李照全, 方 平, 黃 博*, 盧少勇, 萬 群, 熊 劍, 張光貴

1.湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000 2.湘陰縣環(huán)境監(jiān)測站，湖南 湘陰 414600 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，國家環(huán)境保護(hù)洞庭湖科學(xué)觀測研究站，北京 100012 4.湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 岳陽 414000

沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是污染物質(zhì)重要的“源”和“匯”[1-2]. 當(dāng)?shù)?、磷及重金屬等污染物進(jìn)入水體后，絕大部分以溶解態(tài)或被懸浮物所吸附存在于水環(huán)境中，在一定的水動(dòng)力條件下逐步遷移、吸附、沉積至表層沉積物中. 在環(huán)境因素變化時(shí)，這部分污染物會(huì)重新釋放進(jìn)入水體形成二次污染[3-5]. 研究[6-8]認(rèn)為，沉積物是造成湖泊水體富營養(yǎng)化及重金屬污染的來源之一，對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)不容忽視. 因此，開展湖泊沉積物中氮、磷及重金屬污染狀況調(diào)查，對(duì)研究湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要意義.

洞庭湖位于長江荊江段南岸，是長江中下游重要的調(diào)蓄湖泊. 經(jīng)過漫長的自然演變和近50年來的人為活動(dòng)，湖區(qū)內(nèi)形成了眾多內(nèi)湖. 內(nèi)湖系指相對(duì)外湖洞庭湖而言的圩垸湖泊，與江、河無直接水文聯(lián)系，湖泊入、出流受人為控制[9]. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，洞庭湖區(qū)面積大于1 km2的內(nèi)湖有122個(gè)[9]，是我國湖泊密度大、發(fā)育廣泛的湖群集中區(qū)域[10]. 內(nèi)湖作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、維持濕地生物多樣性、調(diào)節(jié)局部小氣候等方面有重要作用，同時(shí)在地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展過程中，承載著重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值. 但相比外湖而言，內(nèi)湖易受外部環(huán)境干擾，水動(dòng)力條件普遍較差，加上養(yǎng)殖、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)居民生活等人為活動(dòng)影響，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境脆弱，面臨的污染形勢更為嚴(yán)峻. 因此，保護(hù)內(nèi)湖生態(tài)環(huán)境顯得尤為迫切. 近年來，不少學(xué)者對(duì)湖泊沉積物開展研究，如盧少勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)，重慶長壽湖表層沉積物氮、磷污染嚴(yán)重且空間分布差異明顯；蔣豫等[12]研究表明，陽澄湖表層沉積物已不同程度受重金屬污染，陽澄西湖污染最重；陳乾坤等[13]對(duì)江蘇西部7個(gè)湖泊表層沉積物進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，顯示固城湖等4個(gè)內(nèi)湖為中等風(fēng)險(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)因子為Cd、As. 目前關(guān)于洞庭湖區(qū)內(nèi)湖相關(guān)研究較少[10,14]，并且缺乏較系統(tǒng)的調(diào)查評(píng)價(jià). 為此，筆者以列入國家濕地重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)、國家濕地公園、湖南省重要濕地名錄及水域面積大于10 km2的洞庭湖區(qū)岳陽地區(qū)內(nèi)湖為調(diào)查范圍，兼顧水體不同使用功能與污染類型，選取了7個(gè)代表性內(nèi)湖為研究對(duì)象. 通過現(xiàn)場調(diào)查與采樣，借助SPSS 19.0、ArcGIS 10.2等軟件分析內(nèi)湖表層沉積物中氮、磷及重金屬等污染物的空間分布與累積成因，并采用綜合污染指數(shù)法(FF)、地積累指數(shù)法(Igeo)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(RI)評(píng)價(jià)內(nèi)湖的污染現(xiàn)狀及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為洞庭湖區(qū)內(nèi)湖污染防治提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岳陽市(28°25′33″N～29°51′00″N、112°18′31″E～114°09′06″E)位于湖南省東北部，素稱“湘北門戶”，年均降水量 1 289.8～1 556.2 mm，年均氣溫16.5～17.2 ℃. 境內(nèi)地貌組合復(fù)雜，山地、丘陵、崗地、平原、水面5種地貌類型分別占全市國土總面積的16%、24%、18%、26%、16%. 境內(nèi)湖泊星布，河流眾多，有大小湖泊165個(gè)，流域面積100 km2以上的河流27條. 轄區(qū)洞庭湖面積1 312 km2，其中東洞庭湖920 km2、南洞庭湖392 km2. 長江干流自華容塔市驛入境至黃蓋湖鐵山嘴，全長158.5 km. 湘江、汨羅江、新墻河、華容河、藕池河自境內(nèi)注入洞庭湖. 結(jié)合轄區(qū)實(shí)際，選取了7個(gè)代表性內(nèi)湖為研究對(duì)象，基本情況見表1.

