高邮湖底泥及出入湖河口表层沉积物重金属元素分布与潜在生态风险评价

金 鹏, 祁 超, 郭炳跃, 张 斌

(江苏省地质勘查技术院,江苏南京210049)

0 引 言

高邮湖地处江苏与安徽交界处,水域总面积为760.67 km2,是中国第六大淡水湖。高邮湖以蓄水、行洪和灌溉调配功能为主,兼顾饮用水源地、水产养殖、水质净化及生物多样性维持等生态服务功能。自21世纪以来,随着产业结构的优化,高邮湖“鸭-稻-鱼”生产模式的兴起,湿地水产养殖、“鸭连片”特色产业企业迅速崛起,形成了一个集农、林、渔、牧为一体的复合型生态农业系统(孟灵芳等,2015)。畜禽养殖等特色产业的扩增使高邮湖周边工农业污水排放量不断增加,大量陆源污染物在高邮湖体沉积,重金属积累表现最为明显(蒋豫等,2015)。重金属通过悬浮扩散、生化吸附、絮凝沉淀及生物积累等方式在河湖底泥中富集,在适当条件下,又通过物理、化学、生物反应,经水流作用重新释放,对高邮湖原始生态环境造成了二次破坏(郭刘超等,2019;白冬锐等,2021;李健等,2021)。

目前,对河湖底泥重金属分布与生态风险评价研究日益增多(汤莉莉等,2008;陈书琴等,2011;高吉权等,2019;陆志华等,2022),评价方法以地累积指数法、内梅罗综合污染指数及潜在生态危害指数法等较为多见(叶永钦等,2018;郭炳跃等2019;黄俊等,2020;李秋燕等,2021;杨帆等,2022)。但在评价时考虑的因子不同、选用的参数不同,导致各方法评价体系存在差异,且多数只局限于河湖体本身,未涉及周边河流、湿地等,导致评价结果可能存在一定的局限性及片面性。

基于上述原因,对湖体与河口实施多点位联合监测,查清高邮湖及出入湖河口沉积物中的重金属含量及分布,并采用多方法结合、相似比对的方式进行重金属污染及生态风险评价,划分区内潜在生态风险等级,分析污染成因,锁定关键污染因子,为高邮湖生态环境质量改善以及出入湖河口土壤污染防控提供科学依据。

1 沉积物采集与处理

1.1 样品采集

为对高邮湖湖体及周边出入湖河流与湿地中的重金属污染分布特征进行全面调查及风险评价,设置多点位联合监测采样点25个(图1)。其中,高邮湖湖体监测点20个(DZ01—DZ20);周边出入湖河口、湿地监测点5个,分别为JC1(京杭运河界首镇段)、JC2(高邮湖与京杭运河连通水闸)、JC3(高邮湖与邵伯湖连接处)、JC4(操兵坝向阳河闸口)和JC5(备战村秦栏河口)。

图1 高邮湖底泥、周边出入湖河口及湿地表层沉积物采样点位示意图Fig. 1 Schematic diagram of sampling points distribution in the bottom mud of Gaoyou Lake, and surface sediments of its surrounding estuary and wetland

底泥及表层沉积物样品采集时间为2020年10月22—28日,期间无降水影响,采用彼得森采泥器,在高邮湖湖体及出入湖河口、湿地处共采集25个沉积物样品,采样点位见图1。样品的采集、流转、制备及保存程序均符合《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》要求。

1.2 样品分析

样品分析项为8种重金属元素Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg。其中,Cu、Zn、Pb、Ni、Cd采用ICP-MS法测定,Cr采用ZSX Primus Ⅱ型X射线荧光光谱仪测定,Hg、As采用AFS法测定。为保证分析结果的准确性,各检测项抽取10%的样品进行平行样分析,结果合格率为100%,满足质量要求。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子污染指数法 单因子污染指数Pi可视为实测含量所占标准值的份额,用以表征污染程度。计算公式:

(1)

