在自然水生生态系统，重金属含量通常处于较低水平. 然而，随着人口的快速增长和城市化进程的加快，不合理的自然资源开发以及大量工业、 农业生产活动所带来的水体重金属污染事件时常发生. 通常，水体中重金属主要来源于地质背景沉积、 地表径流和大气干湿沉降等方面，重金属进入水体以后，可通过悬浮颗粒物沉降、 化学沉淀等作用，逐步蓄积至沉积物中. 在环境条件(如pH 值、 氧化还原电位、 盐度等)发生变化时，沉积物中重金属会通过一系列的物理、 化学及生物过程重新释放到上覆水体中，直接或间接地对水生生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、 食物链放大等过程进一步影响人类健康^{[1, 2, 3, 4]}. 因此，开展沉积物重金属方面的调查及研究对于环境安全和生物的健康十分重要.

关于沉积物重金属的研究工作在发达国家以及中国、 印度等发展中国家开展得较多^{[5, 6, 7, 8, 9]}，而发展相对落后的非洲国家研究较少. 尽管非洲工、 农业活动水平较低，但是近年来工业采矿、 化石燃烧、 农业化肥及杀菌剂的大量使用等导致河流、 土壤中重金属含量逐渐增加^[10]. 同时，由于环境法规的不完善和执行不力，水生资源管理落后，对污水排放控制意识淡薄等，重金属污染问题不能忽视.

坦噶尼喀湖(Lake Tanganyika)位于赤道以南(3°-9°S)，是世界第2深(最深处约1 470 m)、 面积第6大(约32 900 km²)的湖泊，湖水永久分层，是一个几乎封闭的系统，大气沉降、 降水和河流输入是主要外源输入. 坦噶尼喀湖拥有很多特有物种^[11]，是沿湖地区重要的水源和动物蛋白的主要来源^[12]； 除了两条最主要的入湖河流，布隆迪的Rusizi河和坦桑尼亚的Malagarasi河外，沿湖分布许多小河流. 随着沿湖人口的剧烈增加和工农业活动的发展，部分河流、 湖湾和港口出现水质污染现象，尤其是位于流域东北部的城市河流，受人类活动影响强烈，水土流失、 水质污染等环境问题严峻^{[13, 14]}. 坦噶尼喀湖流域重金属相关研究主要针对湖泊鱼类，湖泊沉积物等，如Sindayigaya等^[15]发现90年代坦噶尼喀湖鱼类重金属含量与其他湖体相比较低； Chale等^[16]发现湖内双壳类Pb和Fe含量较高，湖泊近岸沉积物重金属含量远高于远岸沉积物. Semu等^[10]研究表明坦桑尼亚农田土壤和烟叶中重金属含量与肥料和杀菌剂使用呈正相关性. 以上研究对坦噶尼喀湖及其流域土壤中的重金属含量和分布规律有了初步的结论，但是缺乏对入湖河流水体及沉积物污染物的监测，难以掌握入湖河流重金属污染状况及其生态风险. 本研究通过对坦噶尼喀湖入湖河流沉积物重金属的调查，了解重金属的污染状况及污染来源，并进行重金属潜在生态风险分析，以期为当地政府加强污染源控制提供数据支撑，这对于保护湖泊水生生物和生态系统，保障沿湖居民生活安全有一定的现实意义.

