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底泥是湖泊及其流域中重金属等污染物的重要归宿和蓄积库,底泥中的重金属形态和分布不仅能够反映自然和人类活动对湖泊的影响,也反映底泥对水体生态系统的威胁[1-3]。重金属在底泥的垂向分布与水平分布研究同样重要,它们在底泥某层位中的分布可反映某一历史时段内湖泊流域自然和人为活动所造成的重金属流失与污染强度 [4]。重金属是相对保守的物质,具有潜在危害性,一般认为底泥中重金属的毒性几乎与总量无关,而与间隙水中可生物利用的金属组分相关,间隙水中重金属离子浓度与底泥中重金属形态关系紧密[5-6]。底泥中重金属形态主要为金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机质及硫化物结合态和残渣晶格态,它们各自表现出不同的物理化学稳定性、生物可利用性及潜在生态毒害性 [7-8]。重金属的可交换态最易被生物利用,毒性最强,碳酸盐结合态也较易重新释放进入水相,因而可以用底泥中金属可交换态及碳酸盐结合态重金属占重金属总量的百分数来评价底泥中重金属的稳定程度 [6, 9]。
南四湖是我国华北平原上面积最大的淡水湖,湖泊面积1266 km2,自北向南依次由南阳、独山、昭阳和微山4个湖串联而成,平均水深约1.46 m。作为华东最重要的煤炭能源基地,南四湖周边地区的城市发电、民用煤燃烧,造纸、食品、化工、医药等行业企业的迅速发展,以及航运交通等方面的影响,南四湖近20年来底泥中Hg、Pb 、Cd和As的含量呈快速增长趋势,尤其是Hg和Pb的污染最为严重 [10-11]。底泥典型重金属对环境的危害除了与其总量有关外,更大程度上取决于其在环境系统中的形态和分布,其元素赋存形态是判断底泥中重金属的毒性响应以及生态风险的重要指标[3, 8]。作为南水北调东线工程最重要的输水通道和京杭大运河最重要的航运路段,对南四湖底泥典型重金属污染物的形态和污染程度进行分析评价具有重要意义[3]。然而,目前针对南四湖不同湖区底泥重金属污染研究多集中在总量水平分布上,而对其形态和垂向分布研究则较少[3, 12]。
本文以南四湖4个湖区为研究对象,在探讨4种典型重金属元素(Pb、Cd 、Hg 、As)主要生物有效形态垂向分布特征的基础上,对其表层底泥(0—4 cm)重金属污染程度、潜在生态风险性及稳定性进行评价,揭示南四湖近年来的重金属污染状况,为其水环境保护和底泥污染治理提供参考依据。
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为充分反映南四湖不同湖区底泥性质的差异,结合现场环境条件,在南阳、独山、昭阳和微山等4个湖区的湖心分别设置代表性采样点,采样点布设应避免航运船只扰动及人工养殖的影响,具体采样点见图1。4个采样点位置及经纬度从北向南依次为:南阳湖区(NSH1,35°9′5.64″N,116°39′39″E)、独山湖区(NSH2,35°2′13.08″N,116°50′31.8″E)、昭阳湖区(NSH3,34°50′12.96″N,117°2′8.5″E)和微山湖区(NSH4,34°41′16.26″N,117°13′18.3″E)。
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2015年1月采集底泥样品,ϕ85 mm×600 mm有机玻璃管的柱状采样器每点采集3根平行样,上部用原样点水样注满后两端用橡皮塞塞紧,垂直放置,小心带回实验室[3]。在室内按10 cm以内间距为2 cm和10 cm以下间距为5 cm进行切样,自然风干至恒重,研磨后过100目筛备用。
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用Tessier分级提取法对底泥重金属进行形态含量分析[13],本文主要分析生物效应较强的3种形态:金属可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态。因通过分级提取重金属各形态含量总和往往与实际总量有差异,本文采用三酸提取法对相应重金属总量进行一次性提取[14]。用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES VISTA-MPX,美国Varian公司)检测重金属Pb、Cd、Hg和As总量及各形态含量。ICP-OES 工作前采用双内标Rh 和Re 对分析信号进行校正,RSD 在3%以下,测定前验证标准曲线,每种元素的线性相关系数达到0.9999以上,每批样品做1个平行空白和2个标准参考物质,全程采用空白样品进行对照,用以验证数据的准确性[15]。ICP-OES 测定Pb、Cd、Hg、As 等4种元素的检出限分别为0.01、0.01、0.02、0.05 μg·L−1。
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底泥重金属污染评价方法很多,地积累指数法[16]与潜在生态危害指数法[17]因简单易行而被广泛应用[3]。地积累指数法能直观的判定重金属污染级别,但该法侧重单一金属元素,潜在生态危害指数法能够综合反映底泥中重金属对生态环境的影响,但其生物毒性加权系数存在主观性,因此将地积累指数(Igeo)和生态危害指数(RI)相互补充进行风险评价更为合理[3, 5]。
南四湖流域原为黄河泛滥平原,本文综合考虑黄河干流底泥和南四湖流域未受污染土壤的化学元素含量选取湖泊底泥中元素分析的环境背景值[3, 18]。参照相关研究,各重金属生物毒性响应因子分别为: Pb5、 Cd30、 Hg30、As10[3, 19]。
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底泥重金属中的金属可交换态和碳酸盐结合态因其生物有效性大,能够更直接的反映底泥重金属的赋存现状与风险;铁锰氧化物比表面积大,吸附重金属能力强,在特定年份受铁锰浓度及重金属污染影响而沉积在相应层次中,铁锰氧化物结合态能反映出沉积各层对应年份的外源污染状况[20-21]。南四湖4个湖区采样点底泥典型重金属Pb、Cd、Hg、As的金属可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态含量及总量的垂向分布见图2。重金属在底泥的垂向分布特征可反映某一历史时段内湖泊流域自然和人为活动所造成的重金属流失与污染强度,由图2可见,南四湖的4个湖区不同采样点典型重金属形态与含量在垂向分布上差异较大,各元素各形态未表现出一致的变化规律,说明各湖区采样点典型重金属近年来的污染状况亦有所差异。
4个湖区采样点Pb的金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态含量较低,且差异不大,都在1 mg·kg−1的范围内波动,各形态仅占Pb总量的2%左右,底泥Pb的潜在风险相对较小。垂向上,南阳湖区采样点Pb的3种形态和总量有较为一致的变化趋势,即随深度增加呈波动下降,但存在15—20 cm处的相对高值,表明南阳湖区Pb在该层年份污染较重,而且近几年污染未有明显降低,南四湖东部地区是我国重要的煤田能源基地,煤炭燃烧过程和冶金、电镀等工业产生的大量废水是底泥Pb的主要来源[22]。独山湖和昭阳湖采样点表层底泥Pb的金属可交换态与碳酸盐结合态含量较底层明显降低,Pb的总量在表层亦表现出降低趋势,表明近几年这两个湖区Pb污染有所降低;微山湖采样点Pb各形态垂向分布较为复杂,可交换态随深度增加而增加,碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态随深度波动较大,无明显规律,从总量上看,微山湖表层底泥Pb含量有增加趋势。总体上,随着近几年南四湖的综合治理,独山湖和昭阳湖底泥Pb污染有所降低,南阳湖和微山湖降低不明显,但南四湖底泥Pb的含量总体不高,污染风险相对较低。
