广州市主要湖泊沉积物重金属污染与生态风险评价

2019-06-06马舒欣乔永民唐梦瑶杨洪允暨南大学水生生物研究所广东广州510632

生态与农村环境学报 2019年5期

马舒欣，乔永民，唐梦瑶，杨洪允（暨南大学水生生物研究所，广东广州 510632）

重金属是典型环境污染物，具有污染持久性、高毒性和生物累积性等特征。快速的城市化和工业化发展导致包括重金属在内的大量污染物被排入环境中，造成严重污染问题［1-3］。重金属通过废水排放、地表径流和大气沉降等多种途径进入城市内部水体。重金属进入水体后随悬浮物沉降，富集于水体沉积物中［4］，并可在水体环境发生变化时重新释放到上覆水，成为水体潜在内源污染［5-7］。因此，沉积物是城市水体重金属的“汇”与“源”，可作为反映城市水体环境状态与安全的重要指示剂［8-10］。

城市湖泊是城市内重要地表水资源，具有防洪、供水、灌溉和景观等多种功能，其作为大气沉降、暴雨径流和市政排污受纳水体，接纳大量点、面源污染。有关武汉市墨水湖［9］及东湖［10］、上海市公园湖泊［11］、南京市玄武湖［12］和月牙湖［12］、黄石市大冶湖［13］等水体重金属污染研究表明，城市湖泊沉积物受重金属污染程度与其周边产业结构特点密切相关。城市湖泊作为一种重要城市环境介质，其沉积物重金属含量与分布特征对于认识城市发展对环境的影响，产业结构变化与环境变迁之间的内在联系及响应机制具有重要意义［11，14-16］。

广州（22°26"～23°56"N，112°57"～114°03"E）作为广东省省会城市，位于珠江三角洲中心位置。1980年代以来，广州经历经济快速发展和城市迅猛扩张阶段，已成为中国经济活力最强城市之一。，截至2017年底，广州常住人口已达1 449.84万，全年生产总值为21 503.15亿元。在广州经济快速发展的同时，环境问题也日益突出，特别是市区内的湖泊出现了黑臭、富营养化等现象［14，17-18］，严重影响城市景观和附近居民生活，也损害城市内在品质。因此，认识与了解广州城市湖泊状态和潜在生态风险，并有针对性加以治理已成为解决广州城市环境的重点问题之一。但现有研究主要集中在广州市区污染较重的河涌及珠江河段，针对景观湖泊重金属污染与评价的研究相对较少［14］。以广州市主要湖泊为研究对象，分析沉积物中重金属含量及其分布特征，探寻其来源及与城市发展格局之间的关系，评价其潜在生态风险和污染水平，以期为广州市水体污染防治与管理、生态保护与恢复提供科学参考和依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置与采集

选择广州市主要湖泊白云湖、流花湖、东山湖和花都湖沉积物作为研究对象（图1）。白云湖是广州市最大人工湖，位于广州市北部白云区，为石井河与海口涌、均和涌、滘心涌、环滘河和夏茅水的交汇处［18］，京广铁路将其分为东湖和西湖，周边多为工业厂区和农田；流花湖位于广州市中心，周边为居民小区和城市交通干道；东山湖是小型半封闭式浅水型城市湖泊，处于珠江干流和主城区间［17］，周边为居民小区、商业区和城区街道；花都湖位于广州市花都区，与新街河相联，2016年成为广东花都湖国家湿地，湖面由新街河拓宽河道与周边4个大型废弃采石坑构成，花都湖周边以待开发荒地、农田和新建小区为主（表1）。

于2016年11月进行采样。采样时，根据湖泊形状、水文条件、河涌入湖口分布、周边工业布局等实际情况，设置采样点（图1）。采用皮得森采泥器（型号PBS-411，采样面积为1/32 m2）采集表层（0～10 cm）沉积物，每个采样点采集3份，样品混合均匀后装于500 mL塑料瓶中，记录编号、取样位置，运回实验室，4℃条件下冷藏以备分析。