本研究选择坦噶尼喀湖流域东北部入湖河流沉积物为研究对象，研究区域分属布隆迪共和国布琼布拉市辖区和坦桑尼亚联合共和国基戈马市辖区. 布琼布拉和基戈马同属非洲中东部地区，属于热带干湿季气候，旱季与雨季区别明显，雨季一般为10-4月，旱季为5-9月. 布琼布拉气温范围为19-29℃，平均气温24℃，年降水量为855 mm； 基戈马地区气温范围为19-28℃，平均气温为23.5℃，年降水量为977 mm. 布琼布拉是坦噶尼喀湖流域最大的城市，人口密度最大，达3 276人 ·km^-2[17]，该市囊括了布隆迪主要的工业项目如啤酒业、 日用化工业、 造纸业、 奶制品加工业等. 近年来，布琼布拉及其周边区域生态恶化持续加剧，环境问题日益突出. 基戈马是位于坦桑尼亚西部的内陆城市，该市工业水平落后，经济活动以农业为主，种植的作物包括木薯、 玉米、 豆类、 香蕉、 土豆、 咖啡和棕榈树等. 然而，随着经济的发展和人口的迅速增长，外加该区域本身环境脆弱的特性，基戈马市及其周边水土流失现象日趋严重，环境压力持续增大. 本文沿小流域河流选择代表性区域设置采样点(图 1)，采集沉积物样品并进行重金属分布特征及其潜在生态风险研究. 研究区土地利用类型如图 1所示(土地利用分类数据来源于全球30 m分辨率土地利用产品Globe Land 30，http://www.globallandcover.com/).

于2014年3月，在布琼布拉市3条主要入湖河流和坦桑尼亚基戈马Luiche河的支流、 干流、 河口湿地，Malagarasi河河口湿地进行采样，采样点位16个，如表 1所示. 采用彼得森采样器采集表层沉积物样品. 将采集的表层沉积物样品均匀混合后装入聚乙烯自封袋中密封，低温保存，并带回国内实验室进行预处理及分析.

表 1(Table 1)

表 1 采样点河流名称及位置信息 Table 1 Name and location of the sampling rivers 采样点 河流名称 经度/(°) 纬度/(°) 国家 1 Rusizi河 29.271 1 3.352 8 布隆迪 2 Mutimbuzi河 29.328 3 3.354 2 布隆迪 3 Mugere河 29.352 8 3.480 1 布隆迪 4 Mtungurusi河 29.878 9 4.606 2 坦桑尼亚 5 Luiche河干流 29.879 6 4.605 8 坦桑尼亚 6 Luiche河干流 29.864 8 4.651 1 坦桑尼亚 7 Mgonya河 29.666 6 4.838 9 坦桑尼亚 8 Kidawe河 29.831 2 4.874 5 坦桑尼亚 9 Luiche河干流 29.740 2 4.867 9 坦桑尼亚 10 Kaseke河 29.733 1 4.852 9 坦桑尼亚 11 Luiche河口 29.693 8 4.927 5 坦桑尼亚 12 Luiche河口 29.701 4 4.940 6 坦桑尼亚 13 Luiche河口 29.705 4 4.932 7 坦桑尼亚 14 Malagarasi河口 29.802 9 5.257 5 坦桑尼亚 15 Malagarasi河口 29.819 8 5.234 7 坦桑尼亚 16 Malagarasi河口 29.841 3 5.214 6 坦桑尼亚

表 1 采样点河流名称及位置信息 Table 1 Name and location of the sampling rivers

图 1

Fig. 1

图 1 研究区土地利用及采样点分布示意 Fig. 1 Land use of the study area and the location of the sampling sites

所采集的样品经自然风干后，去掉杂物及石块，经玛瑙研钵研磨处理，过100目尼龙筛，贮存备用. 重金属分析项目有：Cu、 Zn、 Pb、 Cd、 Hg、 Mn和Fe，其他金属包括：Al和Mg. 其中 Cu、 Zn、 Pb 和 Cd用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定，Fe、 Al、 Mn和Mg用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)，Hg 采用全自动固体测汞仪测定，总有机碳(TOC)采用EA3000 元素分析仪测定^[18].

