东洞庭湖沉积物重金属污染及生态-健康风险

蔡长卿，金昌盛，陈佳，文佳骏，聂小东，王磊，李忠武，*

（1.湖南大学环境科学与工程学院，长沙 410082；2.湖南师范大学地理科学学院，长沙 410081）

重金属具有显著毒性、持久性和不可降解性，其在食物链中会产生生物富集效应，因此严重威胁着水生生态环境。沉积物含有大量的各种各样的无机、有机及无机-有机胶体，如天然有机质、微生物、铁锰氧化物以及矿物质等，可通过吸附、络合、沉淀等作用结合重金属，是湖泊水体中重金属的蓄积地。但随着环境条件（水体pH值、有机质含量、水体扰动等）的改变，重金属极易释放、扩散进入湖泊水体中，引起二次污染。因此，沉积物重金属含量常被用作判断湖泊环境质量的重要指标，一直以来都是科学研究的重点。

洞庭湖是我国第二大淡水湖，水域面积2 579.2 km，以其独特优越的自然条件维系和支撑着自身及其流域内的生态平衡，其生态功能受损将影响洞庭湖流域可持续发展。从1980年开始，随着矿产资源的大量开发和流域社会经济的迅速发展，工业污染、农业面源污染和城市生活污染加剧，洞庭湖沉积物重金属含量呈递增趋势。经过多年治理，洞庭湖流域生态环境有所好转，但沉积物中重金属污染仍然是威胁洞庭湖生态环境的主要问题之一。部分研究主要关注湘、资、沅、澧“四水”入湖口、大通湖、东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖等局部湖区，但是一方面普遍存在采样点稀疏的情况，可能会影响结果准确性；另一方面重金属的分布特点具有空间异质性，鲜有通过生态功能区划分进行深入探讨的研究。综合诸多研究发现，东洞庭湖、湘江入湖口、鹿角至洞庭湖出口段等湖区重金属污染较为严重，且As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn是洞庭湖沉积物中最受关注的重金属元素，其中Cd是潜在生态风险的主要贡献者。东洞庭湖作为洞庭湖最大的湖区，重金属在沉积物中的积累受沉积物理化性质、沉积物组分、地质背景和作物种类等多种因素影响，其在不同生态功能区的分布、富集程度等具有显著的异质性，但有关东洞庭湖不同生态功能区沉积物重金属空间分异特征不明确，造成该污染难评测、控制与治理等问题。与此同时，当前部分针对湖泊沉积物重金属的污染评价常采用单一方法，而多种方法结合分析能够更加全面地揭示重金属污染对生态环境和人体健康等的影响，使研究结果更具科学性。对于重金属生态效应方面，地累积指数评价法、潜在生态风险指数法和富集因子法这3种评价方法运用较为广泛。地累积指数法能够较好地考虑地质背景所带来的影响；富集因子法可以有效校正沉积物粒度和矿物组成变化对重金属含量的影响；而潜在生态风险指数法可以综合评价多种重金属元素对生态环境的潜在影响并得到每种重金属的贡献率。由于每一种评价指数都存在一定的局限性，至今鲜有研究联合这三类评价方法进行东洞庭湖沉积物重金属污染程度及生态风险的评估。对于重金属健康风险的评估，目前主要采用美国环保署（USEPA）环境健康风险评价模型。

为掌握东洞庭湖最新的沉积物重金属污染状况、生态风险及健康风险，本研究以东洞庭湖沉积物为研究对象，基于不同生态功能区表层沉积物重金属（As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Zn）含量，分析重金属含量分布特征，运用地累积指数法和富集因子法评价重金属污染程度，运用潜在风险指数法评价东洞庭湖沉积物中重金属的生态风险，运用USEPA环境健康风险评价模型评估人体健康风险，以期为洞庭湖沉积物重金属污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点分布及样品采集

沉积物样品采集的时间是2020年12月，此时研究区水域处于枯水期，降水量小，水环境稳定。利用GPS定位采样点位置，依据研究区周边湖泊地势和污染源分布特征布设63个采样点（图1），其中，航道区采样点水深均在2 m以上，使用彼得逊重力采泥器采集表层（0~20 cm）沉积物样品，其余采样点为沿岸出露洲滩沉积物，利用铁铲采集表层（0~10 cm）沉积物样品。每个采样点在5 m×5 m范围内采集3个样品混合后作为一个样品。根据生态功能，将采样点分为湿地保护核心区、城陵矶港口区、航道区、城镇居民区、旅游区、农场、芦苇场。采集的沉积物分别装入聚乙烯袋中，标注编号、密封避光保存。运送至实验室后，将取回后的样品放在阴凉通风口处自然风干，剔除石砾、植物根系等明显异物。用玛瑙磨碎，过100目（孔径0.149 mm）尼龙筛，混匀后保存备用。

