鄱阳湖溶解态重金属空间分布格局及风险评估

张大文，张 莉，何俊海，罗林广，魏益华

江西省农业科学院农产品质量安全与标准研究所，南昌 330200

鄱阳湖溶解态重金属空间分布格局及风险评估

张大文，张 莉，何俊海，罗林广*，魏益华

江西省农业科学院农产品质量安全与标准研究所，南昌 330200

采用ICP-MS定量研究了鄱阳湖溶解态重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn空间分布特征，并对其引起的健康风险进行了评价。结果表明，鄱阳湖溶解态As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的水平均符合国家Ⅰ、Ⅱ类饮用水质标准；鄱阳湖溶解态重金属的空间分布格局为As和Cr在整体上呈现北部大于南部，Cu为北部和南部高，中部低，Pb和Zn 均呈现南部大于北部，而Cd的空间分布规律不明显。风险评估结果显示，鄱阳湖As、Cd、Cu、Pb和Zn的风险水平小于国际辐射防护委员会(International Commission on Radiation Protection;ICRP)的推荐值(5×10-5a-1)，但是Cr的风险水平(4.74×10-5a-1)接近了ICRP推荐值，且由As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn引起的健康总风险达到了5.88×10-5a-1，超过了ICRP推荐值。鄱阳湖由Cr和As引起的健康风险之和占总风险比例达到99.72%，是主要的健康污染物，需引起风险决策部门的重视。

鄱阳湖；溶解态重金属；空间分布格局；风险评估

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，位于长江之南，江西省北部，上承赣、抚、信、饶、修五江之水，下接我国第一大河-长江。鄱阳湖流域内矿产资源丰富，乐安江中下游有亚洲最大的露天铜矿-德兴铜矿以及铅山铅锌矿，信江中游的永平铜矿，抚河上游的铀矿和赣南有色金属采矿区等。随着江西省工农业生产的快速发展和城镇化进展的加快，鄱阳湖水环境受到了不同程度的重金属污染[1-5]。

然而，目前鄱阳湖重金属的研究主要集中在沉积物[1-2,5-7]，溶解态重金属污染的研究比较缺乏[3-5,7]。而已有的研究论文主要关注于鄱阳湖的各个支流和鄱阳湖局部区域(航道)[3-5,7]，对整个湖体溶解态重金属的空间分布格局缺乏研究，而研究鄱阳湖溶解态重金属空间分布格局将为探析鄱阳湖重金属来源和迁移规律寻求有力的科学依据，为鄱阳湖水环境的保护与治理提供理论支撑。因此，本文于2012年7月对鄱阳湖水中的溶解态重金属污染水平进行了分析，研究了鄱阳湖重金属的空间分布特征，并对鄱阳湖的水体溶解态重金属的健康风险进行评价。

1 研究区域

鄱阳湖(28°24′′—29°46′N， 115°49′—116°46′E)是国际性的重要湿地，在长江流域中发挥着巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等特殊生态功能，对维系区域和国家生态安全具有重要作用。其集雨面积为16.22万km2，其中96.8%在江西省境内。鄱阳湖是一个季节性湖泊，一年水位变化较大。洪水位21.69m时，湖泊面积2933km2，最大水深29.19m， 平均水深5.1m；而在多年平均最低水位10.20m时，面积仅146.0km2，呈现“高水为湖、低水似河”和“洪水一片，枯水一线”的景观。本文的研究区域为丰水期的鄱阳湖。

2 材料与方法

2.1 主要试剂和仪器

试剂：硝酸(69.0% HNO3)为超纯级；盐酸为优级纯；实验用水为Milli-Q超纯水系统处理后的超纯水；实验所用玻璃器皿均用1∶3硝酸浸泡24h，并用Milli-Q超纯水反复清洗干净。0.45μm的醋酸纤维滤膜，采用1∶1的盐酸浸泡12h，并用Milli-Q超纯水反复清洗至中性，干燥后密封备用。

