鄱阳湖流域重金属污染评价与分析*
2022-02-15刘佳伟杨明生
刘佳伟 杨明生
(南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330031)
湖泊流域资源丰富，对所在区域社会经济发展、维持周边生态平衡、调节气候等具有巨大作用[1]。然而随着社会发展，湖泊流域重金属污染日益严重[2]。重金属难以被生物降解，当浓度积累到一定水平后将对生态环境及人体健康造成不良影响[3-4]。沉积物是湖泊信息变化的记录者[5]，进入湖泊的重金属通过吸附沉降[6]、自由扩散[7]、共沉淀[8]等方式汇集到沉积物中，因此沉积物的重金属含量能有效反映湖泊重金属污染水平[9]。目前国内大多湖泊均存在不同程度的重金属污染现象，且多为人类活动影响所致[10]。
鄱阳湖周边人类生产活动丰富，存在重金属污染现象[11]，尤以信江、饶河流域污染显著[12-13]，并影响到鄱阳湖流域[14-15]。为掌握鄱阳湖流域重金属污染特征及污染水平，本研究采集鄱阳湖流域表层沉积物、剖面沉积物、稻田及菜地表层的土壤样品，测定分析不同样品中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg共7种重金属的含量及pH、氧化还原电位(Eh)、土壤有机质(SOM)、黏粒(粒径<0.01 mm)含量，运用地累积指数法和潜在生态危害指数法进行重金属污染评价，并进行重金属含量与理化参数的相关性分析，探究鄱阳湖流域不同类型土壤重金属累积现状、污染特征及土壤理化性质对重金属污染的影响，以期为鄱阳湖流域重金属污染整治工作提供基础数据。
1 材料与方法
1.1 样品采集
根据研究区域实地情况，于2019年分批次采集鄱阳湖流域赣江北支、赣江中支、赣江南支、修水河、抚河、信江、饶河及湖口段表层沉积物样品共15个；采集赣江中支、赣江南支、信江、湖口段剖面沉积物样品27个，不同深度样品采样间隔约10 cm，总采样深度约70 cm；采集赣江中支、赣江北支、饶河周边稻田或菜地表层的土壤样品共25个。每个样品采样量均在1 kg左右，自然风干，捣碎除去残渣，四分法取适量样品用研钵研磨过100目筛，装入密封袋待测。
1.2 检测分析方法
理化性质指标：沉积物及土壤pH采用PHB-4型便携式pH计测定；Eh采用CT-8022型便携式Eh计测定；SOM采用重铬酸钾滴定法测定；黏粒含量采用激光粒度仪测定。
重金属含量：样品经HCl-HNO3-HF(体积比3∶1∶1)微波消解后，Pb、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)测定；Cr、Cu、Zn采用《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)测定；Hg、As采用《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解/原子荧光法》(HJ 680—2013)测定。质量控制采用GSS-30标准物质进行加标回收，测定结果相对标准偏差小于5%。
1.3 重金属污染评价方法
采用地累积指数法[16]、潜在生态危害指数法[17]对研究区域重金属污染进行客观评价。地累积指数在单因子指数法的基础上考虑人为因素及地球化学因素的影响，是在单因子指数法基础上进行计算的一种污染评价方法。地累积指数计算见式(1)。
(1)
式中:Iigeo为重金属i的地累积指数；Ci为重金属i的实测质量浓度，mg/kg；Bi为重金属i的背景值，mg/kg；K为地球化学常数，一般取1.5。Iigeo≤0时表示重金属i无污染，0
潜在生态危害指数能够反映环境中各种重金属的毒害效应，计算公式见式(2)。
(2)
式中：RI为重金属综合潜在生态危害指数；Eri为重金属i的单因子潜在生态危害指数；Tri为重金属i的毒性响应系数，Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg的毒性响应系数分别取值为5、5、1、2、30、10、40[18]；Si为重金属i在《土壤污染风险管控标准 农用地土壤风险筛选值和管制值(试行)》(GB 15618—2018)中的风险筛选值。潜在生态危害指数评价等级见表1。
表1 潜在生态危害指数评价等级
2 结果讨论
2.1 沉积物及土壤重金属含量统计
对鄱阳湖流域表层沉积物样品的重金属质量浓度进行测定，并与鄱阳湖底质重金属背景值[19]进行对比，结果见表2。由表2可见，鄱阳湖流域表层沉积物中Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg的平均值分别为39.8、43.0、119.4、70.2、0.79、19.6、0.146 mg/kg，分别为背景值的8.38、3.44、2.61、2.37、1.05、1.46、2.28倍，说明7种重金属均存在不同程度的累积现象，累积程度为Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd。重金属空间变异系数表明，Cd空间变异性为强变异水平，其余重金属均为中等变异水平，Cd的空间分布差异最显著。
