2022, Vol. 43
2. 中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 北京 100012
2. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, State Environment Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
当今社会经济飞速发展, 人类活动对环境的影响日益显著.人类活动将大量的重金属元素带入表生环境中, 使得其在灰尘、土壤和湖泥等多种环境介质中有所积累.其中, 经人为或自然途径进入地表水体的重金属可通过物理、化学和生物等作用储存在沉积物中, 表现出很强的累积效应[1].由于重金属具有难降解、持久性强和不可逆等特点[2], 且进入沉积物的重金属在一定的环境条件下存在二次释放风险, 并可通过生物富集和放大作用间接威胁水生态系统和人类健康, 因此近年来备受学者关注[3].
国外对于重金属的研究开展相对较早, 1976年美国EPA就将As等12种金属纳入优先控制的污染物名单[4], 以重金属含量调查为主的相关研究也逐渐开展[5, 6].我国对沉积物重金属的相关研究工作始于1970年后, 例如, 黄薇文等[7]于1985年对黄河口沉积物重金属进行了检测和污染评价.简而言之, 在过去很长一段时间内, 沉积物重金属富集情况都是以其总量高低来衡量的.后当物质形态被引入到环境领域, 研究学者发现只用总量分析金属元素在环境中的活性、生物可利用性和毒性等生态环境效应是不确切的[8, 9], 重金属的形态分析因此逐渐受到关注[10].随着重金属形态分析方法的发展, 对于重金属生态风险评价的研究也日益增多.Hakanson[11]于1980年提出了潜在生态危害评价法, 从生态毒理角度综合反映沉积物中重金属对生态环境影响的潜力.柏建坤等[12]的研究基于雅江沉积物重金属含量和形态, 用不同评价方法对其进行了重金属潜在风险评价.余晖等[13]的研究则采用地累积指数和潜在生态风险指数评价了洪泽湖表层沉积物重金属的污染现状和潜在生态风险程度.
青海湖位于青藏高原东北部, 是我国最大的内陆咸水湖, 是中国重要的生态调节功能区和水源涵养功能区[14], 流域内生态环境的优劣对其周边地区的生态建设和农牧业发展均具有重大影响.然而近年来, 随着青海湖流域社会经济活动显著增加和自然环境的恶化, 流域水体逐渐面临环境污染的威胁.目前, 有关青海湖流域重金属的研究主要集中在总量调查方面, 包括湖泊及主要入湖河流沉积物[15, 16]、河流水体、土壤、植物[17]和环湖土壤[18]等多种介质中的重金属分布及污染分析; 结果显示湖泊、河流和土壤中重金属的整体污染程度较低, 且来源多以自然源为主, 其中Cd和As存在一定的潜在生态风险.相对而言, 关于青海湖流域金属赋存形态的研究则鲜见报道.由于水体沉积物中重金属的迁移转化、毒性和潜在环境危害更大程度上取决于其赋存形态, 因此, 本文在调查青海湖表层沉积物中重金属总量分布特征的基础上, 进一步研究了其化学赋存形态, 并运用潜在生态危害评价法和风险评价编码法(RAC)综合分析了重金属的污染状况和潜在生态风险, 旨在为深入了解青海湖流域金属潜在生态风险, 制定生态环境保护措施提供科学支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区域青海湖位于中国青藏高原东北隅, 海拔3 194 m, 流域年平均气温-1~4℃, 年降水量270~500 mm, 属于半干旱高寒气候区[19].流域内主要入湖河流有6条, 其中布哈河水域面积最大, 且与泉吉河一同分布在湖泊西北方向, 河流入湖口周围以河漫滩为主[20]; 东北方向为沙柳河和哈尔盖河, 入湖口土质为风沙堆积; 西南及东南方向分别分布有黑马河和倒淌河.
1.2 样品采集与测定于2020年10月采用彼得森抓斗式采泥器(etc-200, 中国)对青海湖共22个点位的表层沉积物(0~10 cm)进行采集, 样点分布情况见图 1, 所有采样点使用GPS定位.采集的沉积物样品装入干净的聚乙烯自封袋中, 排出袋内空气后密封, 低温保存运输至实验室后冷冻干燥、研磨并过100目尼龙网筛, 保存备用.