仪器：重金属含量采用美国PE公司的等离子体质谱仪(型号为SCIEX Elan 9000)进行定量分析。

2.2 研究方法

2.2.1 样品采集及理化指标的现场测定

依据研究的目标结合鄱阳湖的地理位置和水文特征，采用GPS在鄱阳湖区设置了58个采样点(图1)。2012年7月6日至2012年7月21日在设置的采样点，采用有机玻璃采水器采集混合水样(离表层0.5m和离底层0.5m)，每个样点采集3份水样。

图1 鄱阳湖采样站点图Fig.1 Location of sampling sites in Meiliang Bay, Taihu Lake

2.2.2 样品处理及测定

采集的水样经处理后的0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，滤液装入50mL的塑料方瓶中，加入浓硝酸酸化固定至pH值小于2.0，密封后避光保存，带回实验室后放入4℃的冰箱中保存待测。

水样中的As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量采用美国PE公司的等离子体质谱仪(型号为SCIEX Elan 9000)进行定量分析，检测限分别为0.05、0.002、0.2、0.2、0.2、0.3μg/L。所有元素3次平行测样的相对标准偏差(RSD)均少于10%。

2.2.3 风险评估

本文采用美国环境保护局(U.S.Environmental Protection Agency, USEPA)推荐且在国内应用广泛的2个模型，包括化学致癌物所致的健康风险模型和化学非致癌所致的健康风险模型[8-9]对鄱阳湖重金属进行风险评估。

(1)

(2)

(3)

式中,2.2为成人每日平均饮水量(L)；Ci为化学致癌物i(或非致癌物)的质量浓度(mg kg-1d-1)；60为人均体重(kg)。

对于多种那个污染物的整体健康风险评价，一般认为各种污染物所引起的风险呈加和关系，而不是协同或拮抗关系。总的健康风险(R总)为：

R总=Rc+Rn

(4)

(5)

(6)

2.3 数据统计

本文应用SPSS 13.0对数据进行处理分析。为了直观的反应鄱阳湖溶解性重金属的空间分布规律，本文应用Surfer软件绘制各个重金属的分类张贴图。

3 结果与分析

3.1 鄱阳湖水体溶解性重金属含量

鄱阳湖水体中溶解性重金属含量见表1。由表1可知，鄱阳湖水体中溶解态As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的含量范围分别为0.84—3.24、0.027—0.091、1.76—4.74、1.15—5.05、0.20—2.37μg/L和7.99—77.99μg/L，均值分别为1.43、0.052、2.21、2.67、0.81μg/L和28.82μg/L。其中，As和Cd的均值低于天然淡水水体背景值，但是Cr、Cu、Pb和Zn均值均高于天然淡水水体背景值[12]；按照国家地表水环境质量标准(GB 3838—2002)，研究区域的As、Cd、Cr、Cu和Pb均符合国家Ⅰ类水质标准，大部分区域的Zn达到国家Ⅰ类水质标准，仅6、32、35、36、54、 56和58号点的Zn 含量超过国家Ⅰ类水质标准，但是符合Ⅱ类水质标准。上述研究结果表明，鄱阳湖水体中As和Cd的污染较小，而Cr、Cu、Pb和Zn均存在不同程度的污染，但是均符合国家Ⅰ、Ⅱ类饮用水质标准，是理想的饮用水源。

表1 鄱阳湖水体溶解性重金属水平/(μg/L)Table 1 Concentrations of Dissolved heavy metals in Poyang Lake

*国家饮用水质标准(GB3838—2002)

本研究与鄱阳湖不同时期以及国内外其它淡水水体溶解性重金属的比较结果见表2。与鄱阳湖不同时期相比，本研究中溶解性重金属的含量高于2011年鄱阳湖枯水期的水平[7]，这可能是由于丰水期鄱阳湖周边农田施用的大量化肥以及流域重金属矿区的活动导致大量的重金属流入湖区，致使丰水期重金属水平升高，这与洞庭湖的研究结果一致[13],但是低于胡春华等[3]于2010年在鄱阳湖丰水期的研究结果，这可能是由于采样时间和区域不同所致，该研究的采样点主要分布于各个支流的入湖口及湖岸。