图1 东洞庭湖沉积物采样点分布示意图Figure 1 Distribution of sediment sampling points in East Dongting Lake

1.2 样品处理与分析

沉积物样品经HF-HNO-HClO-HCl酸溶解法消解：称取0.2 g过100目筛的沉积物样品放入50 mL的聚四氟乙烯消解管中，将装有样品的消解管置于石墨消解仪，在30℃条件下，每个消解管依次加入硝酸5 mL、盐酸3 mL、氢氟酸4 mL、高氯酸2 mL，振荡摇匀1 min，然后加热消煮至内容物呈白色黏稠状。降至室温后将消解物定容到50 mL容量瓶中，并摇匀静置，过滤后转移至离心管中待测。使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，iCAP 7000 Series）测定沉积物中As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Zn共10种重金属含量。为保证分析的准确性，每个沉积物样品设置2个平行样，样品分析相对误差小于5%，取平行样品分析的均值为结果。实验数据利用Excel 2010和SPSS Statistics 23软件进行分析处理。使用Arc⁃GIS 10.4软件绘制东洞庭湖沉积物采样点分布图，采用反距离加权法对重金属含量数据进行空间插值，未检出重金属样点的插值结果在图中以零值显示。

1.3 污染程度与生态风险评价方法

1.3.1 地累积指数法

地累积指数法（）不仅考虑了自然地质过程造成的背景值影响，也充分关注了人为活动对重金属污染的影响，是区分人为活动影响的重要参数，因此已成为广泛用于研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量方法。其计算公式为：

式中：C为样品中重金属的实测含量，mg·kg；BE为重金属的地球化学背景值，mg·kg。为更真实地反映东洞庭湖表层沉积物中重金属的污染现状，采用洞庭湖水系沉积物元素背景值作为参考值。根据值确定重金属污染等级：≤0（清洁）、0<≤1（轻度污染）、1<≤2（偏中度污染）、2<≤3（中度污染）、3<≤4（偏重污染）、4<≤5（重污染）。

1.3.2 富集因子法

富集因子法可以有效校正沉积物粒度和矿物组成变化对重金属含量的影响，从而更好地定量描述重金属的富集程度。同时，归一化的富集因子（）可用于量化人为干扰对重金属污染程度的影响。Al常被作为一种可接受的标准化元素，用于计算富集因子。沉积物中Al元素以流域自然来源为主，变异系数低，受人为来源影响相对较小。其计算公式为：

式中：（C/C）为目标元素与参考元素（Al）的实测浓度比值；（C/C）为目标元素与参考元素（Al）的背景值之比。研究认为，自然衍生元素的值在0.5~1.5之间，当>1.5，指示很大一部分微量金属元素来自非地壳物质或者非自然风化过程，例如点源污染、非点源污染以及生物区系等。根据值确定重金属富集程度：<2（轻度富集）、2<<5（中等富集）、5<<20（较强富集）、20<<40（高度富集）、>40（极高度富集）。

1.3.3 潜在生态风险指数法

HAKANSON潜在生态风险指数法综合考虑了重金属的生态效应、环境效益和毒理效应。其计算流程及生态风险等级划分参照文献[6，34-35]。

1.4 重金属元素健康风险评价

人类暴露于重金属的主要途径有3种：摄入、吸入和皮肤接触富含重金属的颗粒。根据USEPA推荐的健康风险评估模型，基于沉积物中重金属（As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn）的3种暴露途径对儿童和成人进行非致癌风险评估。其计算公式为：

式中：、和分别是摄入、皮肤接触和吸入的非致癌风险商数；为非致癌性风险系数；为沉积物的潜在有毒元素的含量，mg·kg；为土壤摄入频率，mg·d；为土壤暴露频率，d·a；为暴露年限，a；为体质量，kg；为重金属平均暴露时间，d；为基于USEPA（2013）的非致癌风险计算参考剂量；为转换系数；为皮肤吸收系数；为皮肤暴露表面积，cm；为皮肤黏着度，mg·cm；为呼吸频率，m·d；为灰尘排放因子，m·kg；是指污染物在胃肠道中被吸收的比例（根据美国环保署2016年数据，设定为1）。各重金属健康风险评价参数取值参照文献[37-40]。