沉积物重金属的生态风险采用Hakanson生态风险指数法(potential ecological risk index)^[19]进行评价. 潜在生态风险指数法是利用沉积学原理评价重金属污染状况以及对生物的影响，该方法不仅考虑单个金属的毒性污染，同时可以评价多种金属元素的协同作用. 潜在生态风险指数法的计算公式如下：

表 2(Table 2)

表 2 Eri和RI潜在生态风险分级标准 Table 2 Standard of the potential ecological risk according to Eri and RI 项目 潜在生态风险 低 中 高 严重 很严重 Eri <40 40-80 80-160 160-320 >320 RI <150 150-300 300-600 >600

表 2 Eri和RI潜在生态风险分级标准 Table 2 Standard of the potential ecological risk according to Eri and RI

坦噶尼喀湖东北部入湖河流表层沉积物重金属Cu、 Zn、 Pb、 Cd、 Fe、 Mn、 Hg以及其他金属Al、 Mg含量见表 3. 由结果可以看出，除Hg外，其他金属在各河段表层沉积物中均有检出. 表层沉积物中Cu、 Zn、 Pb、 Cd、 Fe、 Mn和Hg的平均含量分别为18.4、 21.2、 6.6、 0.05、 45.2、 748mg ·kg^-1以及8.4 ng ·g^-1. Al和Mg的平均含量分别为48.9 mg ·g^-1和6.2 mg ·g^-1.

由表 3可得，除Cu外，Zn、 Pb、 Cd、 Hg含量均未超过GESAMP^[21]背景值，这几种重金属含量与Odigie等^[23]在坦桑尼亚贡贝国家公园附近采集的坦噶尼喀湖湖泊沉积物重金属含量接近. Zn、 Pb及Cd的最大含量位于布琼布拉城市入湖河流，最低值均位于Luiche流域. 布琼布拉城市入湖河流与Luiche支流、 干流沉积物中Hg含量均较低.

有2个点位的Cu含量超过GESAMP背景值，占点位的12.5%，沉积物中Cu含量与流域农田土壤施用肥料和杀菌剂有关^[10].

Al、 Fe、 Mg、 Mn含量存在明显的区域差异，含量最高值都出现在五号点，含量最低值均出现在7号点. 与GESAMP^[21]背景值相比，10个点位Fe含量高于背景值，4个点位Mn含量高于背景值.

将本研究与非洲其他地区的相关研究结果对比(表 4)发现，除Fe，Mn外，重金属含量均偏低. 本研究区域处于东非坦噶尼喀湖流域，与非洲其他地区相比，工业和城市发展较慢，采矿业并不发达，因此重金属的产生量较低. 同时当地市政设施水平较落后，降雨产生的径流部分并未进入河流，这也大大削减了污染物的输移量. 另一方面，此区域大部分入湖河流的表层沉积物为砂质或砾石，对重金属的富集作用不明显.

表 3(Table 3)

表 3 表层沉积物重金属含量 1) Table 3 Contents of heavy metals in surface sediments 采样点位 重金属指标 Cu/mg ·kg-1 Zn/mg ·kg-1 Pb/mg ·kg-1 Cd/mg ·kg-1 Hg/ng ·g-1 Al/mg ·g-1 Fe/mg ·g-1 Mg/mg ·g-1 Mn/mg ·kg-1 1 8.7 24.4 5.0 0.06 8 46.6 37.3 6.1 721 2 7.9 48.1 18.2 0.11▽ 未检出 55.3 52.1+ 10.4 1 237+ 3 13.8 48.4▽ 18.5▽ 0.07 14 75.8 41.6+ 8.8 612 4 15.5 12.0 3.8 0.03 5 45.6 46.6+ 4.7 531 5 5.1△ 6.2△ 3.3 0.02 6 78.0▽ 94.1▽+ 12.1▽ 1 715▽+ 6 45.8+ 21.9 5.3 0.05 未检出 62.5 86.6+ 9.7 1 366+ 7 64.4▽+ 41.5 5.2 0.07 8 21.6△ 10.7△ 1.1△ 156△ 8 10.9 7.0 7.1 0.02△ 未检出 33.5 25.5 1.6 429 9 16.6 16.1 5.7 0.04 8 43.0 55.2+ 5.9 588 10 7.2 8.6 5.1 0.04 未检出 26.7 19.1 1.8 163 11 17.2 15.3 5.6 0.04 10 43.8 41.1+ 4.8 491 12 18.7 17.4 5.7 0.06 8 46.4 44.8+ 5.3 564 13 15.9 14.4 5.6 0.06 6 45.8 38.1 4.2 444 14 6.8 9.8 2.6△ 0.04 未检出 33.7 35.9 6.0 529 15 17.9 21.1 3.9 0.04 19 58.7 45.8+ 7.6 711 16 22.7 26.5 4.4 0.04 22▽ 64.9 49.4+ 8.8 1 707+ 平均值 18.4 21.2 6.6 0.05 8.4 48.9 45.2 6.2 747.8 参考值2) 33 95 19 0.11 50 — 41 — 770 1)△为含量最低值，▽为含量最高值，+表示超过背景值含量； 2)参考文献[13, 22]