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图 1 青海湖表层沉积物采样点 Fig. 1 Sampling sites of surface sediments in Lake Qinghai |
沉积物重金属总量的提取参照EPA3051[21]方法, 使用HNO3+H2 O2的酸消解体系进行微波消解(微波消解仪, ECM, 美国). 消解后样品经0.45 μm混纤膜过滤, 并参照EPA200.8[22]方法, 使用Agilent7500型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, 安捷伦, 美国)测定Cu、Co、Cr、Cd、Ni、Pb、Zn和As这8种重金属的含量.重金属形态的提取采用改进的BCR 3步连续提取法[23, 24], 主要形态包括可交换态及碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化物结合态、有机物及硫化物结合态和残渣态, 提取后各重金属形态含量同样使用ICP-MS测定(表 1).分析过程中所有玻璃及聚乙烯器皿在使用前均用10%的HNO3充分浸泡24h以上.重金属总量及形态分析过程中, 利用国家沉积物标准品GSD-7(GBW-07366)、空白样和平行样进行质量控制.测定的标准物质总量回收率在94% ~115%之间, 各金属元素方法检出限在0.02~1.82 μg ·L-1之间, 平行样品之间的相对标准偏差均小于5%; 标准物质形态提取回收率(各形态加和与总量的比值)在88% ~113%之间, 各金属元素方法检出限在0.01~2.12 μg ·L-1之间, 平行样品间相对标准偏差均小于9%.
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表 1 改进的BCR分布提取方法流程 Table 1 Improved BCR distribution extraction process |
1.2.2 相关理化指标测定
此外, 为分析重金属的来源及分布影响因素, 对沉积物中Fe含量、有机质含量和粒径分布等物理化学指标进行测定. Fe含量的提取及测定与上述8种金属元素相同; 有机质采用油浴加热-重铬酸钾容量法测定[25]; 沉积物中黏粒(< 4 μm)、粉粒(4~63 μm)和砂粒(63~2 000 μm)的占比分析使用粒度分析仪(Masterizer-2000, 马尔文, 英国)完成. 相关测定结果见表 2.
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表 2 青海湖沉积物物理化学指标 Table 2 Physical and chemical parameters in sediments of Lake Qinghai |
1.3 数据分析
采用SPSS 17.0对数据结果进行相关性及主成分分析, 采用Arcgis 10.7和Origin 8.0分别绘制重金属元素的空间分布(空间插值法)及其他图形.
此外, 采用潜在生态危害指数评价法和风险评价编码法(RAC)对青海湖表层沉积物的重金属潜在风险进行评价.
1.3.1 潜在生态危害指数评价法该评价方法可从生态毒理角度综合反映沉积物中重金属对生态环境影响的潜力.计算公式如下:
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(1) |
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(2) |
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(3) |
式中, RI为综合潜在生态危害指数, Eri为单项潜在生态危害指数; Cfi为单项污染系数; Tri为重金属的毒性响应系数[26], Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb对应的毒性响应系数为2、5、5、5、1、10、30和5; Ci为所分析元素在沉积物中的含量, CiBS为元素i的土壤环境背景值(本文参照青海省土壤背景值[27]).沉积物重金属生态危害程度划分标准见表 3.
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表 3 生态风险评价等级划分 Table 3 Classification of ecological risk assessment |
1.3.2 风险评价编码法(RAC)
风险评价编码法[28](RAC)是基于沉积物中重金属的不同存在形态对其有不同的结合力而提出的.以可交换态和碳酸盐结合态存在的重金属, 由于键合相对较弱, 易与上覆水体相互交换, 因而具有快速的生物可利用性, RAC将其视为重金属的有效部分, 通过计算可交换态和碳酸盐结合态含量占总量的比例来评价沉积物中重金属的有效性, 进而对其环境风险进行评价.重金属的有效性越高则环境风险性越大, 反之亦然.RAC计算公式如下:
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(4) |
式中, [F1]为可交换态及碳酸盐结合态金属含量, CT为金属总含量.
上述评价方法的风险评价等级划分见表 3.
2 结果与讨论 2.1 重金属分布特征 2.1.1 总量分布特征青海湖表层沉积物中ω(Cr)、ω(Co)、ω(Ni)、ω(Cu)、ω(Zn)、ω(As)、ω(Cd)和ω(Pb)如表 4所示, 8种重金属的含量平均值依次为45.44、8.28、21.06、18.02、57.41、13.21、0.21和18.06 mg ·kg-1.各金属元素均值与李少华等[17]和常华进等[15]的研究结果基本一致.与青海湖流域表层土壤背景值相比, 除As和Cd的平均含量分别超出环境背景值的1.13倍和1.53倍外, 其余重金属元素平均含量均不同程度低于背景值.总而言之, 与巢湖[29]、洞庭湖[30]和太湖[31]等人口较密集的城市湖泊相比, 青海湖沉积物中的重金属整体上不存在显著富集现象.