表2 表层沉积物重金属质量浓度统计
剖面沉积物样品重金属质量浓度测定结果见表3。总体看来，不同采样区域剖面沉积物中7种重金属含量差异较大，这可能与周边人为活动密集程度不同有关；根据重金属变异系数可知，4个区域的剖面沉积物样品中Cu、Zn变异系数均小于10%，说明Cu、Zn随采样深度变化较小，而Hg的变异系数较大，湖口区域剖面沉积物中Hg的变异系数高达72%，说明Hg含量随深度的变化十分明显。总体看来，剖面沉积物样品中重金属垂向分布规律并不明显。
表3 剖面沉积物重金属质量浓度统计
本研究稻田表层土壤样品主要采集于赣江中支旁的朱港农场,赣江北支旁的昌邑乡、吴城，饶河所处的鄱阳县4个区域。由于菜地为散户人工耕作，因此菜地土壤采样点零星分布于研究区内。稻田及菜地土壤样品重金属质量浓度测定结果见表4。不同采样区域水稻田耕作方式不同，朱港农场采用集中式机械化耕作模式，种植地块相对集中；昌邑乡、吴城、鄱阳县均为散户耕作模式，种植地块分布不集中。不同耕作模式土壤中重金属含量存在一定差异，与其他3个区域相比，朱港农场样品中Cr、As的含量相对较小，而Cu、Zn含量相对较大。菜地土壤与稻田土壤相比，Zn、Cd的含量较小，而Cr、As含量较大，Hg的含量相近。
表4 土壤样品重金属质量浓度统计
2.2 重金属污染评价
鄱阳湖流域沉积物及土壤重金属污染评价结果见表5。地累积指数评价结果表明，鄱阳湖流域沉积物中Cu、Pb、Zn是主要的累积元素，土壤中无明显的重金属累积现象，土壤质量良好。沉积物中7种重金属污染程度为Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd，土壤中7种重金属除Hg属于无污染至中度污染外，其他重金属元素均不存在污染情况。沉积物与土壤重金属污染情况存在明显差异，沉积物重金属污染程度大于土壤，表明流域内沉积物与土壤污染机理可能不同。从研究区重金属潜在生态危害指数可以看出，由于Cd元素毒性较大，沉积物中Cd的单因子潜在生态危害指数为58.79，达到中等危害水平，其余重金属均为轻微危害水平。鄱阳湖流域沉积物的综合潜在生态危害指数为88.06，远高于土壤的27.01，2种评价方法均表明鄱阳湖流域沉积物重金属污染较土壤严重。
表5 重金属污染评价指数
2.3 相关性分析
由表6可见，鄱阳湖流域沉积物及土壤理化性质波动较大，将各样品理化性质参数与重金属含量进行相关性分析，结果见表7。由表7可见，pH与重金属含量均呈负相关关系，其中与Cu、Zn呈极显著负相关关系，相关系数分别为-0.330、-0.432(P<0.01)；除Cu外，SOM与重金属呈正相关关系，与Pb呈显著正相关关系；Eh与7种重金属均呈负相关关系，与Pb的负相关性最显著；黏粒与重金属含量呈正相关关系。可见，土壤不同理化性质参数对重金属的影响存在很大不同。另外Cu、Pb、Zn、Cr、As、Cd之间存在极显著正相关关系，表明6种重金属具有一定的同源性；而重金属Hg的含量仅与黏粒极显著正相关，与其他6种重金属相关性不显著，说明Hg的来源与其他6种重金属不同。
表6 沉积物和土壤的理化性质
表7 理化参数与重金属的相关系数1)
2.4 主成分分析
将重金属含量数据进行主成分分析，以数据方差大于10%的原则解析出3个主成分。由表8可见，3个主成分共解释了85.34%的变量信息。主成分1特征值为4.18，方差为59.79%，是主要因子。除重金属Hg外，其余6种重金属在主成分1中的载荷相近，结合相关系数分析可知，这6种重金属同源性较大，从空间分布上看，这6种重金属与流域内采矿活动具有很大关系，因此主成分1可以代表流域采矿工业活动；主成分2特征值为1.09，方差为15.52%，与重金属Hg的载荷高达0.94，Hg与其他6种重金属来源不同，可能是受成土母质的影响，因此主成分2可以解释为自然因素；主成分3特征值为0.70，方差为10.03%，重金属Cr、Cu在主成分3种的载荷较大，可能与当地的农业活动有关。综上所述，可以认为鄱阳湖流域内人为工农业活动是重金属污染的主要来源。
表8 主成分分析结果
3 结 论
鄱阳湖流域沉积物与土壤重金属含量存在明显差异，沉积物重金属污染程度显著大于土壤，两者可能存在不同的重金属污染机制。沉积物中7种重金属污染程度为Cu>Pb>Zn>Cr>Hg>As>Cd，Cu、Pb、Zn是主要累积的元素，沉积物剖面重金属垂向分布规律不明显。鄱阳湖流域沉积物中Cd达到中等危害水平，其余重金属均为轻微危害水平，鄱阳湖流域沉积物重金属生态风险较土壤严重。相关性分析表明，pH、Eh与重金属含量呈负相关关系；SOM、黏粒含量与重金属含量总体呈正相关关系。主成分分析显示，鄱阳湖流域内人为工农业活动是重金属污染的主要来源。
