劉 彬,熊 晶,郭 麗,余開升,姚詩源

( 湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,湖北 武漢 430072 )

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國大農(nóng)業(yè)的重要組成部分,為保障居民食物蛋白供應(yīng)貢獻巨大[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)屬環(huán)境依賴型產(chǎn)業(yè),生態(tài)環(huán)境狀況決定了其產(chǎn)品的質(zhì)量安全,同時養(yǎng)殖過程也會對周邊水域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來環(huán)境風(fēng)險,制約其可持續(xù)發(fā)展[2]。重金屬和砷是常見的環(huán)境污染物,也是水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料和漁藥的常用添加劑,極易通過各種途徑進入養(yǎng)殖水體,并最終沉降于沉積物中;同時,這些元素又會被棲息于沉積物或水體中的生物體富集并產(chǎn)生毒性效應(yīng),還會通過食物鏈放大作用危害人類健康[3]。因此,水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物中的重金屬和砷富集問題逐漸引起了社會的關(guān)注,已有學(xué)者對北京郊縣養(yǎng)殖池塘[4]、寧波灘涂貝類養(yǎng)殖區(qū)[5]、浙江嵊泗貽貝養(yǎng)殖區(qū)[6]、長江三角洲蟹塘[7]、廣東柘林灣海水養(yǎng)殖區(qū)[8]和黃海大連皮口灘涂貝類養(yǎng)殖區(qū)[9]等沉積物中重金屬進行含量狀況研究。

位于湖北省的江漢平原是我國淡水養(yǎng)殖主產(chǎn)區(qū)之一,具有優(yōu)越的水體資源和豐富的水產(chǎn)品種類,淡水養(yǎng)殖(池塘、水庫、江河、湖泊等)面積、產(chǎn)量等多項指標(biāo)長期位居全國首位[10],尤其是“蝦稻共作”創(chuàng)舉為中國池塘養(yǎng)殖的現(xiàn)代化突破提供了標(biāo)準(zhǔn)模版[11]。張勁等[12]曾對江漢平原的東荊河沉積物開展過重金屬含量的調(diào)查研究,但針對“蝦稻共作”養(yǎng)殖沉積物的污染狀況研究卻鮮有報道。筆者采集了江漢平原典型“蝦稻共作”養(yǎng)殖沉積物,開展了3項理化指標(biāo)和10種元素的含量調(diào)查,旨在探明江漢平原“蝦稻共作”養(yǎng)殖模式下池塘沉積物的肥力狀況和重金屬賦值現(xiàn)狀,為提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江漢平原位于湖北省中南部長江中游地區(qū),由長江與漢江沖積而成,地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),降水充沛、地形低洼平坦,河流湖泊眾多、溝渠密布[13]。研究區(qū)位于江漢平原腹地的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖基地(N 29°48′～30°24′,E 112°31′～113°36′),選擇典型“蝦稻共作”養(yǎng)殖模式的水田或池塘,塘齡為5～10年,養(yǎng)殖品種主要為克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)和水稻,少量養(yǎng)殖草魚(Ctenopharyngodonidella)和鯽(Carassiusauratus),周邊均有居民區(qū)。

1.2 樣品采集

共選取10個水田或池塘(每地5個),每個水田或池塘分別均勻布設(shè)3個點位,用柱狀采泥器取表層(20 cm)和深層(50 cm)沉積物樣品,共60個樣品。采樣時間為2018年12月至2019年3月,水稻已收割,克氏原螯蝦處于養(yǎng)殖期。

1.3 樣品測試

將采集的沉積物樣品自然風(fēng)干、研磨,分別過孔徑為10目和100目的尼龍篩處理,并采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測第2部分:土壤pH的測定》[14]、NY/T 1121.6—2006《土壤檢測第6部分:土壤有機質(zhì)的測定》[15]、HJ 889—2017《土壤 陽離子交換量的測定 三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法》[16]、HJ 803—2016《土壤和沉積物12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》[17]和HJ 680—2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》[18]等標(biāo)準(zhǔn)方法對pH、有機質(zhì)含量、陽離子交換量(CEC)、砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、汞(Hg)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、釩(V)和鋅(Zn)進行分析測試,測試過程滿足相關(guān)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制要求。

