楊 陽,李小龍,楊碧瑩,楊金香,胡友彪,劉 翔

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

湖泊沉積物為湖泊中各物質(zhì)遷移的最終載體，可體現(xiàn)湖泊生態(tài)環(huán)境的大量信息[1]，因此研究湖泊沉積物中重金屬的含量及其潛在生態(tài)風(fēng)險對評估湖泊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重大意義[2-3]。近年，關(guān)于巢湖表層沉積物重金屬污染的研究已大量開展，表明巢湖表層沉積物重金屬歷年來皆有不同程度污染[4-7]，但對巢湖表層沉積物中重金屬的研究多以單次采樣和一年內(nèi)的采樣時間為研究周期。目前，還少有對巢湖表層沉積物重金屬進行連續(xù)多年采樣、分析評價的系統(tǒng)研究。本次通過文獻收集2002～2016年巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬濃度數(shù)據(jù)，結(jié)合巢湖流域人口經(jīng)濟增長及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變遷，對巢湖表層沉積物重金屬的多年污染變化特征進行比較分析，采用地累積指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)指數(shù)法對歷年重金屬污染程度進行評價，并分析重金屬的主要來源，為巢湖沉積物重金屬污染治理和生態(tài)環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象及數(shù)據(jù)來源

巢湖(31°42′40.87″～31°25′11.45″N，117°17′27.90″～117°50′35.78″E)位于安徽省中部，現(xiàn)有湖區(qū)面積約789km2[8]。巢湖主要的入湖河流有8條，1條出湖河流，其中杭埠河、南淝河與白石天河入湖徑流量占75%以上，出湖河流為東部的裕溪河。湖水主要靠地面徑流補給，集水范圍包括合肥、巢湖、肥東、肥西、廬江、舒城、無為等兩市五縣。

以“巢湖”、“重金屬”、“沉積物”等關(guān)鍵詞在“CNKI”、Web of Science等數(shù)據(jù)庫檢索歷年以來關(guān)于巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬文獻，并將所收集信息分析整理。本次收集到了2002～2016年15年間的巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)收集于不同的文獻，已有年份沉積物中重金屬濃度變化的因素可能與周邊地區(qū)重金屬排放量情況、不同文獻中采樣點位置、季節(jié)[9-10]、分析儀器及精度不同、水中浮游生物的作用[11]及沉積物再懸浮釋放等因素有關(guān)。由于本文研究目的是為了從宏觀上探討分析巢湖沉積物近15年的變化特征，參考相關(guān)文獻數(shù)據(jù)分析方法，所以在時間和空間上對數(shù)據(jù)進行了概化。根據(jù)文獻給出的采樣時間和采樣點位，將數(shù)據(jù)進行記錄整合，且以姥山島為界，進一步將其劃分為東西半湖進行數(shù)據(jù)收集，同年數(shù)據(jù)采用平均值算法，并記錄濃度范圍，以便對巢湖表層沉積物重金屬污染進行分區(qū)域研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬濃度歷年變化特征

本次研究選擇歷年研究次數(shù)較多的10種重金屬元素(Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Fe和Mn)進行深入分析[12-34]，其歷年濃度變化特征如圖1所示。從時間濃度變化特征來看，元素Fe、Mn、Pb、Hg、Cd和Ni濃度變化較大，Cr、As、Cu和Zn元素濃度變化較穩(wěn)定。大部分元素如Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn和Pb的濃度在2006～2010年之間，整體呈現(xiàn)出上升趨勢；在2010～2016年間，元素Fe、Ni、Hg、Cd、Pb和Zn的濃度出現(xiàn)不同程度的下降。Cd、Hg、Ni、Pb和Cr濃度在2010年最高，分別為0.920、0.179、44.70、94.90和80.10mg/kg；Cd、Cr、Cu、Mn和Zn濃度在2006年最低，分別為0.003、56.82、22.19、259.3和64.68mg/kg。

As、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn元素最大濃度分別高達安徽省土壤背景值的2.41、8.85、1.15、5.80、1.83、4.36、2.44、1.79、3.66和4.59倍[35]，其中元素Hg、Pb和Zn歷年濃度皆超過安徽省土壤背景值，其余元素均有不同程度的富集.僅Cd濃度在部分年份超過了土壤環(huán)境質(zhì)量標準，具有污染風(fēng)險，其余元素歷年均未超過。Cr、Ni和As歷年濃度均，超過了加拿大沉積物質(zhì)量準則，說明在該閾值水平以上，Cr、Ni和As有可能會對生物產(chǎn)生負面效應(yīng)，具有一定的生態(tài)風(fēng)險，其余元素均有部分年份的濃度超過。以上結(jié)果表明，Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Cu存在一定的生態(tài)和人類健康風(fēng)險，需加強監(jiān)控管理。整體上看，與我國其他湖泊如太湖[36]及鄱陽湖[37]相比，巢湖的污染程度遠遠小于太湖，而與鄱陽湖差別不大。