与国内外其它水体相比(表2)[3,7,13-22]，鄱阳湖溶解性As的水平低于表中所列水体；Cd的水平与太湖相当，Pb与洞庭湖相当，但这两种重金属均高于匈牙利的Balaton湖，低于其它水体；Cr的水平高于太湖、巢湖和洞庭湖，但是低于其它水体；Cu的水平与太湖相当，高于巢湖、衡水湖和匈牙利的Balaton湖，低于其它水体；Zn 的水平高于汉江上游、太湖、巢湖、洞庭湖、丹江口水库和匈牙利的Balaton湖，但低于土耳其Hazar湖、美国Texoma湖和南非的Zeekoevlei湖。

3.2 鄱阳湖水体溶解性重金属间的相关关系

鄱阳湖水体中各溶解性重金属之间的相关性分析结果见表3。如表3所示，Cu与其它5种重金属(As、Cd、Cr、Pb、Zn)之间均存在显著的相关性(P<0.05)，但相关系数都比较低(0.27—0.56)，这表明Cu的来源或/和地球化学行为与其它5种重金属之间存在一定的相似性，可能是由于其来源多样化所致。Cu空间分布结果显示(图2)，鄱阳湖Cu的来源主要有长江、信江和饶河，此外船舶航运也是其中一个重要来源。因为已有的研究表明，合金制造的船舶含有Cu和Zn两种重金属，他们之间的相关性常用来判断船舶对水质的影响[23-24]。在本研究中，水体中Cu和Zn之间存在显著的相关性(P<0.05,r=0.27),这说明鄱阳湖Cu和Zn的来源受到船舶的影响。As与Cr、Cu和Cd之间都存在显著相关性(P<0.05)，As和Cr之间的相关系数达到了0.8，这说明鄱阳湖As和Cr的来源相同，而且这两种元素的空间分布特征也证实了这一推论(图2)。Pb与Cu、Cd和Zn之间均存在显著的相关性(P<0.05)，这说明鄱阳湖Pb与Cu、Cd和Zn的来源和地球化学行为存在一定的相似性。

表2 鄱阳湖水体溶解性重金属浓度与国内外其它地区淡水中的比较Table 2 Comparison of dissolved metals levels in Poyang Lake with other freshwater system

BDL:低于检测限；“-”未检测

表3 鄱阳湖水体各溶解性重金属元素间的相关关系Table 3 Correlation coefficients of dissolved metals concentrations in water from Poyang Lake

*:P<0.01,**:P<0.05

图2 鄱阳湖溶解性As、Fe、Cd、Cu、Pb和Zn 的空间分布格局Fig.2 Spatial variations of dissolved As, Fe, Cd, Cu, Pb, and Zn in Poyang Lake

3.3 鄱阳湖重金属空间分布格局

鄱阳湖溶解态重金属As、Cd、Cu、Cr、Pb、Zn空间分布规律如图3所示，不同种重金属之间的空间分布格局存在差异。As和Cr呈现相似的空间分布格局，其峰值均出现在1号号点(湖口，鄱阳湖与长江交汇处)，在整体上呈现北部大于南部的空间分布格局。这表明长江对鄱阳湖As和Cr的空间分布格局的影响较大，是鄱阳湖水体As和Cr的一个重要来源。Cd最大值出现在43号点(赣江西支河道入湖处)，最小值出现在大湖面，没有明显的空间分布规律，这可能是由于天然湖泊中Cd迁移性较强，其在沉积物中主要以弱酸提取态的形式存在，较易从沉积物向上覆水中迁移[25-26]，而鄱阳湖水流较快，致使鄱阳湖中溶解性Cd随水流移动而呈现一定程度的均匀分布。Cu的高值区出现在靠近长江、饶河和信江入湖口附近及都昌县附近区域，在整体上呈现北部和南部高，中部低的格局。鄱阳湖溶解性Cu的这种空间分布格局是由于长江水中高水平的Cu浓度，饶河上游(乐安江)的德兴铜矿以及位于信江的永平铜矿开采后的废水[1]，以及都昌县附近区域的人类活动(主要是船舶航运；因为该区域位于都昌县的一个码头附近，该码头停有大量的渔船、湖上加油站以及船只的维修基地)共同作用的结果。已有的研究表明，合金制造的船舶含有Cu和Zn两种重金属，他们之间的相关性常用来判断船舶对水质的影响[23-24]。在本研究中，Cu和Zn之间的显著相关性，这表明船舶航运是鄱阳湖重金属Cu和Zn的一个重要来源。鄱阳湖溶解性Zn在整体上呈现南部大于北部，中间航道区域较高的空间分布格局，这说明船舶航运对鄱阳湖溶解性Zn 的空间分布格局具有较大的影响。大部分区域(40%的样点)溶解性Pb的浓度处于0.2—0.5μg/L之间，在整体上呈现南部大于北部的空间分布格局。