表 3 表层沉积物重金属含量 1) Table 3 Contents of heavy metals in surface sediments

表 4(Table 4)

表 4 非洲内陆不同水体沉积物重金属含量对比 1)/μg ·g-1 Table 4 Comparison of heavy metal concentrations in inland water sediments of Africa/μg ·g-1 地理位置 Hg Cd Pb Cu Zn Mn Fe(×103) 文献 尼罗河河口，埃及 — 1.06 — 85.6 139.0 387 0.5 [24] Wiwi河，加纳 0.21 0.16 13.4 4.7 16.0 — — [25] Papenkuils 河，南非 0.35 102.30 170.7 71.4 289.0 150 12.0 [26] Swartkops 河，南非 0.02 1.00 17.8 10.5 35.5 177 15.5 [26] 坦噶尼喀湖东北部入湖河流 0.01 0.05 6.6 18.4 21.2 748 45.2 本研究 背景值 0.05 0.11 19.0 33.0 95.0 770 41.0 [21, 22] 1)“—”表示缺失值

表 4 非洲内陆不同水体沉积物重金属含量对比 1)/μg ·g-1 Table 4 Comparison of heavy metal concentrations in inland water sediments of Africa/μg ·g-1

根据全球30 m分辨率土地利用产品Globe Land 30，研究区用地类型可分为人工表面、 耕地、 林地、 草地、 湿地和水体这6类(图 2). 16个采样点1.5 km缓冲区的土地利用结构如图 2所示. 其中有37%的点位(2、 3、 7、 8、 9、 10)位于城镇附近，人工表面和耕地占40%以上； 44%的点位(1、 11、 12、 13、 14、 15、 16)位于河口湿地，草地和湿地是其主要用地类型； 19%点位(4、 5、 6)位于远离城镇的区域，草地和林地是其主要用地类型.

结合采样点位的重金属含量(表 3)可得，城镇附近的点位重金属含量相对较高，如Cu含量最高值出现在7号点，Zn和Pb含量最高值出现在3号点，Cd含量最高值出现在2号点； 根据表 5可得，除Cu和Hg外，Zn、 Pb、 Cd的平均含量从高到低的区域依次为城镇附近、 河口湿地和远离城镇的林草地，此现象说明河流沉积物重金属含量与土地利用类型密切相关，人类活动强烈的区域，由于径流输入的影响，河流表层沉积物重金属含量较高. Malagarasi河上游分布的金矿(Geita-kahama goldfield)可能是河口湿地区域Hg含量高于其他两类作用区的主要原因，因为非洲地区汞广泛应用于铝矿厂.

经过实地调查，4、 5及6号点位所在区域多为次生草地，属于农田休耕地，周围的林地主要为棕榈林。大片高大密植的棕榈在景观上具有森林特征，分类时被作为林地，但实为多年生油料作物，种植和生长过程中有施肥. 这些农田及棕榈林可能是导致此区域河流沉积物中Cu含量较高的原因.