a.安徽省土壤背景值;b.土壤環(huán)境質(zhì)量標準;c.加拿大淡水沉積物質(zhì)量標準圖1 巢湖表層沉積物重金屬濃度變化范圍

2.2 表層沉積物中重金屬空間變化

由于2002～2006年間巢湖湖區(qū)表層沉積物重金屬的文獻較少，因此選取2007～2016這十年間巢湖東西半湖表層沉積物重金屬數(shù)據(jù)較為完整連續(xù)的時間段進行歸納分析，并繪圖(見圖2)。

西湖區(qū)重金屬在2007～2016年間的濃度普遍大于東湖區(qū)，除Pb和Zn外，各元素在東西湖區(qū)人濃度變化較為一致。東西湖區(qū)的元素As和Fe均于2007年達到最高濃度，其余重金屬在東西湖區(qū)的最高濃度分別出現(xiàn)在不同年份。除元素As、Cd、Hg、Fe和Zn在各年的濃度均遵循西湖區(qū)大于東湖區(qū)的規(guī)律外，部分元素于不同年份在東湖區(qū)的濃度較高，如2007年的Mn和Pb元素，2008年的Cu和Ni元素， 2014年的Cr和Ni元素以及2015年的Cr元素。東西湖區(qū)的Cd、Hg、Pb和Zn元素歷年濃度均高于安徽省土壤背景值，Hg元素歷年濃度均低于加拿大淡水沉積物質(zhì)量準則;東湖區(qū)的Ni和Zn元素歷年濃度皆低于加拿大淡水沉積物質(zhì)量準則。

沉積物中重金屬污染程度在東西湖區(qū)有顯著的空間分布，實際表明人口，經(jīng)濟，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)在空間分布上的特征和不均衡，這與其區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展程度、人類活動方式密切相關(guān)。南淝河承接合肥市排出的大量污染物，最終匯入西湖區(qū)，相關(guān)研究[38]表明，南淝河流域內(nèi)高達111家企業(yè)污水未進入污水處理廠，多以電鍍工業(yè)為主，而污水最終會匯入西湖區(qū)。巢湖流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與水污染程度的聯(lián)系十分緊密，如合肥市電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、食品制造、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、文教體育用品制造業(yè)、家具制造業(yè)與西湖區(qū)水污染關(guān)聯(lián)度較強，而東湖區(qū)水污染主要與巢湖市農(nóng)林牧漁業(yè)關(guān)聯(lián)較強，所以西湖區(qū)重金屬濃度遠遠高于東湖區(qū)[39]。

a.安徽省土壤背景值;b.土壤環(huán)境質(zhì)量標準;c.加拿大淡水沉積物質(zhì)量標準圖2 東西半湖表層沉積物中重金屬濃度時間分布特征

2.3 巢湖表層沉積物中重金屬污染評價

1)地累積指數(shù)法。由于收集到的2002年巢湖湖區(qū)表層沉積物中重金屬濃度數(shù)據(jù)只有范圍并無均值，因此僅對2003～2016年巢湖湖區(qū)表層沉積物中重金屬進行地累積指數(shù)評價(見表1)，方法見文獻[40]。

結(jié)果表明，全湖表層沉積物中重金屬Igeo年均值在-0.60～0.90之間， Hg、Zn、Cd和Pb屬“輕-中度”污染，其它重金屬元素均處于“無”污染，總體污染順序為Hg>Zn>Cd>Pb>Fe>Cu>Ni>Mn>As>Cr。As、Cu、Cr、Fe、Mn和Ni的Igeo值多數(shù)小于0，表明這幾種重金屬總體處于“無”污染;Hg、Pb、Cd和Zn的Igeo值多數(shù)處于0.11～1.61，基本屬于“輕-中度”和“中度”污染。

西湖區(qū)表層沉積物中重金屬的Igeo年均值在-0.56～1.91之間，Cd、Hg和Zn屬于“中度”污染， Mn和Pb屬于“輕-中度”污染， 其余五種重金屬皆為“無”污染， 總體污染順序為Cd>Hg>Zn>Pb>Mn>Fe>As>Ni>Cu>Cr.As、Cu、Cr和Ni這幾種重金屬總體處于“無”污染;Fe、Pb和Mn的Igeo值多處于0.14～0.79之間，基本屬于“輕-中度”污染;Cd、Hg和Zn的Igeo值多處于1.18～2.56之間，基本處于“中度”和“中-強度”污染。