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表 4 青海湖表层沉积物的重金属含量/mg ·kg-1 Table 4 Heavy metal contents in surface sediments of Lake Qinghai/mg ·kg-1 |
各金属元素在表层沉积物中的空间分布如图 2所示.除As外, 其他7种重金属的分布特征十分相似, 其主要特征表现为: ①西北部主要河流入湖口、青海湖农场附近重金属含量相对于其他区域较高, 考虑该区域的重金属富集可能受到河流入湖口沉积作用和青海湖北部农场的人为活动影响[16]; ② 151码头由于景点旅游和频繁车辆交通等人为活动的影响, 可能引起附近Zn、Pb、Cu、Cd和Cr等金属含量偏高[16], 从而形成较为明显的重金属富集现象.有研究表明交通量大、路口和拐弯等刹车使用频繁的路段[17], 会导致附近土壤/沉积物中Zn、Pb、Cu和Cr的累积, 这与本研究结果基本一致.此外, Q5(151码头)、Q10(布哈河入湖口)、Q12(孤插山/三块石)和Q14(青海湖农场)点位的Cu、Zn、As、Cd和Pb这5种重金属含量均显著高于土壤背景值, 且Cr在151码头和布哈河入湖口的含量也高于土壤背景值, 推测与入湖口泥沙堆积[20]、旅游活动增加[17]和农业生产[16]等自然因素和人为影响有关.相对而言, Q1(沙岛)、Q2(江西沟码头)、Q21(错果)和Q22(尕海)这4个点位的重金属含量仅为背景值的40%.其中, 沙岛及其附近水域底泥以砂质为主, 不易于金属富集[15]; 而江西沟码头和倒淌河分别位于湖泊南部及东南部, 可能由于这些区域本身水系较少, 使得河流入湖对附近重金属累积的影响较小[32].
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图 2 青海湖表层沉积物重金属含量的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in surface sediments of Lake Qinghai |
从变异系数来看, As和Cd的变异系数分别为50.61%、49.8%, 高于其他6种金属元素(25.10% ~36.78%), 表明青海湖中As和Cd的空间波动性相对较大, 其中As的变异系数超过50%.图 2显示, As高值主要分布在布哈河入湖口、江西沟码头、鸟岛、黑马河入湖口和151码头, 表明这些区域可能存在点源污染[17].野外调查中发现, 目前青海湖周围道路分布广泛(如青藏铁路、316国道、109国道、省道和县乡道路等), 且近十年城镇化建设和旅游业也在不断增加, 致使交通运输排放物成为主要污染物来源之一.151码头、布哈河入湖口和江西沟码头可能与采样点周围人口密集、车辆交通和景点旅游等人类活动有直接关系, 黑马河入口和鸟岛等, 可能与农药化肥和农场等原因有关.
2.1.2 赋存形态特征在总量调查基础上, 进一步对各金属元素的化学赋存形态进行分析.如图 3所示, Cr、Co、Ni、Cu、Zn和As均以残渣态为主要存在形态, 在总量中的平均占比分别为93.58%、68.01%、69.21%、66.59%、75.52%和69.03%.残渣态金属几乎不会被生物所利用, 只有通过化学反应先转化为可溶解态才能对生物产生一定影响[33], 因此这6种金属元素在青海湖沉积物中相对稳定. Cd和Pb以Fe-Mn氧化物结合态为主要赋存形态, 这部分金属元素在氧化还原电位降低或水体缺氧条件下, 可能形成迁移能力更高的价态并进入水体[15].值得关注的是, 可交换态及碳酸盐结合态Cd含量占其总量的平均值达到24.08%, 在8种重金属中相对最高.该结果可能归因于Cd(0.097 nm)和Ca(0.099 nm)有相似的离子半径, 因此Cd易与碳酸盐形成沉淀, 并渗透入方解石晶体中产生CdnCa1-nCO3固溶体[34]; 此外, 碳酸盐对于Cd具有较强的吸附能力[35], 可能也是该形态Cd占比较高的原因之一.已有研究显示, 以可交换态及碳酸盐结合态存在的金属元素对环境变化最为敏感, 可在水环境条件变化时(如pH下降, 弱酸或中性条件)向水体迁移, 并直接被生物利用, 因此环境风险较大[36].此外, Co、Ni和Cu的有机物及硫化物结合态占比为17.20%、18.79%和20.35%, 高于其他几种金属元素.有机物及硫化物结合态金属一般情况下较稳定, 但在较强的氧化条件下也能发生释放.总的来说, 各金属元素在沉积物中的赋存形态存在差异, 这可能与其在环境中的赋存及迁移转化受到不同因素的影响有关, 例如pH、ORP、SOC和黏土含量等[37, 38]都会影响金属在沉积物中的存在形式和迁移性.有关不同重金属形态的赋存及转化机制有待进一步深入研究.