南四湖各湖区采样点Cd的金属可交换态占比较高,约占总量的15%左右,说明底泥Cd具有较高的释放风险,研究表明,冶金、电镀等工业产生的大量废水和湖区周边农药与化肥的大量使用等是南四湖底泥Cd 的主要来源[22]。垂向上,各湖区差异明显,南阳湖、昭阳湖、微山湖的金属可交换态及碳酸盐结合态有随深度增加呈波动下降的趋势,而独山湖表层6 cm内该赋存形态含量明显小于下层,表明独山湖表层底泥Cd的生物有效性明显降低。铁锰氧化物结合态变化趋势可以看出,南阳湖、独山湖表层赋存含量明显小于深层底泥,表明这两个区域当前污染状况有所好转,而微山湖、昭阳湖则相反,近年表现出一定程度的污染,且波动性大。总量上,南阳湖、独山湖、昭阳湖Cd含量峰值出现在6—8 cm,微山湖Cd含量峰值出现在15—20 cm,4个湖区表层0—2 cm含量均略小于2—4 cm,这一现象也见于以上3种结合态,表明近几年湖区外源Cd污染负荷有降低趋势。
南四湖各湖区样点底泥Hg的金属可交换态和碳酸盐结合态占总量的比例在20%以上,底泥中Hg的迁移性较强,具有较大的释放风险,值得关注。垂向上,南阳湖采样点Hg的金属可交换态及碳酸盐结合态呈现出随深度增加而减小的趋势,铁锰氧化物结合态15 cm以上含量也明显高于下层,表明该湖区近几年Hg污染没有得到缓解;独山湖金属交换态与碳酸盐结合态有较为一致的变化趋势,即8—10 cm含量最高;昭阳湖三形态垂向分布规律不明显,整体各赋存形态含量要小于其他湖区。微山湖采样点金属交换态与碳酸盐结合态表层含量均较下层低,该湖区近年Hg污染有所降低。总量上,南阳湖、独山湖Hg均有随深度增大而波动减小的趋势,微山湖则相反,昭阳湖不明显,总体上,南阳湖底泥Hg污染较为严重,且近几年未见明显好转,而独山湖、昭阳湖和微山湖Hg污染有降低趋势。南阳湖位于南四湖最北段,靠近济宁市区,除城区煤炭燃烧产生大量Hg外,城区生活污水和工业废水的大量排放应亦是其Hg含量增加的主要原因[22]。
南四湖各湖区采样点As的垂向分布特征明显,除独山湖外,其他湖区金属可交换态及碳酸盐结合态均有随深度增加而呈波动减小的趋势;独山湖三种形态含量在6—8 cm层出现峰值,采样点位该层As污染曾经较重,这和当时地方大力发展水产养殖,鱼类饵料中含有微量的As有关,该湖区禁渔后,As污染有所好转,这从总量的垂向分布中亦能得到验证。总量上,虽然4个湖区采样点As有随深度增加而波动递减,但As污染峰值均出现在2—8 cm区间,说明近几年南四湖各湖区As污染开始逐步降低。
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表层底泥对上覆水影响最为直接,研究表明,风力等动力扰动对底泥理化指标的影响主要集中在表层0—3 cm[23-24]。本研究选择0—4 cm深度的表层底泥作为分析对象,即取0—2 cm和2—4 cm底泥重金属含量的平均值,具体结果见表1。从表1可见,Pb、Cd、Hg、As的4种重金属在4个湖区的含量分别为21.31—28.46、0.16—0.50、0.037—0.079和12.91—20.81 mg·kg−1,对比《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(GB15618—2018)》,4种重金属含量均低于该标准水田风险筛选值(6.5<pH<7.5)。根据底泥富集系数法[25]对4种重金属进行污染程度评价,4种重金属的富集系数均大于1,4个湖区采样点底泥均受到不同程度的重金属污染,Cd和Hg富集最明显,其次为As和Pb。4个湖区采样点Cd富集系数均在2以上,其中以微山湖污染最为突出,富集系数达到6.44,为显著污染,其次是昭阳湖、南阳湖和微山湖,富集系数依次为3.95、3.03和2.07,均为中度污染。4个湖区采样点Hg污染程度也较重,富集系数均在2以上,污染大小顺序为南阳湖>独山湖>微山湖>昭阳湖,南阳湖富集系数为5.26,为显著污染。各采样点As污染程度由高到低依次为微山湖、南阳湖、昭阳湖和独山湖,微山湖富集系数为2.78,为中度污染。南阳湖Pb的富集最明显,富集系数为1.9,然后依次是微山湖、昭阳湖和独山湖,均为无—弱污染等级。总体上,底泥富集系数法显示,南四湖底泥典型重金属Hg、Cd、As和Pb均有一定程度污染,污染较重的区域为南阳湖和微山湖,独山湖和昭阳湖相对较轻,这与刘良等的研究结果一致[11]。
通过相关公式[26]计算出的南四湖各采样点表层底泥(0—4 cm)重金属地积累指数Igeo和潜在生态风险因子Ei、生态风险指数RI结果见表2。由表2看出,根据地积累指数Igeo进行评价,南四湖4个湖区表层底泥普遍受到Hg、Cd、As污染,Pb相对较轻。昭阳湖和微山湖Cd污染较重,分别达到中等污染和中-强污染等级,其中微山湖最严重,南阳湖和独山湖Cd污染相对较轻,为轻-中等级。南阳湖Hg污染最为突出。As在4个湖区均为轻-中污染水平,独山湖最轻。Pb污染独山湖最轻,其他3个湖区均为轻-中污染等级,其中南阳湖最重。
从潜在生态风险因子评价可以看出,4种元素在4个湖区的污染风险等级与地积累指数法得到的污染等级较为接近,但因引入了生物毒性响应因子,生物毒性较强的元素污染风险等级较地积累指数法的污染等级高,说明潜在生态危害指数法更注重污染对生态的危害,同时,生物毒性加权系数亦具有一定的主观性。从表2中Ei看出,4个湖区采样点都明显受到Hg和Cd的污染,为中—强污染风险等级,As、Pb相对较轻,为轻微生态污染风险等级。具体来看,南阳湖区Hg污染风险最强,微山湖Cd污染风险最强,均达到很强等级。从潜在生态风险指数RI看,南阳湖、微山湖达到了重污染生态风险等级,其中Hg和Cd分别是最主要的生态风险贡献因子,昭阳湖、独山湖为中等污染生态风险强度,各湖区污染风险强度大小顺序表现为:微山湖>南阳湖>昭阳湖>独山湖。这与孟祥华等[10]和刘良等[11]的研究基本一致,但也有差异,主要在于微山湖重金属Cd污染因子的贡献加大。另外,底泥中重金属元素各形态组成差异较大,各形态迁移转化能力不同,评价时综合考虑以上因素,才能对其生态风险做出更科学的评价[27],由各湖区底泥Pb、Cd、Hg、As的形态分析得知,南阳湖和独山湖区Cd和Hg的金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态含量占比分别高达36%和33%,具有较高的迁移性,存在生态风险相对较大,应予以重视。
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底泥中重金属的形态分布不是一成不变的,它们会随着周围环境条件的变化,如:水体温度、pH、底泥有机质和外源重金属等的改变而发生转化[6]。基于重金属可交换态最易被生物利用,毒性最强,碳酸盐结合态也较易重新释放进入水相的特点,很多学者用底泥中金属可交换态及碳酸盐结合态重金属占重金属总量的百分数来评价底泥中重金属的稳定程度[6, 9]。本文采用该法得到的南四湖各湖区表层0—4 cm底泥重金属的稳定度(SAC)见表3。由表3看出,Pb、Cd、Hg、As等4种重金属元素的稳定度差异较大,Hg、Cd、As的稳定性较小,Pb相对比较稳定。结合表1重金属富集系数及表2重金属污染评价发现,重金属的稳定性评价与总量污染评价有一定相关性,但并不一致,如微山湖Cd富集系数为6.44,南阳湖为3.03,微山湖Cd污染要明显重于南阳湖,但其稳定度(18.6%)却明显小于南阳湖(25.0%),说明南阳湖底泥Cd中金属可交换态和碳酸盐结合态占比更高、更活跃,对湖泊水环境的变化更敏感,释放风险亦更大 [28]。4个湖区Pb虽然受到一定程度的污染,但考虑到稳定度,其二次释放潜力较小,潜在生态危害并不高。Hg在南阳湖采样点最不稳定,稳定度大小顺序为昭阳湖>微山湖>独山湖>南阳湖。4个湖区各采样点As稳定度均为中等稳定,大小顺序为昭阳湖>独山湖>南阳湖>微山湖,其中,微山湖最不稳定。
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(1)底泥富集系数法显示,典型重金属Pb、Cd、Hg、As在南四湖4个湖区表层底泥(0—4 cm)中富集系数均大于1,均受到不同程度的污染,其中,Cd、Hg富集最为明显,其次为As和Pb,4个湖区采样点表层底泥污染较重的为南阳湖和微山湖,独山湖和昭阳湖相对较轻。
