博斯腾湖表层沉积物重金属污染特征及等级评价
2019-10-24刘子龙闫豫君鲁建江刘锦花陈炳铭
刘子龙，闫豫君，鲁建江，刘锦花，陈炳铭
(石河子大学化学化工学院，新疆 石河子 832003)
博斯腾湖是我国最大的内陆淡水湖之一[1]，对新疆干旱地区的生态环境和其周边城市及县城的发展贡献举足轻重，如在保持水源，蓄洪防旱、调节气候、维护生物多样性[2]、发展工业、农田灌溉等方面有不可替代的作用[3]。1960s以来大规模的工农业开发活动、水资源的不合理开发利用等推动经济快速发展，但引发的水环境问题逐渐凸显[4]，博斯腾湖周边分布有各县市40余家工业企业，如金属冶炼、食品加工、制药、造纸、煤矿、电力、养殖、制糖、建材等行业，它们在生产过程中产生的废水通过农业排水渠或城市排水管网进入博斯腾湖，各县市的生活污水也排入湖泊中，致使湖体生态环境恶化[5]，部分水域水质为Ⅴ类[6]。
湖泊沉积物是水环境中重金属的源或汇。通过多种途径进入水体的重金属，绝大部分由水相转入沉积相[7-9]，为重金属元素的输入提供了历史记录[10-11]，而且在沉积物中的重金属在物理、化学、生物作用下会再次释放至水环境中[12-13]，引发二次污染[14-16]。故研究水体沉积物中重金属元素的含量和分布，可了解水域生态系统中重金属污染状况[17-19]。对博斯腾湖的环境污染问题报道多见于水质污染状况[5,20]，而对沉积物中重金属的研究相对较少。鉴于此，对博斯腾湖水系15个代表性采样点的监测分析，应用地累积指数法和潜在生态风险指数法，研究了博斯腾湖水系沉积物中重金属的污染分布富集特征，并探讨其主要的污染来源，对重金属的污染水平和生态风险进行评价，以期为博斯腾湖的水生态环境安全保护、重金属污染防控及环博斯腾湖区域经济的可持续发展提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 样品采集
2017年5月中旬在新疆博斯腾湖大湖区布设采样点，采15个沉积物样品，用GPS定位仪定位，采样分布图见图1，采样点设置在干流排入口(B1、B9、B10、B11)、出水口(B12)和交汇与稳定水域区(其余采样点)。取样点距离岸边至少3～5 m，用重力式采泥器采集表层0～10 cm的沉积物样品，每个样品以定位点为中心周围5 m内设4～6柱平行样，除去与采样器接触的少量样品，混合后装入洁净的聚乙烯袋内，冷冻保存。沉积物样品经真空冷冻干燥机干燥，剔除植物和贝类等残体，研磨、过筛(100目尼龙网筛)后，密封保存于-20 ℃环境中，备用。
图1 博斯腾湖采样点布设图Fig.1 Sampling stations of surface sediment in Bosten Lake
1.2 样品的预处理与测定
制备好的样品采用美国CEM微波消解仪进行消解，方法如下：称取样品1 g左右，置于微波消解罐中，加优级纯硝酸10 mL、高氯酸2 mL，氢氟酸2 mL，放入消解仪中在50 ℃下消解15 min、120 ℃下消解30 min，150 ℃下消解15 min。消解结束后，将样品转入聚四氟乙烯坩锅中，在电热板上于180 ℃加热赶酸，至无大量白烟产生，转移到50 mL容量瓶中，用去离子水定容至刻度。铜、铬、镉、铅、锌、镍和锰用原子吸收分光光度计(AA-6300，日本岛津)测定，pH采用pH计测定，有机质采用重铬酸钾-外加热法测定。
在重金属的分析过程中采用沉积物标准样品GSD-7(GBW-07307)进行过程质量控制，7种元素的测定值均在国家标准参比物质的允许误差范围之内，加标回收率为90.3%～108.0%，平行样品精密度为0.56%～4.54%。
湖泊沉积物样品采集、制备、预处理及重金属、有机质、pH分析方法均按照《湖泊和水库采样技术指导》(GB/T 14581—93)、(HJ 613—2011)、 (NY/T 1613—2008)、(GB 9834—88)与(NY/T 1377—2007)进行。
1.3 评价方法
重金属的污染评价采用地累积指数法[21-24]，参比值采用新疆土壤重金属背景值[25]，按Igeo数值将重金属污染划分为7个等级[26]，如表1所示。
表1 基于地累积指数的重金属污染分级指标Tab.1 Pollution level of heavy metals based on index of geoaccumulation
重金属的潜在生态风险评价采用潜在生态风险指数法[27]，以新疆土壤重金属的背景值作为参比值；重金属Pb、Ni、Cd、Cu、Zn、Mn和Cr的毒性系数分别为5、5、30、5、1、1和2[28]，评价标准及等级划分如表2所示[27]。
表2 生态危害系数生态危害指数(RI)与危害程度分级的关系Tab.2 Relationship between potential ecological risk metals and pollution degree
