金 鵬, 祁 超, 郭炳躍, 張 斌

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇南京210049)

0 引 言

高郵湖地處江蘇與安徽交界處,水域總面積為760.67 km2,是中國(guó)第六大淡水湖。高郵湖以蓄水、行洪和灌溉調(diào)配功能為主,兼顧飲用水源地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水質(zhì)凈化及生物多樣性維持等生態(tài)服務(wù)功能。自21世紀(jì)以來(lái),隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,高郵湖“鴨-稻-魚(yú)”生產(chǎn)模式的興起,濕地水產(chǎn)養(yǎng)殖、“鴨連片”特色產(chǎn)業(yè)企業(yè)迅速崛起,形成了一個(gè)集農(nóng)、林、漁、牧為一體的復(fù)合型生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(孟靈芳等,2015)。畜禽養(yǎng)殖等特色產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)增使高郵湖周邊工農(nóng)業(yè)污水排放量不斷增加,大量陸源污染物在高郵湖體沉積,重金屬積累表現(xiàn)最為明顯(蔣豫等,2015)。重金屬通過(guò)懸浮擴(kuò)散、生化吸附、絮凝沉淀及生物積累等方式在河湖底泥中富集,在適當(dāng)條件下,又通過(guò)物理、化學(xué)、生物反應(yīng),經(jīng)水流作用重新釋放,對(duì)高郵湖原始生態(tài)環(huán)境造成了二次破壞(郭劉超等,2019;白冬銳等,2021;李健等,2021)。

目前,對(duì)河湖底泥重金屬分布與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究日益增多(湯莉莉等,2008;陳書(shū)琴等,2011;高吉權(quán)等,2019;陸志華等,2022),評(píng)價(jià)方法以地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及潛在生態(tài)危害指數(shù)法等較為多見(jiàn)(葉永欽等,2018;郭炳躍等2019;黃俊等,2020;李秋燕等,2021;楊帆等,2022)。但在評(píng)價(jià)時(shí)考慮的因子不同、選用的參數(shù)不同,導(dǎo)致各方法評(píng)價(jià)體系存在差異,且多數(shù)只局限于河湖體本身,未涉及周邊河流、濕地等,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果可能存在一定的局限性及片面性。

基于上述原因,對(duì)湖體與河口實(shí)施多點(diǎn)位聯(lián)合監(jiān)測(cè),查清高郵湖及出入湖河口沉積物中的重金屬含量及分布,并采用多方法結(jié)合、相似比對(duì)的方式進(jìn)行重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),劃分區(qū)內(nèi)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),分析污染成因,鎖定關(guān)鍵污染因子,為高郵湖生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善以及出入湖河口土壤污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 沉積物采集與處理

1.1 樣品采集

為對(duì)高郵湖湖體及周邊出入湖河流與濕地中的重金屬污染分布特征進(jìn)行全面調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),設(shè)置多點(diǎn)位聯(lián)合監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)25個(gè)(圖1)。其中,高郵湖湖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)20個(gè)(DZ01—DZ20);周邊出入湖河口、濕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè),分別為JC1(京杭運(yùn)河界首鎮(zhèn)段)、JC2(高郵湖與京杭運(yùn)河連通水閘)、JC3(高郵湖與邵伯湖連接處)、JC4(操兵壩向陽(yáng)河閘口)和JC5(備戰(zhàn)村秦欄河口)。

圖1 高郵湖底泥、周邊出入湖河口及濕地表層沉積物采樣點(diǎn)位示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling points distribution in the bottom mud of Gaoyou Lake, and surface sediments of its surrounding estuary and wetland

底泥及表層沉積物樣品采集時(shí)間為2020年10月22—28日,期間無(wú)降水影響,采用彼得森采泥器,在高郵湖湖體及出入湖河口、濕地處共采集25個(gè)沉積物樣品,采樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。樣品的采集、流轉(zhuǎn)、制備及保存程序均符合《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》要求。

1.2 樣品分析

樣品分析項(xiàng)為8種重金屬元素Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr、As、Hg。其中,Cu、Zn、Pb、Ni、Cd采用ICP-MS法測(cè)定,Cr采用ZSX Primus Ⅱ型X射線熒光光譜儀測(cè)定,Hg、As采用AFS法測(cè)定。為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,各檢測(cè)項(xiàng)抽取10%的樣品進(jìn)行平行樣分析,結(jié)果合格率為100%,滿足質(zhì)量要求。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)Pi可視為實(shí)測(cè)含量所占標(biāo)準(zhǔn)值的份額,用以表征污染程度。計(jì)算公式:

(1)