(2)南四湖4个湖区采样点Pb的金属可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态含量较低,在1 mg·kg−1的范围内波动,约占Pb总量的2%左右,潜在风险较小,Cd的金属可交换态占比较高,约占总量的15%左右,Hg的金属可交换态和碳酸盐结合态占总量的比例在20%以上,Hg和Cd的潜在风险较大。垂向分布上,4个湖区各重金属形态差异较大,无明显规律,有的随深度增加而波动下降,如As在南阳湖、昭阳湖和微山湖的垂向分布,总体上,除南阳湖表层底泥Hg含量外,其他湖区采样点表层底泥Cd、Hg、As含量均下降,近几年南四湖各湖区重金属污染有降低趋势。
(3)地积累指数评价结果显示,南四湖4个湖区采样点表层底泥普遍受到Hg、Cd、As污染,Pb污染相对较轻。微山湖Cd污染最重,南阳湖Hg污染最为突出,As在4个湖区均为轻—中污染水平,独山湖污染最轻。从潜在生态风险指数RI看出,南阳湖、微山湖为重污染生态风险强度,昭阳湖、独山湖为中等污染风险强度,污染风险程度大小顺序为:微山湖>南阳湖>昭阳湖>独山湖。
(4)南四湖各采样点表层底泥Pb、Cd、Hg、As的稳定度差异较大,其中,Hg、Cd、As稳定性较小,Pb最为稳定。4个湖区Cd均为中等稳定,稳定度大小顺序为独山湖>昭阳湖>微山湖>南阳湖。Hg在南阳湖最不稳定,各湖区大小顺序为昭阳湖>微山湖>独山湖>南阳湖。As的稳定度大小为昭阳湖>独山湖>南阳湖>微山湖。综合比较,南阳湖区底泥Hg污染应引起足够重视。
山东南四湖底泥典型重金属的形态分布、稳定度与风险评价
Fraction distribution, stability and risk assessment of typical heavy metals in sediment of Nansi Lake, Shandong Province, China
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摘要: 为研究南四湖底泥重金属赋存形态与稳定度的空间差异,利用柱状底泥采样器分别在南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖采集原位柱状样,在对典型重金属Pb、Cd、Hg、As形态分析的基础上,结合地积累指数法和潜在生态风险指数法,对表层底泥(0—4 cm)重金属污染程度进行评价,并对其稳定性进行分析。结果表明,南四湖的4个湖区采样点位表层底泥Pb、Cd、Hg、As均存在一定程度的富集,Hg、Cd富集最为明显,Pb、As次之;Cd和Hg的金属可交换态占比较高,约占总量的10%—15%,潜在风险较大。垂向分布上,4个湖区采样点各重金属形态差异较大,无明显规律。总体上,除南阳湖Hg污染外,其他湖区重金属污染均有降低趋势;地积累指数评价显示,4个湖区采样点表层底泥普遍受到Hg、Cd、As污染,Pb污染相对较轻,微山湖Cd污染和南阳湖Hg污染最为突出;潜在生态风险指数显示,南阳湖、微山湖为重污染生态风险强度,昭阳湖、独山湖为中等污染生态风险强度,污染风险顺序为:微山湖>南阳湖>昭阳湖>独山湖;各湖区采样点4种重金属元素稳定度差异较大,Hg、Cd、As稳定性较小,Pb比较稳定,四湖区各重金属稳定度顺序:Cd为独山湖>昭阳湖>微山湖>南阳湖,Hg为昭阳湖>微山湖>独山湖>南阳湖,As为昭阳湖>独山湖>南阳湖>微山湖。综合比较,南阳湖区底泥Hg污染应引起足够重视。Abstract: In order to study the space differences of heavy metal fraction and stability of sediments in Nansi Lake, columnar sediment sampler was used to collect the intact in situ sediment cores from Nanyang Lake, Dushan Lake, Zhaoyang Lake and Weishan Lake, respectively. On the basis of analyzing the fractions of typical heavy metal Pb, Cd, Hg, As, using geographical accumulation index method and potential ecological risk index method, the heavy metal pollution level of surface sediment (0—4 cm) was evaluated, and the stability of them was analyzed. Results showed that Pb, Cd, Hg, As in the surface sediments of four lakes were all enriched to a certain extent, and Hg, Cd enrichement was the most obvious, followed by Pb and As. The metal exchangeable state amounts of Cd and Hg, accounting for about 10—15% of the total amount, were very high with highly potential risk. The vertical distribution of heavy metal forms in four lakes was quite different with no obvious rules, and in general, the heavy metal pollution had the decreasing trend in Nansi Lake in recent years except for Hg in Nanyng Lake. According to the evaluation of geographical accumulation index, the surface sediments of four lakes were polluted by Hg, Cd and As, and the Cd pollution in Weishan Lake and Hg pollution in Nanyang Lake were the most serious. The potential ecological risk index showed that the sediments of Nanyang Lake and Weishan Lake had heavy ecological pollution risks, Zhaoyang Lake and Dushan Lake had moderate pollution risks, and the pollution risk order was Weishan Lake> Nanyang Lake>Zhaoyang Lake>Dushan Lake. The stability of sediment Hg, Cd and As was poor, the Pb was relatively stable, and the order of Cd stability in four lakes was Dushan Lake>Zhaoyang Lake>Weishan Lake>Nanyang Lake, the Hg was Zhaoyang Lake>Weishan Lake>Dushan Lake>Nanyang Lake, and the As was Zhaoyang Lake>Dushan Lake>Nanyang Lake>Weishan Lake, respectively. Comprehensive comparison, more attention should be paid to Hg pollution in sediment of Nanyang Lake.