表1 內(nèi)湖基本情況

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)、樣品采集與分析

于2015年8月、9月豐水期對(duì)洞庭湖區(qū)7個(gè)典型內(nèi)湖進(jìn)行采樣，按左、中、右或上、中、下布設(shè)采樣點(diǎn)，具體見圖1. 使用抓斗式采泥器采集0～20 cm表層沉積物，同時(shí)用手持式GPS (GARMIN GPS76，上海佳明速達(dá)航電科技有限公司)記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度信息. 每個(gè)采樣點(diǎn)采集5個(gè)樣品共約2 kg，混合并裝入封口袋，置于潔凈制樣間自然風(fēng)干. 風(fēng)干樣品經(jīng)粗磨過2 mm篩，均勻混合后采用四分法棄??；保留樣品一份細(xì)磨過0.25 mm篩，另一份保存?zhèn)溆?；稱量后再四分法成兩份，一份用于測定氮、磷全量，另一份繼續(xù)細(xì)磨全部過0.15 mm篩，用于重金屬全量分析.w(TN)采用半微量開氏法測定；w(TP)采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測定；w(Cu)、w(Zn)、w(Cr)、w(Ni)采用火焰原子吸收分光光度法〔Z-5000，日立分析儀器(上海)有限公司〕測定；w(Pb)、w(Cd)采用石墨爐原子吸收分光光度法〔Z-5000，日立分析儀器(上海)有限公司〕測定；w(As)、w(Sb)、w(Hg)采用原子熒光法(AFS-8230，北京吉天儀器有限公司)測定. 采用國家標(biāo)準(zhǔn)沉積物GSD-19、GSD-22進(jìn)行質(zhì)控，每個(gè)樣品分析2個(gè)平行樣，要求誤差小于5%，按平均值統(tǒng)計(jì).

圖1 洞庭湖區(qū)典型內(nèi)湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites of the typical internal lakes in Dongting Lake area

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1綜合污染指數(shù)法

采用綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)氮、磷污染程度，計(jì)算公式：

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

式中：Si為第i項(xiàng)污染物單項(xiàng)指數(shù)；Ci為第i項(xiàng)污染物在沉積物中的含量，mg/kg；Cs為對(duì)應(yīng)元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，該研究以加拿大安大略省環(huán)境和能源部(1992年)發(fā)布的沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)指南中引起最低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)含量為標(biāo)準(zhǔn)[15]，其中w(TN)、w(TP)分別為550、600 mg/kg；FF為綜合污染指數(shù)；F為單項(xiàng)污染指數(shù)平均值；Fmax為最大單項(xiàng)污染指數(shù). 綜合污染程度分級(jí)見表2.

表2 沉積物綜合污染程度分級(jí)

1.3.2地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法由德國沉積物學(xué)者M(jìn)uller(1969年)[16]提出，廣泛用于沉積物中重金屬的污染評(píng)價(jià)，計(jì)算公式：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(3)

式中：Cn為實(shí)測元素在沉積物中的含量，mg/kg；K為各地巖石差異可能導(dǎo)致背景值變化而取的參數(shù)，一般取值1.5；Bn為該元素地球化學(xué)背景值，該研究以洞庭湖水系沉積物背景值為地球化學(xué)背景值(見表3). 按地積累指數(shù)分為7個(gè)級(jí)別，具體污染程度分級(jí)見表4.

