鄱阳湖南矶山湿地沉积物重金属污染特征及潜在生态风险*

李逸平 王香莲 金如意 曾立安 黄 庭#

(1.南昌大学资源与环境学院,江西 南昌 330031;2.南昌工程学院土木与建筑工程学院,江西 南昌 330099;3.南昌大学外国语学院,江西 南昌 330031)

湿地是生物多样性最丰富的生态系统,在维持和调节生态平衡、提供生态环境的多样性等方面有着不可替代的作用[1]。受气候变化与人为活动的影响,湿地的污染问题变得更加严重,重金属污染尤为突出[2-3]。湿地中重金属来源广泛,岩石风化和火山活动等自然因素以及各种工农业生产活动均可促成重金属在湿地中赋存、迁移、转化和累积,并对湿地生态环境产生重大威胁[4]。湿地系统中的重金属会在鱼类和其他大型无脊椎动物体内富集,从而污染水生生物[5],并通过食物链传递,对周边人群身体健康造成威胁。

南矶山湿地是鄱阳湖的核心组成部分,作为重要的内陆河口湿地生态系统,在调节赣江入鄱阳湖区域的生态平衡上起着举足轻重的作用。随着经济的高速发展,大量污染物由赣江汇入南矶山湿地并对其生态功能造成了一定的影响。当前,大量的研究都集中在对鄱阳湖湖区及支流的重金属污染特征研究上[6-8],仅有少量的学者对南矶山湿地土壤重金属Cu、Pb、Zn的含量及其形态分布规律进行了研究[9],而对南矶山湿地重金属污染的空间分布、来源以及潜在生态风险研究鲜有报道。因此,本研究以南矶山湿地为研究对象,采集沉积物样品54个,测定了Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg等10种重金属的含量,利用单因子污染指数法及内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和富集因子法等分析南矶山湿地沉积物重金属污染特征,通过相关性分析和主成分分析确定重金属的来源,运用潜在生态危害指数法模型,评价南矶山湿地自然保护区的潜在生态风险,研究结果可为湿地环境风险管控和重金属污染治理提供科学依据,为鄱阳湖流域可持续发展研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南矶山湿地位于鄱阳湖主湖区南部,地处赣江北支、中支和南支汇入鄱阳湖冲积形成的三角洲前缘(见图1)。南矶山湿地位于亚热带湿润季风气候区,具有明显的干湿两季,降水分配不均匀,区内自然资源丰富,保留了天然湿地的生态结构与功能,是全球候鸟迁飞中重要的越冬地和中继站[10]。近年来,随着区域经济的发展和城市化进程的加快,大量的重金属污染源输入南矶山湿地,湿地水体、沉积物、水生动植物以及候鸟都面临着严峻的重金属污染威胁。

图1 南矶山湿地与采样点位置Fig.1 Location of Nanjishan Wetland and the sampling sites

1.2 样品采集与测定

综合考虑区域的土壤和水域分布情况,在南矶山湿地设置了54个采样点,相对均匀地分布于研究区内。沉积物利用抓斗式采泥器进行采集,用聚乙烯塑料袋封装好并贴好标签安放于泥土箱带回实验室存储。沉积物中重金属元素样品测定参照相关国家标准,Co、Mn、Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd含量采用电感耦合等离子体质谱法测定,Hg、As含量采用原子荧光法测定;土壤pH参照《土壤pH的测定》(NY/T 1377—2007)[11]采用电极电位法测定。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数表征污染物的测量浓度超过标准限值的程度,根据式(1)确定重金属元素的单因子污染指数以评估其污染程度[12]：

P=C/S

(1)

式中：P为重金属元素的单因子污染指数;C为检测样品中重金属元素的实测值,mg/kg;S为重金属元素的土壤环境质量指标值,mg/kg,以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[13]的风险筛选值为指标值,由于GB 15618—2018中未给出Co、Mn风险筛选值,以江西省土壤中重金属含量背景值为指标值。各重金属土壤环境质量指标值见表1,单因子污染指数分级标准见表2。

