洞庭湖表层沉积物中重金属污染特征、来源与生态风险

张光贵

湖南省洞庭湖生态环境监测中心，湖南 岳阳 414000

近年来湖泊重金属污染问题日益严重，成为国内外十分关注的环境问题之一。一般情况下，湖泊沉积物是各种污染物质的“汇”，但在一定条件下沉积物中的重金属又会释放到上覆水中，沉积物转成水体污染的“源”［1-3］，严重影响湖泊上覆水体的质量，造成水环境的二次污染和生态风险［4-9］，因此，沉积物可以反映出水体受重金属污染的情况［10-12］，研究沉积物中重金属的含量分布和潜在生态风险对防控湖泊水体重金属污染有重要指导意义。湖泊沉积物重金属污染已成为目前环境研究的热点［13-16］。

洞庭湖是目前长江中游荆江段唯一与长江干流直接相通的湖泊，具有调蓄、饮用、渔业、灌溉、航运、调节湖区气候、旅游和生物多样性保护等重要生态功能。相关研究表明，洞庭湖水系已受到不同程度的污染［17］，重金属健康风险不断增加［18］，水质呈总体下降趋势［19-20］。尽管近年来有学者针对洞庭湖沉积物重金属开展了相关研究，如姚志刚等［21］对洞庭湖各水系入湖口和湖区沉积物的重金属环境地球化学特征进行了研究。祝云龙等［22］对洞庭湖不同湖区沉积物中重金属含量及其空间分布、污染状况与来源进行了研究。万群等［23］对东洞庭湖沉积物中重金属的分布特征、污染程度与来源进行了研究。李飞等［24］采用基于梯形模糊数的沉积物重金属污染风险评价模型对洞庭湖表层沉积物的污染风险现状进行了评价。左兰兰等［25］利用 Hakanson 指数法［26］对洞庭湖沉积物中重金属生态风险进行了评价。祝慧娜等［27］在Hakanson指数法的基础上，引入区间排序法对洞庭湖沉积物中重金属生态风险进行了分析，但用沉积物质量基准法［28］评价洞庭湖沉积物中重金属生态风险尚未见报道。本研究通过对洞庭湖表层沉积物中镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)等重金属含量的测定，分析重金属的空间分布特征，利用相关分析、主成分分析法对其来源进行分析，并采用沉积物质量基准法对其潜在生态风险进行评价，以期为了解和掌握洞庭湖沉积物中重金属污染状况、防控洞庭湖水体重金属污染提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，北接长江松滋、太平、藕池三口，南纳湘、资、沅、澧四水，经城陵矶汇入长江，湖体呈近似“U”字形，总流域面积为 25.72万 km2，集水面积104万km2，水位33.50 m(岳阳站，黄海基面)，湖长143 km，最大湖宽30 km，平均湖宽17.01 km，湖泊面积2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相应蓄水量167亿m3，是中国第二大淡水湖。受泥沙淤积、筑堤建垸等自然条件和人类活动的影响，洞庭湖现已明显地化分为西、南、东3个不同的湖泊水域，属典型过水性洪道型湖泊［29］，兼具河流与湖泊双重属性，其水流方向大致为西洞庭湖→南洞庭湖→东洞庭湖→长江［30］。

1.2 样品采集

分别于2012年2月、2013年4月，采用抓斗式采泥器采集洞庭湖表层沉积物样品，每个采样点采集3个平行样品现场混匀，装入封口袋，于4℃保存。采样点的布设参考了洞庭湖水质常规监测断面，共设置9个采样点，其中西洞庭湖区3个，分别为南嘴(S1)、蒋家嘴(S2)、小河嘴(S3);南洞庭湖区3个，分别为万子湖(S4)、横岭湖(S5)、虞公庙(S6);东洞庭湖区3个，分别为鹿角(S7)、东洞庭湖(S8)、洞庭湖出口(S9)。所有采样点采用便携式GPS定位，见图1。