1.4 評價方法

1.4.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

評價標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 18407.4—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害水產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境要求》[19]中底質(zhì)限值、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[20]風(fēng)險篩選值和風(fēng)險管制值,背景值為課題組完成的《湖北省土壤環(huán)境背景值及其應(yīng)用研究項目》中江漢平原A層土壤背景值(未發(fā)表數(shù)據(jù)),具體數(shù)值見表1。

表1 元素評價標(biāo)準(zhǔn) mg/kgTab.1 The standard limits of element

1.4.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)也稱為Müller指數(shù)[21],用其評價養(yǎng)殖沉積物中元素的富集程度,能同時考慮自然地質(zhì)過程背景值和人為活動影響,常用于元素的來源分析,計算公式為:

(1)

式中,Cn表示沉積物中某一元素的質(zhì)量濃度(mg/kg),Bn為相應(yīng)元素背景值(mg/kg)(1.5為考慮各地巖石差異可能會引起背景值變動而取的系數(shù))。Igeo值越大,富集越嚴(yán)重,Igeo>0,表示富集來自人為活動而不是自然地殼貢獻。

1.4.3 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法(PLI)是結(jié)合區(qū)域背景值來評價沉積物中元素富集的整體水平,其計算公式為:

(2)

(3)

式中,CFi為元素i的污染指數(shù),Ci為元素i的質(zhì)量濃度(mg/kg),Si為元素i的背景值(mg/kg),PLI為多種元素的污染負(fù)荷指數(shù),n為評價的元素種數(shù)。CFi的評價標(biāo)準(zhǔn)為:CFi≤0.7屬于無污染,0.7

1.4.4 富集因子法

富集因子法:通過與參比元素含量進行比較,評價重金屬和砷在沉積物中的富集程度,也可以判斷人類活動對環(huán)境的擾動程度。富集因子(EF)計算公式為:

(4)

式中,Ci為沉積物中某一元素的質(zhì)量濃度(mg/kg),Cn為參比元素的質(zhì)量濃度(mg/kg)(選擇Mn作為參比元素[23]),s代表樣品,b代表背景值。EF≤2為無富集或輕微富集,240為極強富集。

1.4.5 生態(tài)風(fēng)險評價法

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法結(jié)合各元素的毒性系數(shù)對沉積物中的重金屬潛在生態(tài)危害進行評價,該指數(shù)能夠綜合反映指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響,計算公式為:

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測的理化指標(biāo)包括沉積物pH、有機質(zhì)含量和陽離子交換量,其中pH不僅反映沉積物的酸堿度,還是評價元素含量水平的條件之一(表1),有機質(zhì)含量和陽離子交換量則體現(xiàn)了沉積物的肥力狀況。監(jiān)測結(jié)果(圖1)顯示:30個采樣點位表層樣品pH為5.83～8.46,中位值為7.31;深層樣品pH為5.73～8.53,中位值為7.68,普遍略高于表層。除少數(shù)點位外,大部分表層樣品有機質(zhì)含量(0.61%～6.04%、中位值3.53%)高于深層(0.50%～7.61%、中位值2.69%)。陽離子交換量則是表層沉積物略低于深層沉積物,分別為6.28～35.49 cmol/kg(中位值20.89 cmol/kg)和9.42～35.22 cmol/kg(中位值24.67 cmol/kg)。

圖1 沉積物理化指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果Fig.1 The results of pH, organic matter content and CEC in sediments