表1 各重金属土壤环境质量指标值Table 1 Environmental quality index of heavy metals

表2 P分级标准Table 2 Classification standard of P

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法是以单因子污染指数法为基础,综合反映受多种重金属污染的土壤状况[14],其计算见式(2)：

(2)

式中：PI为检测样品重金属的内梅罗综合污染指数;Pave为重金属元素单因子污染指数的平均值;Pmax为重金属元素单因子污染指数的最大值;内梅罗综合污染指数分级标准见表3。

表3 PI分级标准Table 3 Classification standard of PI

1.3.3 地累积指数法

地累积指数是研究水体沉积物中重金属污染程度的常用评价指标[15],其计算见式(3)：

(3)

式中：Igeo为重金属元素的地累积指数;B为重金属元素在普通页岩中的地球化学背景值,mg/kg;考虑到各地岩石的差异,为了最大程度地减少地质变化的影响从而引入系数1.5。地累积指数一般可分为7个级别,分级标准见表4。

表4 Igeo分级标准Table 4 Classification standard of Igeo

1.3.4 富集因子法

富集因子法是由ZOLLER等[16]提出,被广泛用于评价湖泊沉积物的重金属污染状况,其计算见式(4)：

(4)

式中：EFi为重金属元素i的富集系数；Ci、Cref分别为沉积物中重金属元素i及参比元素Al的实测质量浓度,mg/kg;Si、Sref分别为重金属元素i和参比元素Al的指标值,mg/kg。

1.3.5 相关性分析与主成分分析

由于重金属元素浓度数据不满足线性关系,也不服从正态分布,采用Spearman相关系数[17]对重金属元素进行相关性分析。主成分分析可在损失尽量少信息量的前提下,将初始变量降维成较少的几个相互无关的主成分[18],实现污染源的定性识别。通过KMO和Bartlett球形度检验原始土壤重金属浓度数据,得到原始数据KMO>0.5,Bartlett球形检验显著性p<0.001,表明各重金属之间相关性较强,适合进行主成分分析,源识别结果可靠。

1.3.6 潜在生态风险评价

潜在生态危害指数法是从沉积学角度评价土壤或沉积物中重金属生态风险的方法,在环境风险评价中得到了广泛应用,其计算见式(5)、式(6)：

(5)

(6)

表及RI的分级标准Table 5 Classification standard of and RI

1.4 质量控制

为确保样品测定过程、结果的精确度与可靠性,对每组样品进行平行测定,以土壤标准样品(GBW07386)作为质量控制,所测样品重金属回收率为93%～113%。实验分析过程中使用的试剂均为优级纯,标准回归曲线相关系数>0.999,说明本研究监测结果可靠。

2 结果与讨论

2.1 沉积物中重金属含量与空间分布特征

南矶山湿地表层沉积物中重金属测定结果见表6。经检测,采样点沉积物pH在4.82～7.49,Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg的平均质量浓度分别为0.61、15.58、13.73、58.45、28.09、864.55、24.66、54.92、122.65、0.109 mg/kg,除Cd和Co外,Cu、Pb、Zn、Mn、Cr、Hg、Ni、As的平均质量浓度均超过江西省土壤背景值,分别为背景值的5.91、4.39、2.68、2.72、1.98、1.70、1.30、1.17倍;另外,Pb、Cu的最小值均超过背景值,分别为背景值的2.46、1.79倍;对照GB 15618—2018的风险筛选值,除了Cd有64.8%的采样点超过风险筛选值外,其余重金属元素均未超过风险筛选值。对比前人研究结果[20],可以看出南矶山湿地As、Cu含量总体低于鄱阳湖湖区沉积物，Cd、Ni、Zn、Hg含量与湖区沉积物基本持平，而Cr、Pb和Mn含量则高于湖区沉积物。变异系数反映了总体样本中各个采样点的平均变异程度,在一定程度上反映样品受人为影响的程度,Cd、Hg和Mn的变异系数分别为59.02%、40.36%和39.06%,为高度变异(变异系数≥36%),As、Zn、Cr、Cu、Ni、Pb和Co的变异系数分别为33.25%、30.05%、27.56%、24.81%、23.76%、22.91%和18.14%,为中等变异(15%<变异系数<36%),表明南矶山湿地沉积物重金属整体上受到了人为活动的影响,其中Cd的变异系数最大,受人为干扰的迹象最为明显。