图1 洞庭湖采样点分布

1.3 样品处理及分析

采集的沉积物样品经冷冻干燥后去除各种杂质，经玛瑙研钵研磨处理后过0.149 mm尼龙筛，分装于塑料袋中密封待测。

Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Hg采用冷原子吸收分光光度法测定，As采用原子荧光法测定，Cu、Pb、Cr采用火焰原子吸收分光光度法测定。为保证分析的准确性，实验的每个样品设置2个平行样，平行分析误差小于5%，结果取平均值。

1.4 数据分析与统计

数据经检查、剔除特异值等预处理后，采用Microsoft Office Excel 2003和IBM SPSS 19.0对数据进行统计处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 沉积物中重金属的含量与空间分布

洞庭湖表层沉积物中重金属的监测结果见表1。洞庭湖表层沉积物中Cd的监测结果范围为0.60～20.70 mg/kg，平均值为5.77 mg/kg;Hg为0.090～0.640 mg/kg，平均值为0.225 mg/kg;As为10.4～83.7 mg/kg，平均值为26.2 mg/kg;Cu为17.9～70.9 mg/kg，平均值为39.1 mg/kg;Pb为16.9～95.8 mg/kg，平均值为53.7 mg/kg;Cr为59.0 ～199.0 mg/kg，平均值为 103.2 mg/kg。同一重金属在不同样点间的变异程度不同，其中Cd 的变异系数最大，As、Hg、Pb、Cr次之，Cu 的变异系数最小。因表层沉积物中重金属在不同样点的含量差异大，由此说明提示来源可能不同［31］。

表1 洞庭湖表层沉积物重金属监测结果统计

根据《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)，洞庭湖表层沉积物中 Hg、Cu、Pb、Cr均在土壤环境质量三级标准以内，Cd、As出现超标现象，其中Cd的平均值超标4.77倍。可见，Cd、As是洞庭湖表层沉积物中主要重金属污染物。

洞庭湖表层沉积物中重金属的空间分布见图2。

图2 洞庭湖表层沉积物中重金属的空间分布

由图2可知，洞庭湖表层沉积物中Cd含量的最大值出现在南洞庭湖区的虞公庙(S6)，最小值位于西洞庭湖区的南嘴(S1)，最大值与最小值的比值为5.31，空间分布差异较大。西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中Cd的平均值均超过土壤环境质量三级标准，分别为3.57、11.43、3.31 mg/kg，表现为南洞庭湖区＞西洞庭湖区＞东洞庭湖区。Hg含量的最大值出现在南洞庭湖区的横岭湖(S5)，最小值位于西洞庭湖区的南嘴(S1)，最大值与最小值的比值为5.75，空间分布差异较大。西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中 Hg的平均值分别为0.217、0.304、0.153 mg/kg，表现为南洞庭湖区＞西洞庭湖区＞东洞庭湖区。As含量的最大值出现在南洞庭湖区的横岭湖(S5)，最小值位于西洞庭湖区的南嘴(S1)，最大值与最小值的比值为5.64，空间分布差异较大。西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中As的平均值分别为14.2、42.7、21.9 mg/kg，其中南洞庭湖区沉积物中As的平均值超过土壤环境质量三级标准，表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，与祝云龙等的研究结果一致［22］。Cu含量的最大值出现在南洞庭湖区的横岭湖(S5)，最小值位于西洞庭湖区的小河嘴(S3)，最大值与最小值的比值为2.65，空间分布差异较小，西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中 Cu的平均值分别为31.7、47.4、38.0 mg/kg，表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区。Pb含量的最大值出现在南洞庭湖区的横岭湖(S5)，最小值位于西洞庭湖区的(S3)，最大值与最小值的比值为4.61，空间分布差异较小。西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中 Pb的平均值分别为26.4、69.0、66.5 mg/kg，表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区，与祝云龙等的研究结果一致［22］。Cr含量的最大值出现在南洞庭湖区的虞公庙(S6)，最小值位于南洞庭湖区的万子嘴(S4)，最大值与最小值的比值为1.95，空间分布差异较小，西洞庭湖区、南洞庭湖区、东洞庭湖区沉积物中Cr的平均值分别为 95.4、107.4、106.7 mg/kg，表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区。