表1 巢湖表層沉積物重金屬地累積指數(shù)

采樣年份Igeo(全湖/西湖區(qū)/東湖區(qū))HgMnNiPbZn2003———-0.51/—/-0.51—2006—-1.60/—/——1.21/—/—-0.30/—/—20070.47/—/—-0.47/-0.72/-0.58-0.29/-0.12/-0.20-0.35/-0.47/-0.460.40/0.90/0.0720080.92/1.28/0.440.37/0.44/0.27-0.15/-0.16/-0.13-0.12/0.14/-0.440.44/0.82/-0.1920090.29/0.75/-0.07-0.71/—/—-0.25/-0.09/-0.290.11/0.42/-0.271.21/1.21/0.0820101.54/1.54/——0.25/0.25/—1.29/1.29/——2011———0.81/0.81/—1.61/1.61/—2012——-0.76/-0.54/-0.97-0.22/-0.06/-0.370.33/0.56/0.1320131.33/2.13/—0.70/0.79/0.27-0.31/-0.13/—0.15/0.47/-0.351.25/1.67/-0.132014——-0.35/-1.08/-0.85-0.08/0.29/-0.320.87/1.40/0.1520150.73/1.23/0.53—0.37/—/—-0.11/0.29/-0.220.67/1.18/0.2120161.03/1.34/0.23——0.19/0.43/0.110.79/1.20/0.20均值0.90/1.38/0.28-0.34/0.17/-0.01-0.19/-0.27/-0.490.16/0.36/-0.310.73/1.17/0.06

東湖區(qū)表層沉積物中重金屬的Igeo年均值在-0.92～0.99之間，除Cd、Hg和Zn屬“輕-中度”污染，其它重金屬元素均處于“無”污染，總體污染順序為Cd>Hg>Zn>Mn>Fe>Cu>Pb>As>Ni>Cr.Hg和Zn的Igeo值多處于0.07～0.53之間，基本屬于“輕-中度”污染;重金屬Cd的Igeo值多處于0.50～1.71之間，屬于“輕-中度”和“中度”污染。通過Igeo評價分析，歷年重金屬污染程度呈西湖區(qū)>全湖>東湖區(qū)，其中Cd、Hg、Zn和Pb污染較為普遍與嚴重，多處于“輕-中度”和“中度”污染，其中Cd和Hg污染程度更為嚴重，達到過“中-強度”污染;其余重金屬多處于“無”污染，Cr污染程度最低。

2)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。本研究篩選的文獻中僅部分進行了潛在生態(tài)風(fēng)險評價，涉及的重金屬元素各不相同，不具可比性，因此有必要采用統(tǒng)一的金屬元素對巢湖湖區(qū)及不同區(qū)域進行可比的綜合生態(tài)風(fēng)險評估。本文以Cu、Cr、Cd、Pb、Zn這5種重金屬對巢湖進行生態(tài)風(fēng)險綜合評價(見圖3)，方法見文獻[41-42]。

圖3 巢湖表層沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價

生態(tài)危害呈現(xiàn)西湖區(qū)>全湖>東湖區(qū)的空間分布，除個別年份外，西湖區(qū)多處于中等生態(tài)危害，全湖與東湖區(qū)多屬于輕微生態(tài)危害。以各重金屬生態(tài)危害貢獻來看，Cu、Cr、Pb和Zn皆屬于輕微生態(tài)危害，Cd則貢獻最多，多為強生態(tài)危害，少數(shù)為中等生態(tài)危害，部分年份可達到很強生態(tài)危害，總體滿足Cd>Pb>Cu>Zn>Cr的貢獻特征，這與地累積指數(shù)法評價結(jié)果相似。

綜合地累積指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價方法，多年來巢湖表層沉積物中各重金屬均有不同程度的富集污染，Hg、Pb和Zn元素污染富集較為嚴重，Cd最為嚴重。空間上看，巢湖生態(tài)危害變化較為穩(wěn)定，除西湖區(qū)多處于中等生態(tài)危害，全湖與東湖區(qū)多為輕微生態(tài)危害，Cd危害貢獻最大，最高可達到很強生態(tài)危害，應(yīng)引起相關(guān)部門的重視，加大監(jiān)控與治理力度。

