磁湖底泥重金属生态风险评价及溯源分析

仇梦璇，刘蓬，刘琳，何文杰，朱家栋，蒋衡，徐银，李海波

(1. 湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062；2.黄石市生态环境局， 湖北 黄石 435000；3.武昌理工学院， 湖北 武汉 430223)

0 引言

重金属是潜在的环境有毒有害污染物，具有来源广、毒性大、难代谢、易富集等特点，随人类活动进入水体后易在底泥中富集[1]，因此，底泥可作为水体重金属污染的指标物，是进行湖泊重金属污染评价的重要依据[2].磁湖作为长江中下游典型工业城市黄石市的城中湖，由于历史原因底泥受重金属污染程度较重[3].为探究磁湖底泥重金属生态风险和主要来源，本研究采用内梅罗污染指数法和潜在生态风险指数法[4]，结合相关性和主成分分析，利用地理信息系统形成可视化空间展示，对磁湖底泥重金属种类、含量、来源及潜在生态风险开展研究，以期为磁湖生态修复和底泥重金属污染综合治理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域简介磁湖位于湖北省黄石市城区内，地理位置介于东经114°57′～115°06′，北纬30°10′～30°15′之间，东临长江、北与花马湖相连，南以黄荆山为界与大冶湖相隔，流域面积62.19 km2，水面面积8.3 km2，湖岸线总长有37.8 km.磁湖以杭州路为界，分为南、北两个半湖(南半湖和北半湖)，如两叶“绿肺”镶嵌在黄石城区中央.

1.2 样品采集与处理利用GPS全球定位仪定位并依据磁湖面积和形在湖面均匀设置51个采样点，其中在北半湖分布1～28共28个采样点，在南半湖分布29～51共23个取样点[5]，如图1所示.用柱状采样器在对应取样点，分别取距底泥表面下20 cm处底泥样品各一份，共采取样品51份.泥样装入自封袋密封冷藏避光保存，自然风干，剔除杂质，用木棒碾碎，研钵磨细并过100目尼龙筛，保存于棕色广口瓶中.本次研究选取Cu、Pb、Cr、Cd、Ni、Hg、As和Zn等8种重金属作为磁湖底泥主要研究对象，其中Cu、Pb、Cr、Cd采用原子吸收分光光度计(TAS-990)测定其含量.Ni、Hg、Zn则采用石墨炉原子吸收分光光度计(AA-7001)来测定，As采用原子荧光来测定.

图1 磁湖底泥采样点分布图

1.3 底泥重金属污染评价办法

1.3.1 内梅罗指数法 内梅罗指数法是利用底泥重金属含量的实测值分别求出各种重金属单因子污染指数，再计算多因子综合污染指数.该方法能够准确反映底泥重金属污染现状及各种重金属对复合污染的不同贡献，并考虑了污染最严重的因子，是底泥重金属污染评价的常用方法[6].其数学表达式为：

(1)

式中：Pi指底泥中某重金属元素的单因子污染指数；Ci指重金属含量实测值；Si指农用土地污染风险筛选值(6.5

(2)

式中：Ii指采样点i底泥的综合污染指数；Pimax指i点底泥重金属污染物单项污染指数中的最大值.

依据内梅罗综合污染指数评价标准对计算结果进行污染分级，划分标准[7]见表1.

表1 内梅罗综合污染指数评价标准

1.3.2 潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法(potential ecological risk index，RI)是由瑞典科学家 Hakanson提出[8]，用来评价底泥中单一污染物或多种污染物的综合影响，定量划分潜在生态风险程度.其数学表达式为：

(3)

表2 底泥重金属潜在生态风险程度划分标准

2 数据分析与讨论

2.1 重金属含量统计分析将磁湖51个点位底泥中的8种重金属含量进行数据统计分析，结果见表3.

表3 磁湖底泥重金属描述性统计结果 mg·kg-1

为了更准确反应磁湖底泥中重金属的富集情况，采用湖北省土壤背景值作为评判标准分析发现，底泥中8种重金属含量平均值从大到小依次为Zn > Pb > Cr > Cu >Ni > As > Cd > Hg；其超标倍数从大到小依次是Cd (5.40) >Hg (3.12) > Pb (2.89) > Zn (2.39) > Cu (1.86) >As (1.47) >Ni (1.33)> Cr (0.88).说明磁湖底泥中存在不同程度的重金属富集，尤其是Cd、Hg富集明显，而Cr含量小于背景值、尚未出现富集.

由表3可知，各重金属变异系数从大到小依次为Cd > Pb > Zn > Cu > As > Hg > Cr > Ni.其中Cd、Pb、Zn、Cu、As、Hg变异系数分别为0.95、0.90、0.72、0.58、0.53、0.49，均大于0.36，属于高度变异；Cr、Ni变异系数为0.21、0.19，大于0.15，属于中等变异.通常变异系数越大，意味着元素分布越不均匀，可能受人为活动的影响越大[10].由此可知磁湖底泥重金属人为污染影响严重.利用SPSS对数据进行分析得到数据中的异常点(见图2)，异常点应为导致某种重金属变异系数偏大的主要原因.