图1 沉积物采样点分布Fig.1 Distribution of sampling lakes and sampling sites

表1 广州市主要湖泊概况Table 1 Lakes situation of Guangzhou City

1.2 样品处理与分析

1.2.1 样品前处理

剔除沉积物中植物和贝类等残体，将沉积物于80℃条件下烘干至恒重，采用研钵研磨至粉状，过0.15 mm孔径筛，保存于干燥密封袋中备用［19］。

1.2.2 样品消解

准确称量1.000 g样品置于50 mL三角瓶中，加入2.5 mL H2O2，室温条件下消化2 h后，加入16 mL王水，摇匀，盖上表面皿，置于电热板上，115℃条件下加热24 h，冷却，加入φ为1%的HNO3溶液，洗涤，将溶液和残渣全部转入50 mL离心管内，按4 000 r·min-1（离心半径为15 cm）离心20 min，取上清液，转入50 mL容量瓶，加入φ为1%的HNO3溶液定容，4℃条件下保存待测［19］。消解过程以湖积物微量元素标准物质作为质控标样（GBW07423，国家地质实验测试中心），同时每10个样品做1个分析空白，结果表明标样元素回收率为85%～120%。

1.2.3 样品分析

采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定空白液、样品及标样消解液中Al、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb和Zn含量［19］。

1.2.4 数据处理

采用 Excel 2013、Origin Pro 2015和 SPSS 22.0软件进行数据处理与图表绘制。

1.3 重金属污染评价

1.3.1 地累积指数

地累积指数（Igeo）为德国科学家Muller在1979年提出，利用重金属总含量与该重金属地球化学背景值的关系，定量评价沉积物中重金属污染程度［20］，计算公式为

式（1）中，Ci为样品中重金属n含量，mg·kg-1；Bi为沉积岩中重金属n背景值，mg·kg-1；k为因岩石差异导致重金属背景值产生变动的系数，一般为1.5。地积累指数评价标准见表2。

表2 地累积指数评价标准Table 2 Evaluation standard of geo-accumulation index

1.3.2 富集系数

富集系数（EF，EF）为定量评价污染程度与污染来源的重要指标，选择受人为污染较少、化学稳定性好的常量元素Al为参照元素，各重金属在沉积岩中背景值采用该重金属在广东省A层土壤算术平均值［21］。富集系数法计算公式［22］为

式（2）中，Ci为样品中重金属i含量，mg·kg-1；CAl为样品中Al含量，mg·kg-1；Bi为重金属i在沉积岩中背景值，mg·kg-1；BAl为Al在沉积岩中背景值，为 72.1 g·kg-1。EF划分标准［23］为EF≤2时，表示该重金属为无或低富集；2＜EF≤5时，表示该重金属为中度富集；5＜EF≤20时，表示该重金属为显著富集；20＜EF≤40时，表示该重金属为强富集；40＜EF时，表示该重金属为极强富集。

1.3.3 潜在生态风险指数

潜在生态危害指数（RI，IR）由瑞典学者Hakanson于1980年提出［24］，利用沉积学原理评价重金属污染状况及对生物造成的影响，可用于评价单重金属污染毒性或多种重金属协同污染作用，其计算公式为

式（3）～（4）中，Ci为重金属i实测含量，mg·kg-1；Ci，0为重金属i背景参数值，采用广东省土壤元素背景值［21］，mg·kg-1；Ti为重金属 i的毒性响应系数，Cd、Cu、Cr、Ni、Pb和Zn毒性响应系数分别为30.0、5.0、2.0、5.0、5.0和1.0［25］；Er，i为重金属i的潜在生态风险指数；IR为多种重金属的综合潜在生态风险指数。沉积物重金属污染系数和潜在生态风险指数划分标准见表3。

表3 潜在生态风险指数划分标准Table 3 Classification standards of potential ecological risk assessment

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量及分布特征

2.1.1 沉积物重金属含量

广州市主要湖泊表层沉积物中重金属含量见表4。与广东省土壤重金属背景值相比较，仅流花湖沉积物Cr含量低于背景值。白云湖沉积物Cd、Cr、Cu、Ni和Zn含量最高，分别为背景值的81.83、2.83、16.23、8.15和12.57倍，东山湖沉积物Pb含量最高，为背景值的3.51倍；花都湖沉积物Cd、Pb和Zn含量最小，分别为背景值的18.67、1.54和4.50倍，流花湖沉积物Cr、Cu和Ni含量最小，其中Cu和Ni分别为背景值的5.06和1.73倍。