2 结果与讨论

2.1 东洞庭湖沉积物重金属空间分布特征

东洞庭湖表层沉积物重金属As、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Zn的平均含量分别为2.77、6.45、70.94、19.78、28.48、938.80、42.73、42.69、91.36、166.09 mg·kg（表1），除As以外，其他重金属的平均含量分别超出洞庭湖沉积物背景值19.55、1.61、1.92、1.40、2.09、2.02、1.83、1.14、1.99倍。其中Cd、Cr、Co、Mn、Ni、Zn分别有98%、97%、97%、94%、98%、94%的样点超出背景值，说明东洞庭湖沉积物中重金属Cd、Cr、Co、Mn、Ni、Zn普遍存在污染问题。其中Cd的超出倍数与超出样点数最高，这与孟婉等的研究相印证。

表1 沉积物样品重金属元素的平均含量（mg·kg-1）Table 1 Average contents of heavy metal elements in sediment samples（mg·kg-1）

从东洞庭湖区域空间分布看（图2），Mn、Pb和Zn具有相似的分布特征，最高值出现在航道区，最低值在湿地保护核心区。自然条件下Pb和Zn多为伴生关系，说明二者可能具有相同的来源。其入湖河流湘江的上游是铅锌矿的主要产地，加上航道流速的减缓，沉积物在航道中段大量淤积，累积更多Pb、Zn。而航道区的沉积物处于淹水环境，微生物会优先利用MnO进行无氧呼吸，将MnO还原为Mn而溶解在间隙水或者吸附于颗粒物上，因此Mn元素从航道入口扩散并沉积在航道的中段。As元素在城镇居民区和旅游区无检出，样点H9、W2、N5、N11超出背景值，这可能与湘江输入有关。Cr在不同区域的平均含量表现为城镇居民区>旅游区>城陵矶港口区>农场>航道区>芦苇场>湿地保护核心区，这可能与东洞庭湖在人类活动频繁区域为消灭血吸虫的寄主钉螺而投放大量铬渣等化学试剂相关。Cu和Ni的含量在旅游区最高，航道北段也较高，湿地保护核心区最低，Sr含量在东洞庭湖西部的农场区域显著更高，表明在人类活动频繁的区域要注意Cu、Ni、Sr等元素的潜在污染。Cd的含量在不同区域上表现为湿地保护核心区>芦苇场>航道区>旅游区>农场>城陵矶港口区>城镇居民区。这反映出湿地保护虽然减少了多数重金属的输入，但是沉积物人为上翻的残留与固定作用使得Cd含量仍然很高；同时湘江输入至航道以及沿岸的芦苇场、旅游区等地的Cd含量与以往的研究相比虽有所下降，但仍显著高于背景值。

图2 东洞庭湖表层沉积物重金属含量的空间分布Figure 2 Spatial distribution of heavy metal contents in surface sediments of East Dongting Lake

2.2 不同区域中沉积物重金属污染程度

2.2.1 地累积指数法评价

东洞庭湖沉积物中重金属 A s、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr、Zn的地累积指数平均值分别为-0.92、3.39、0.06、0.19、-0.32、0.37、0.37、-0.41、-0.51、0.25，总体污染程度依次为：Cd>Ni>Mn>Zn>Co>Cr>Cu>Pb>Sr>As（表2）。除As、Sr、Pb、Cu的污染程度为清洁（<0）外，Cd、Cr、Co、Mn、Ni、Zn的污染程度各不相同，且以Cd污染的程度最为严重（=3.39），为4级偏重度污染，Cr、Co、Mn、Ni、Zn均为1级轻度污染（0<<1）。相较于其他湖泊，研究区域沉积物Cu、Pb、Zn、Ni、Cr污染处于中等水平，Cd处于较高水平（表3）。

表3 我国主要湖泊沉积物中重金属地累积指数[46]Table 3 Heavy metal Igeo in sediments of major lakes in China[46]

为分析东洞庭湖区沉积物重金属的复合污染情况，将10种重金属值的总和设为综合地累积指数（表2），东洞庭湖沉积物中整体重金属的为2.18，处于3级重度污染。根据值，重金属的综合污染状况为：航道区>城镇居民区>旅游区>芦苇场>湿地保护核心区>农场>城陵矶港口区。其中，航道区接近于受污染最严重的支流——湘江入湖后的东洞庭湖沿岸地区，因此其重金属复合污染情况最严重。而对于偏重度污染的Cd，污染程度最严重的是湿地保护核心区，其次为芦苇场地区，污染程度最轻的为城陵矶港口区。这说明港口区高流动性的水和泥沙有利于沉积物中重金属的迁移和稀释。而湿地保护核心区和芦苇场地区具有高密度湿地植物，其根际对外来Cd的固定与滞留作用使得该区域沉积物的Cd地累积指数含量较其他区域更高。

