重金属进行过研究，但由于研究年代相对久远或者研究点位布置较少［6-7］，都不足以代表当前鄱阳湖沉积物重金属分布特征和污染现状。

以鄱阳湖沉积物为研究对象，根据重金属的地球化学特性，对鄱阳湖沉积物中7种重金属元素 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 含量进行测定，同时基于地统计学分析模块，分析以上重金属的空间分布特性;采用潜在生态危害指数法对重金属的潜在生态危害进行评估，在此基础上，探讨重金属的污染来源以及环境影响因子，研究结果可以为鄱阳湖重金属污染控制提供依据。

1 实验部分

图1 鄱阳湖采样点分布

1.1 样品采集

采样点共布设38个，分布于鄱阳湖主要入湖口、湖内、出湖口，具有良好的代表性，点位布设情况见图1。

2013年8月20—29日使用抓斗式采样器采集沉积物样品(0～10 cm)，样品采集后立刻带回实验室剔除其中的残根、贝壳等杂物，然后在干燥通风环境下风干，再研磨过筛，－4℃密封保存于冰箱，备用。

1.2 测试方法

沉积物中 Cd采用《土壤质量 铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)，Hg采用《土壤质量 总汞的测定 冷原子吸收分光光度》(GB/T 17136—1997)，As采用《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分:土壤中总砷的测定》(GB/T 22105.2—2008)，Cu、Zn采用《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)，Pb采用土壤质量铅、镉的测定KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法(GB/T 17140—1997)。

为保证分析的准确性，同步测定了平行样、空白样及沉积物标准物质(ESS)，各元素含量的相对标准偏差小于5%，各元素回收率为92.2% ～108.1%，符合美国 EPA标准要求(EPA 823/B-01-002 Methods for Collection，Storage and Manipulation of Sediments for Chemical and Toxicological Analyses)。

1.3 数据分析和统计

数据经检查、剔除特异值等预处理后，采用SPSS16软件对数据进行描述性统计和相关性分析，使用ArcGIS9.3地统计分析方法分析重金属空间分布特征。

1.4 评价方法

采用Hakanson提出的潜在生态风险指数法对鄱阳湖沉积物中的重金属进行评价［8］。该方法从重金属生物毒性角度出发，综合考虑沉积物重金属含量、种类、水体对重金属污染的敏感度等，定量划分和评价单个和多种重金属污染物的潜在生态危害程度［9］，其计算公式:

沉积物背景值的区域性差异很大，国内外还没有一个关于河流、湖泊沉积物的环境质量标准，目前多采用区域土壤环境背景值［10-11］。本研究采用鄱阳湖土壤背景值作为计算的参照值［12］;毒性响应系数表征重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感度［9］，相关重金属的毒性系数见表1;、RI、潜在生态风险等级见表2。

表1 鄱阳湖沉积物重金属背景值和毒性系数

表2 单项和综合潜在生态风险评价指数与分级标准

2 结果与讨论

2.1 重金属污染现状

鄱阳湖沉积物7种重金属元素 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 的含量分别为 0.01 ～ 2.56、0.030～0.255、6.31 ～52.6、3 ～114、47.4 ～109、6～90、10 ～288 mg/kg，平均值分别为 0.67、0.078、17、51、72、42.9、117 mg/kg(表3)。除 Cd的含量平均值略低于鄱阳湖土壤重金属背景值外，其余重金属元素含量平均值均明显高于相应的元素背景值，尤其是 Cu、Pb分别是背景值的10.7、5.8 倍。

从各种重金属含量的空间变异系数可以看出(表3)，沉积物 Cd的空间变异系数最大，为97%，表明Cd含量的空间分布不均匀，离散性相对较大;Cu的变异系数次之，为 78%;Hg、Cr、Zn、As的变异系数为40% ～67%;Pb的变异系数最小，为26%。