式(1)中:Pi为污染指数;Ci为实测含量;Si为标准值,选用里下河浅洼平原表层土壤重金属背景值,mg/kg,分别为Cu 27.0、Zn 74.0、Ni 34.6、Pb 25.9、Cd 0.13、Cr 81.0、As 8.70、Hg 0.062(廖启林等,2011)。

1.3.2 内梅罗综合指数法 以单因子污染指数为数据基础,为避免均值评价法导致的偶然性,引入最大综合污染指数,得到各重金属污染指数的均方根值,即内梅罗综合指数P综。计算公式:

(2)

式(2)中,P综为综合指数,Pi max为综合指数最大值,Pi ave为综合指数平均值。

1.3.3 地累积指数法 地累积指数法(Müller,1969)将成岩作用、沉积特征及其他影响引起的背景值波动进行修正后,取以2为底的对数函数作为Igeo值,从而定量评价重金属的富集作用。评价公式为:

(3)

式(3)中,Cn为实测含量,Bn为土壤背景值(里下河浅洼平原表层土壤重金属背景值),1.5为修正系数。

1.3.4 潜在生态风险评价 潜在生态风险指数法(Hakanson et al.,1980)将单项金属污染指数进行分级,同时考虑重金属的环境毒害效应,结合毒性响应系数进行综合评价。评价公式如下。

(1)单项金属污染指数:

(4)

式(4)中,Cf,i为污染指数,Ci为土壤重金属元素实测含量,Cn,i为土壤重金属元素背景值。

(2)重金属单项潜在生态风险指数:

Er,i=Tr,iCf,i

(5)

式(5)中:Er,i为单项潜在生态风险指数;Tr,i为毒性响应系数,分别为:Cu 5、Zn 1、Ni 5、Pb 5、Cd 30、Cr 2、As 10、Hg 40。

(3)重金属综合潜在生态风险指数:

RI=∑Er,i

(6)

单项生态风险指数与毒性响应系数加权求和后得到RI值。

2 结果与分析

2.1 各采样点重金属元素含量特征统计

各采样点重金属元素含量统计结果(表1、图2)显示,25个采样点8种重金属元素中,仅Hg含量(平均值)未超过里下河浅洼平原表层土壤重金属元素背景值,As含量(最大值)超过农用地土壤污染风险筛选值。重金属元素标准差变异系数大小顺序为Cd>As>Zn>Ni>Cu>Hg>Pb>Cr,数值越大离散程度越高,各采样点的空间位置、沉积环境不同是变异系数差异的主要原因。

表1 重金属元素含量统计结果

图2 各采样点重金属元素含量统计图Fig. 2 Statistical diagram of heavy metal elements content at each sampling point

图3显示:重金属元素含量累积最高点为DZ07,最低点为DZ08,两者相差1.87倍;空间分布特征整体表现为高邮湖西侧(DZ08、DZ10)、南侧(DZ15、DZ16、DZ20)重金属元素含量较低,东侧(DZ07)、东北侧(DZ01、DZ02、DZ03)、东南侧(DZ13、DZ17、DZ18)重金属元素含量普遍较高,以高邮湖下游与邵伯湖联通处为甚。各点位含量差异可能受各入湖河流污染来源、水流作用、沉积环境或重金属特性影响。DZ07位于近高邮湖东岸湖中沉积区域,Zn、Pb、Cd等重金属富集现象可能受湖水更新周期较长、水流作用较小的影响。Cu和Ni最高值出现在JC5采样点(备战村秦栏河口区域),水环境质量监测数据显示,2020年5月—2021年5月,秦栏河口断面水质为Ⅳ—Ⅴ类,属于中度—重度污染(王宁等,2020;扬州市生态环境局,2021)。李莹杰等(2016)的研究表明,高邮湖局部区域存在轻度甚至偏中度的Cu、Ni污染,可能与该流域电镀、制革和有色金属冶炼有关。