3.4 鄱阳湖重金属健康风险评估

鄱阳湖水体中重金属通过饮用水途径所引起的个人年均风险见表4。由表4可以看出，由致癌物As、Cd、Cr通过饮用水途径所引起的健康风险值范围分别为0.66×10-5—2.54×10-5a-1、0.86×10-7—2.91×10-7a-1、3.77×10-5—10.14×10-5a-1，均值分别为1.12×10-5a-1、1.66×10-7a-1和4.74×10-5a-1。鄱阳湖所有站点的As和Cd均低于国际辐射防护委员会(ICRP)(5×10-5a-1)最大可接受风险，而Cr的均值(4.74×10-5a-1)接近了ICRP的最大可接受风险。由非致癌物Cu、Pb和Zn引起的健康危害个人年均风险中，Pb与Cu 相差不大，Zn最小。Cu、Pb和Zn健康风险值范围分别为1.41×10-10—6.17×10-10a-1、0.87×10-10—10.35×10-10a-1、1.63×10-11—15.85×10-11a-1，均值分别为3.26×10-10a-1、3.54×10-10a-1和5.87×10-11a-1，均远低于ICRP的最大可接受风险(5×10-5a-1)。鄱阳湖由As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn引起的健康总风险均值为5.88×10-5a-1，超过了ICRP的最大可接受风险，其中由Cr引起的健康风险占总风险值比例的80.61%，As的为19.11%，由Cr和As两种元素引起的健康风险之和占总风险比例高达99.72%。上述的研究结果表明，鄱阳湖由化学致癌物引起的健康风险占绝对主导地位；鄱阳湖健康风险最大的是Cr，其次是As，由Cr和As引起的健康风险值比其它重金属元素高出2-6个数量级，这两种元素是鄱阳湖主要的健康污染物，需引起风险决策部门的重视。本研究的风险评价结果与胡春华等[3]和李鸣等[5]在鄱阳湖的评价结果一致。

表4 鄱阳湖致癌物质和非致癌物质通过饮用水途径所致健康危害的个人年风险Table 4 Carcinogens and non-carcinogens healthy risk through drinking water in Poyang Lake

4 结论

(1)鄱阳湖溶解性As、Cd、Cr、Cu和Pb均符合国家Ⅰ类水质标准，大部分区域的Zn达到国家I类水质标准，仅少数区域Zn处于国家Ⅰ—Ⅱ类水质标准的范围内。

(2)鄱阳湖溶解态重金属存在明显的空间变异性，As和Cr在整体上呈现北部大于南部的空间分布格局；Cu呈现北部和南部高，中部低的格局；Pb和Zn 均呈现南部大于北部的空间分布格局，且Zn还呈现中间航道区域较高的现象。

(3)风险评估结果显示，鄱阳湖As、Cd、Cu、Pb和Zn引起的健康年均风险值均低于ICRP推荐值，而Cr的个人年均风险值接近ICRP推荐值；鄱阳湖由Cr和As引起的健康风险之和占总风险比例达到99.72%，是主要的健康污染物，需引起风险决策部门的重视。