表4 沉积物重金属含量Table 4 Concentration of heavy metals in sediments mg·kg-1

与国内其他城市湖泊相比较（表 5［9-13，26］），白云湖和东山湖沉积物各重金属含量处于较高水平，而流花湖和花都湖沉积物各重金属含量相对较低。与受工业污染严重的黄石市大冶湖［13］相比，白云湖和东山湖沉积物各重金属含量相对偏低。与其他城市湖泊相比，白云湖沉积物Cd、Cr、Cu、Ni和Zn含量最高；东山湖沉积物仅Cr含量低于武汉墨水湖［9］，其他重金属含量均高于其他城市湖泊。白云湖和东山湖沉积物重金属污染程度较重，与其周边人类活动强度增加密切相关［11，14］。

表5 其他城市湖泊沉积物重金属含量Table 5 Heavy metal content in sediments of other urban lakes mg·kg-1

2.1.2 沉积物重金属分布特征

广州市主要湖泊沉积物重金属元素分布特征见图2。就各湖泊沉积物重金属含量而言，Cd和Zn含量为白云湖＞东山湖＞流花湖＞花都湖；Cr、Cu和Ni含量为白云湖＞东山湖＞花都湖＞流花湖；Pb含量为东山湖＞白云湖＞流花湖＞花都湖。由此可知，Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb分布特征相似，白云湖和东山湖沉积物重金属含量明显高于流花湖和花都湖，这与各湖泊集水区产业结构不同及由此产生的污染物差异密切相关。其中白云湖周边电子、电器、建筑、塑胶、汽车、物流等企业密布，虽然工业园区有比较完善的污水处理和管网排放系统，但仍无法避免污染物间接排放，如污水管道溢流、进入河涌水系的污水随潮汐上溯进入湖泊等［18］，进入白云湖。另一方面，广州处于亚热带地区，雨季长且降雨量大，降雨冲刷工业区后形成的地表径流往往含有较高浓度污染物，而这些地表径流是白云湖重要补给水源［18］，由此导致该湖泊重金属含量较高。XIA等［27］对温州工业区水体重金属污染影响的研究也得出类似结果，表明工业排放是城市水体重金属主要来源。东山湖位于广州主要工业区下游，与珠江水系直接相连［14］，上游工业排放的污染物可随水系进入东山湖，并产生沉积、富集现象，导致该湖泊重金属含量偏高。包括干流、城市河涌等的珠江水系污染普遍较重［28-29］，对于与其相通的城市湖泊而言，可将其视为重要污染源。与白云湖和东山湖相比，花都湖集水区为居民区、商业区和生态绿地，处于广州市郊区，城市化水平较低，且无重污染水源输入，因此花都湖相对洁净，重金属含量较低。SHANG等［14］在广州公园湖泊重金属污染研究中也得出类似结论，表明城市化水平、产业结构特征和土地利用方式是决定城市水体重金属含量的重要因素。

就各样点重属含量（图2）而言，白云湖沉积物中Cd、Cu和Zn含量在B3样点，Cr和Pb含量在B4样点，Ni含量在B5样点达到最大值，分别为6.90、432.00、853.40、197.40、105.30和155.50 mg·kg-1；这主要是因为这些样点位于白云湖与河涌相通的区域，易产生重金属的沉积、富集所致。各重金属含量最小值均出现在B7样点，主要是因为该样点处于新开挖区域，尚未形成污染物的有效沉积。流花湖沉积物中Cd、Cu和Zn含量最大值，Ni和Pb含量最大值和Cr含量最大值分别在L3、L6和L5样点，分别为1.63、138.10、604.75、31.58、123.58和76.15 mg·kg-1。L3和L6样点接近排污口，受地表径流直接输入的影响，因此重金属含量偏高。东山湖沉积物中Cd、Cr、Cu和Ni含量最大值，Pb和Zn含量最大值分别出现在D3和 D1样点，分别为 3.10、147.10、226.05、129.40、162.70和 644.20 mg·kg-1；这是因为 D3和D1样点也分别靠近河涌入湖口和污水排放口。同样的现象也发生在花都湖，其沉积物中Cd、Cu、Cr、Ni、Pb和Zn含量最大值分别为1.40、118.70、230.50、45.00、61.00和308.10 mg·kg-1，主要出现在河涌与湖相通区域的H2样点。由此表明，广州市区湖泊重金属含量分布特征从区域来看取决于产业结构特点，特别是工业企业分布情况；而对湖泊内部而言，则主要取决于污染源分布情况，即污染源是决定湖泊重金属分布特征的主要因素［11］。