南洞庭湖区特别是横岭湖(S5)、虞公庙(S6)表层沉积物中重金属含量较高，主要受入湖河流湘江和资水的影响，有研究表明，南洞庭湖区湘江和资水入湖的河口三角洲上沉积物重金属含量最高［22，32］。西洞庭湖区的蒋家嘴(S2)表层沉积物中Hg、Cd含量较高，可能与沅江河口沉积物中Hg、Cd 含量较高有关［21］。

2.2 沉积物中重金属的来源分析

2.2.1 相关分析

洞庭湖表层沉积物中重金属之间的相关分析见表2。

表2 洞庭湖表层沉积物中重金属之间的相关性

由表2 可知，沉积物中 As、Cd、Hg、Cu、Pb 之间呈显著正相关，说明洞庭湖沉积物中As、Cd、Hg、Cu、Pb的地球化学性质相似，具有相同的来源或产生了复合污染。Cr与其他重金属之间没有显著的相关性。据此可以将洞庭湖沉积物中的重金属初步分为两类，第一类为相关性显著的As、Cd、Hg、Cu、Pb，第二类为 Cr。

2.2.2 主成分分析

主成分分析法是设法将原来多个具有一定相关性的指标，通过线性变换选出较少重要变量的一种多元统计方法，也是目前在重金属来源分析中广泛使用的方法。为解释洞庭湖沉积物中重金属的组成特征与其来源的内在关系，对9个监测点位沉积物样品中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr的特征值进行了主成分分析，详见表3、图3。

表3 沉积物中重金属数据的主成分分析的总变量

图3 各重金属元素的二维因子载荷图

由表3、图3可知，洞庭湖第一主成分的贡献率为40.286%，表现为因子变量在Hg、As、Cd的含量上有较高的正载荷，反映了Hg、As、Cd的富集程度。第二主成分的贡献率为39.779%，表现为因子变量在Cr、Pb、Cu的含量上有较高的正载荷，反映了 Cr、Pb、Cu 的富集程度。同时，As、Cu、Pb在第一主成分、第二主成分上都有较高的正载荷，说明As、Cu、Pb受第一主成分、第二主成分因子的共同支配。第一主成分、第二主成分的累积贡献率为80.065%，已经能反映出全部数据的大部分信息。

Hg、As、Cd作为第一主成分，其相应含量的较高点基本集中在S5、S6、S2上，其含量在各采样点之间变幅较大，说明Hg、As、Cd主要来源于湘江、资水、沅江等入湖河流。湖南素有“有色金属之乡”之称，矿产资源丰富，特别是湘江流域衡阳水口山的铅锌矿、郴州的钨矿、湘潭的锰矿、资水流域锡矿山的锑矿更是蜚声中外，然而随着矿产资源的开发和洞庭湖流域工业生产的迅速发展，洞庭湖水系水质已受到不同程度的重金属污染，尤以湘江、资水污染较为严重［18］。因此，第一主成分主要受工业废水排放和有色矿业采冶支配。

作为第二主成分的Cr、Pb、Cu，尽管其相应含量的较高点基本集中在S5、S6，但其含量在各采样点之间变幅较小，说明他们受洞庭湖入湖河流来水的影响较小。由于洞庭湖大量接纳周边城镇生活污水、农田排水，且湖区存在众多畜禽养殖废水排放口，部分污水未经处理便排放［33］，结合湖南沉积物地球化学背景值的基础研究，综合判断Cr、Pb、Cu主要与生活污水排放、农业生产有关。