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Key words:
- heavy metals /
- fraction distribution /
- pollution assessment /
- stability /
- Nansi Lake
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重金属作为环境重点监控污染物,其来源广、难去除、易富集,对动物和人体具有一定毒性。它广泛存在于各种环境介质中,具有持久性、致癌性、生物富集和生物放大等特点,极易对生态环境和人体健康造成不可逆损害[1-3]。水体和土壤重金属污染已引起广泛关注。进入水体的重金属大部分被悬浮物吸附[4],当悬浮物负荷量超过其搬用能力时,将沉降、蓄积于沉积物中[5]。在土壤中,重金属不断积累,当超过土壤自净能力时,将会导致土壤微生物活性、组成、结构和功能等发生改变[6]。因此,研究水体沉积物和土壤重金属含量、分布特征,进而准确评估其生态风险并探明其污染源,对污染控制与防治具有重要的理论和现实意义。
剑湖流域包含了云南省剑川县主要饮用水水源地满贤林水库、玉华水库及格美江源头。流域内设有省级湿地自然保护区,是越冬候鸟的主要栖息地,是滇西北高原最具代表性的湿地类型之一[7]。近年来,剑川县大力发展种植业,剑湖流域内分布大量农田,同时,各种工业活动(如木雕)日益频繁,导致流域污染加剧。流域内重金属通过地表河流、地下径流、壤中流等形式汇入湖泊;剑湖是流域内重金属重要的汇,但其自身环境容量小、敏感性强、稳定性差、抵抗外界干扰能力差,生态环境极其脆弱,在人为活动的强烈干扰下,湖泊功能衰减,生态环境已逐渐恶化[8],已严重影响剑川县的经济和社会发展。Cd、Cr、Cu、Zn、Pb是土壤重金属污染的主要元素[9],Cu、V、Zn、V等是人体健康必需的微量元素,其在人体中含量过多或缺乏时,会对人体健康产生威胁[10-11]。此外,剑湖周边居民生活以煤炭为主要燃料,V是煤炭燃烧产生的主要重金属污染物[12]。
本研究选取剑湖流域为研究区,通过测定流域土壤及河流与湖泊沉积物中Cd、Cr、Cu、Zn、Pb和V 等6种重金属含量,分析其空间分布特征,进行潜在生态风险评价,并探明其污染来源,为剑湖流域重金属污染防治提供基础数据和科学依据。
1. 材料与方法(Materials and methods)
1.1 研究区概况
剑湖流域(26°28′N,99°55′E)位于青藏高原与云贵高原交界处的横断山脉中段东侧,地貌类型多样,结构复杂,主要地貌类型包括山地、河谷和盆地[13]。流域属澜沧江流域漾濞江水系,有永丰河、金龙河、格美江和狮河等主要河流汇入湖中,剑湖出水口进入黑惠江后流入漾濞江,最终进入澜沧江[13]。剑湖流域总面积为883 km2,土壤类型复杂多样,共有红壤、红棕壤、紫色土、暗棕壤、黄棕壤、高山草甸土、亚棕色针叶林土、冲积土、沼泽土等多个土类。但对剑湖影响较大的为周边海拔2500 m以下汇水面内的土壤类型,主要为铁铝土、初育土、潮湿土的3个土纲,冲积土、红壤、水稻土、沼泽土的4个土类,潜育型水稻土、红壤、山地红壤、暗色冲积土、暗红壤、泥炭沼泽土的6个亚类[14]。
1.2 采样点布设与样品采集
据研究表明,对剑湖有影响的主要为海拔2500 m以下区域[14]。周边平原对剑湖影响强烈,平原区用地类型丰富,且附近居民地较多,人口密集。而剑湖流域边缘区域,人口较少且主要为林地(图1A),用地类型单一,故本研究选择剑湖周边平原为主要布点区(图1C),边缘区域为辅助布点区。
此外,依据剑湖流域综合状况,按照典型取样方式,使用ArcGIS 10.2软件,以地理空间数据云2018年3月15日ANDSAT8-OI影像为底图,在剑湖流域范围内布设72个采样点(图1B),于2018年6月完成研究区样品采集。采样点来源如表1所示。湖泊、河流使用定深泥炭钻(Eijkelkamp0423SA,荷兰)采集表层10 cm沉积物,陆地使用鹰嘴锄、不锈钢勺挖取表层10 cm土壤,每个采样点随机采集5个平行样,搅拌均匀后自然风干、研磨、过筛(100目)、备用。
表 1 采样点来源Table 1. Source of sampling points采样点来源Sources of sampling points 样点号Sampling point number 河流(湖泊及水库) 47、1、5、14、16、20、23、22、25、27、28、31、32、35、42、41、44、53、50、51、49、52、56、57、58、59、63、64、65、68、72 工业用地及养殖场 11、21、30、9、15、18、19、26、33、38、48、62、66 居民地 8、13、36、40、55、61 农地 2、6、7、12、17、24、29、37、39、43、45、54、60、67、69、71 森林 3、4、10、34、46、70 1.3 样品分析与数据处理
重金属含量分析采用微波辅助消解—电感耦合等离子体原子发射光谱法。具体步骤为:万分之一天平称取0.13–0.15 g经预处理的土样于微波消解管中,加入5 mL硝酸、5 mL盐酸、5 mL氢氟酸,置于电热板上120℃、30 min,再用微波消解仪(Multiwave PRO,Austria)消解,其温度控制程序见图2。之后再次于电热板上加热(120℃,4 h),前2 h静置,后2 h每隔0.5 h摇晃一次冲下管壁附着固体,待消解液剩余1 mL后取下消解管,转移至50 mL比色管中,用1%硝酸定容至刻度,充分混匀,过滤(0.45 µm)备用。重金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES;ICPE-9820,Japan)测定。使用Excel 2010进行数据处理分析,利用Surfer 11空间插值功能,将经纬度及重金属含量数据导入软件,绘制剑湖流域重金属(Cd、Cr、V 、Cu、Pb、Zn)含量水平空间分布图。使用SPSS23.0对重金属含量数据进行Pearson相关性分析(双侧检验)和主成分分析。
1.4 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法
单因子污染指数是最简单的环境质量评价方法之一,该方法是将测得重金属含量与其背景值对比,适用于单一因子污染特定区域的评价[15]。其公式为:Pi=Ci/Si,Pi为重金属元素i的单因子污染指数,Ci为样品中污染物i的实测含量(mg·kg−1),Si为污染物参比值(以云南省土壤背景值[16]为参考)(表2)。