图2 底泥重金属含量箱型图

如图2所示，在北半湖西岸2点位处As和Pb含量异常，3点位处Cd异常；南半湖东岸45点位处Cd、Cu、Pb、Zn含量异常高，51点位处Cu、Pb含量也异常高于其他值；29、30点位处的Cr含量异常高，24、29、39、43点位处Cu含量异常高.这些异常点通常可被用来判别各重金属污染的重点区域，进而为重金属的入湖位置判别及溯源提供参考.具体分析见2.3.3节.

2.2 生态风险评价结果

2.2.1 内梅罗指数法评价结果 采用内梅罗污染指数法计算了8种重金属单因子污染指数，如表4所示.其污染指数平均值大小依次为Cd > Zn > As > Pb > Cu> Cr> Ni > Hg，由此可知，磁湖重金属Cd污染水平显著高于其他重金属污染.

表4 8种重金属单因子污染指数一览表

如图3所示，从多因子综合污染指数Ii计算结果看，磁湖轻度污染、中度污染、重度污染点位的所占比例分别为35.3%、23.5%、27.5%.其中，南半湖轻度污染、中度污染、重度污染位点所占比例分别为26.1%、39.1%和34.8%；北半湖轻度污染、中度污染、重度污染位点比例分别为42.8%、10.7%、21.4%.整体看南半湖污染程度较为严重.

图3 底泥重金属多因子综合污染指数

2.2.2 潜在生态风险指数法评价结果 应用潜在生态风险指数法计算单一重金属潜在生态风险指数(Eri)和综合潜在生态风险指数(RI)，结果见表5，各重金属对潜在生态风险贡献比例见图4.

表5 底泥重金属潜在生态风险指数

图4 各重金属对潜在生态风险贡献比例

由表5可知，磁湖底泥重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的单一潜在生态风险指数依次为17、194、1、11、126、7、16、3，综合潜在生态风险指数为373，表明磁湖潜在生态风险指数属于强生态风险等级.此外，分析还发现南、北半湖底泥重金属污染存在差异，南半湖多种元素(As、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn)单一生态风险指数高于北半湖，致使南半湖综合潜在生态风险指数高于北半湖.由图4可知， 重金属Cd 对磁湖潜在生态风险贡献比例最高，其次是Hg，且南、北半湖具有一致性.

2.3 底泥重金属溯源分析

2.3.1 相关性分析 为进一步探究底泥中重金属来源，对各重金属含量采用Pearson 相关系数法进行相关性分析.如果两种元素之间具有很好的相关性，说明这两种元素可能来自同一污染源或者元素具有相同的迁移规律.判断标准：置信度(p)小于0.05，相关系数 0.8～1.0为极强相关，0.6～0.8为强相关，0.4～0.6为中等程度相关，小于0.4为无显著性相关[11].因南、北半湖重金属污染有较明显的差异性，在相关性分析时，按南、北半湖单独分析，结果见表6.

表6 南、北半湖重金属相关性分析

由表6可知，北半湖中As-Pb、Cr-Ni为极强相关，Pb-Cd为中等程度相关.南半湖Cd-Cu、Cd-Pb、Cd-Zn、Cu-Pb、Cu-Zn、Hg-Pb为极强相关；As-Pb、Cd-Hg、Cd-Ni、Cu-Hg、Cu-Ni、Hg-Zn、Zn-Pb为强相关，As-Cd、As-Cu、As-Hg为中等程度相关.综上，南半湖中Cd、Cu、Pb、Zn、Hg等多种重金属具有显著相关性，其污染源相对更为集中，导致各重金属有明显相同的迁移规律.

2.3.2 主成分分析 主成分分析是研究变量之间相互关系的多变量分析技术.通过对原变量之间的线性变化，形成一系列的相互独立变量，称之为主成分.利用SPSS对底泥中8种重金属进行主成分分析，提取总贡献率超过75%的主成分[12].KMO检验用于研究变量之间的偏相关性，南、北半湖的KMO分别为0.795、0.548，统计量均大于0.5；Bartlett球形检验统计量南、北半湖sig < 0.01，南、北半湖的主成分分析具有意义.分析结果见表7.

表7 主成分分析结果

北半湖第一主成分贡献率为43.2%，As、Pb和Cd在第一主成分中有较高载荷，但Cd相对于As和Pb载荷较低.第二和第三主成分贡献率分别为18.7%和13.1%，其中Cu和Zn分别有较高的载荷；南半湖第一主成分贡献率为64.4%，其中Cd、Cu、Pb、Zn、As、Ni和Hg在第一主成分中有较高载荷，而As、Ni和Hg相比其他元素载荷相对较低，同时，第一主成分与第二主成分贡献率相差较大，第二主成分贡献率仅为16.2%，其中Cr有较高载荷.由此可知，北半湖不同重金属之间相关性较弱，污染源来源相对复杂；而南半湖的重金属第一主成分占比很高、相关性很强，表明其污染源来源较为单一或集中[13].