式(1)中:Pi為污染指數(shù);Ci為實(shí)測(cè)含量;Si為標(biāo)準(zhǔn)值,選用里下河淺洼平原表層土壤重金屬背景值,mg/kg,分別為Cu 27.0、Zn 74.0、Ni 34.6、Pb 25.9、Cd 0.13、Cr 81.0、As 8.70、Hg 0.062(廖啟林等,2011)。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 以單因子污染指數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),為避免均值評(píng)價(jià)法導(dǎo)致的偶然性,引入最大綜合污染指數(shù),得到各重金屬污染指數(shù)的均方根值,即內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P綜。計(jì)算公式:

(2)

式(2)中,P綜為綜合指數(shù),Pi max為綜合指數(shù)最大值,Pi ave為綜合指數(shù)平均值。

1.3.3 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法(Müller,1969)將成巖作用、沉積特征及其他影響引起的背景值波動(dòng)進(jìn)行修正后,取以2為底的對(duì)數(shù)函數(shù)作為Igeo值,從而定量評(píng)價(jià)重金屬的富集作用。評(píng)價(jià)公式為:

(3)

式(3)中,Cn為實(shí)測(cè)含量,Bn為土壤背景值(里下河淺洼平原表層土壤重金屬背景值),1.5為修正系數(shù)。

1.3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(Hakanson et al.,1980)將單項(xiàng)金屬污染指數(shù)進(jìn)行分級(jí),同時(shí)考慮重金屬的環(huán)境毒害效應(yīng),結(jié)合毒性響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)公式如下。

(1)單項(xiàng)金屬污染指數(shù):

(4)

式(4)中,Cf,i為污染指數(shù),Ci為土壤重金屬元素實(shí)測(cè)含量,Cn,i為土壤重金屬元素背景值。

(2)重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù):

Er,i=Tr,iCf,i

(5)

式(5)中:Er,i為單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù);Tr,i為毒性響應(yīng)系數(shù),分別為:Cu 5、Zn 1、Ni 5、Pb 5、Cd 30、Cr 2、As 10、Hg 40。

(3)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù):

RI=∑Er,i

(6)

單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與毒性響應(yīng)系數(shù)加權(quán)求和后得到RI值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各采樣點(diǎn)重金屬元素含量特征統(tǒng)計(jì)

各采樣點(diǎn)重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1、圖2)顯示,25個(gè)采樣點(diǎn)8種重金屬元素中,僅Hg含量(平均值)未超過(guò)里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,As含量(最大值)超過(guò)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)大小順序?yàn)镃d>As>Zn>Ni>Cu>Hg>Pb>Cr,數(shù)值越大離散程度越高,各采樣點(diǎn)的空間位置、沉積環(huán)境不同是變異系數(shù)差異的主要原因。

表1 重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 各采樣點(diǎn)重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)圖Fig. 2 Statistical diagram of heavy metal elements content at each sampling point

圖3顯示:重金屬元素含量累積最高點(diǎn)為DZ07,最低點(diǎn)為DZ08,兩者相差1.87倍;空間分布特征整體表現(xiàn)為高郵湖西側(cè)(DZ08、DZ10)、南側(cè)(DZ15、DZ16、DZ20)重金屬元素含量較低,東側(cè)(DZ07)、東北側(cè)(DZ01、DZ02、DZ03)、東南側(cè)(DZ13、DZ17、DZ18)重金屬元素含量普遍較高,以高郵湖下游與邵伯湖聯(lián)通處為甚。各點(diǎn)位含量差異可能受各入湖河流污染來(lái)源、水流作用、沉積環(huán)境或重金屬特性影響。DZ07位于近高郵湖東岸湖中沉積區(qū)域,Zn、Pb、Cd等重金屬富集現(xiàn)象可能受湖水更新周期較長(zhǎng)、水流作用較小的影響。Cu和Ni最高值出現(xiàn)在JC5采樣點(diǎn)(備戰(zhàn)村秦欄河口區(qū)域),水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,2020年5月—2021年5月,秦欄河口斷面水質(zhì)為Ⅳ—Ⅴ類,屬于中度—重度污染(王寧等,2020;揚(yáng)州市生態(tài)環(huán)境局,2021)。李瑩杰等(2016)的研究表明,高郵湖局部區(qū)域存在輕度甚至偏中度的Cu、Ni污染,可能與該流域電鍍、制革和有色金屬冶煉有關(guān)。

圖3 各點(diǎn)位重金屬元素累積含量等值線圖Fig. 3 Contour map of cumulative heavy metal elements content at each sampling point