2.2 10種元素含量情況

本次調(diào)查所有樣品中均檢出了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、V和Zn,含量見圖2。同一點位表層和深層沉積物中各元素檢出情況相似,各元素結(jié)果的變異系數(shù)為16%～41%,存在嚴(yán)重局部富集的可能性較小[25]。采用GB 15618—2018對As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種元素的監(jiān)測結(jié)果進行評價,只有As和Cu的少量結(jié)果略高于風(fēng)險篩選值(低于該值風(fēng)險可忽略),但未超過風(fēng)險管制值(超過該值則要采取嚴(yán)格管控措施);當(dāng)采用針對無公害水產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境的GB/T 18407.4—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量》對As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7種元素進行評價時,發(fā)現(xiàn)除Hg、Pb、Zn外,其他元素均存在不滿足底質(zhì)污染物最高限量的情況,但超標(biāo)倍數(shù)不大,其中:Cr含量均超過該標(biāo)準(zhǔn)的最高限量,表層沉積物超標(biāo)倍數(shù)為1.04～2.46、深層沉積物超標(biāo)倍數(shù)為1.15～2.49,與北京郊縣水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘[4]、長江三角洲蟹塘[7]和江漢平原東荊河沉積的監(jiān)測結(jié)果類似[12];Cu超標(biāo)率分別為76.7%和83.3%,超標(biāo)倍數(shù)分別為1.15～1.67和1.01～1.81;As和Cd的超標(biāo)率均小于10%,最大超標(biāo)倍數(shù)為1.44,其含量水平均低于其他水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物監(jiān)測結(jié)果或與之相當(dāng)[4-9](表2)。

表2 其他養(yǎng)殖沉積物中10種元素含量情況Tab.2 Contents of ten kinds of elements in other cultured sediments

2.3 元素富集水平

采用地累積指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法和富集因子法對數(shù)據(jù)進行分析:所有元素的地累積指數(shù)均<1,屬輕度富集(圖3),其中Cr、Pb、Hg、V、As、Mn地累積指數(shù)≥0的比例均≤10%,Cd、Ni、Cu、Zn地累積指數(shù)≥0的比例均超過20%(最高為Cd,46.7%);采用污染負(fù)荷指數(shù)法評價,僅有1處點位兩層沉積物均為無污染,26.7%的沉積物被評價為輕微污染,另有66.7%的表層沉積物和70.0%的深層沉積物被評價為輕度污染,單項污染指數(shù)均值最大的是Cd、Ni、Zn和Cu(1.21～1.39)(圖4);Cd富集因子>2的點位比例最高(達到33.3%),表層沉積物富集因子最大值為2.61、深層沉積物富集因子最大值為2.87,其他元素富集因子>2的點位比例均小于10%。綜合來看,研究區(qū)沉積物中重金屬和砷富集或污染水平以輕度為主,指標(biāo)主要涉及Cd、Ni、Zn、Cu。

圖3 沉積物中10種元素的地累積指數(shù)Fig.3 Geo-accumulation index of ten kinds of elements in sediments

圖4 沉積物中10種元素的污染負(fù)荷指數(shù)Fig.4 Pollution load index of ten kinds of elements in sediments

2.4 重金屬和砷生態(tài)風(fēng)險

不同元素的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見圖5,絕大多數(shù)指標(biāo)的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均小于40,為輕微風(fēng)險水平。只有Cd和Hg元素存在被判定為中等生態(tài)風(fēng)險的情況,其中Cd中等生態(tài)風(fēng)險樣品數(shù)占比達56.7%(有3個點位的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)超過了60),Hg中等生態(tài)風(fēng)險樣品數(shù)只有1個(潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)為62.2)。綜合各點位的所有重金屬指標(biāo),其潛在風(fēng)險指數(shù)全部小于150,屬輕微生態(tài)風(fēng)險水平。

圖5 沉積物中10種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)Fig.5 Potential ecological risk factor of ten kinds of elements in sediments