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图 3 青海湖表层沉积物中重金属形态的占比 Fig. 3 Percentage of heavy metal fractions in the surface sediment of Lake Qinghai |
与残渣态相比, 可交换态及碳酸盐结合态、Fe-Mn氧化物结合态和有机物及硫化物结合态金属的生物有效性相对较高, 在一定条件下可能释放到水体中造成二次污染[1], 因此这3种赋存形态可被统称为生物有效态.从分析结果可知, 青海湖表层沉积物中Cd和Pb的生物有效态含量占比高于其他6种金属, 特别是Cd的生物有效态达到92.19%, 反映出其存在较高的迁移风险.
2.2 重金属来源分析 2.2.1 相关性分析母质不但决定了沉积物中重金属的含量, 而且在很大程度上决定了重金属含量之间原始的相关特征.另外, 在沉积物发育过程中, 各种地球化学作用以及人为因素也能改变沉积物中重金属的含量及其相互之间的相关关系[39].本文借助相关性分析, 对青海湖沉积物中的重金属来源进行了初步探讨.如表 5所示, 青海湖中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb这7种金属元素间都有很强的相关性(P < 0.01), 表明这7种金属元素具有一定的同源性; 其中Zn-Ni的相关性最强, 相关性系数达到0.974.此外, 根据已有研究[40], Fe作为环境中大量存在的金属元素, 对人为干扰不敏感, 因此可作为金属自然源的表征, 用于区分沉积物中金属元素的自然与人为来源.本次调查中, 上述7种元素均与Fe元素呈显著正相关性, 表明其在沉积物中的分布绝大程度上受到自然因素的影响.相对而言, As与其他金属元素不存在显著相关性, 表明可能受到一定的人为活动影响.
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表 5 青海湖表层沉积物重金属相关性分析(n=22)1) Table 5 Correlation analysis of heavy metals in surface sediments of Lake Qinghai(n=22) |
2.2.2 主成分分析
在相关分析的基础上, 进一步采用主成分分析对青海湖的金属来源进行解析.通过前述相关性分析, 发现大部分重金属元素之间具有显著的相关性, 且主成分分析中Bartlett球形度检验相伴概率为0.00, 小于显著性水平0.05, KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验统计值为0.99, 表明本研究中的数据适合进行主成分分析.分析结果显示(表 6), 根据特征值大于1的原则, 共筛选出2个因子, 解释了88.47%的变量信息.其中, 第一主成分解释了76.23%的方差变异, Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb的载荷均在0.900以上, 且Fe与这些金属属于同一个主成分. Cd和As的正载荷相对最低, 分别为0.739和0.195.由此可见, 第一主成分主要支配着沉积物中Fe、Cr、Co、Ni、Cu、Zn和Pb这7种元素的来源, 同时还支配着Cd和As的部分来源, 结合相关性分析基本可以确定第一主成分为自然来源, 与已有的研究结果相似[16].第二主成分的方差贡献率为12.25%, 其中As具有较高的载荷量, 可认为第二主成分主要支配着沉积物中As的来源.结合空间分布可知, As的高值主要出现在靠近青海湖农场的湖泊西北部等区域, 据此推测沉积物中As的来源在一定程度上受到周边农场农药过度使用等人为活动的影响[41, 42].该结果与李少华等[17]的调查结果相似, 即As高值主要出现在农业灌溉区, 表明农田也是青海湖表层沉积物重金属来源之一.已有研究显示[43], 过去农业生产中对含As除草剂、杀虫剂和杀菌剂等的频繁使用, 使得H3 AsO3、Ca3(AsO4)2和Na(CH3)HAsO3等含As物质逐渐累积在地表环境中.综上, 根据主成分分析结果, 青海湖沉积物中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Pb和Cd的主要来源为自然来源, 而As的累积则受到人为来源的影响.
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表 6 主成分分析结果 Table 6 Results of principal component analysis |
2.3 潜在风险分析 2.3.1 潜在生态危害指数法
本研究在调查金属元素分布的基础上, 以青海省土壤重金属元素背景值作为参考, 计算了8种重金属元素的生态危害指数Eri.结果表明, 青海湖沉积物中重金属的生态危害指数均值从高到低依次为: Cd>As>Cu>Pb>Ni>Co>Cr>Zn(表 7), 其中Cd的Eri均值为46.01, 对应中等生态危害水平, 其他重金属则处于轻微生态危害水平; 该结果与朱阳春[16]等对青海湖沉积物重金属的风险评价结果一致.从空间分布来看, Cd在151码头附近以及青海湖西北部区域的生态危害水平相对较高(Eri值处于60~120之间), 海心岛、以及鸟岛附近区域的生态危害水平次之(Eri值在30~60之间), 这些区域应予以重视.此外, As在泉吉河入湖口处的Eri值为32.51, 处于中等风险水平, 表明该区域表层沉积物具有一定的潜在生态危害, 其他点位As大多数都属于轻微生态危害水平.