表 2 Pi的分级标准Table 2. Grading standards of Pi污染水平Pollution level 清洁Clean 轻污染Light pollution 中污染Medium pollution 重污染Heavy pollution Pi Pi <1 1≤Pi <2 2≤Pi <3 Pi≥3 环境中多种重金属并存,内梅罗指数法既可体现单因子重金属的污染程度,亦可反映多种重金属的综合污染程度,同时还兼顾了重金属浓度的平均水平和最大值,能较全面反映沉积物/土壤的重金属总体污染特征,是目前应用较多的一种评价方法[17]。其计算公式为:
P=√(¯Pi)2+(Pimax)22 式中,P为重金属的综合污染指数,
为各金属单因子污染指数的平均值,Pimax为重金属单因子污染指数的最大值。按照P值,可将污染划分5个污染等级[17](表3)。¯Pi 表 3 内梅罗污染指数(P)及风险分级Table 3. Nemerow Pollution Index (P) and the associated risk classification内梅罗污染指数(P)Nemerow Pollution Index 等级标准Risk levels P ≤ 0.7 安全 0.7 < P ≤ 1.0 警戒 1.0 < P ≤ 2.0 轻度污染 2.0 < P ≤ 3.0 中度污染 P > 3.0 重度污染 1.5 地累积指数法
地累积指数法被广泛用于评价沉积物中重金属污染程度,后又被广泛用于土壤重金属的污染评价[18]。该方法通过利用土壤或沉积物中重金属含量与其地球化学背景值的关系,直观反映外源性重金属在区域土壤或沉积物中的富集程度[19]。通常分为 7个等级(表4),其计算公式为:
Igeo=log2(Cn1.5×Bn) 式中,Igeo为地累积指数;Cn为重金属元素n的实际含量;1.5为考虑到成岩作用引起背景值的变动而设定的常数,Bn为当地重金属元素n的背景值(选择云南省A层土壤元素算术平均值作为背景值)。
表 4 地累积指数与污染程度分级Table 4. Index of geoaccumulation and classification of pollution degreesIgeo 级数Pollution degree 污染程度Contamination level <0 0 无污染 0—1 1 轻度 1—2 2 偏中度 2—3 3 中度 3—4 4 偏重度 4—5 5 重度 5—6 6 严重 1.6 潜在生态风险评价法
由瑞典学者Hakanson提出的潜在生态风险评价法[20],可直观、便捷地评估污染元素对生态环境的潜在风险。该方法既可反映某种重金属在特定环境中的单一风险,亦可反映多种重金属的复合风险。此外,该方法以定量方式对潜在生态危害程度进行分类[21],因此应用广泛。具体计算公式[22]如下:
Cif=CiCin Eir=Tir×Cif RI=m∑i=1Eir 式中,
为单项污染系数,Ci为样品中污染物i的实测含量(mg·kg−1),Cif 为污染物的参比值,Cin 为污染物i的单项潜在生态风险指数,Eir 为污染物的毒性系数,RI为综合潜在生态风险指数。Tir 由公式可知,
和RI分级与重金属元素种类有关。Hakanson潜在生态风险依据河流底泥中PCBs(多氯联苯)、Hg、Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn等8种污染物确定,本研究涉及Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn 6种重金属,故根据研究的重金属元素种类将潜在生态风险评价等级进行调整[23-24]。调整后的Cd、Cr、Cu、Pb、Zn重金属毒性系数Eir 仍采用Hakanson系数取值,V使用徐争启等[25]的推荐值。使用云南省A层土壤重金属含量算术平均值作为评价计算过程的参比值[16]。重金属毒性系数和参比值见表5。Tir 表 5 重金属毒性系数及参比值Table 5. Heavy metals toxicity coefficients and reference valuesCd Cr V Cu Pb Zn 毒性系数 30 2 2 5 5 1 参比值/(mg·kg-1) 0.218 65.2 155 46.3 40.6 89.7 Eri最低值上限为参评重金属中的最大毒性系数(30),其余级别上限依次加倍;RI分级标准的最低级由各重金属毒性系数之和取10位整数(30+5+2+5+2+1≈50),其余级别上限依次加倍[26],调整后潜在生态风险评价分级标准见表6。
表 6 潜在生态风险评价分级标准Table 6. Grading standards of potential ecological risk evaluation风险程度Risk level 轻微Slight 中等Medium 强High 很强Extremely high Eir <30 30—60 60—120 >120 RI <50 50—100 100—200 >200 1.7 富集因子法
富集因子法是1974年Zoller等[27]为研究南极上空大气颗粒物中的元素是来源于地壳还是海洋而提出。通过选择满足一定条件的元素作为参比元素,样品中污染物的含量与参比元素含量的比值与背景区中二者含量比值的比率即为富集因子[28],常被用作判断污染物质来源途径,其计算公式为:
EF=Cs/RbMs/Nb 式中,EF为富集因子;Cs为样品中重金属s的实测值;Rb为样品中参比元素b的实测值;Ms为重金属元素s的背景值;Nb为参比元素b的背景值。
富集因子法一般以Al或Fe作为参比元素,因为Fe在地壳中大量存在,且稳定性好、不易迁移[29]。采用云南省A层土壤元素含量算术平均值作为评价计算过程中的背景值。其中,EF值越大,表明富集程度越高。通常情况下,EF<1.5,表明重金属富集程度没有超过自然水平;EF>1.5,表明重金属富集程度超过自然水平,人为污染成为重金属的主要来源[30]。
2. 结果与讨论(Results and discussion)
2.1 剑湖流域土壤/沉积物重金属含量及分布特征
剑湖流域重金属(Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn)含量如表7所示,各重金属含量均值表现为:Zn>V>Cr>Cu>Pb>Cd,与云南省土壤背景值[16](Zn:89.7 mg·kg−1;V:155 mg·kg−1;Cr:65.2 mg·kg−1;Cu:46.3 mg·kg−1;Pb:40.6 mg·kg−1;Cd:0.22 mg·kg−1)排序基本一致,浓度范围分别为:Cd 0.04–0.58 mg·kg−1,Cr 5.0–221 mg·kg−1,V 9.41–742 mg·kg−1,Cu 4.7–161 mg·kg−1,Pb 3.5–45.9 mg·kg−1,Zn 17.4–2152 mg·kg−1。Cd、Cr、Cu、V、Zn浓度均值均高于云南省土壤背景值(0.218、65.2、46.3、155、89.7 mg·kg−1)(表7),分别是背景值的1.02、1.25、1.02、1.05、1.40倍,说明此5种重金属在该研究区存在一定富集。