表3 洞庭湖水系沉積物重金屬背景值[17]

表4 沉積物地積累指數(shù)污染程度分級(jí)

1.3.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法1980年由瑞典地球化學(xué)家Hakanson[18]提出，該方法以全球工業(yè)化前沉積物中污染物的含量為參比，根據(jù)地球元素“豐度”原則與“釋放原理”，從沉積學(xué)角度給出了PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn等8種污染物的生物毒性系數(shù)，并定量劃分了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)級(jí)別，計(jì)算公式：

(4)

式中：Tri為重金屬生物毒性響應(yīng)系數(shù)，其中Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn等7種重金屬參照Hakanson給出的系數(shù)，分別取值為40、30、10、5、5、2、1，Sb、Ni參考林麗欽[19]的研究，分別取值為40、5；Csi為沉積物中重金屬的實(shí)際含量，mg/kg；Cni為沉積物重金屬參比值，該研究采用洞庭湖沉積物背景值(見表3)；Eri為單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；RI為多項(xiàng)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，考慮到該研究重金屬因子為9項(xiàng)，因此對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)級(jí)別范圍適當(dāng)調(diào)整(見表5).

表5 沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)污染程度分級(jí)

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中氮、磷與重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及空間分布

2.1.1氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及空間分布

各內(nèi)湖表層沉積物中w(TN)、w(TP)平均值及變化范圍見表6，其中w(TN)、w(TP)最大平均值分別出現(xiàn)在南湖、華容東湖，分別高于最小平均值2.87、2.90倍. 單因素方差分析顯示，w(TN)在各內(nèi)湖之間差異顯著(P<0.05)，w(TP)在各內(nèi)湖之間差異極顯著(P<0.01). 結(jié)合表7可知，南湖w(TN)高于洞庭湖區(qū)土壤背景值(1 647 mg/kg)[20]，累積倍數(shù)為0.03倍；華容東湖、南湖、冶湖、湘陰東湖、洋沙湖、黃蓋湖w(TP)均高于洞庭湖區(qū)土壤背景值(672 mg/kg)[20]，累積倍數(shù)分別為1.94、1.63、0.84、0.53、0.28、0.26倍. 總體表現(xiàn)為氮、磷含量空間分布差異較大，磷的累積相對(duì)較重. 華容東湖、南湖TP累積尤為突出，可能與局部污染較重有關(guān). 結(jié)合調(diào)查相近時(shí)段水質(zhì)結(jié)果[21]比較發(fā)現(xiàn)，w(TP)在表層沉積物與上層水中分布趨勢相似，而w(TN)未見明顯關(guān)聯(lián)，表明內(nèi)湖水體磷的污染與其表層沉積物中的含量關(guān)系密切.

對(duì)比表6和表8發(fā)現(xiàn)：洞庭湖區(qū)7個(gè)內(nèi)湖w(TN)明顯低于湖北保安湖、武漢南湖、桂林木龍湖、鄂州梁子湖等內(nèi)湖，僅南湖略高于武漢蓮花湖，總體處于中低水平；各內(nèi)湖w(TP)高于桂林木龍湖、太原晉陽湖、鄂州梁子湖等內(nèi)湖，僅鶴龍湖低于湖北保安湖、重慶長壽湖，總體處于中高水平；各內(nèi)湖N/P在0.4∶1～1.7∶1之間，相比國內(nèi)其他內(nèi)湖處于較低水平，遠(yuǎn)低于水生生物體中N/P(7∶1～10∶1)[27]. N/P是反映水生生物生長營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，表層沉積物中過低的N/P不利于水生高等植物生長，從而減少了氮的沉積，可能是洞庭湖區(qū)內(nèi)湖w(TN)偏低的原因之一. 與洞庭湖相比，w(TN)在南湖、黃蓋湖略高于洞庭湖；w(TP)在各內(nèi)湖明顯高于洞庭湖，倍數(shù)在0.7～5.7倍之間，說明湖區(qū)內(nèi)湖TP的污染較外湖更為嚴(yán)重. 一方面與內(nèi)湖以磷為主要特征污染物有關(guān)；另一方面是因?yàn)閮?nèi)湖水動(dòng)力條件較差，更利于營養(yǎng)鹽的沉積，而洞庭湖較快的水流加速了水體中DO向沉積物中擴(kuò)散，ρ(DO)對(duì)沉積物中磷的釋放影響較大[29].