2.5 統(tǒng)計分析結(jié)果

單因素顯著性分析顯示,表層和深層沉積物中10種元素含量不具有顯著性差異(P=0.603)。對30個點位的60個沉積物中10種元素進行皮爾遜相關(guān)性分析,分析結(jié)果表明:表層和深層沉積物中Cr-V、Cu-Zn之間的相關(guān)系數(shù)均接近1,達到極顯著水平(P<0.01);Mn僅與As之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他元素相關(guān)性不顯著;Hg與各元素之間均無顯著相關(guān)性(表3)。利用因子分析中的主成分抽取方法(提取的各因子以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)),提取累積方差貢獻率大于75%的因子,得到2個主成分:表層和深層沉積物中,第1主成分方差貢獻率分別為58.6%和57.8%,Cr、V、Cu、Pb、Zn、Ni重金屬的載荷均較高;第2主成分的方差貢獻率分別為20.5%和20.2%,載荷最高的是Hg和Cd(表4)。

表3 沉積物中10種元素的含量相關(guān)性Tab.3 Concentration correlation between the elements in sediments

表4 主成分中10種元素的貢獻率Tab.4 Contribution rate of ten kinds of elements in principal components

3 討 論

3.1 生物活動對沉積物理化性質(zhì)的影響

研究區(qū)大部分表層沉積物樣品的有機質(zhì)含量均高于深層,可能與水體中生物活動有關(guān)。表層沉積物直接與水體接觸,水生生物的排泄物、分泌物和動植物殘體等物質(zhì)會通過沉降、吸附等作用殘留其中,同時由于粒徑較大無法通過沉積物的細(xì)小孔隙擴散至深層,使得表層沉積物的有機質(zhì)含量升高。而在這些有機質(zhì)的好氧降解過程中,會產(chǎn)生并不斷累積短鏈脂肪酸,進而引起表層沉積物pH的下降[26]。當(dāng)表層沉積物不斷酸化,其微粒表面所負(fù)電荷會逐漸減少,陽離子交換量也會隨之降低,阻礙了營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和釋放,可能會在一定程度上影響水稻的生長[27]。

3.2 沉積物中元素含量間的相關(guān)性

表層和深層沉積物中相同元素含量不具有顯著性差異,可能是因為重金屬及其化合物粒徑較小,會通過沉積物孔隙進行遷移擴散,表層和深層含量趨于動態(tài)平衡,受局部環(huán)境影響變小[28]。表層和深層沉積物中Cr-V和Cu-Zn的相關(guān)系數(shù)均接近1,達到極顯著水平(P<0.01),具有相同來源的可能性非常大;Mn僅與As之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他元素相關(guān)性不顯著,表明Mn和As可能有相似的來源[29];Hg與各元素之間均無顯著相關(guān)性,推斷其可能與其他元素的具體來源不同,該結(jié)論與已有研究一致[24]。

3.3 沉積物中重金屬和砷的可能來源

通常認(rèn)為,沉積物中的重金屬和砷來源于環(huán)境本底或是人為引入,根據(jù)本次監(jiān)測結(jié)果將10種元素分為2組:第1組為Cr、Pb、Hg、V、As、Mn,其地累積指數(shù)≥0的比例均≤10%,說明研究區(qū)沉積物中這些元素含量受人為活動的影響較小,可能來自自然源,這與同屬江漢平原的東荊河沉積物中Cr來源研究結(jié)論一致[12],且湖北省的地質(zhì)環(huán)境中含有大量V元素[30],同時Cr-V、Mn-As可能具有伴生關(guān)系,推測該組元素源于自然地殼背景的可能性較大;第2組為Cd、Ni、Cu、Zn,它們是克氏原螯蝦養(yǎng)殖過程中常見的飼料和漁藥添加劑[31],可能會通過投放和水生生物排泄等行為進入沉積物,也有研究推測江漢平原水體沉積物中的這些元素可能來源于流域重工業(yè)生產(chǎn)活動[12],本次這4種重金屬地累積指數(shù)≥0的比例均超過20%(最高為Cd,46.7%),Cd富集因子EF>2的點位比例也最高,并且Cu-Zn含量具有顯著相關(guān)性,說明沉積物中的該組重金屬源于人類活動影響的可能性比較大。