表 7 重金属含量、变异系数及云南省土壤背景值Table 7. Descriptive statistical analysis results of heavy metals元素Element 最大值/(mg·kg−1)Maximum 最小值/(mg·kg−1)Minimum 平均值/(mg·kg−1)Average 标准差/(mg·kg−1)Standard deviation 变异系数Variable coefficient 云南省土壤背景值/(mg·kg−1)Background values in Yunnan soils Cd 0.58 0.04 0.22 0.12 52% 0.22 Cr 221 5.0 81.5 45.4 56% 65.2 V 742 9.41 163 105 64% 155 Cu 161 4.7 47.1 22.6 48% 46.3 Pb 45.9 3.5 21.9 8.9 41% 40.6 Zn 2152 17.4 125 255 203% 89.7 注:云南省土壤背景值使用云南省A层土壤元素算术平均值含量[16],mg·kg−1。 变异系数反映各样点重金属浓度的平均变异程度,变异系数>50%,表明重金属浓度空间分布不均匀,可能存在点源污染,有外源物质输入贡献[31]。Cu、Pb变异系数相对较低,分别为48%和41%;Cd、Cr和V变异系数分别为52%、56%和64%,为中等变异,表明人为因素对重金属积累具有一定影响;Zn变异系数为203%,为强变异(>100%),表明Zn浓度存在显著的空间差异性,对影响的敏感度高,受某些局部污染源的影响较明显。高重金属含量及较高的变异系数通常表明重金属积累易受人为因素影响,说明该区域Zn积累受外部人为因素影响最为强烈[32]。
剑湖流域Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn水平空间分布情况如图3所示。整体上,该流域受出入湖河流分布、农业、人为活动等综合影响,其土壤Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn水平空间分布呈现不同规律。其中,Cd、Cr、V、Cu含量总体均表现为东高西低,可能与流域中部多为居民地与农地,东部为离散农地,而流域中下部有剑湖,周围各种河流较多,人为扰动大,而西部多为森林,仅少量农地,人为干扰小有关。Pb在整个流域内分布较均匀,可能与其较低的含量有关(低于云南省土壤背景值;表7)。Zn除个别点含量较高外,其他分布较均匀,在流域中下部、东北部以北、东南部以东含量较高,其他区域含量较低。
72个采样点中,Cd含量最高值为河流(27#采样点),可能源于附近汽车维修厂的汽车轮胎和润滑油,Cd是含锌添加剂的杂质成分[33],此外,刹车系统磨损也可导致Cd释放[34]。Cr、V含量最高值均出现在森林(70#采样点),一般而言,Cr、V含量主要受成土母质、土壤质地等因素影响[35-36],两种元素在该处含量高可能与区域成土母质、土壤质地等有关,具体原因有待进一步探究。Cu含量最高值出现在农地(69#采样点),可能与附近农地大量使用杀虫剂有关,研究表明杀虫剂是Cu污染的一个重要人为来源[37]。Pb含量最高值低于云南省土壤背景值,表明剑湖流域无明显Pb富集。Zn含量最高值出现在奶牛养殖场(38#采样点),Zn是动物机体必需的微量元素之一,在养殖过程中,为了让动物更好地生长繁殖,通常在饲料中加入大量Zn[38]。
2.2 剑湖流域土壤/沉积物重金属污染程度与生态风险评价
2.2.1 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数
流域各重金属单因子污染评价结果见表8。由表可见,Zn累积效应最为显著。均值表明,除Pb为清洁程度,其余5种重金属均呈轻污染。污染程度空间分布方面,大部分样点Cr呈轻污染,Cd、V、Cu、Pb、Zn为清洁程度。Cd、V、Cu、Pb、Zn表现为清洁的样点占比为分别为54.2%、52.8%、50%、94.4%、63.9%,轻污染占比分别为40.3%、41.7%、48.6%、5.6%、19.4%;Cr表现为清洁、轻污染和中污染的占比分别为40.3%、43.1%和15.3%。此外,Cr、V、Cu均有1个样点(70#、70#、69#)达到重污染程度。Zn单因子污染指数最大值与最小值相差较大,超过120倍,这与Zn的高变异系数结果一致。Cd、Pb无重污染样点。
表 8 剑湖流域重金属单因子和综合污染指数Table 8. Single factor and comprehensive pollution index of heavy metals in Jianhu basinCd Cr V Cu Pb Zn 单因子污染指数Pi 最大值 2.68 3.39 4.80 3.48 1.14 24.0 最小值 0.19 0.07 0.06 0.10 0.09 0.19 平均值 1.02 1.25 1.05 1.02 0.54 1.40 综合污染指数P 2.03 2.55 3.47 2.56 0.89 17.0 依据公式,Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn综合污染指数分别为2.03、2.55、3.47、2.56、0.89、17.0, Cd、Cr、Cu为中度污染,V、Zn为重度污染,Pb处于警戒。剑湖是周边居民的重要生活水源地,不仅关系到居民饮水安全,亦制约该地区的经济发展和生态安全。土壤和沉积物重金属Pi均值表现为Zn>Cr>V>Cd>Cu>Pb。综上,剑湖流域Cd、Cr、V、Cu、Zn表现出不同程度污染,Pb污染处于警戒线,需引起关注。
2.2.2 地累积指数法
剑湖流域重金属地累积指数见表9,Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn地累积指数均值分别为−0.77、−0.54、−0.77、−0.72、−1.62、−0.84。参照表4中Igeo等级与重金属污染程度划分法则,Zn在一个样点地累积指数高达4,达偏重度污染,6.9%(5个样点)呈偏中度污染,12.5%(9个样点)呈轻度污染,79.2%样点均呈无污染。其次,Cr、V、Cu均有1个样点表现为偏中度污染程度,并有31.9%(23个样点)、15.3%(11个样点)、9.7%(7个样点)表现出轻度污染,其余为无污染。Cd在14个样点表现出轻度污染程度,其余样点为无污染。Pb的地累积指数均<0,表明在剑湖流域土壤、河流与湖泊无Pb污染。综上,按地累积指数均值,剑湖流域土壤和沉积物中各重金属污染等级大小顺序为Cr>Cu>V>Cd>Zn>Pb。