图3 各点位重金属元素累积含量等值线图Fig. 3 Contour map of cumulative heavy metal elements content at each sampling point

李书恒等(2013)利用高邮湖某沉积柱沉积物地球化学记录解译了近300年来高邮湖的沉积信息,结果表明,人类活动对高邮湖环境的影响主要发生在近百年,尤其是20世纪80年代后,随着人口增长及乡镇工业的快速发展,湖区工业污水、农药及生活废水排放量急剧增加,部分重金属进入湖泊水体,导致湖泊重金属富集。20世纪90年代以来,高邮湖沉积物中重金属元素含量呈明显上升趋势。

2.2 沉积物中重金属元素相关性分析

采用SPSS软件对各项重金属元素含量进行Pearson相关性分析,得到各重金属元素之间相关系数矩阵(表2)。8种重金属元素中,除Hg与Ni之间表现为弱相关外,其余重金属元素间的相关程度为中等及以上。Ni与Cr、Pb、Zn、Cu存在极强相关性,表明高邮湖及周边河流中的重金属元素存在紧密联系;Hg与其他7种重金属元素相关性较弱,且Hg含量未超过里下河浅洼平原表层土壤重金属元素背景值,表明其富集来源可能仅与湖泊原始土壤重金属元素背景值有关。变异系数与相关性分析结果表明无明显的人为重金属污染特征。

表2 重金属元素相关系数矩阵

2.3 潜在生态风险评价

2.3.1 单因子污染指数法评价 单因子污染指数Pi评价结果(表3)表明,各级样点污染情况多为轻度污染,中度污染样点的重金属元素仅有As、Cd,占比分别为20%、28%,无重度超标。单因子污染指数均值排序为As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值为1.70(As),最小值为0.78(Hg),表明研究区总体上Hg为无污染,其余7种重金属元素均为轻度污染,全区无中度及以上重金属污染。2011—2012年,陈乾坤等(2013)对骆马湖、洪泽湖及高邮湖等7个江苏西部湖泊的表层沉积物重金属元素分布特征进行了调查评价,发现高邮湖湖泊表层沉积物中污染最严重的重金属元素为Cd、As,其次为Zn、Cu、Pb,与此次单因子污染指数评价结果排序相似。

表3 单因子污染指数评价结果

2.3.2 内梅罗综合指数法评价 内梅罗污染指数P综评价结果如表4。P综排序为As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值为2.43(As),最小值为0.94(Hg),8种重金属元素中As、Cd为中度污染,Hg为清洁,其余5种为轻度污染。总体而言,研究区重金属污染程度为轻度—中度污染,但As、Cd两种重金属元素对高邮湖生态环境的影响需引起重视。

表4 内梅罗污染指数评价结果

2.3.3 地累积指数法评价 地累积指数Igeo评价结果(表5)表明,8种重金属元素中,As、Cd轻度污染比例分别为68%、44%,其余元素未受污染比例占90%以上,全区无偏中度及以上污染样点;Igeo平均值排序为As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值为0.14(As),最小值为-0.96(Hg),且除As元素外,其余元素Igeo平均值均为负值,表明全区8种重金属元素污染评价中,仅As为轻度污染,其余元素均为无污染。着眼于生态环境保护高质量发展,轻度污染元素As的后续污染变化值得关注。

表5 重金属元素地累积指数及污染等级

2.3.4 潜在生态风险指数评价 潜在生态风险指数RI评价结果(表6)显示,8种重金属元素单项潜在生态风险指数排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。受毒性响应系数影响,重金属元素Cd属中风险水平,其余元素为低风险。Cd处于中等污染水平的样品数为15件,占总样品数的60%,且均为高邮湖底泥样,最大污染指数点位为DZ07。评价结果与陈乾坤等(2013)的研究结果即江苏西部湖泊表层沉积物中重金属单项潜在生态风险大小顺序均为Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn的结论相印证(未涉及Hg),该研究认为高邮湖Cd、As污染与近年来湖泊周边乡镇工业迅速发展产生的大量工业废水排放有关。