因子分析結(jié)果顯示,表層和深層沉積物中第1主成分Cr、V、Cu、Pb、Zn、Ni元素的載荷均較高,第2主成分載荷最高的是Hg和Cd。結(jié)合前部分各元素的來源分析(Cr、V、Pb、Hg主要源于環(huán)境背景,Cu、Zn、Ni、Cd主要源于人為活動),2個主成分可能均反映了雙重因素,自然和人為活動對“蝦稻共作”沉積物中10種元素含量現(xiàn)狀的影響相當(dāng)。

3.4 思考和建議

在本次監(jiān)測結(jié)果中,10種元素在研究區(qū)沉積物中普遍存在,自然和人為引入都會影響其含量現(xiàn)狀。其中Cr、Pb、Hg、V、As、Mn等元素源自區(qū)域地球背景的可能性較大,對照背景值分析發(fā)現(xiàn),這些元素的富集水平和生態(tài)風(fēng)險并不高,與其他養(yǎng)殖區(qū)沉積物監(jiān)測結(jié)果相比也屬偏低或含量相當(dāng)水平,但采用GB 15618—2018和GB/T 18407.4—2001等廣譜性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行評價時又會存在不滿足限值要求的情況,鑒于這些存在于環(huán)境背景中的元素也可能會釋放、擴散進入水體,或是被水生生物直接攝入,若開展無公害水產(chǎn)品養(yǎng)殖時,可以結(jié)合元素環(huán)境背景值來科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域,或是對目標(biāo)養(yǎng)殖區(qū)進行元素本底值監(jiān)測并開展有針對性的環(huán)境修復(fù),避免環(huán)境化學(xué)背景對養(yǎng)殖過程的影響;而Cd、Ni、Cu、Zn等重金屬很大可能來自人為引入,它們在低濃度狀態(tài)下可促進克氏原螯蝦或其他水生生物的抗菌能力,但超過一定濃度就會對其呼吸、免疫和生長繁殖造成嚴(yán)重危害[32],還會通過食物鏈累積影響人體健康,本次監(jiān)測發(fā)現(xiàn),除去自然背景的影響后,這些重金屬的多數(shù)點位仍然具有一定生態(tài)風(fēng)險,其他水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物也具有類似情況[4-5,7-9,12],因此有必要加強對水產(chǎn)飼料、漁藥和作物肥料中Cd、Ni、Cu、Zn等添加劑安全性的重視,科學(xué)制定配方,優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù),提高生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入門檻,踐行綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖。

4 結(jié) 論

(1)本次監(jiān)測中表層沉積物的有機質(zhì)含量普遍高于深層,可能與水體中生物活動有關(guān);pH和陽離子交換量則是表層低于深層,可能與脂肪酸累積和微粒表面所負(fù)電荷減少有關(guān)。

(2)在所有樣品中均檢出了10種元素,表層和深層含量差異不大,不同地區(qū)的點位間不存在明顯空間分布差異,雖然As和Cu的少量結(jié)果略高于GB 15618—2018風(fēng)險篩選值,但大部分沉積物中元素含量均低于文獻報道的其他養(yǎng)殖區(qū)或與之水平相當(dāng)。

(3)與區(qū)域背景值相比,70%的點位的重金屬和砷為輕度富集,主要因子為Cd、Ni、Zn、Cu,有56.7%的沉積物存在Cd中等生態(tài)風(fēng)險,推測其主要來源于人為,應(yīng)重視添加劑的安全性;Cr、Pb、Hg、V、As、Mn可能來源于環(huán)境本底,所以開展無公害養(yǎng)殖時,建議合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)。