表 9 剑湖流域重金属地积累指数及污染等级Table 9. Accumulation index and pollution grade of heavy metals in Jianhu basinCd Cr V Cu Pb Zn Igeo值 级数 Igeo值 级数 Igeo值 级数 Igeo值 级数 Igeo值 级数 Igeo值 级数 最大值 0.84 1 1.18 2 1.68 2 1.21 2 −0.41 0 4.00 4 最小值 −2.94 0 −4.29 0 −4.63 0 −3.88 0 −4.12 0 −2.95 0 均值 −0.77 0 −0.54 0 −0.77 0 −0.72 0 −1.62 0 −0.84 0 2.2.3 潜在生态风险评价
剑湖流域重金属潜在生态风险评价结果如表10所示。结果表明,流域单项潜在生态风险指数均值顺序为:Cd>Cu>Pb>Cr>V>Zn,其值分别为:30.6、5.09、2.69、2.50、2.10、1.40。除Cd在部分采样点达到中等至强潜在生态风险外,其余5种重金属单项潜在生态风险的最大值均<30,属轻微潜在生态风险。72个采样点中Cd单项潜在生态风险>30占比高达45.8% ,其中有4个采样点(5#、27#、29#、38#)的单项潜在生态风险系数>60,呈强潜在生态风险。27#样点Cd单项潜在生态风险系数最高,与其含量结果一致(图3),可能源于附近汽车维修厂。整个流域Cd的潜在生态风险最高,这是由于Cd毒性最大,毒性系数最高。因此,剑湖流域需控制Cd污染源输入,防止其生态风险及危害加剧。其余重金属的单项潜在生态风险系数均较低,表明Cr、V、Cu、Pb、Zn流域生态环境危害较低。
表 10 剑湖流域重金属潜在生态风险评价结果Table 10. Potential ecological risk assessment results of heavy metals in Jianhu Basin重金属潜在生态风险指数( )Potential ecological risk index of heavy metalsEir 综合指数(RI)Composite index Cd Cu Cr Pb V Zn 最大值 80.3 17.4 6.78 5.66 9.58 24.0 144 最小值 5.86 0.51 0.15 0.43 0.12 0.19 7.26 平均值 30.6 5.09 2.50 2.69 2.10 1.40 44.4 贡献率a 69% 11.5% 5.6% 6.1% 4.7% 3.2% 100% 注:a单元素潜在生态风险指数值占综合生态风险指数值的百分比. 根据综合潜在生态风险指数RI值(表10),72个采样点的重金属生态风险综合指数为7.26–144(均值44.4)。其中,轻微生态风险(RI<50)点位占比65.3%(47个点位),中等生态风险(50 ≤ RI < 100)点位占比31.9%(23个点位),强生态风险(100 ≤ RI < 200)点位占比2.8%(2个点位)。6种重金属中,Cd、Cu对流域重金属综合生态风险指数的贡献率最高,占综合指数RI的平均百分比为80.4%,其中Cd的贡献率高达69%,表明Cd、Cu是剑湖流域的主要重金属污染物,具有极强的生态风险性,需引起重视。
2.3 剑湖流域土壤/沉积物重金属来源分析
2.3.1 富集因子法
由表11可知,剑湖流域Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn平均富集因子系数分别为4.03、3.85、3.12、3.45、2.36、4.84,Zn平均富集因子系数最大,Pb平均富集因子系数最小。6种重金属平均富集系数均>1.5,说明均以人为因素的富集为主,人为污染输入是主要原因,其中Zn人为影响最严重,72.2%样点富集因子系数>1.5,其次为Cd、Cr、Cu和V,占比分别为87.5%、94.4%、100%、98.6%,Pb人为富集较轻,51.4%样点富集因子系数>1.5。剑湖流域Zn在38#采样点富集因子系数最高(74.2),由2.1可知,可能与该处位于奶牛养殖场有关。同时,Zn早在20 世纪90年代就被我国列入环境优先污染物,其人为污染来源广泛。
表 11 剑湖流域富集因子系数Table 11. Enrichment factor coefficient in Jianhu basin富集因子 Enrichment factor Cd Cr V Cu Pb Zn 最大值 30.8 9.80 8.05 24.9 12.8 74.2 最小值 0.44 1.06 0.92 1.60 0.18 0.64 平均值 4.03 3.85 3.12 3.45 2.36 4.84 2.3.2 主成分分析
不同重金属的含量相关性可反映元素间的空间变化趋势,能在一定程度上反映元素的矿物来源、存在形式和污染状况等[39-40]。剑湖流域重金属含量的相关性矩阵分析结果见表12。结果表明,Cd、Cr、Cu、V等 4种元素两两间呈显著正相关,相关系数为0.427(Cd vs. Cu,P<0.01)–0.769(Cr vs. V,P<0.01),表明4种重金属具有相似来源;Pb、Zn呈显著正相关,相关系数为0.330(P<0.01),表明Pb、Zn有相似来源。
表 12 剑湖流域重金属相关性分析Table 12. Correlation analysis of heavy metals in Jianhu basinCd Cr Cu Pb Zn V Cd 1 Cr 0.615** 1 Cu 0.427** 0.548** 1 Pb 0.614** 0.242* 0.096 1 Zn 0.223 0.180 0.077 0.330** 1 V 0.472** 0.769** 0.668** 0.122 0.308** 1 注:*P<0.05,相关性显著;**P<0.01,相关性显著。 为进一步分析剑湖流域Cd、Cr、V、Cu、Pb、Zn 6种重金属的污染来源,采用主成分分析方法,过程中Bartlett球形度检验的相伴概率为0.000,小于显著性水平0.05,说明该数据适合做主成分分析[41],分析结果见表13。提取前2个主成分,可解释变量总方差的71.2%,表明这2个主成分(特征值:3.141+1.129=4.27个变量)基本可代表6个金属元素的完整信息。