1.4 数据分析
数据分析采用Suffer 8.0和SPSS 16.0统计软件。
2 结果分析与讨论
2.1 博斯腾湖沉积物中重金属总量分析
博斯腾湖大湖区15个沉积物样品中的7种重金属总量测定结果见表3。重金属Zn、Cd和Pb含量都超过了新疆土壤元素背景值和新疆水系物元素背景值，其他4种元素都未超出背景值。Zn平均含量为141.07 μg/g，约是新疆土壤元素背景值的2.1倍，是新疆水系物元素背景值的1.9倍；Cd平均含量为0.61 μg/g，约是新疆土壤元素背景值的5.1倍，是新疆水系物元素背景值的4.1倍；Pb平均含量为51.26 μg/g，约是新疆土壤背景值的2.6倍，是新疆水系物元素背景值的3倍，这3种重金属呈现明显的累积性。经考察和查阅相关报道[30]可知，湖周边约有25条排污渠进入博斯腾湖，8条汇入小湖区(全为农田排水)，17条汇入大湖区(5条以工业和生活污水为主，其余均为农田排水)。文献报道仅在2007年博斯腾湖北边的4个县及第二师团场共施用磷肥1.36万t[31]，磷肥中含有一定量的Pb和Cd，可通过农田排水进入湖泊造成沉积物中Pb和Cd的含量增加，污染湖泊[32]。每年农田排水汇入博斯腾湖的量约1.9×104t[28]，可见农田污水是主要污染源，故博斯腾湖沉积物中Cd可能主要是农田排水污染，因磷肥使用后又再次流失，随农业排渠进入博斯腾湖；Pb可能主要也是农田排水，其次农业机械和汽车运营也会引起Pb污染；Zn可能是博斯腾湖周边的金属冶炼等行业排出的废水污染。对比新疆其他湖泊的研究结果，博斯腾湖沉积物中Cr含量低于玛纳斯湖，Ni含量接近，但Cu、Zn、Pb和Cd含量均高于玛纳斯湖[33]，分别是玛纳斯湖沉积物重金属含量的1.8、4.6、4.8和2.4倍；Cu、Ni和Cr含量低于艾比湖，Zn、Pb和Cd含量均高于艾比湖[34]，分别是艾比湖沉积物重金属含量的1.2、1.3和3.6倍；与我国其他地区湖泊相比，博斯腾湖沉积物中的Zn、Pb显著高于太湖[17]和东洞庭湖[35]，但Cd低于太湖和东洞庭湖。
表3 博斯腾湖大湖区沉积物中重金属的含量Tab.3 Total contents of heavy metals in sediment of the water system in Bosten Lake μg/g
根据变异程度的分类[36]，博斯腾湖表层沉积物中重金属Cu、Mn、Cd、Cr和Pb(34.19%、25.18%、17.42%、17.42%和19.41%)均为中等变异(15%
重金属的空间分布特征见图2，Cu、Mn、Ni和Cr分布特征较为相似，从湖东部向西逐渐增加，在湖的中西部含量较高，湖的西南、东南及北部含量较低。Cu、Ni、Cr主要与有机组分和碳酸盐组分共生，分布方式类似，博斯腾湖的这几种元素变化的高度相似可能与此有关[3]。Cd含量分布明显西部大于东部无人区；Pb含量分布西部略大于东部，中部偏西含量较高，Zn除在B8处附近含量较高外，在湖其它区域含量均很低。在采样点B4处的ω(Cu)、ω(Pb)、ω(Ni)、ω(Cd)和ω(Mn)最高，分别为32.82、71.10、25.98、0.96和613.35 μg/g；B11处的ω(Cr)最高，为7.17 μg/g；B8处的ω(Zn)最高，为407.55 μg/g。采样点B4、B11和B8都位于湖中心偏西，这可能是由于17条汇入大湖区的排污渠都是从西北和西南汇入博斯腾湖有关[31]。本研究结论与董文等[37]研究结果基本一致，即除Zn外其余重金属含量较高的区域都在大湖西部，含量水平来看，Cu、Ni、Cr比其结果明显降低，但Pb、Cd含量明显升高，这与近几年来加大博斯腾湖水环境保护和监管力度密不可分，然而之前排放的大量农田污水所含的重金属通过吸附分配与沉淀进入沉积物，使得Pb、Cd含量明显升高。
图2 博斯腾湖表层沉积物中金属元素质量分数空间变化特征Fig.2 Spatial variation of heavy metals concentrations in surface sediments from Bosten Lake
2.2 相关性分析
博斯腾湖沉积物中的有机质、pH值及重金属含量之间的相关性分析如表4所示。沉积物样品的pH值为7.09～7.63，ω(OM)(OM为有机质)为6.24～41.27 mg/g。
表4 博斯腾湖沉积物中重金属含量、有机质、pH间的相关性Tab.4 Correlation coefficients of heavy metals in sediment of Bosten Lake
注：*表示在P<0.05下显著相关，**表示在P<0.01下极显著相关。
一般认为沉积物中的pH和ω(OM)是影响重金属分布的2个重要因素[38]。从表4可知，pH分别与ω(Cu)和ω(Ni)在P<0.05下，呈显著相关性，与ω(Mn)在P<0.01下，呈极显著相关性，说明pH与这3种重金属在水环境中的分布存在密切关系，与其他重金属相关性不明显。