2.3.3 重金属含量空间分布 采用地理信息系统形成可视化空间展示，制作8种重金属在底泥中的含量空间分布如图5所示.结合变异系数分析、相关性分析及主成分分析探究磁湖南、北半湖底泥重金属的来源.

图5 磁湖底泥重金属空间分布图

从北半湖看，第一主成分主要为As和Pb且呈现极强相关.由图5可以看出，As和Pb集中分布在北半湖西岸，对应于As、Pb含量异常2点位处(图1). As、Pb一般来源于矿业开采、金属冶炼及其化工生产废料排放等，此处Hg和Zn的含量也相对较高，这与现场调查的北半湖西岸有建筑及工业垃圾堆积的情况相一致；Cd虽也受第一主成分支配，但与As、Pb之间的相关性要弱于As-Pb，主要原因是其浓度富集的地点有偏差，也就是说Cd、As、Pb来自于岸上不同的污染源，Cd是农田种植的特征污染物，主要来源于含Cd化肥，入湖点推测位于Cd含量异常3点位处(图1)，此处与岸边存在农田种植情况相一致；第二主成分Zn则主要集中在北半湖北岸，靠近生活区，岸边分布有大量洗车行，交通量和汽车维修量较大，由此不难推断，北半湖北岸Zn含量高，与其橡胶轮胎磨损和汽车维修有密切关系；第三主成分Cu集中污染点位于北半湖东北角，对应于Cu含量异常24点位处(图1).由图5发现，此处Zn、Hg含量也相应有所升高，这是因为此处岸边有工业固废堆积，受降雨淋洗作用随地表径流入湖所致.

从南半湖看，污染相对集中.结合图5发现，其重金属污染主要集中在南半湖的西岸和东南角附近.南半湖西岸流域范围内集中了大量的工业企业，其中包含金属冶炼、机械制造等重工业行业.由主成分分析表明，南半湖的第一主成分涉及多种重金属(Cd、Cu、Pb、Zn)，由于受工艺条件的客观限制，一些工业企业存在废水排放、固废堆放和散落现象，造成湖泊底泥多种重金属叠加污染.根据图2中异常点位分析，可以推测这些污染物主要来源于39、43、45和51点位处.针对西南角Cd含量异常问题(图1中45点位处)，因历史上此处也存在部分农田，推断农业种植污染也是其原因之一.第二主成分Cr含量平均值属于清洁水平，但在南半湖东南角(图1中29、30点位处)其含量异常增高，由图5发现，此处其他7种重金属含量同样出现升高的迹象，符合点源污染特征.据此推断，南半湖东南角附近重金属含量异常来源于历史上附近工业废水的排放.

3 结论

1)磁湖底泥8种重金属含量与湖北省土壤背景值相比，除Cr处于清洁水平，其他重金属均出现超标现象，其超标倍数依次为Cd (5.40) >Hg (3.12) > Pb (2.89) > Zn (2.39) > Cu (1.86) >As (1.47) >Ni (1.33)> Cr (0.88).Cd、Pb、Zn、Cu、As、Hg变异系数较高，说明它们受人为污染影响严重.

2)由内梅罗指数评价法可知，磁湖轻度、中度、重度污染点位所占比例分别为35.3%、23.5%、27.5%，其中，南半湖分别为26.1%、39.1%和34.8%，北半湖分别为42.8%、10.7%、21.4%.整体看南半湖污染程度高于北半湖.

3)由潜在生态风险指数评价可知，磁湖综合生态风险指数(RI)为372，说明磁湖底泥重金属生态风险达到强污染程度；从南、北半湖看，综合风险指数(RI)分别为387和361，南半湖生态风险高于北半湖；从重金属生态风险贡献看，重金属Cd 对磁湖贡献比例最高，其次是Hg，且南、北半湖具有一致性.

4)结合相关性和主成分分析可知，北半湖重金属之间关联性较小，仅As-Pb(第一主成分)、Cr-Ni为显著相关，说明污染源分布较为分散；南半湖Cd-Cu-Pb-Zn-Hg(第一主成分)等多种重金属之间都具有显著相关性，说明底泥中重金属来源较为集中且有类似的迁移规律.

5)由地理信息系统形成可视化空间展示可知，因历史原因，北半湖的污染主要来自北半湖西岸的农田种植、工业垃圾堆放，东岸的建筑工业垃圾堆放，北岸的汽车维修、居民生活等形成的入湖污染物；南半湖的污染主要来源于西岸和东南角工业废水排放、固废堆放和散落形成的污染，历史上西南角存在的农业种植也是部分重金属污染原因之一.