2.4 重金屬濃度變化及來源分析

進入巢湖污染物的排放量是影響巢湖重金屬濃度變化的重要原因，巢湖流域重金屬污染主要源于當?shù)氐纳钗鬯⒐I(yè)廢水及農(nóng)業(yè)污水的排放。在收集的數(shù)據(jù)中挑選濃度隨時間變化較為連續(xù)的重金屬Cu、Cr、Ni、Pb和Zn，根據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒中，對合肥市常住人口數(shù)、企業(yè)數(shù)、工業(yè)廢水排放、化肥施用量、城鎮(zhèn)生活污水排放量各經(jīng)濟發(fā)展指標進行相關(guān)分析(見圖4)，數(shù)據(jù)進行歸一化。同時為探尋重金屬的來源，2013年采集的樣品中測得的各重金屬As、Cu、Zn、Cr、Pb和Cd濃度的數(shù)據(jù)進行聚類分析(見圖5)，以期對巢湖沉積物中重金屬濃度變化進行原因分析。

圖4 重金屬與經(jīng)濟發(fā)展指標相關(guān)性及變化關(guān)系

由圖4可看出，元素Cu、Cr、Ni、Pb和Zn在2006～2010年的變化趨勢與合肥市企業(yè)數(shù)、化肥施用量、城鎮(zhèn)生活污水排放量各指標的變化趨勢較為契合，皆呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢;2011～2016年間，化肥施用量、工業(yè)廢水排放量、城鎮(zhèn)生活污水排放量及人口數(shù)各指標呈現(xiàn)偶有波動但整體維持下降或平穩(wěn)的變化，同期各元素濃度也呈現(xiàn)一定的變化。由聚類分析結(jié)果可知，重金屬來源被分為三大類，第一類包括重金屬As、Cu、Cr、Cd，來源于工農(nóng)業(yè)的復(fù)合污染。As通常來源于人類活動，如農(nóng)業(yè)用藥及化肥[43]，Cu、Cr和Cd主要來源于金屬冶煉、電鍍、機械制造等工業(yè)[44]。巢湖流域內(nèi)合肥市有冶金、機械、化工、輕紡等34個工業(yè)行業(yè)，巢湖流域農(nóng)業(yè)發(fā)達，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，但農(nóng)藥化肥利用率低，污染嚴重，2015年合肥市巢湖流域化肥及農(nóng)藥施用量高達22.4萬t和5 098t，但利用率僅達30%～40%，從而對環(huán)境造成污染[45]。第二類為Pb，主要來源于交通污染，是機動車污染源的標識元素，隨著人口的增加，經(jīng)濟不斷發(fā)展，企業(yè)數(shù)與生活需求相應(yīng)加大，據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒，2015年民用車輛擁有量為1045.85萬輛，相比2005年增長了81.7%，私人車輛擁有量為708.658萬輛，是2005年的12倍，交通運輸業(yè)迅猛發(fā)展。第三類為Zn，主要來源于煤炭燃燒、垃圾焚燒[46]等，據(jù)安徽省統(tǒng)計年鑒，全省2013年電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)及燃氣生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的企業(yè)數(shù)分別達到166和47家，相比2002年增長了55%和213%，相關(guān)工業(yè)的快速增長，加劇了Zn對環(huán)境的污染。這與重金屬與經(jīng)濟發(fā)展指標相關(guān)性的分析結(jié)果保持一致，揭示了巢湖周邊地區(qū)近年來的人口變化，經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化，以及巢湖周邊向巢湖進行重金屬污染物排放量變化的特征，從宏觀角度解釋了重金屬濃度變化的因素。

3 結(jié)論

(1) 近15年已有數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)e、Mn、Pb、Cr、Hg、Ni濃度變化較大，Cd、As、Cu、Zn元素濃度變化較穩(wěn)定。巢湖表層沉積物受到各重金屬不同程度的污染，貢獻最多的屬Cd、Hg、Zn、Pb，其中Cd污染最為嚴重，多為強生態(tài)危害。

(2)重金屬污染空間分布特征為西湖區(qū)>全湖>東湖區(qū)，受到合肥市多電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、金屬冶煉工業(yè)及制造業(yè)等，工業(yè)廢水及周邊地區(qū)排放的生活污水通過各入湖河流長期匯入西湖區(qū)的影響，導(dǎo)致西湖區(qū)重金屬濃度較高。

(3)聚類分析結(jié)果表明As、Cu、Cr、Cd來源相似，主要來源于工農(nóng)業(yè)復(fù)合污染;Pb主要來自于交通污染;Zn主要來源于煤炭燃燒和垃圾焚燒等。結(jié)合相關(guān)性分析及聚類分析結(jié)果，表層沉積物重金屬濃度變化特征受巢湖流域的人口、企業(yè)、工業(yè)廢水排放量、生活污水排放量及化肥施用量等因素的影響。