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表 7 青海湖流域表层沉积物中重金属的潜在生态危害水平 Table 7 Potential ecological hazards of heavy metals in surface sediments of Lake Qinghai Basin |
从综合潜在生态危害指数(RI)计算结果来看, 8种金属元素的RI值在27.70~148.34之间, 平均为76.57, 反映出青海湖沉积物中重金属整体处于轻微生态危害水平.其中, 151码头以及青海湖北部(靠近青海湖农场及三角地羊场)面临的重金属风险相对最高, 均大于110, 属于中等生态危害.总的来看, 与其他人为影响较大的平原内陆湖泊沉积物中重金属污染情况[13, 31]相比, 青海湖由于地广人稀且外源污染少, 因此目前重金属潜在生态危害水平整体较低.但与青海湖沉积物中Cd生态危害水平较高的现象相似, 过去一些研究结果显示, 太湖[31]、洞庭湖[30]和巢湖[29]等湖泊中同样存在Cd元素含量超出环境背景值的现象, 说明Cd富集在我国湖泊沉积物中较为普遍, 工业、旅游交通、农业活动和大气沉降带来的面源污染等均可能造成Cd在地表环境中的富集[44, 45].
2.3.2 风险评价编码法与基于重金属总量的潜在生态危害指数评价相比, 风险评价编码法主要考虑了重金属的化学活性及生物可利用性. Singh等[8]的研究认为, 在多种金属赋存形态中, 由人类活动引起的可交换态和碳酸盐结合态含量升高会增加沉积物重金属的生物有效性或活性形态, 其在金属形态中所占比例越高, 说明在沉积物中的迁移能力越强, 生物利用性越强, 因此潜在风险水平越高.
RAC指数分析结果显示, 青海湖表层沉积物中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb的RAC指数范围分别为0.05% ~1.22%、1.11% ~7.79%、1.00% ~5.06%、0.04% ~5.40%、0.14% ~7.98%、0.51% ~9.87%、3.38% ~66.84%和0.02% ~7.57%; 各金属元素的RAC均值由大到小为: Cd>As>Zn>Co>Pb>Cu>Ni>Cr(图 4).其中, Cr、Cu、Zn和Pb处于无风险至低风险水平, Co、Ni和As处于低风险水平; Cd大体处于中风险水平, 个别采样点(例如Q1、Q9、Q21和Q22)风险指数超过50%, 达到极高风险水平, 该结果与Cd在沉积物中较高的生态危害指数及生物有效性相对应.
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图 4 青海湖表层沉积物中重金属的RAC指数 Fig. 4 RAC index of heavy metals in surface sediments of Lake Qinghai |
结合重金属含量的空间分布发现, 8种重金属总量在布哈河入湖口、青海湖农场、南部151码头和中部海心岛周围区域均达到最高值, 但RAC值较低, 除Cd以外, 其他7种金属元素均处于无风险-低风险水平; 这表明虽然这些区域金属含量较高, 但是生物可利用性较低, 因此对水环境的潜在生态危害不大.值得注意的是, Cd在南部黑马河入湖口、尕海和沙岛附近区域的RAC风险水平均高于其他区域(图 5), 该结果可能受到不同区域沉积物理化性质差异的影响.例如, 已有研究表明CdCO3的沉淀多发生在低有机质的砂质土壤中[46]; 本研究中Cd的RAC值等同于可交换态及碳酸盐结合态Cd在其总量中的占比, 因此表现为Cd的RAC值分别与沉积物砂粒组分和有机质含量呈显著正相关和负相关(图 6).此外, Cd的亲有机性较弱, 使得有机质对Cd吸附量较小[46, 47], 可能同样使有机质含量与Cd的RAC值呈负相关关系.
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图 5 青海湖表层沉积物中Cd的RAC指数空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of Cd RAC index in surface sediments of Lake Qinghai |
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图 6 青海湖表层沉积物中Cd的RAC指数与环境因子的相关性 Fig. 6 Correlations between the RAC index of Cd and the environmental factors |
从两种评价结果来看, RAC与潜在生态危害指数评价法的评定结果存在较大差异, 这是因为RAC法是基于元素赋存形态进行的潜在风险评价, 不考虑重金属的绝对量, 且生物有效性并不等同于基于金属总量的生物毒性[48].而潜在生态危害评价能反映重金属可能存在的生态危害水平, 却忽略了重金属的生物可利用性, 因而可能导致对污染程度的低估或夸大.因此, 为了有效评价重金属的迁移特性与潜在生态危害, 本研究综合考虑了基于总量和基于形态的重金属潜在风险评估手段, 两种评价方法结论互补, 可以更准确地反映青海湖沉积物中重金属的潜在风险情况.