表 13 剑湖流域重金属主成分分析Table 13. Principal component analysis of heavy metals in Jianhu basin因子载荷 Factor loading PC1 PC2 Cd 0.808 0.262 Cr 0.870 −0.303 Cu 0.822 −0.301 Pb 0.458 0.780 Zn 0.394 0.535 V 0.832 −0.322 特征值 3.14 1.25 累计贡献率 52.4% 73.2% 第一主成分贡献率为52.4%,特征表现为因子变量在Cd、Cr、Cu、V元素上有较高载荷,分别为0.808、0.870、0.822、0.832,表明这些元素可能具有相同来源,该结果与相关性分析结果一致(表12)。V主要来源于矿产开发和化石燃料燃烧[42],剑湖流域采石和采煤较多,尤其是金龙河上游地区,采石、采煤频繁。采煤活动和煤炭运输产生的废气废物可导致煤矿区周边土壤出现Cd、Cu等重金属积累。此外,煤矸石长期受风蚀作用向周边土壤缓慢释放重金属,导致土壤重金属积累[43]。Cd是施用农药和化肥等农业活动的标志性元素[44],剑湖流域内存在大量农田,沉积物和土壤Cd积累同时受到工业污染和农业的影响。邓红艳[45]等对Cr污染的研究表明,磷肥是Cr污染的重要来源,剑湖流域受到农业活动过程中磷肥的污染。综合来看,第一主成分主要代表化石能源和农业污染源。
第二成分贡献率为20.8%,主要表现在Zn、Pb上具有较高载荷,分别为0.535、0.780。由含量数据可知,Pb含量均值低于云南省土壤背景值(图3),且Pb污染程度和潜在生态风险均较低(表10),说明Pb为自然源,主要受背景值影响,反映自然环境的影响。Zn主要来源于生活污水[46],城市生活污水通过永丰河不断输入到剑湖,其他各入湖河流也流经大面积农村居民聚居地,汇集的生活污水通过地表或地下径流等形式流经整个流域。因此,第二主成分主要代表自然源和居民生活污染源。
3. 结论(Conclusion)
(1)剑湖流域72个采样点土壤与河流、湖泊沉积物中Cd、Cr、Cu、V和Zn含量均高于云南省土壤背景值。
(2)土壤与河流、湖泊沉积物重金属水平空间分布各异:Cd、Cr、V、Cu表现为东高西低;Pb在整个流域内分布较均匀,Zn含量表现为除个别点含量较高外其他分布较均匀。6种金属水平空间变异系数均>40%,且Zn变异系数高达200%,属强变异,其他均为中等变异。
(3)单因子污染指数和内梅罗综合污染指数表明Cd、Cr、Cu为中度污染,V、Zn为重度污染,Pb达到警戒线。
(4)地累积指数结果表明,除Pb表现为无污染外,其余5种金属均有不同程度污染。
(5)重金属潜在生态风险指数顺序为Cd>Cu>Pb>Cr>V>Zn;重金属综合潜在生态风险指数RI结果表明,剑湖流域Cd、Cu生态风险最高。
(6)富集因子法结果表明,6种重金属均以人为富集为主。
(7)主成分分析和相关性分析表明,V、Cd、Cu源于化石能源;Cd、Cr源于农业活动;Zn源于居民生活;Pb源于自然活动。
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表 1 南四湖表层底泥(0—4 cm)重金属含量及富集系数
Table 1. Heavy metal contents and enrichment factors in surface sediments (0—4 cm) of Nansi Lake
项目 Project Pb Cd Hg As 南阳湖 含量/(mg·kg−1) 28.46±4.17 0.23±0.01 0.079±0.011 18.64±2.01 富集系数 1.90 3.03 5.26 2.49 污染程度 无—弱污染 中度污染 显著污染 中度污染 独山湖 含量/(mg·kg−1) 21.31±0.89 0.16±0.02 0.058±0.007 12.91±0.29 富集系数 1.42 2.07 3.87 1.72 污染程度 无—弱污染 中度污染 中度污染 无—弱污染 昭阳湖 含量/(mg·kg−1) 25.14±3.86 0.30±0.03 0.037±0.019 15.50±1.84 富集系数 1.68 3.95 2.43 2.07 污染程度 无—弱污染 中度污染 中度污染 中度污染 微山湖 含量/(mg·kg−1) 26.51±1.28 0.50±0.01 0.041±0.003 20.81±3.02 富集系数 1.77 6.44 2.72 2.78 污染程度 无—弱污染 显著污染 中度污染 中度污染 农用地土壤污染风险管控标准值(水田,6.5<pH<7.5) 140 0.6 0.6 25 环境背景值/(mg ·kg−1) 15 0.077 0.015 7.5 注:富集系数为底泥重金属含量同环境背景值的比值. Note: Enrichment coefficient is the ratio of sediment heavy metal contents to environmental background values. 表 2 南四湖表层底泥(0—4 cm)重金属地积累指数Igeo及潜在生态风险指数RI
Table 2. The index of geoaccumulation (Igeo) and potential ecological risk index (RI) of heavy metals in surface sediments (0—4 cm) of Nansi Lake
区域District 潜在生态风险因子EiPotential ecological risk index Ei RI 地积累指数IgeoIndex of geoaccumulation Igeo Pb Cd Hg As Pb Cd Hg As 南阳湖 9.49 80.93 156.44 24.85 272.97 0.34 0.85 1.80 0.73 轻微 强 强 轻微 重污染 轻—中 轻—中 中 轻—中 独山湖 7.10 59.88 115.40 15.61 199.09 −0.08 0.41 1.36 0.06 轻微 中 强 轻微 中等污染 无 轻—中 中 轻—中 昭阳湖 8.38 134.61 69.15 20.67 233.88 0.16 1.58 0.62 0.46 轻微 强 中 轻微 中等污染 轻—中 中 轻—中 轻—中 微山湖 8.84 186.95 80.41 27.75 304.99 0.24 2.05 0.84 0.89 轻微 很强 强 轻微 重污染 轻—中 中—强 轻—中 轻—中 表 3 南四湖各采样点表层底泥(0—4 cm)重金属稳定程度
Table 3. The stable risks of heavy metals in surface sediment (0—4 cm) of Nansi Lake
区域District Pb Cd Hg As 南阳湖 SAC 2.4% 25.0% 32.7% 13.6% 分级 稳定 中等稳定 不稳定 中等稳定 独山湖 SAC 0.8% 14.9% 28.6% 11.0% 分级 极稳定 中等稳定 中等稳定 中等稳定 昭阳湖 SAC 1.6% 18.1% 16.9% 10.9% 分级 稳定 中等稳定 中等稳定 中等稳定 微山湖 SAC 2.1% 18.6% 18.6% 15.7% 分级 稳定 中等稳定 中等稳定 中等稳定 -
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