致谢：感谢中国科学院鄱阳湖湖泊湿地综合研究站在样品采集、处理和分析中给予的大力支持和帮助。

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Spatial distributions and risk assessment of dissolved heavy metals in Poyang Lake

ZHANG Dawen, ZHANG Li, HE Junhai, LUO Linguang*, WEI Yihua

InstituteforQuality&SafetyandStandardsofAgriculturalProductsResearch,JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China

Poyang Lake is the biggest freshwater lake in China as well as one of the most important international wetlands that provides ideal habitats for many overwintering birds.In recent years, heavy metal pollution in Poyang Lake has increased both in scope and intensity with the nearby growth of human population, industrialization, and intensive agricultural activities.There are many studies on heavy metals in the sediments of Poyang Lake, but there has been little focus on the spatial distributions of dissolved heavy metals in the water of Poyang Lake.In this study, dissolved trace metal (As, Cd, Cr, Cu, Pb, and Zn) concentrations were measured in the water of Poyang Lake using inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS) in order to evaluate their spatial variations and health risks.The concentrations of dissolved trace metals in Poyang Lange ranged as follows: As: 0.84—3.24μg/L (average 1.43μg/L);Cd: 0.027—0.091μg/L (average 0.052μg/L);Cr: 1.76—4.74μg/L (average 2.21μg/L);Cu: 1.15—5.05μg/L (average 2.67μg/L);Pb: 0.20—2.37μg/L (average 0.81μg/L);and Zn: 7.99—77.99μg/L (average 28.82μg/L).These values met the national first-level or second-level criterion for drinking water quality of China.The concentrations of As and Cr were higher in the northern part than those in the southern part of the lake, and the Cu content in the northern and southern parts were higher than that in the middle part.The concentrations of Pb and Zn in the northern part were lower than those in the southern part.No obvious spatial distribution pattern of Cd was observed in Poyang Lake.Significant correlations were found between Cu and the other five metals (As, Cd, Cr, Pb, and Zn), indicating that Cu has similar sources or/and identical geochemical behaviors with other metals.This can be attributed to the diversified sources of Cu in the lake.There was a significant association between heavy metals Cr, Cu, and Cd, and there were significant relationships between Pb and Cu, Cd, and Zn.The values of personal annual risk caused by the heavy metals had the following ranges: As: 0.66×10-5—2.54×10-5a-1(average 1.12×10-5a-1);Cd: 0.86×10-7— 2.91×10-7a-1(average 1.66×10-7a-1);Cu: 1.41×10-10—6.17×10-10a-1(average 3.26×10-10a-1);Pb: 0.87×10-10a-1—10.35×10-10a-1(average 3.54×10-10a-1);Zn: 1.63×10-11—15.85×10-11a-1(average 5.87×10-11a-1);and Cr: 3.77×10-5—10.14×10-5a-1(average 4.74×10-5a-1).The values of personal annual risk caused by As, Cd, Cu, Pb, and Zn were lower than the maximum acceptable value (5×10-5a-1) for drinking water recommended by the International Commission on Radiation Protection (ICRP), but the personal annual risk caused by Cr (4.74×10-5a-1) was close to the acceptable level, and the total health risks (5.88×10-5a-1) caused by these six metals were beyond the acceptable level.The sum of the personal annual risk caused by Cr and As was 99.72% of the total risk, suggesting that As and Cr were the major health risk pollutants, and Risk Decision-making Departments should focus on these two metals.

Poyang Lake;dissolved metals;spatial distributions;risk assessment

国家自然科学基金项目(31360133);江西省农业科学院创新基金项目(2010CDS001)

2014-07-09; < class="emphasis_bold">网络出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201407091404

*通讯作者Corresponding author.E-mail: Luolinguang@126.com

张大文，张莉，何俊海，罗林广，魏益华.鄱阳湖溶解态重金属空间分布格局及风险评估.生态学报,2015,35(24):8028-8035.

Zhang D W, Zhang L, He J H, Luo L G, Wei Y H.Spatial distributions and risk assessment of dissolved heavy metals in Poyang Lake.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8028-8035.