综合上述潜在风险分析结果, 青海湖表层沉积物中整体生态风险水平较低, 但Cd表现出相对较高的潜在风险.已有研究表明, 青藏高原水体及土壤等不同介质中都存在一定的Cd污染现象, 其主要来源除自然源外, 还包括交通及采矿业[49].相应地, 本研究在野外调查中发现, 151码头周围区域存在旅游交通方面的污染, 而位于青海湖北部的刚察县周围存在一些小工厂及采矿业, 可能均影响着Cd的地表富集.综上, 后续应特别关注青海湖北部、黑马河入湖口和151码头区域沉积物中Cd的累积情况及潜在释放风险.
3 结论(1) 青海湖表层沉积物中ω(Cr)、ω(Co)、ω(Ni)、ω(Cu)、ω(Zn)、ω(As)、ω(Cd)和ω(Pb)的平均值分别为45.44、8.28、21.06、18.02、57.41、13.21、0.21和18.06 mg ·kg-1, 其中As和Cd含量平均值高于环境背景值; 除As外, 其余7种金属的空间分布极为相似, 即在西北部布哈河入湖口、青海湖农场附近、以及南部151码头附近存在较明显富集现象.
(2) 赋存形态方面, Cr、Co、Ni、Cu、Zn和As主要以残渣态存在, Cd和Pb主要以Fe-Mn氧化物结合态和残渣态存在; 8种金属元素中Cd的生物有效态含量相对最高, 其中可交换态及碳酸盐结合态Cd在总量中的平均占比达到24.08%, 具有较高的潜在生物毒性.
(3) 相关分析及主成分分析结果表明, Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb与Fe之间均有较强的相关性, 表明其分布主要受到自然沉积作用的影响; As与其他金属无明显相关性, 其分布一定程度上受到农业生产等人为来源影响.
(4) 根据潜在生态危害指数, 除Cd外, 其他7种重金属均处于低风险水平; 相对而言, Cd在湖区的生态风险介于中风险和低风险之间, 个别区域达到强生态风险.RAC评价结果显示, Cd的潜在释放风险较高, 处于中~高风险级水平, 其中布哈河入湖口、青海湖农场及151码头附近区域的潜在风险最为突出.
| [1] |
林承奇, 胡恭任, 于瑞莲, 等. 九龙江表层沉积物重金属赋存形态及生态风险[J]. 环境科学, 2017, 38(3): 1002-1009. Lin C Q, Hu G R, Yu R L, et al. Speciation and ecological risk of heavy metals in surface sediments from Jiulong river[J]. Environmental Science, 2017, 38(3): 1002-1009. |
| [2] | He P J, Xiao Z, Shao L M, et al. In situ distributions and characteristics of heavy metals in full-scale landfill layers[J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 137(3): 1385-1394. DOI:10.1016/j.jhazmat.2006.04.033 |
| [3] | Varol M. Assessment of heavy metal contamination in sediments of the Tigris River (Turkey) using pollution indices and multivariate statistical techniques[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 195: 355-364. DOI:10.1016/j.jhazmat.2011.08.051 |
| [4] | Matsumoto E, Wong C S. Heavy metal sedimentation in Saanich Inlet measured with 210Pb technique[J]. Journal of Geophysical: Research, 1977, 82(34): 5477-5482. DOI:10.1029/JC082i034p05477 |
| [5] | Basu A, Molinaroli E. Toxic metals in Venice lagoon sediments: model, observation, and possible removal[J]. Environmental Geology, 1994, 24(3): 203-216. DOI:10.1007/BF00766890 |
| [6] | Hornberger M I, Luoma S N, Van Geen A, et al. Historical trends of metals in the sediments of San Francisco Bay, California[J]. Marine Chemistry, 1999, 64(1-2): 39-55. DOI:10.1016/S0304-4203(98)80083-2 |
| [7] |
黄薇文, 张经, 刘敏光, 等. 黄河口底质中重金属的存在形式[J]. 山东海洋学院学报, 1985, 15(1): 137-145. Huang W W, Zhang J, Liu M G, et al. Speciation of heavy metals in the Huanghe river estuarine sediments[J]. Journal of Shandong College of Oceanology, 1985, 15(1): 137-145. |
| [8] | Singh K P, Mohan D, Singh V K, et al. Studies on distribution and fractionation of heavy metals in Gomti river sediments—a tributary of the Ganges, India[J]. Journal of Hydrology, 2005, 312(1-4): 14-27. DOI:10.1016/j.jhydrol.2005.01.021 |
| [9] | Farkas A, Erratico C, Viganò L. Assessment of the environmental significance of heavy metal pollution in surficial sediments of the River Po[J]. Chemosphere, 2007, 68(4): 761-768. DOI:10.1016/j.chemosphere.2006.12.099 |
| [10] | Segura R, Arancibia V, Zúñiga M C, et al. Distribution of copper, zinc, lead and cadmium concentrations in stream sediments from the Mapocho River in Santiago, Chile[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2006, 91(1-3): 71-80. DOI:10.1016/j.gexplo.2006.03.003 |