表 5(Table 5)

表 5 三类作用区重金属含量 Table 5 Concentrations of heavy metals in three different functional zones 作用区 Cu/mg ·kg-1 Zn/mg ·kg-1 Pb/mg ·kg-1 Cd/mg ·kg-1 Hg/ng ·g-1 城镇附近 20.1 28.3 10 0.06 7 河口湿地 15.4 18.4 4.7 0.05 11 远离城镇区(林草地) 22.1 13.4 4.1 0.03 5

表 5 三类作用区重金属含量 Table 5 Concentrations of heavy metals in three different functional zones

图 2

Fig. 2

图 2 采样点1.5 km缓冲区土地利用结构 Fig. 2 Land use composition of buffer zones around monitoring sites

河流、 湖泊沉积物中各重金属元素间的相关性与元素的性质、 吸附特征以及沉积环境有关，沉积物TOC含量是控制沉积物重金属分布特征的重要参数之一^[27]. 坦噶尼喀湖入湖河流表层沉积物TOC质量分数在0.047%-4.511%之间(图 3)，TOC质量分数最高值位于Malagarasi河口(15、 16)，其次是Luiche河口(11、 12、 13)和7号点，其他区域质量分数较低.

图 3

Fig. 3

图 3 入湖河流表层沉积物TOC质量分数分布 Fig. 3 Distribution of the organic carbon in surface sediments in inflow rivers

表 6是入湖河流表层沉积物重金属含量之间以及与TOC含量相关关系表. 可以看出，Hg与TOC显著相关，相关系数达0.85(P<0.01)，显示出 Hg 与沉积物中的有机质具有较强的结合力，沉积物中有机质的存在可能是影响Hg分布与富集的重要因子^[5]. Zn、 Cd及Pb显著相关； Al、 Fe、 Mg和Mn显著相关(P<0.01). 通过以上分析说明，坦噶尼喀湖入湖河流表层沉积物重金属元素Zn、 Cd、 Pb可能具有相似的输入源，且受沉积作用影响呈现较为相似的分布特征. Al、 Fe、 Mg、 Mn等元素的来源相同，其地球化学特性相近. Hg与其他重金属元素没有显著的相关性，这可能与Hg在生物(微生物、 藻类、 水草等)的作用下富集有关^{[28, 29]}.

表 6(Table 6)

表 6 入湖河流表层沉积物重金属与其他金属和TOC相关关系 1) Table 6 Relevance of heavy metals,other metals and organic carbon in surface sediments of inflow rivers Cu Zn Cd Pb Hg Al Fe Mg Mn TOC Cu 1.00 Zn 0.37 1.00 Cd 0.22 0.85** 1.00 Pb -0.14 0.76** 0.71** 1.00 Hg 0.11 0.31 0.01 0.02 1.00 Al -0.21 0.24 0.02 0.33 0.43 1.00 Fe -0.10 -0.14 -0.18 -0.04 -0.02 0.77** 1.00 Mg -0.22 0.26 0.16 0.29 0.25 0.90** 0.84** 1.00 Mn -0.09 0.10 -0.01 0.06 0.26 0.78** 0.81** 0.87** 1.00 TOC 0.10 0.10 -0.09 -0.20 0.85** 0.30 0.03 0.23 0.44 1.00 1)**表示α=0.01时显著相关，*表示α=0.05时显著相关，n=16

表 6 入湖河流表层沉积物重金属与其他金属和TOC相关关系 1) Table 6 Relevance of heavy metals,other metals and organic carbon in surface sediments of inflow rivers

沉积物重金属潜在生态风险评价结果如表 7所示，从单项风险指数来看，各重金属在各点位的生态风险系数均小于40，均值范围为(0.22-13.36)，重金属潜在生态风险程度的大小顺序为：Cd>Hg>Cu>Pb>Zn，Cd 是最主要的生态风险贡献因子(范围为4.21-28.91)，这主要是由于Cd 的毒性系数相对Pb、 Cu、 Zn、 Hg等元素较高，进而使得其潜在生态风险系数和生态风险指数的计算结果较大. 从综合风险指数来看，各点位均处于低潜在生态风险程度，风险指数范围为9.07-37.62，平均值为23.86. 从3个土地利用类型区的综合风险指数来看，城镇区综合风险指数平均值为25.91，河口湿地为25.21，林草地为16.60，在以后的发展中应注意城镇与河口湿地的重金属污染问题.