2.2 重金属空间分布和来源分析

图2显示了沉积物重金属空间分布。从图2可知，鄱阳湖沉积物7种重金属元素含量空间分布存在明显差异。沉积物中Hg、Cu、Pb的含量主要呈现湖区东南部偏高的现象，而Cd、Cr的含量存在湖区东南部和西北部均偏高的现象。As、Zn的含量分布相对平均，含量偏高的区域较少。Hg、Cu、Pb含量最高的区域均位于湖区东南部，即鄱阳湖和饶河交汇处。饶河有南北2支，南支称乐安河，北支称昌江，2条河在鄱阳县汇合后注入鄱阳湖。经实地调查和资料统计显示，乐安河上游的德兴矿集区在长约20 km，宽约10 km的三角区域内有3个大型矿场、10多个矿床，尤其以超大型铜厂斑岩矿床最有名，已探明铜储量占中国铜储量的17.5%，铅、锌有数百万吨。乐安河中下游还分布德兴铜矿、银山铅锌厂、花桥金矿、涌山煤矿、冶炼厂、建材化工和制药等行业。根据江西省环境监测中心站重点行业企业污染源调查可知，2006—2012年乐安河流域企业每年排放含重金属工业废水均超过300万t，含6种主要重金属(Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、As)，这些含重金属工业废水排入乐安河后，会优先吸附在颗粒物上，随河水一起流入鄱阳湖，最终使鄱阳湖沉积物成为乐安河重金属的汇。

表3 鄱阳湖沉积物重金属统计特征

图2 鄱阳湖沉积物重金属空间分布

除调查结果外，许多研究也表明，乐安河水体及其沿岸存在严重的重金属污染情况。乐安河在德兴铜矿区段水体、水体沉积物和沿岸的土壤中Cu等元素污染严重，追溯其污染源仍然是德兴铜矿的酸性废水［13］。万金宝等［14］也认为，乐安河是鄱阳湖五大入湖水系中重金属污染最严重的水域，水体中Cu含量远超地表水环境质量Ⅲ级标准，Pb污染也较为严重。

可以看出，鄱阳湖沉积物Cu、Hg、Pb等含量最高的重金属主要来自于乐安河流域的工业排放。

2.3 重金属元素间的相关性

在研究区域内，沉积物中各重金属元素含量及其之间的比率具有相对的稳定性，当沉积物来源相同或者相似时，各个元素具有显著的相关性［9，15-16］。鄱阳湖沉积物7种重金属元素的相关性见表4。

表4 鄱阳湖沉积物重金属元素间相关性

从表4可以看出，Hg、Cu、Pb、Zn两两元素间相关性很强，并且均呈现极显著相关(P＜0.01)，相关系数均大于0.5，尤其是 Zn和 Cu、Pb和 Hg、Zn和Hg的相关系数分别为0.791、0.760、0.661，说明这4种金属元素的来源相同或相似。Cr与Hg、Cu、Pb、Zn 相关性弱，与 Pb 甚至呈负相关性，但与Cd、As具有显著的相关性，说明 Cr与 Hg、Cu、Pb、Zn 4 种金属元素来源不同，但与 Cd、As的来源相同或相似。

2.4 重金属污染评价

表5 鄱阳湖沉积物单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数

由于Hg、Cu、Pb是最主要的生态风险贡献因子，因此重金属单项潜在生态危害以Hg、Cu、Pb为重点进行分析。综合潜在生态风险区域与Hg、Cu、Pb的单项生态风险具有极其明显的生态风险特征。由图3可知，RI的分布与Hg、Cu、Pb的单项生态风险指数分布基本一致，即中等和强生态风险区域均在湖区东南部。从所有点位RI也可以看出，生态风险最高的点位为湖区东南部的莲湖、赵家湾、昌江口，这些点均位于鄱阳湖和饶河交汇处。

图3 鄱阳湖沉积物中Cu、Pb、Hg的潜在生态风险指数及重金属综合生态风险指数水平

3 结论

1)鄱阳湖沉积物重金属元素仅Cd含量平均值略低于背景值，Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 含量平均值均明显高于相应的背景值，尤其是Cu、Pb，分别是背景值的10.7、5.8倍。

2)鄱阳湖沉积物7种重金属元素含量空间分布存在明显的差异。Hg、Cu、Pb的含量主要呈现湖区东南部偏高的现象，Cd、Cr含量存在湖区东南部和西北部均偏高的现象，As、Zn的含量分布相对平均。

3)鄱阳湖沉积物7种重金属含量的相关性表明，Hg、Cu、Pb、Zn 4 种金属元素具有同源性，而Cr与这几种元素来源不同，但与 Cd、As来源相似。

4)鄱阳湖沉积物重金属的潜在生态危害顺序Cu＞Hg＞Pb＞Cd＞As＞Cr＞Zn;从综合潜在生态风险分析来看，整个湖区的 RI介于46.4～476.3之间，平均值为165.4，属于中等潜在生态危害。另外，RI的分布与 Hg、Cu、Pb的单项生态风险指数分布类似，中等、强生态风险区域均分布在鄱阳湖东南部。Cu、Hg、Pb等重金属主要来自乐安河流域工业排放。

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