| [11] | Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J]. Water Research, 1980, 14(8): 975-1001. DOI:10.1016/0043-1354(80)90143-8 |
| [12] |
柏建坤, 李潮流, 康世昌, 等. 雅鲁藏布江中段表层沉积物重金属形态分布及风险评价[J]. 环境科学, 2014, 35(9): 3346-3351. Bai J K, Li C L, Kang S C, et al. Chemical speciation and risk assessment of heavy metals in the middle part of Yarlung Zangbo surface sediments[J]. Environmental Science, 2014, 35(9): 3346-3351. |
| [13] |
余辉, 张文斌, 余建平. 洪泽湖表层沉积物重金属分布特征及其风险评价[J]. 环境科学, 2011, 32(2): 437-444. Yu H, Zhang W B, Yu J P. Distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments of Hongze lake[J]. Environmental Science, 2011, 32(3): 437-444. |
| [14] | Wünnemann B, Wagner J, Zhang Y Z, et al. Implications of diverse sedimentation patterns in Hala Lake, Qinghai Province, China for reconstructing Late Quaternary climate[J]. Journal of Paleolimnology, 2012, 48(4): 725-749. DOI:10.1007/s10933-012-9641-2 |
| [15] |
常华进, 曹广超, 陈克龙, 等. 青海湖流域沙柳河下游沉积物中重金属污染风险评价[J]. 地理科学, 2017, 37(2): 259-265. Chang H J, Cao G C, Chen K L, et al. Pollution and potential ecological risk of heavy metals in sediment from the lower reaches of Shaliuhe river, Qinghai lake watershed[J]. Scientia Geographica Sinica, 2017, 37(2): 259-265. |
| [16] |
朱阳春, 陈学民, 伏小勇. 青海湖表层沉积物重金属富集特征及其来源[J]. 生态学杂志, 2013, 32(7): 1862-1869. Zhu Y C, Chen X M, Fu X Y. Enrichment characteristics and sources of heavy metals in surface sediments of Qinghai Lake, Northwest China[J]. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(7): 1862-1869. |
| [17] |
李少华, 王学全, 兰岚, 等. 青海湖流域主要河口区沉积物中重金属元素生态风险评价[J]. 生态与农村环境学报, 2016, 32(6): 940-945. Li S H, Wang X Q, Lan L, et al. Ecological risk assessment of heavy metals in sedimentsat estuaries of major inlets of the Qinghai Lake basin[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016, 32(6): 940-945. |
| [18] |
王若锦, 邵天杰, 卫佩茹. 环青海湖地区表层土壤重金属富集含量及其生态风险评价[J]. 干旱区研究, 2021, 38(2): 411-420. Wang R J, Shao T J, Wei P R. Enrichment content and ecological risk assessment of heavy metal in surface soil around Qinghai Lake[J]. Arid Zone Research, 2021, 38(2): 411-420. |
| [19] |
李岳坦, 李小雁, 崔步礼, 等. 青海湖流域及周边地区蒸发皿蒸发量变化(1961-2007年)及趋势分析[J]. 湖泊科学, 2010, 22(4): 616-624. Li Y T, Li X Y, Cui B L, et al. Trend of pan evaporation and its impact factors over Lake Qinghai basin from 1961 to 2007[J]. Journal of Lake Sciences, 2010, 22(4): 616-624. |
| [20] |
王平, 曹军骥, 吴枫. 青海湖流域表层土壤环境背景值及其影响因素[J]. 地球环境学报, 2010, 1(3): 189-200. Wang P, Cao J J, Wu F. Environmental background values and its impact factors of topsoil within the Lake Qinghai catchment, Northeast Tibetan Plateau, China[J]. Journal of Earth Environment, 2010, 1(3): 189-200. |
| [21] | EPA Method 3051, Microwave assisted acid digestion of sediments, sludges, soils, and oils[S]. |
| [22] | Creed J T, Broekhoff C A, Martin T D. Determination of trace elements in waters and wastes by inductively coupled plasmamass spectrometry[Z]. USEPA200.8, 1994. |
| [23] | Lee P K, Kang M J, Jo H Y, et al. Sequential extraction and leaching characteristics of heavy metals in abandoned tungsten mine tailings sediments[J]. Environmental Earth Sciences, 2012, 66(7): 1909-1923. DOI:10.1007/s12665-011-1415-z |