表6 沉积物重金属质量浓度统计Table 6 Statistics of heavy metal mass concentration in sediments

表7 沉积物重金属单因子污染指数Table 7 The single factor pollution index of heavy metals

在ArcGIS 10.4 软件平台的Geostatistic Analysis Extension模块下,采用反距离加权插值法对研究区土壤重金属含量进行空间插值分析。结果表明,Cr在湖区分布最为均匀,其峰值位于湿地东南部;As、Co、Cu和Ni的含量分布具有相似的空间变化趋势,高值区基本位于区域的东南部,低值区位于区域的北部,极高值出现在南矶乡附近;Pb、Zn和Hg的空间分布较为相似,高值区位于区域的西北部,低值区位于区域的东北部,整体呈现自东向西递增的趋势,极高值出现在赣江中支的入湖口,其主要来源可能为河流携带,受人为影响程度较大;Mn分布较不均匀,整体呈现自东向西递增的趋势,其中极高值出现在南矶乡附近,说明人为输入污染对其含量具有较大的影响;Cd整体呈现自东向西递增的趋势,极高值点出现在赣江中支的入湖口和南矶乡附近,说明赣江上游的工业活动和南矶乡的人为活动导致区域Cd含量较高。

2.2 南矶山湿地重金属污染分析

沉积物重金属的单因子以污染指数分析结果见表7。各重金属单因子污染指数的平均值排序为Mn>Cr>Cd>Co>Zn>As>Pb>Ni>Hg>Cu,其中Mn、Cr和Cd出现一定程度的污染。沉积物样品中,Mn污染率高达98.2%,其中呈中度至重度污染的样品达70.4%;Cr的污染率为87.0%,其中有85.2%的样品呈轻度污染,Cd的污染率为63.0%,呈中度至中重度污染的样品达33.4%;Co的污染率为46.3%,均为轻度污染;As、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg均未出现污染。沉积物重金属内梅罗综合污染指数为1.12,总体呈轻度污染。

地累积指数法分析结果见图2。可以看出,沉积物中各重金属污染程度为Cu>Pb>Zn>Mn>Cr>Hg>Ni>As>Co>Cd。Cu、Pb的污染率较高,呈中度-重度污染的占比分别为54%、7%,中度污染占比分别为44%、89%,说明Cu、Pb在一定程度上受到人为活动的影响;Zn、Mn、Cr、Hg污染率分别为96%、89%、87%、56%,其中呈中度污染的占比分别为35%、39%、2%、2%;Ni、As和Cd的污染较轻,呈轻度-中度污染的分别为24%、17%和7%的;Co无污染。南矶山湿地沉积物Cu和Pb的地累积指数平均值比洞庭湖(Cu、Pb分别为0.2、0.4)、鄱阳湖(Cu、Pb分别为0.9、0.3)高,Cd的地累积指数均值比洞庭湖(3.7)、鄱阳湖(3.0)低[21]。地累积指数法评价结果与单因子污染指数存在一定差异,这是因为地累积指数不仅考虑了自然地质过程对背景值的影响,也充分注意了人为活动的影响。

图2 南矶山湿地重金属地累积指数箱型图Fig.2 The box plots of heavy metal Igeo in Nanjishan Wetland

沉积物重金属的富集系数统计结果见图3。重金属Cd、As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg的富集系数分别为0.28～4.20、0.29～1.38、0.73～2.21、0.12～0.92、0.08～0.34、1.00～5.48、0.12～0.97、0.21～0.90、0.34～1.06、0.05～0.45,平均值分别为1.66、0.61、1.05、0.22、0.19、3.06、0.37、0.59、0.65和0.23,富集系数排序为Mn>Cd>Co>Zn>As>Pb>Ni>Hg>Cr>Cu。重金属的富集系数可以有效反映其在沉积物中的富集程度,可以看出研究区Mn存在较强富集,主要分布在南矶乡附近,Cd、As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg的富集系数总体介于0～2,富集程度较低。