2.1.2重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)及空間分布

各內(nèi)湖表層沉積物中重金屬平均值及變化范圍見表6，單項(xiàng)重金屬最大平均值高于最小平均值范圍為0.33～3.60倍. 單因素方差分析顯示，w(As)、w(Pb)、w(Sb)在各內(nèi)湖之間差異極顯著(P<0.01)，w(Cu)、w(Cr) 在各內(nèi)湖之間差異顯著(P<0.05). 結(jié)合表7可知，Cd、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等7種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值均高于洞庭湖水系沉積物重金屬背景值(見表3)，累積倍數(shù)范圍分別為0.31～2.27、1.16～3.42、0.56～2.34、0.82～2.18、0.38～1.00、0.13～0.59、1.40～2.20倍；As的累積倍數(shù)為0.55～1.85倍(洋沙湖、湘陰東湖除外)；Sb在南湖、華容東湖累積倍數(shù)分別為1.18、0.20倍. 總體表現(xiàn)為重金屬含量空間分布差異顯著，多因子復(fù)合累積較重. 各內(nèi)湖比較發(fā)現(xiàn)，南湖Cd、As、Sb及黃蓋湖Cu、Cr、Zn、Ni累積相對(duì)嚴(yán)重，表明二者重金屬復(fù)合污染最重. 這可能與南湖受工業(yè)活動(dòng)與城市生活污染較重，以及黃蓋湖受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、養(yǎng)殖等人為活動(dòng)影響較大有關(guān).

單因素方差分析表明，洞庭湖區(qū)內(nèi)湖w(Ni)、w(Pb)明顯高于國內(nèi)其他內(nèi)湖，差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)，其他重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著. 與國內(nèi)其他內(nèi)湖(見表9)相比：洞庭湖區(qū)內(nèi)湖w(Cd)略高于武漢東湖、陽澄湖，與梁子湖相當(dāng)；w(Hg)高于梁子湖、南四湖，與陽澄湖相近；w(Zn)、w(Cu)、w(Cr)、w(As)總體水平與國內(nèi)其他內(nèi)湖相當(dāng). 總體上，洞庭湖區(qū)內(nèi)湖表層沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于中等偏高水平，其內(nèi)源污染不容忽視. 與洞庭湖相比：各內(nèi)湖w(Cd)、w(Hg)、w(Zn)低于洞庭湖；w(As)與洞庭湖相當(dāng)；w(Pb)、w(Ni)高于洞庭湖. 總體而言，各內(nèi)湖表層沉積物重金屬累積程度較洞庭湖為輕，但Cd、Hg污染仍較重.

表6 內(nèi)湖表層沉積物中TN、TP和重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及NP

Table 6 Concentration of total nitrogen, total phosphorus，heavy metals and N/P ratio in surface sediments of internal lakes

表6 內(nèi)湖表層沉積物中TN、TP和重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及NP

項(xiàng)目w∕(mg∕kg)TNTPCdHgAsCu 南湖范圍1640～17401455～20621.02～1.180.170～0.23034.4～39.842.8～42.9平均值1691±501764±3041.08±0.090.197±0.03036.7±2.842.9±0.1黃蓋湖范圍1107～1558790～9330.319～0.9370.098～0.23113.6～24.442.8～84.7平均值1396±251844±770.67±0.320.172±0.06820.0±5.767.4±21.9冶湖范圍364～1822909～14600.298～0.5080.082～0.11520.1～21.039.9～58.8平均值1078±7301238±2910.431±0.1160.101±0.01720.7±0.550.5±9.7鶴龍湖范圍422～1149361～6090.578～0.6080.146～0.16822.9～29.340.8～56.8平均值853±381507±1300.591±0.0150.155±0.01225.4±3.446.8±8.7洋沙湖范圍223～668607～12550.438～1.240.085～0.1648.51～16.420.9～36.9平均值437±223861±3460.906±0.4170.126±0.04011.3±4.431.5±9.2湘陰東湖范圍201～669530～16820.290～0.9580.098～0.3446.42～17.630.0～44.9平均值441±2351028±5920.723±0.3750.208±0.12510.2±6.438.0±7.5華容東湖范圍182～14301536～25140.328～0.5380.070～0.18322.1～23.633.8～50.3平均值725±6401977±4960.435±0.1050.125±0.05722.9±0.839.6±9.3項(xiàng)目w∕(mg∕kg)PbCrZnNiSbN∕P南湖范圍53.8～62.466.8～78.8125～13250.1～65.71.86～2.750.96∶1平均值57.0±4.772.1±6.1129.0±3.659.9±8.52.39±0.47黃蓋湖范圍47.8～76.882.8～94.6112～15060.8～73.80.75～0.861.65∶1平均值65.1±15.388.1±6.0133.0±19.067.8±6.60.79±0.06冶湖范圍43.8～57.874.8～92.8108～12461.8～68.80.36～0.620.87∶1平均值52.1±7.483.4±9.0116.7±8.166.1±3.80.52±0.14鶴龍湖范圍70.8～75.877.8～78.8125～13861.8～65.70.93～1.151.68∶1平均值74.1±2.878.4±0.5129.7±7.263.8±2.01.06±0.1洋沙湖范圍61.8～75.841.8～70.895.6～12838.8～60.80.33～0.830.51∶1平均值71.1±8.160.8±16.5115.9±17.753.1±12.40.57±0.25湘陰東湖范圍59.9～69.854.9～69.8104～14642.9～57.80.34～1.050.43∶1平均值65.9±5.363.2±7.6127.0±21.050.9±7.50.66±0.36華容東湖范圍34.8～52.356.8～80.682.7～11643.8～63.81.25～1.370.37∶1平均值42.3±9.066.4±12.595.1±18.251.5±10.81.32±0.06

