宁夏太阳山湿地水环境重金属分布特征及污染评价

2022-03-07赵增锋邱小琮孙旭杨王世强欧阳虹

生态与农村环境学报 2022年2期

赵增锋，冯娜，邱小琮，孙旭杨，王世强，欧阳虹

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021)

湖泊与人类生活息息相关，具有汇集地下水、蓄洪抗旱、调节小气候、促进区域植被生长和恢复、改善生态环境的作用，在社会经济发展中具有重要的作用[1]。随着经济的发展，湖泊污染已被列为我国重大环境问题[2]，其中重金属污染问题日益凸显，特别是江河湖泊底泥80%以上受到重金属污染[3]。重金属可以通过各种途径进入湖泊水体，水体中重金属易吸附于悬浮颗粒物，然后沉降到沉积物中[4]，当环境发生变化时沉积物中的重金属会重新释放到水体，成为水体重金属污染的内源[5]。因此，系统研究湖泊水体和沉积物中的重金属含量、分布和来源，对于全面掌握湖泊中重金属的污染特征，评价其污染水平，提出相应的治理方式具有重要意义。

太阳山国家湿地公园地处宁夏回族自治区多个重要生态功能区交汇处，是宁夏唯一一个位于中部干旱带的湖泊湿地，也是我国西北地区鸟类迁徙地之一，在宁夏生态建设格局中具有重要的战略意义，生态区位十分重要。由于近些年生活污水的大量排放[6]以及通过苦水河补水带来的农业退水、工业废水等产生的积聚作用，湿地水环境面临着严重威胁。目前，太阳山湿地水体和表层沉积物受到了较为严重的重金属污染，尤其以汞污染最为严重。湖泊水体流速较小，水体交换速度慢，一旦受到污染，仅依靠自身的净化能力很难进行自我修复，因此太阳山湿地水体及表层沉积物中的重金属污染问题不容忽视。笔者以太阳山湿地为研究对象，开展水体-沉积物体系重金属含量水平及其时空分布特征、污染风险评价等研究，应用多元统计方法分析水环境重金属的时空异质性，采用重金属污染评价模型评估水环境重金属的污染状况，以期为太阳山湿地水环境重金属污染防治、生态修复提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

太阳山国家湿地公园地处宁夏吴忠市太阳山开发区，地理坐标为37°23′59 ″～37°29′17″ N， 106°32′01″～106°40′58″ E。湿地类型共有4类5种，分别为河流湿地中的季节性河流，湖泊湿地中的永久性淡水湖、季节性咸水湖，沼泽湿地中的内陆盐沼和人工湿地中的盐田，湿地公园总面积2 447.50 hm2，其中湿地面积1 492.7 hm2，湿地率60.99%，水域面积654.8 hm2，占湿地面积的43.87%。

1.2 样点布置及采样时间

根据太阳山湿地的地理位置、水域面积、补水及排水口空间分布状况等，共设置11个采样点位，分别为西湖区3个、东湖区3个、小南湖区2个、南湖区3个，采样点位布置如图1所示。采样时间为2019年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)。

1.3 样品采集与测定

样品采集及处理方法参照李世龙等[7]的方法。2019年1月Cd和Pb在水体11个点位中大部分未检出，因此后续仅测定As、Hg、Cr、Cu、Mn、Zn这6种重金属的含量，表层沉积物测定As、Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Mn、Zn这8种重金属的含量。水体重金属含量依据《水和废水监测分析方法》进行检测，其中As采用原子荧光法，Cd、Pb、Cr、Cu、Mn、Zn采用火焰原子吸收法，Hg采用冷原子吸收法。表层沉积物中As和Hg含量采用原子荧光法(HJ 680—2013)，Pb、Cr、Cu、Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法(HJ 491—2019)，Cd、Mn含量采用电感耦合等离子体质谱法(HJ 803—2016)检测。

1.4 分析评价方法

采用内梅罗综合污染指数法[7]和地累积指数法[8]，对西湖区、南湖区、小南湖区、东湖区和4个湖区组成的全水域进行重金属污染评价。水体重金属环境标准值执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类标准，其中Mn含量执行集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准，表层沉积物重金属环境标准值取《中国土壤元素背景值》中的宁夏土壤背景值。相关分析、主成分分析、聚类分析均采用SPSS 25.0软件进行，内梅罗综合污染指数和地累积指数采用Excel 2016计算。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量、分布特征及来源分析

太阳山湿地水体和表层沉积物重金属含量及超标情况如表1所示。

表1 水体/表层沉积物重金属含量描述性统计

太阳山湿地水体Hg污染最为严重，冬、夏、秋季均出现超标现象，其他重金属均未超标。表层沉积物污染最严重的重金属同样是Hg。Cd、Hg、Cu、Mn、Zn四季均存在超标现象，Pb、As个别季节存在超标现象，Cr四季均未出现超标现象。与国内其他水系[1,5，7,9-17]相比，太阳山湿地水体中As含量较高，表层沉积物中Hg和Zn含量较高，表层沉积物重金属污染较为严重。