表6 潜在生态风险等级评价结果

研究区RI值在78.8～178.8之间,平均值为115.7,主要贡献因子为Cd,总体生态风险属于低风险状态。值得注意的是,DZ01、DZ02、DZ07监测点评价结果为中风险等级,且高邮湖底泥样品RI平均值(122.3)高于出入湖河口RI平均值(89.2),表明重金属污染物沿入湖河口向湖心区汇聚,有沿途富集趋势,底泥成为重金属污染物的重要载体,这与高吉权等(2019)、陆志华等(2022)的研究结果即洞庭湖、太湖等底泥重金属分布规律相似。

2.4 评价方法的比较

单因子污染指数评价法操作简单,表达直观;内梅罗综合指数法以取均方根值的形式代替均值评价,兼顾了极值的影响,评价更为客观。本次单因子与内梅罗污染指数法的污染评价结果一致,污染指数均值排序均为As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,但前者对As、Cd评价为轻度污染,而后者评价为中度污染。究其原因,在单因子污染指数法评价时,As、Cd单因子污染指数最大值表现更为突出;在内梅罗综合指数法评价时兼顾了极值的影响,避免了均值评价的局限性。

根据地累积指数法评价结果,各项重金属Igeo值表现为As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,仅As为轻度污染,其余元素均为无污染状态。在潜在生态风险指数法评价中,单项风险指数表现为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn,Cd风险指数最大,评价结果属中风险,其余元素为低风险。对比可知,Cd、As、Pb的污染指数排序均居前,Zn与Hg污染指数排序变化较大。造成评价结果差异的主要原因是潜在生态风险指数法吸纳了元素毒性响应系数来进行多指标综合评价,毒性响应系数越高者(如Cd、Hg)风险指数越大,毒性响应系数最低者(如Zn)潜在生态风险指数最小,危害最低,潜在生态风险指数法更突出重金属元素的环境毒害效应,侧重重金属元素对环境载体的整体生态影响。

3 结 论

通过对高邮湖底泥及出入湖河口表层沉积物重金属污染进行分析和评价,得出以下结论。

(1) 8种重金属元素监测数据显示,仅Hg含量(平均值)未超过里下河浅洼平原表层土壤重金属元素背景值,As含量(最大值)超过筛选值。空间分布特征整体表现为高邮湖西侧与南侧重金属元素含量较小,东侧及东南侧重金属元素含量普遍较大,以高邮湖下游与邵伯湖连通处为甚。各点位的含量差异可能受各入湖河流的污染来源、水流作用、沉积环境或重金属特性影响。

(2) Pearson相关性分析表明:重金属元素Ni与Cr、Pb、Zn、Cu之间存在显著的同源性;Hg与其他7种重金属元素之间相关性较弱,且Hg含量未超过里下河浅洼平原表层土壤重金属元素背景值,表明其富集来源可能仅与原始湖泊土壤重金属元素背景值有关。

(3) 单因子污染指数显示,研究区Hg为无污染状态,其余7种重金属元素均为轻度污染;内梅罗综合污染指数评价显示,仅As与Cd为中度污染,Hg为清洁,其余元素为轻度污染。Cd、As两种重金属元素对高邮湖生态环境的影响需引起重视。

(4) 地累积指数Igeo平均值除As元素外,其余元素均为负值,表征仅As为轻度污染,其余元素均呈无污染状态;综合潜在生态风险指数RI平均值为115.7,揭示总体生态风险属于低风险状态。评价引入了毒性响应系数,改变了Cd元素风险等级及Zn、Hg强弱顺序,突出了重金属元素的环境毒害效应,偏重其对环境载体的整体生态影响。

(5) 高邮湖底泥样品RI均值高于出入湖河口,表明重金属污染物沿入湖河口向湖心区汇聚,有沿途富集趋势,底泥成为重金属污染物的重要载体。