表7 內(nèi)湖表層沉積物氮、磷及重金屬累積倍數(shù)

表8 不同湖泊表層沉積物氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及NP

Table 8 Concentration of nitrogen, phosphorus and N/P ratio in surface sediments of various lakes

表8 不同湖泊表層沉積物氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及NP

湖泊名稱w∕(mg∕kg)TNTPN∕P數(shù)據(jù)來源武漢蓮花湖1 5001 0601.42∶1文獻(xiàn)[22]武漢南湖3 9721 7122.32∶1文獻(xiàn)[23]重慶長壽湖2 2566223.63∶1文獻(xiàn)[11]桂林木龍湖3 92223116.97∶1文獻(xiàn)[24]鄂州梁子湖3 2504417.37∶1文獻(xiàn)[25]太原晉陽湖2 8103099.09∶1文獻(xiàn)[26]湖北保安湖5 2007506.93∶1文獻(xiàn)[27]洞庭湖1 3402944.56∶1文獻(xiàn)[28]

2.2 沉積物中氮、磷及重金屬來源分析

2.2.1相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)分析，研究洞庭湖區(qū)內(nèi)湖表層沉積物中氮、磷及重金屬因子相互關(guān)聯(lián). 結(jié)果(見表10)表明，w(TN)與w(As)、w(Cr)、w(Ni)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與w(Cu)、w(Zn)、w(Sb)均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；w(TP)與w(Pb)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與w(Sb)呈顯著正相關(guān). 這說明各內(nèi)湖表層沉積物中氮與重金屬累積程度關(guān)系更為密切.w(Cd)、w(Hg)、w(Zn)三者之間以及w(Cu)、w(Cr)、w(Zn)、w(Ni)四者之間兩兩均呈極顯著正相關(guān)；w(Pb)與w(Zn)以及w(As)與w(Sb)亦呈極顯著正相關(guān)；w(Cd)與w(Pb)、w(Sb)均呈顯著正相關(guān). 這表明這些重金屬污染具有同源性.