图2 湖泊沉积物重金属元素分布Fig.2 Distribution of heavy metal elements in sediments

2.2 相关分析与聚类分析

各重金属间相关性分析结果见表6。

表6 沉积物重金属元素之间相关分析Table 6 Correlation analysis of heavy metal elements in sediments

由表6可知，除Pb与Cd之间相关不显著外，其他重金属间均呈显著或极显著正相关关系。其中常量元素Al、Fe分别与Cd、Cr、Cu、Fe、Ni和Pb之间呈极显著正相关关系，这表明其为自然来源组分［30-31］。同时，具有高富集率的城市典型污染物Cd、Cr、Cu、Ni和Zn之间存在极显著正相关关系，这表明其人为来源和地化行为的相似性［32］。Pb与Cd、Cr、Cu、Ni和Zn之间相关性相对较弱，这是由于城市环境中Pb来源与其他重金属不同，主要来源于燃油形成的大气污染沉降［14］。

以重金属总含量对8种重金属进行聚类分析，结果与相关分析类似（图3）。可将8种重金属分为两大组，第1组为Pb，这表明其来源的特殊性。第2组为Al、Fe、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn，该组又可分为 3个小组，第1小组为Zn，其为生活污水代表性元素［14，30］；第 2 小组为 Al、Fe和 Ni，其为自然来源代表元素［30-31］；第3小组为Cd、Cr和Cu，其为城市工业主要原料，如在广州城区及其周边广泛存在的电子、电镀、电池和金属加工等［13，30-33］产业。湖泊作为区域地表径流汇集处，区域内产业结构与功能定位决定重金属来源。聚类分析结果反映广州城市湖泊重金属来源特点，所调查的4个湖泊区域产业结构存在极大相似性，功能定位也没有明显差异，因此各湖泊沉积物重金属来源也存在一定程度相似性。但各行业或产业具体贡献率仍有待进一步研究。

2.3 沉积物重金属污染与生态风险评估

2.3.1 地累积指数

广州市主要湖泊沉积物重金属的地累积指数见表7。由表7可知，广州城市湖泊沉积物各重金属污染程度为Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr。其中各湖泊沉积物中Cd均达到中度至严重污染水平，为最重要污染元素；Cu和Zn处于中度至偏重度污染水平；而其他重金属污染水平相对较低，介于轻度与中度之间。

图3 聚类分析树状图Fig.3 Dendrogram of cluster analysis

表7 沉积物重金属的富集系数（EF）、地累积指数（Igeo）和累积等级（R）Table 7 Enrichment coefficient(EF)，geo-accumulation indexes(Igeo)and accumulation levels(R)of heavy metals in sediments

2.3.2 富集系数

由表7可知，各重金属富集程度为Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr。其中，Cd 富集系数范围为 34.13～149.85，平均值为78.85，为广州市湖泊富集最为严重的元素，达到极强富集水平。Cu和Zn平均富集系数分别为17.98和18.87，达到显著富集水平，其中Cu和Zn分别有41%和37%样点达到强富集程度。其他元素富集程度相对较低，介于轻度和中度富集水平之间。

2.3.3 潜在生态风险指数

潜在生态风险系数和生态风险指数见表8。由Er，i评价结果可知，沉积物中重金属潜在生态风险程度由大到小依次为Cd＞Cu＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr，最主要的生态风险贡献因子是Cd。白云湖、流花湖、东山湖和花都湖沉积物中Cd均处于极严重潜在生态风险水平。白云湖和东山湖Cu的潜在生态风险系数＞40，处于中等潜在生态风险水平，其他重金属潜在生态风险系数均＜40，处于低潜在生态风险水平。

由RI评价结果可知，广州市主要湖泊沉积物总体上处于严重潜在生态风险水平，所调查湖泊中重金属的潜在生态风险程度由高到低依次为白云湖＞东山湖＞花都湖＞流花湖，其中白云湖和东山湖处于极严重潜在生态风险水平，流花湖和花都湖处于严重潜在生态风险水平。