表2 东洞庭湖各区域沉积物重金属地累积指数Table 2 Heavy metal geo-accumulation index in sediments of East Dongting Lake

2.2.2 富集因子法评价

东洞庭湖沉积物中各重金属富集程度为：Cd>Mn>Ni>Zn>Co>Cr>Pb>Cu>Sr>As（表4），除重金属Cd富集程度为中等富集（=2.78）外，其余重金属均为轻度富集（<1）。根据不同区域10种重金属的总和，沉积物中重金属的复合富集程度为：湿地保护核心区（=14.75）>旅游区（=4.83）>芦苇场（=4.54）>农场（=3.58）>城镇居民区（=3.46）>航道区（=3.03）>城陵矶港口区（=2.90）。对于重金属Cd，富集程度最高的是湿地保护核心区（=12.65），其次为芦苇场（=2.61）和旅游区（=2.45），污染程度最轻的为航道区（=1.52）和城陵矶港口区（=1.35）。重金属整体评价结果与地累积指数法有所差异，究其原因为湿地保护核心区、旅游区和芦苇场地区普遍生长有高密度的湿地植物，对外来Cd具有固定与滞留作用，使得该区域沉积物的Cd富集程度较其他区域更高。而航道、港口区域高流动的水和泥沙有利于降低沉积物中重金属特别是Cd的富集。湿地保护核心区中，B1、B3，特别是B4（=50.98）点的Cd的值特别高，这可能是由于该位置处于湖泊内湾处，较少受到水波的冲刷与流动，更易于Cd在植物根际土壤中沉积与滞留。

表4 东洞庭湖各区域沉积物重金属富集因子Table 4 Heavy metal enrichment factors in sediments of East Dongting Lake

2.3 不同区域中沉积物重金属生态风险

表5 东洞庭湖各区域沉积物重金属潜在生态风险指数Table 5 Heavy metal potential ecological risk indexes in sediments of East Dongting Lake

2.4 沉积物重金属人体健康风险

东洞庭湖沉积物中经3种暴露途径的重金属的成人和儿童非致癌指数见表6和表7。除航道区H7点的Pb（=1.07）以外，所有采样点的成人的均在可接受范围内（<1）。而As、Cd、Pb在个别采样点处对于儿童具有非致癌风险。其中，As的非致癌风险点为H9（=2.54）、N11（=1.47）和W2（=1.74）；Cd的非致癌风险点为B4（=1.19）；Pb的非致癌风险点为H16（=1.12）、H9（=1.71）和 H7（=6.71）；As的非致癌风险点分布较为分散，主要在湘江入湖口以及航道中心；Cd的非致癌风险点与Cd污染程度极重的点重合；Pb的非致癌风险点分布较为集中，均在湘江主航道上。As、Pb两种具有非致癌风险重金属主要的风险点均位于沿东洞庭湖东岸的航道区。

表6 东洞庭湖各区域沉积物重金属的成人非致癌性风险系数Table 6 Heavy metal cumulative hazard indexes for non-carcinogenic risk of adults in sediments of East Dongting Lake

表7 东洞庭湖各区域沉积物重金属的儿童非致癌性风险系数Table 7 Heavy metal cumulative hazard indexes for non-carcinogenic risk of children in sediments of East Dongting Lake

3 结论

（1）研究区表层沉积物 A s、Cd、Cr、Co、Cu、Mn、Ni、Pb、Sr和Zn含量平均值分别为14.53、6.49、70.39、19.66、27.91、933.26、42.36、41.48、93.83 mg · kg和164.91 mg·kg，均超过洞庭湖水系沉积物背景值。在人类活动频繁的航道区、城镇居民区、旅游区和农场，重金属含量总体处于较高污染水平。

（2）东洞庭湖沉积物中的重金属Cd污染严重，其地累积指数、富集因子和潜在生态风险指数分别达到3.39、2.78和662.13，为主要污染因子，具有较强的生态风险。其余重金属均处于轻度污染、轻度富集程度和低生态风险。Cd在湿地核心保护区和芦苇场植物根际土壤中高度富集，该区域是湖区Cd污染防控首要整治对象。

（3）沉积物中重金属的成人非致癌指数均在可接受范围内，As、Cd、Pb对于儿童的非致癌风险点出现在湘江主航道上和沿东洞庭湖东岸的航道区。因此，该区域内的重金属防控需要引起重视。