2.2.2主成分分析

為進(jìn)一步分析沉積物氮、磷及重金屬污染成因，將各測點(diǎn)重金屬原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的3個(gè)主成分(見圖2). 第1主成分貢獻(xiàn)率占32.99%，特征因子表現(xiàn)為在TN、Cu、Cr、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上有較高的正載荷，對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高點(diǎn)主要分布在黃蓋湖、冶湖，據(jù)調(diào)查其水體均以農(nóng)業(yè)灌溉和養(yǎng)殖為主，無工業(yè)類重金屬污染來源，說明第1主成分主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖業(yè)影響. 第2主成分貢獻(xiàn)率占25.35%，特征因子表現(xiàn)為在Cd、Hg、Pb、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上有較高的正載荷，對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高點(diǎn)主要分布在南湖、湘陰東湖、洋沙湖、鶴龍湖. 南湖為典型的城市內(nèi)湖，在城市工業(yè)變革的歷史進(jìn)程中，周邊曾分布機(jī)械工業(yè)、五金加工及電鍍等中小型企業(yè)所排放的涉重廢水，是表層沉積物重金屬累積的重要來源. 湘陰東湖、洋沙湖、鶴龍湖位于湘江尾閭，通過調(diào)蓄閘可與湘江互通. 湘江是湖南省最大的河流及重要納污水體，有色金屬污染尤為嚴(yán)重[33]，表現(xiàn)出中下游表層沉積物重金屬的污染較重[34]. 萬群等[35]研究認(rèn)為，湘江入湖口沉積物的Cd、Hg、Pb、Zn累積相對(duì)較重，主要受工業(yè)生產(chǎn)和有色金屬采冶支配. 祝云龍等[36]研究發(fā)現(xiàn)，洞庭湖各子湖以南洞庭湖重金屬復(fù)合污染最重，其中湘江入南洞庭湖的河口三角洲上As、Cd、Hg、Pb、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高. 就湘陰東湖、洋沙湖、鶴龍湖而言，其重金屬累積特征因子與湘江下游及入湖口沉積物累積特征因子大致吻合，認(rèn)為受湘江來水影響最大，結(jié)合對(duì)南湖表層沉積物重金屬累積成因分析，說明第2主成分主要受工業(yè)活動(dòng)影響最大. 第3主成分貢獻(xiàn)率占23.81%，特征因子包括TP、As、Sb，對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高點(diǎn)主要分布在南湖，說明受局部污染可能性最大. 另外，TN在第3主成分亦有較高的正載荷，結(jié)合表10相關(guān)性分析結(jié)果，即內(nèi)湖表層沉積物中w(TN)與w(As)、w(Sb)分別呈極顯著、顯著正相關(guān)，w(TP)與w(Sb)呈顯著正相關(guān)，說明氮、磷的累積與w(As)、w(Sb)關(guān)系密切. 考慮到南湖自身的污染特征，其表層沉積物中氮、磷的累積主要來源于大量的城市生活污水排放. 由此可見，第3主成分主要受生活污染影響最大.

表9 不同湖泊表層沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表10 內(nèi)湖表層沉積物中氮、磷與重金屬Pearson相關(guān)系數(shù)

注：*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；** 表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

2.3 沉積物中氮、磷及重金屬污染評(píng)價(jià)

圖2 氮、磷與重金屬主成分因子載荷Fig.2 Matrix of principal component analysis loadings of nitrogen, phosphorus and heavy metals in surface sediments

2.3.1氮、磷污染評(píng)價(jià)

由表11可見：STN值在南湖達(dá)重度污染，黃蓋湖達(dá)中度污染，冶湖、鶴龍湖、華容東湖為輕度污染，洋沙湖、湘陰東湖為清潔水平；STP值在華容東湖達(dá)重度污染，南湖、冶湖達(dá)中度污染，湘陰東湖、洋沙湖、黃蓋湖為輕度污染，鶴龍湖為清潔水平；綜合污染指數(shù)由大小排序依次為3.04(南湖)>2.84(華容東湖)>2.27(黃蓋湖)>2.04(冶湖)>1.50(湘陰東湖)>1.39(鶴龍湖)>1.28(洋沙湖)，其中南湖面臨重度污染，華容東湖、黃蓋湖、冶湖面臨中度污染，湘陰東湖、鶴龍湖、洋沙湖面臨輕度污染. 結(jié)合主成分分析結(jié)果(見圖2)表明，南湖表層沉積物中氮、磷污染受大量生活污水中營養(yǎng)鹽沉積所致，盡管近年來外源污染得到有效管控，但內(nèi)源污染仍較重，是其水質(zhì)變化的主控因素. 華容東湖受周邊農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)及漁業(yè)養(yǎng)殖等多因素復(fù)合污染，加上水體流動(dòng)性極差等不利因素影響，導(dǎo)致磷污染尤為突出，綜合污染亦接近重度污染. 因此，在推進(jìn)農(nóng)環(huán)整治及退養(yǎng)還湖基礎(chǔ)上，其內(nèi)源污染治理仍不容忽視.