博斯腾湖沉积物中有机质含量较低，从样品表观组成也可看出，沉积物以泥沙和黏土为主，缺乏有机质吸附和附着体系，故从表4可知，ω(OM)与重金属间相关性不明显，且呈负相关，董文等[37]也指出博斯腾湖底泥中的有机质和重金属元素的相关性均为不显著负相关，说明重金属污染的主要来源与有机质不完全一致，水域重金属的分布可能还受其他理化性质影响(粒径大小、盐分等)。
重金属之间的相关关系较复杂，重金属组合Cu-Ni、Cu-Mn、Cu-Cr、Ni-Mn、Ni-Cr和Mn-Cr在P<0.01下存在极显著相关性，说明在博斯腾湖沉积物中这4种重金属元素的地球化学性质相似，具有相同的来源或产生了复合污染；重金属组合Cd-Pb在P<0.05下存在显著相关性，由外源污染可知，它们均主要受磷肥的农田排水污染；Zn与其他重金属、Cd与其他重金属(除Pb)、Pb与其他重金属(除Cd)之间相关性不明显，污染的来源不同，这与艾比湖[34]和玛纳斯湖[33]的报道情况都不同。
2.3 沉积物中重金属的污染评价
根据博斯腾湖沉积物重金属总量的测定结果，采用地积累指数法、潜在生态危害指数法对其进行污染风险评价。
2.3.1 地累积指数法
对博斯腾湖大湖区沉积物中重金属Igeo和指数分级分析可得，在湖泊表层沉积物中，Cu、Zn、Mn和Ni的Igeo均小于0，说明博斯腾湖受Cu、Zn、Mn和Ni污染较轻，为清洁状态；其余3种重金属元素见图3，Pb的平均Igeo为0.79，80.0%的采样点达轻度污染，20.0%为偏中度污染；Zn的平均Igeo为0.29，20.0%的采样点为清洁状态，73.3%达轻度污染，6.7%为偏中度污染；Cd的平均Igeo为1.70，33.3%的采样点达偏中度污染，66.7%为中度污染。Cd和Pb的Igeo较为相似，都是湖西部明显高于东部，这主要是污染源都是从西部湖区排入有关。综上所述，Cd、Pb、Zn对博斯腾湖有一定程度的污染，Cd污染最为严重，这与张永三[39]对博斯腾湖小湖区研究结论相似。
图3 博斯腾湖沉积物中重金属元素地累积指数和划分等级Fig.3 Index of geoaccumulation (Igeo) and classification of heavy metals pollution of the sediments from Bosten Lake
2.3.2 潜在生态危害指数法
图4 博斯腾湖沉积物中重金属元素和RIFig.4 Potential ecological risk coefficients and risk indices (RI) of heavy metals in the sediments from Bosten Lake
由图5可知，7种重金属的潜在生态危害程度大小依次为：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn>Cr，Cd对潜在生态危害指数的平均贡献达到86.5%，Pb的平均贡献达到7.41%，而其余5种重金属对潜在生态危害指数的平均贡献仅占6.09%，由此Cd是主要的生态风险贡献因子，对RI的贡献最大，这与艾比湖的报道相似[34]。
图5 博斯腾湖沉积物不同重金属对潜在生态危害指数的贡献Fig.5 Contribution of different heavy metals to potential ecological risk indices in lake sediments
3 结论
(1)博斯腾湖大湖区沉积物中重金属Zn、Cd和Pb含量超过了新疆土壤元素背景值，Cu、Ni、Cr和Mn都未超出背景值；沉积物中Cd主要污染源是农田排水污染，Pb主要也是农田排水污染，其次农业机械和汽车运营也会引起Pb污染，Zn可能是博斯腾湖周边的金属冶炼等行业排出的废水污染；沉积物中重金属在西部湖区富集程度较高。
(2)由相关性分析可知，pH与Cu、Ni和Mn这3种重金属在水环境中的分布存在密切关系；有机质与重金属相关性不明显；重金属Cu、Ni、Mn和Cr存在极显著相关性，具有相似的来源或产生了复合污染，重金属Cd和Pb存在显著相关性，主要受磷肥的农田排水污染，Zn与其他重金属间相关性不明显，污染的来源不同。
(3)地累积指数评估结果表明，博斯腾湖受Cu、Zn、Mn和Ni污染较轻，为清洁状态，Cd、Pb、Zn对博斯腾湖有一定程度的污染，Cd污染最为严重；7种重金属的潜在生态危害程度大小依次为：Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Mn>Cr，Cd是主要的生态危害因子，40.0%的采样点处于轻微潜在生态危害等级，60.0%的采样点处于中等潜在生态危害等级。