李書(shū)恒等(2013)利用高郵湖某沉積柱沉積物地球化學(xué)記錄解譯了近300年來(lái)高郵湖的沉積信息,結(jié)果表明,人類活動(dòng)對(duì)高郵湖環(huán)境的影響主要發(fā)生在近百年,尤其是20世紀(jì)80年代后,隨著人口增長(zhǎng)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的快速發(fā)展,湖區(qū)工業(yè)污水、農(nóng)藥及生活廢水排放量急劇增加,部分重金屬進(jìn)入湖泊水體,導(dǎo)致湖泊重金屬富集。20世紀(jì)90年代以來(lái),高郵湖沉積物中重金屬元素含量呈明顯上升趨勢(shì)。

2.2 沉積物中重金屬元素相關(guān)性分析

采用SPSS軟件對(duì)各項(xiàng)重金屬元素含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,得到各重金屬元素之間相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)。8種重金屬元素中,除Hg與Ni之間表現(xiàn)為弱相關(guān)外,其余重金屬元素間的相關(guān)程度為中等及以上。Ni與Cr、Pb、Zn、Cu存在極強(qiáng)相關(guān)性,表明高郵湖及周邊河流中的重金屬元素存在緊密聯(lián)系;Hg與其他7種重金屬元素相關(guān)性較弱,且Hg含量未超過(guò)里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,表明其富集來(lái)源可能僅與湖泊原始土壤重金屬元素背景值有關(guān)。變異系數(shù)與相關(guān)性分析結(jié)果表明無(wú)明顯的人為重金屬污染特征。

表2 重金屬元素相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià) 單因子污染指數(shù)Pi評(píng)價(jià)結(jié)果(表3)表明,各級(jí)樣點(diǎn)污染情況多為輕度污染,中度污染樣點(diǎn)的重金屬元素僅有As、Cd,占比分別為20%、28%,無(wú)重度超標(biāo)。單因子污染指數(shù)均值排序?yàn)锳s>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為1.70(As),最小值為0.78(Hg),表明研究區(qū)總體上Hg為無(wú)污染,其余7種重金屬元素均為輕度污染,全區(qū)無(wú)中度及以上重金屬污染。2011—2012年,陳乾坤等(2013)對(duì)駱馬湖、洪澤湖及高郵湖等7個(gè)江蘇西部湖泊的表層沉積物重金屬元素分布特征進(jìn)行了調(diào)查評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)高郵湖湖泊表層沉積物中污染最嚴(yán)重的重金屬元素為Cd、As,其次為Zn、Cu、Pb,與此次單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果排序相似。

表3 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià) 內(nèi)梅羅污染指數(shù)P綜評(píng)價(jià)結(jié)果如表4。P綜排序?yàn)锳s>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為2.43(As),最小值為0.94(Hg),8種重金屬元素中As、Cd為中度污染,Hg為清潔,其余5種為輕度污染?？傮w而言,研究區(qū)重金屬污染程度為輕度—中度污染,但As、Cd兩種重金屬元素對(duì)高郵湖生態(tài)環(huán)境的影響需引起重視。

表4 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.3 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià) 地累積指數(shù)Igeo評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)表明,8種重金屬元素中,As、Cd輕度污染比例分別為68%、44%,其余元素未受污染比例占90%以上,全區(qū)無(wú)偏中度及以上污染樣點(diǎn);Igeo平均值排序?yàn)锳s>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,最大值為0.14(As),最小值為-0.96(Hg),且除As元素外,其余元素Igeo平均值均為負(fù)值,表明全區(qū)8種重金屬元素污染評(píng)價(jià)中,僅As為輕度污染,其余元素均為無(wú)污染。著眼于生態(tài)環(huán)境保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展,輕度污染元素As的后續(xù)污染變化值得關(guān)注。

表5 重金屬元素地累積指數(shù)及污染等級(jí)

2.3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià) 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI評(píng)價(jià)結(jié)果(表6)顯示,8種重金屬元素單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排序?yàn)镃d>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。受毒性響應(yīng)系數(shù)影響,重金屬元素Cd屬中風(fēng)險(xiǎn)水平,其余元素為低風(fēng)險(xiǎn)。Cd處于中等污染水平的樣品數(shù)為15件,占總樣品數(shù)的60%,且均為高郵湖底泥樣,最大污染指數(shù)點(diǎn)位為DZ07。評(píng)價(jià)結(jié)果與陳乾坤等(2013)的研究結(jié)果即江蘇西部湖泊表層沉積物中重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小順序均為Cd>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn的結(jié)論相印證(未涉及Hg),該研究認(rèn)為高郵湖Cd、As污染與近年來(lái)湖泊周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)迅速發(fā)展產(chǎn)生的大量工業(yè)廢水排放有關(guān)。