表 7(Table 7)

表 7 各采样点的沉积物单项潜在生态风险指数综合潜在生态风险指数及风险分级 Table 7 Individual and general indices of potential ecological risk，and risk grades assessment in surface sediments of inflow rivers at different sampling sites 采样点位 潜在生态风险系数(Eri) RI 风险等级 Cu Zn Cd Pb Hg 1 1.31 0.26 15.59 1.31 6.10 24.57 低 2 1.19 0.51 28.91 4.80 — 35.41 低 3 2.09 0.51 18.60 4.88 11.54 37.62 低 4 2.34 0.13 8.16 1.00 4.32 15.95 低 5 0.77 0.07 4.21 0.88 4.91 10.84 低 6 6.93 0.23 14.45 1.40 — 23.01 低 7 9.76 0.44 18.41 1.37 6.75 36.72 低 8 1.65 0.07 5.47 1.88 — 9.07 低 9 2.51 0.17 11.38 1.50 6.60 22.16 低 10 1.10 0.09 11.94 1.33 — 14.46 低 11 2.60 0.16 11.58 1.47 8.00 23.81 低 12 2.83 0.18 15.08 1.51 6.24 25.84 低 13 2.40 0.15 15.12 1.49 4.96 24.12 低 14 1.03 0.10 10.87 0.69 — 12.70 低 15 2.71 0.22 11.90 1.03 15.28 31.14 低 16 3.44 0.28 12.02 1.16 17.39 34.28 低 平均值 2.79 0.22 13.36 1.73 8.37 23.86 低

表 7 各采样点的沉积物单项潜在生态风险指数 综合潜在生态风险指数及风险分级 Table 7 Individual and general indices of potential ecological risk，and risk grades assessment in surface sediments of inflow rivers at different sampling sites

(1)坦噶尼喀湖入湖河流表层沉积物中除Cu、 Fe、 Mn外，其他重金属含量均低于非洲地区沉积物重金属背景值，同时也低于非洲其他地区河流沉积物重金属含量，造成此结果的原因主要是由于坦噶尼喀湖沿湖社会经济发展水平较低、 工农业水平落后，重金属产生量不高； 且沿湖地区管网不发达，大部分径流并未进入河道，削减了污染物向河道的输移量.

(2)入湖河流重金属含量存在明显的区域差异. Zn、 Pb及Cd含量的最高值均位于布琼布拉城市河流，最低值均位于Luiche流域； Zn、 Pb及Cd存在显著相关性，表明这3种元素可能具有相似的输入源. Al、 Fe、 Mg和Mn具有相似的空间分布特征，且显著相关，表明其具有较好的同源性.

(3)入湖河流表层沉积物重金属含量与土地利用结构关系分析表明，城镇附近点位重金属含量最高，其次为河口湿地和林草地. 表明重金属含量与人类活动密切相关，人类活动强烈区域，河流表层沉积物重金属含量较高.

(4)Hakanson 潜在生态风险指数评价结果表明各重金属在各点位的生态风险系数均较低，其中Cd>Hg>Cu>Pb>Zn，Cd 是最主要的生态风险贡献因子. 虽然所有点位均位于低风险区，但是综合风险指数与土地利用结构密切相关，城镇附近点位综合指数最高，其次为河口湿地，林草地综合指数最低. 因此在以后的研究中，应对城镇附近和河口湿地的重金属重点关注.

致谢： 在非洲采样过程中，坦噶尼喀湖管理委员会(Lake Tanganyika Authority)环境执行主任Gabreil Hazikimana先生，课题组高群、 王兆德、 雷步云给予了大力帮助，孔明、 唐陈杰、 姚晓龙在实验测定过程中给予了帮助，申秋实对本文修改提出了很多宝贵意见. 在此向他们表示衷心的感谢.