同时，As、Pb、Cu受工业废水排放、有色矿业采冶以及生活污水排放、农业生产的共同支配。此外，洞庭湖区是中国主要的血吸虫病疫区，多年来，为消灭血吸虫的中间寄主钉螺，向湖区投放了大量的铬渣等化学药剂［33］，这可能也是洞庭湖沉积物中Cr的来源之一。

2.3 沉积物中重金属的生态风险

沉积物质量基准法是目前常用且具代表性的沉积物重金属生态风险评价方法之一［34］。沉积物质量基准是指特定化学物质在沉积物中实际允许数值，是底栖生物免受特定化学物质致害的保护性临时水平，是底栖生物剂量－效应关系的反映［28］。目前国内尚无系统的针对湖泊沉积物中重金属生态风险的质量基准。本研究以加拿大安大略省为保护和管理淡水水生环境沉积物质量指导值［35］为基准进行潜在生态风险评价，详见表4。

表4 沉积物中重金属生态风险评价基准 mg/kg

其中LEL为最低效应水平，该水平是大多数底栖生物的耐受含量，SEL为严重影响水平，在此含量下，污染物可能对底栖生物产生不利影响。当污染物含量低于LEL时，则认为其无生态风险;当污染物含量高于SEL时，则认为其具有较高生态风险。当污染物含量在LEL与SEL之间时，则认为其具有较低生态风险。

洞庭湖表层沉积物中重金属生态风险评价结果见表5。

表5 洞庭湖表层沉积物中重金属生态风险评价结果

由表5可知，分别为22.2%、22.2%、33.3%的点位Cd、As、Cr含量均高于SEL，分布于南洞庭湖区的S5、S6以及东洞庭湖区的S9，以上说明这些点位Cd、As、Cr的含量具有造成较高生态风险的可能性。Hg、Cu、Pb的含量均低于SEL，表明其生态风险较低。受Cd、As含量较高的影响，南洞庭湖区具有较高的生态风险。

3 结论

1)洞庭湖表层沉积物中 Cd为0.60～20.70 mg/kg，平 均 值 为 5.77mg/kg;Hg为0.090～0.640 mg/kg，平均值为0.225 mg/kg;As为10.4～83.7 mg/kg，平均值为26.2 mg/kg;Cu，为17.9～70.9 mg/kg，平均值为39.1 mg/kg;Pb为16.9～95.8 mg/kg，平均值为53.7 mg/kg;Cr为59.0 ～199.0 mg/kg，平均值为 103.2 mg/kg。根据《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)，Cd、As出现超过土壤环境质量三级标准的现象，是洞庭湖表层沉积物中主要的重金属污染物。

2)洞庭湖表层沉积物中Cd、Hg的空间分布相似，表现为南洞庭湖区＞西洞庭湖区＞东洞庭湖区;As、Cu、Pb、Cr的空间分布相似，表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区＞西洞庭湖区。

3)相关分析结果显示，As、Cd、Hg、Cu、Pb 之间具有相似的地球化学性质，Cr与其他重金属之间没有显著的相关性。主成分分析结果表明，第一主成分的Hg、As、Cd主要受工矿业采冶支配，第二主成分的Cr、Pb、Cu主要与生活污水排放和农业生产有关。

4)沉积物质量基准法评价结果表明，洞庭湖表层沉积物中 Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr等重金属均具有引起较低生态风险的可能性，部分点位Cd、As、Cr具有引起较高生态风险的可能性。洞庭湖表层沉积物中重金属的生态风险表现为南洞庭湖区＞东洞庭湖区和西洞庭湖区，受Cd、As含量较高的影响，南洞庭湖区具有较高的生态风险。

5)在洞庭湖表层沉积物重金属生态风险评价过程中，以加拿大安大略省为保护和管理淡水水生环境沉积物质量指导值为基准，未考虑不同区域沉积物中重金属背景值的差异等，这本身就存在一些不确定性。因此，所得生态风险评价结论仅是初步结果。

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