表11 內(nèi)湖表層沉積物氮磷綜合污染指數(shù)與分級(jí)

綜合污染指數(shù)法以加拿大安大略省環(huán)境和能源部(1992年)發(fā)布的沉積物質(zhì)量評(píng)價(jià)指南中引起最低級(jí)別生態(tài)毒性效應(yīng)含量為標(biāo)準(zhǔn)，與洞庭湖區(qū)土壤背景值中w(TN)相差較大. 前者側(cè)重于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，未考慮不同區(qū)域背景值的影響，后者突出了后期人為活動(dòng)等因素的影響，兩種評(píng)價(jià)結(jié)果互為補(bǔ)充.

2.3.2重金屬污染評(píng)價(jià)

2.3.2.1地積累指數(shù)評(píng)價(jià)

由表12可見：各內(nèi)湖表層沉積物不同程度出現(xiàn)了重金屬累積，以偏中度污染和輕度污染為主. 其中Hg、Ni、Pb、Cu污染相對(duì)嚴(yán)重，7個(gè)內(nèi)湖均出現(xiàn)偏中度或輕度污染，尤其Hg的地積累指數(shù)在南湖、黃蓋湖、鶴龍湖、湘陰東湖達(dá)偏中度污染，Ni的地積累指數(shù)在黃蓋湖、冶湖達(dá)偏中度污染，Pb的地積累指數(shù)在鶴龍湖、洋沙湖達(dá)偏中度污染，Cu的地積累指數(shù)在黃蓋湖達(dá)偏中度污染；Cd的地積累指數(shù)在南湖達(dá)偏中度污染，其余為輕度污染或清潔水平；As、Cr、Zn、Sb污染相對(duì)較輕，各內(nèi)湖未見偏中度及以上污染. 單項(xiàng)重金屬地積累指數(shù)平均值排序依次為Hg>Ni>Pb>Cu>Cd>Cr>As>Zn>Sb，其中Hg達(dá)偏中度污染，Ni、Pb、Cu、Cd、Cr為輕度污染，As、Zn、Sb為清潔水平.

采用綜合地積累指數(shù)(Itot)[32]比較各內(nèi)湖表層沉積物中重金屬復(fù)合污染狀況. 從表12也可以看出：南湖重金屬復(fù)合污染相對(duì)最重，面臨嚴(yán)重污染；黃蓋湖、鶴龍湖面臨重污染；湘陰東湖、華容東湖、冶湖面臨偏中度污染；洋沙湖復(fù)合污染程度最輕，面臨輕度污染. 按綜合地積累指數(shù)由重至輕排序依次為6.36(南湖)>4.36(黃蓋湖)>4.17(鶴龍湖)>1.74(湘陰東湖)>1.53(華容東湖)>1.36(冶湖)>1.00(洋沙湖). 結(jié)合主成分分析結(jié)果(見圖2)表明：南湖表層沉積物中重金屬面臨嚴(yán)重污染，主要受早期環(huán)湖工業(yè)活動(dòng)影響較大，其次是大量城市生活污水帶入的重金屬沉積所致；黃蓋湖面臨重污染，主要與流域范圍內(nèi)大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城鄉(xiāng)民居生活污染有關(guān)；鶴龍湖面臨重污染，則受湘江中上游工業(yè)活動(dòng)影響最大；南湖、黃蓋湖、鶴龍湖三者污染程度明顯高于其余4個(gè)內(nèi)湖.

2.3.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

表12 內(nèi)湖表層沉積物重金屬地積累指數(shù)與分級(jí)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為地積累指數(shù)(Igeo)或綜合地積累指數(shù)(Itot)污染分級(jí).