图3 南矶山湿地重金属富集系数箱型图Fig.3 The box plots of heavy metal EF in Nanjishan Wetland

2.3 南矶山湿地重金属来源分析

使用SPSS 22软件对沉积物样品中的10种重金属元素进行相关性分析,结果见表8。可以看出,Cd、As、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg之间具有显著相关性(p<0.01),相关系数介于0.67～0.91,表明Cd、As、Cu、Mn、Pb、Zn、Hg可能来源于同一污染源;Cr、Ni、Co之间具有显著相关性(p<0.01),相关系数介于0.77～0.91,表明Cr、Ni、Co可能来源于同一污染源。

表8 不同重金属之间的相关系数1)Table 8 Correlation coefficients between different heavy metal

主成分分析结果见表9,共提取出2个主成分(分别记为PC1、PC2),可以反映全部原始数据87.23%的原始信息。其中,PC1特征值为6.94,方差贡献率为51.20%,Cd、Pb、Zn、Hg、Mn在PC1种具有较高的载荷。有研究表明,在铜矿、铅锌矿开采和冶炼过程中,某些硫化物(如闪锌矿、方铅矿、黄铜矿等)会被氧化释放出Pb、Hg、Zn和Cd进入环境[22],因此推测PC1代表的是人为活动源。PC2特征值为1.78,方差贡献率为36.03%,Cr、Ni、Co在PC2种具有较高的载荷,Cr的主要来源通常为成土母质,且Ni的平均含量与背景值相近,Co的平均含量也未超过江西省土壤背景值,因此可以推测PC2代表自然源。

表9 沉积物重金属元素主成分旋转载荷Table 9 Rotation load of principal components of heavy metal elements in sediments

2.4 南矶山湿地潜在生态风险评价

南矶山湿地沉积物重金属潜在生态风险评价结果见表10。从单个重金属元素来看,Zn表现为中风险至高风险程度,Cd表现为低风险至较高风险程度,而Mn、As、Pb、Cu、Hg、Co、Ni、Cr总体表现为低风险。所有沉积物样品中,Zn呈高风险的样本占比为13.0%,呈较高风险的样本占比为72.2%,呈中风险的样本占比为14.8%;Cd呈较高风险的样本占比为9.3%,呈中风险的样本占比为44.4%。可见,Zn、Cd为南矶山湿地沉积物中主要的潜在生态危害重金属元素,需加强对Zn、Cd的风险监控。

表10 南矶山湿地沉积物重金属的潜在生态风险Table 10 Potential ecological risks of heavy metals in Nanjishan Wetland sediments

南矶山湿地沉积物重金属的整体潜在生态危害指数为70.11～440.14,平均值为228.11,潜在生态风险水平为低风险至较高风险水平。其中,呈较高风险的样本占比为50.0%,呈中风险的样本占比为48.1%,呈低风险的样本占比为1.9%。

3 结 论

(1) 研究区沉积物重金属Cd、As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg的平均质量浓度分别为0.61、15.58、58.45、28.09、24.66、54.92、122.65、0.109 mg/kg,除Cd外,其余重金属含量均低于GB 15618—2018中的风险筛选值。

(2) 污染风险评价结果显示,沉积物重金属内梅罗综合污染指数为1.12,呈轻度污染。其中, Mn、Cr、Cd呈现较重污染,Mn表现为中度至重度污染,Cd表现为中度至中重度污染,Cr大多为轻度污染,As、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg均未出现污染;此外,Mn富集程度较高,Cd、As、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg的富集程度较低。

(3) 源解析结果显示,Cd、Pb、Zn、Hg、Mn呈显著正相关(p<0.01),其主要来源可能为矿产开采等人为活动;Cr、Ni、Co也有显著的相关性(p<0.01),其主要来源为自然源。

(4) 南矶山湿地潜在生态风险水平为低风险至较高风险水平,Zn、Cd为南矶山湿地主要的潜在生态危害元素,需加强对Zn、Cd的风险监控。