变异系数(CV)计算结果表明，各季节水体中As和表层沉积物中Hg含量空间分布差异最大。由 WILDING[18]提出的分类标准可知，总体上水体中6种重金属均属于高等变异(CV值>36%)，As、Hg、Cr、Cu、Mn的CV值均超过100%，远超青格达湖[1]、洞庭湖[17]等湖泊，属于极强变异。总体上表层沉积物中As、Cd、Hg、Cr、Zn属于高等变异，Cu、Mn、Pb属于轻度变异(15%

由图2～3可知，水体重金属含量的年均值表现为东湖区和西湖区较高，南湖区和小南湖区较低，除西湖区的Hg以外均未超标。由图3可知，东湖区和小南湖区表层沉积物重金属含量的年均值较高，西湖区和南湖区较低，除As和Cd外均出现超标现象。2019年的监测结果显示，苦水河上游水体中As含量秋季最高，Cu和Zn含量夏季最高，太阳山湿地水体中As、Cu和Zn含量总体上也表现为夏、秋季较高。在农业生产上，磷肥中As含量较高，这些As中有0.1%～10%能转化为可溶性的As进入河流和湖泊中[19]，水泥生产、金属冶炼、化工等废水及常用的农药中有多种都含有Cu和Zn[20-21]，夏、秋季为农业生产期，因此推测太阳山湿地As、Cu和Zn的污染与苦水河汇集的农业面源污染及金属冶炼等工业废水有关。太阳山湿地水体As含量高于国内的其他对比湖泊，仅低于黄河甘宁蒙段[10]，As在宁夏清水河[7]同样具有较高的含量，因此推测As还可能与宁夏的地质因素有关。潘晨光等[22]和余辉等[23]均认为大气Zn的沉降通量较高，因此Zn还可能来源于大气干湿沉降。

图2 水体重金属的时空分布特征

图3 表层沉积物重金属的时空分布特征

水体和表层沉积物中Hg和Cr含量均表现为冬季最高，但苦水河上游水体中Hg在春、秋季含量较高，Cr在夏季含量较高，因此Hg和Cr含量受苦水河补水影响较小。太阳山开发区建设有多个煤化工、镁合金、火电厂、煤矿等企业，形成了“煤-焦-化”“煤-气-化”“煤-热-电”3条煤化工产业链，同时建设有造纸、特种玻璃制造、水泥等生产项目和石灰岩开采项目[6]，冶金、煤矿开采、矿物燃料的燃烧、水泥生产等都会产生含Hg和Cr的粉尘，因此可以认为Hg和Cr在来源上主要为大气沉降，冬季含量较高也可能与这2种重金属在冬季的沉降通量更高有关。Mn为地球化学循环的主要元素[24]，太阳山湿地表层沉积物中Mn的变异系数较小，表明受自然因素影响较大，Mn含量的分布状况与云南高原湖泊的情况相一致[25]，均认为属于自然来源。Pb和Cd在水体中未检出，在表层沉积物中出现超标现象，可能与湿地公园规划建设之前工业废水和生活污水的肆意排放有关，导致重金属产生了累积效应，在沉积物中产生了很高的背景值。

2.2 重金属污染评价

2.2.1水体重金属污染评价

内梅罗综合污染指数法评价结果如图4～5所示。全水域及4个湖区中重金属年均值和四季的单因子污染指数(Pi)均为Hg最大，且只有Hg存在不同程度的污染。Hg在季节上以冬季污染最为严重，4个湖区均存在低度-中度Hg污染，空间上以西湖区污染最为严重，冬、秋季均为中度污染。重金属年均值的多因子污染指数(Pn)表现为西湖区>全水域>南湖区>东湖区>小南湖区，除西湖区外均为无污染，西湖区为中度污染。Pn在季节上差异明显，均表现为冬季最大，其中西湖区、南湖区和东湖区的冬季均为中度污染，小南湖区冬季污染程度较小，也达到了低污染水平，西湖区的秋季同样为中度污染，因此西湖区重金属污染最为严重。由重金属的Pi可知，Hg含量对Pn的影响最大。

图4 内梅罗单因子指数(Pi)评价结果

0～0.7为无污染,>0.7～1.0为低污染，>1.0～2.0为中污染。

2.2.2表层沉积物重金属污染评价

地累积指数法的评价结果如图6所示。4个湖区及全水域的地累积指数(Igeo)均为Hg最大，且均达到了偏中度污染。此外，全水域、小南湖区、东湖区、南湖区存在轻度Zn污染，东湖区还存在轻度Cd污染，其他重金属均为无污染。总体上全水域受污染最严重的季节为冬季，Cd、Hg、Cu、Zn出现了不同程度的污染，且均达到了季节污染的最高水平，受污染最轻的为秋季，8种重金属均未出现污染。Hg为冬季共同污染金属，其中冬季南湖区Hg污染最为严重，为偏重度污染，其他湖区为偏中度-中度污染。此外，南湖区的四季、小南湖区的冬、春、夏季和东湖区冬季均受到Zn污染，小南湖区和东湖区冬季受到Cu和Cd污染，西湖区夏、秋季受到轻度Cd污染。总体来看，太阳山湿地表层沉积物主要受Hg和Zn污染，受污染最严重的季节均为冬季，其中东湖区冬季重金属污染最为严重，Cd、Hg、Pb、Cu、Mn、Zn均有不同程度的污染。