由表13可見：Hg的污染相對(duì)最重，南湖、湘陰東湖面臨高風(fēng)險(xiǎn)，其余內(nèi)湖面臨較高風(fēng)險(xiǎn)；Cd在南湖、洋沙湖面臨較高風(fēng)險(xiǎn)，黃蓋湖、鶴龍湖、湘陰東湖面臨中等風(fēng)險(xiǎn)，其余為低風(fēng)險(xiǎn)；Sb在南湖面臨較高風(fēng)險(xiǎn)，華容東湖面臨中等風(fēng)險(xiǎn)，其余為低風(fēng)險(xiǎn); As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni在各內(nèi)湖同為低風(fēng)險(xiǎn). 單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值排序依次為Hg>Cd>Sb>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，其中Hg面臨較高風(fēng)險(xiǎn)，Cd面臨中等風(fēng)險(xiǎn)，其余7項(xiàng)重金屬為低風(fēng)險(xiǎn). 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表明：南湖、湘陰東湖重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高，面臨較高風(fēng)險(xiǎn)；其余5個(gè)內(nèi)湖同為中等風(fēng)險(xiǎn). 單項(xiàng)重金屬以Hg、Cd對(duì)RI值貢獻(xiàn)率最大，分別在39.6%～56.3%、15.9%～31.9%之間，是洞庭湖區(qū)內(nèi)湖主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子.

單項(xiàng)污染指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值排序有所差異，但均以Hg的污染最重，Cd、Sb、As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值排序更靠前. 因此，應(yīng)優(yōu)先將Hg、Cd作為洞庭湖區(qū)內(nèi)湖沉積物主要控制因子. 由綜合地積累指數(shù)(Itot)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可知，各內(nèi)湖綜合污染程度排序基本一致，但湘陰東湖、洋沙湖的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序更高，這與Hg、Cd等生物毒性系數(shù)大的重金屬因子貢獻(xiàn)占比大有關(guān)，也體現(xiàn)了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法側(cè)重于重金屬生物毒性的特點(diǎn).

表13 內(nèi)湖表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)占比

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為重金屬生物毒性響應(yīng)系數(shù)(Eri)占比.

3 結(jié)論

a) 洞庭湖區(qū)各內(nèi)湖表層沉積物w(TN)、w(TP)空間分布差異較大，最大平均值分別高于最小平均值2.87、2.90倍，與國內(nèi)其他內(nèi)湖比較，其w(TN)處于中低水平，w(TP)處于中高水平. 各內(nèi)湖重金屬空間分布差異顯著，最大平均值高于最小平均值范圍為0.33～3.60倍，與國內(nèi)其他內(nèi)湖比較，其總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于中等偏高水平.

b) 相關(guān)性分析與主成分分析結(jié)果表明：第1主成分TN、Cu、Cr、Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及養(yǎng)殖業(yè)影響；第2主成分Cd、Hg、Pb、Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)受工業(yè)活動(dòng)影響最大；第三主成分TP、As、Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則主要受生活污染的影響.

c) 綜合污染指數(shù)(FF)表明，南湖面臨重度污染，華容東湖、黃蓋湖面臨中度污染，湘陰東湖、鶴龍湖、洋沙湖面臨輕度污染. 單項(xiàng)污染指數(shù)STN、STP值分別在南湖、華容東湖面臨重度污染，STN值在黃蓋湖及STP值在南湖、冶湖面臨中度污染，其余為輕度污染或清潔水平.

d) 地積累指數(shù)(Igeo)表明，Hg、Ni、Pb、Cu污染相對(duì)嚴(yán)重，各內(nèi)湖均出現(xiàn)了偏中度或輕度污染. As、Cr、Zn、Sb污染相對(duì)較輕，各內(nèi)湖未見偏中度及以上污染. 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)表明：Hg的污染相對(duì)最重，南湖、湘陰東湖面臨高風(fēng)險(xiǎn)，其余均為較高風(fēng)險(xiǎn)；Cd、Sb的污染次之，Cd在南湖、洋沙湖及Sb在南湖面臨較高風(fēng)險(xiǎn)，其余為中等或低風(fēng)險(xiǎn)；As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni均為低風(fēng)險(xiǎn). 地積累指數(shù)(Igeo)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)綜合比較發(fā)現(xiàn)：南湖的綜合污染最重，面臨嚴(yán)重污染，潛在風(fēng)險(xiǎn)面臨高風(fēng)險(xiǎn)；黃蓋湖、鶴龍湖面臨重污染，潛在風(fēng)險(xiǎn)面臨中等風(fēng)險(xiǎn)；湘陰東湖面臨偏中度污染，但潛在風(fēng)險(xiǎn)面臨較高風(fēng)險(xiǎn)；華容東湖、冶湖面臨偏中度污染及洋沙湖面臨輕度污染，潛在風(fēng)險(xiǎn)面臨中等風(fēng)險(xiǎn).