表6 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)RI值在78.8～178.8之間,平均值為115.7,主要貢獻(xiàn)因子為Cd,總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。值得注意的是,DZ01、DZ02、DZ07監(jiān)測(cè)點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),且高郵湖底泥樣品RI平均值(122.3)高于出入湖河口RI平均值(89.2),表明重金屬污染物沿入湖河口向湖心區(qū)匯聚,有沿途富集趨勢(shì),底泥成為重金屬污染物的重要載體,這與高吉權(quán)等(2019)、陸志華等(2022)的研究結(jié)果即洞庭湖、太湖等底泥重金屬分布規(guī)律相似。

2.4 評(píng)價(jià)方法的比較

單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)法操作簡(jiǎn)單,表達(dá)直觀;內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法以取均方根值的形式代替均值評(píng)價(jià),兼顧了極值的影響,評(píng)價(jià)更為客觀。本次單因子與內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的污染評(píng)價(jià)結(jié)果一致,污染指數(shù)均值排序均為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,但前者對(duì)As、Cd評(píng)價(jià)為輕度污染,而后者評(píng)價(jià)為中度污染。究其原因,在單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí),As、Cd單因子污染指數(shù)最大值表現(xiàn)更為突出;在內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)兼顧了極值的影響,避免了均值評(píng)價(jià)的局限性。

根據(jù)地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果,各項(xiàng)重金屬I(mǎi)geo值表現(xiàn)為As>Cd>Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Hg,僅As為輕度污染,其余元素均為無(wú)污染狀態(tài)。在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)中,單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表現(xiàn)為Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn,Cd風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大,評(píng)價(jià)結(jié)果屬中風(fēng)險(xiǎn),其余元素為低風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比可知,Cd、As、Pb的污染指數(shù)排序均居前,Zn與Hg污染指數(shù)排序變化較大。造成評(píng)價(jià)結(jié)果差異的主要原因是潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法吸納了元素毒性響應(yīng)系數(shù)來(lái)進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià),毒性響應(yīng)系數(shù)越高者(如Cd、Hg)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)越大,毒性響應(yīng)系數(shù)最低者(如Zn)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小,危害最低,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法更突出重金屬元素的環(huán)境毒害效應(yīng),側(cè)重重金屬元素對(duì)環(huán)境載體的整體生態(tài)影響。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高郵湖底泥及出入湖河口表層沉積物重金屬污染進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論。

(1) 8種重金屬元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,僅Hg含量(平均值)未超過(guò)里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,As含量(最大值)超過(guò)篩選值。空間分布特征整體表現(xiàn)為高郵湖西側(cè)與南側(cè)重金屬元素含量較小,東側(cè)及東南側(cè)重金屬元素含量普遍較大,以高郵湖下游與邵伯湖連通處為甚。各點(diǎn)位的含量差異可能受各入湖河流的污染來(lái)源、水流作用、沉積環(huán)境或重金屬特性影響。

(2) Pearson相關(guān)性分析表明:重金屬元素Ni與Cr、Pb、Zn、Cu之間存在顯著的同源性;Hg與其他7種重金屬元素之間相關(guān)性較弱,且Hg含量未超過(guò)里下河淺洼平原表層土壤重金屬元素背景值,表明其富集來(lái)源可能僅與原始湖泊土壤重金屬元素背景值有關(guān)。

(3) 單因子污染指數(shù)顯示,研究區(qū)Hg為無(wú)污染狀態(tài),其余7種重金屬元素均為輕度污染;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)顯示,僅As與Cd為中度污染,Hg為清潔,其余元素為輕度污染。Cd、As兩種重金屬元素對(duì)高郵湖生態(tài)環(huán)境的影響需引起重視。

(4) 地累積指數(shù)Igeo平均值除As元素外,其余元素均為負(fù)值,表征僅As為輕度污染,其余元素均呈無(wú)污染狀態(tài);綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI平均值為115.7,揭示總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)屬于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。評(píng)價(jià)引入了毒性響應(yīng)系數(shù),改變了Cd元素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及Zn、Hg強(qiáng)弱順序,突出了重金屬元素的環(huán)境毒害效應(yīng),偏重其對(duì)環(huán)境載體的整體生態(tài)影響。

(5) 高郵湖底泥樣品RI均值高于出入湖河口,表明重金屬污染物沿入湖河口向湖心區(qū)匯聚,有沿途富集趨勢(shì),底泥成為重金屬污染物的重要載體。