| [24] | Wen J, Yi Y J, Zeng G M. Effects of modified zeolite on the removal and stabilization of heavy metals in contaminated lake sediment using BCR sequential extraction[J]. Journal of Environmental Management, 2016, 178: 63-69. DOI:10.1016/j.jenvman.2016.04.046 |
| [25] |
和向东, 陈枳颖, 丁德鼎, 等. 异龙湖表层沉积物有机质含量空间分布初步研究[J]. 环境科学导刊, 2020, 39(6): 18-22. He X D, Chen Z Y, Ding D D, et al. Preliminary study on spatial distribution of organic matter content in surface sediments of Yilong Lake[J]. Environmental Science Survey, 2020, 39(6): 18-22. |
| [26] | Akoto O, Eshun F B, Darko G, et al. Concentrations and health risk assessments of heavy metals in fish from the Fosu Lagoon[J]. International Journal of Environmental Research, 2014, 8(2): 403-410. |
| [27] | 魏复盛, 杨国治, 蒋德珍, 等. 中国土壤元素背景值基本统计量及其特征[J]. 中国环境监测, 1991, 7(1): 1-6. |
| [28] | Jain C K. Metal fractionation study on bed sediments of River Yamuna, India[J]. Water Research, 2004, 38(3): 569-578. DOI:10.1016/j.watres.2003.10.042 |
| [29] |
夏建东, 龙锦云, 高亚萍, 等. 巢湖沉积物重金属污染生态风险评价及来源解析[J]. 地球与环境, 2020, 48(2): 220-227. Xia J D, Long J Y, Gao Y P, et al. Ecological risk assessment and source analysis of heavy metal pollutions in sediments of the Chaohu Lake[J]. Earth and Environment, 2020, 48(2): 220-227. |
| [30] |
尹宇莹, 彭高卓, 谢意南, 等. 洞庭湖表层沉积物中营养元素、重金属的污染特征与评价分析[J]. 环境化学, 2021, 40(8): 2399-2409. Yin Y Y, Peng G Z, Xie Y N, et al. Characteristics and risk assessment of nutrients and heavy metals pollution in sediments of Dongting Lake[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(8): 2399-2409. |
| [31] |
任杰, 白莉, 李军, 等. 太湖表层沉积物重金属污染评价与来源分析[J]. 地球与环境, 2021, 49(4): 416-427. Ren J, Bai L, Li J, et al. Pollution evaluation and source apportionment of heavy metals in surface sediments of the Taihu Lake[J]. Earth and Environment, 2021, 49(4): 416-427. |
| [32] |
张志杰, 周玉文, 陈嵘, 等. 1960年以来青海湖沉积物粒度的时空分布及其控制因素[J]. 高校地质学报, 2019, 25(4): 623-632. Zhang Z J, Zhou Y W, Chen R, et al. Spatio-temporal distributions and controls of grain size in the sediments from the Qinghai Lake since the 1960 AD[J]. Geological Journal of China Universities, 2019, 25(4): 623-632. |
| [33] | Teasdale P R, Apte S C, Ford P W, et al. Geochemical cycling and speciation of copper in waters and sediments of Macquarie Harbour, Western Tasmania[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2003, 57(3): 475-487. DOI:10.1016/S0272-7714(02)00381-5 |
| [34] | Iwegbue C M A, Nwajei G E, Eguavoen O, et al. Chemical fractionation of some heavy metals in soil profiles in vicinity of scrap dumps in Warri, Nigeria[J]. Chemical Speciation & Bioavailability, 2009, 21(2): 99-110. |
| [35] |
王立夫, 赵淑雯, 李杉杉, 等. 不同阴离子钠盐对土壤Cd形态与微生物群落的影响[J]. 中国环境科学, 2021, 41(9): 4221-4230. Wang L F, Zhao S W, Li S S, et al. Effect of sodium salt with varied anions on Cd fractions and microbial community in soil[J]. China Environmental Science, 2021, 41(9): 4221-4230. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2021.09.029 |
| [36] |
姜时欣, 翟付杰, 张超, 等. 伊通河(城区段)沉积物重金属形态分布特征及风险评价[J]. 环境科学, 2020, 41(6): 2653-2663. Jiang S X, Zhai F J, Zhang C, et al. Speciation distribution and risk assessment of heavy metals in sediments from the Yitong River city area[J]. Environmental Science, 2020, 41(6): 2653-2663. |
| [37] | Wang Z S, Wang Y S, Chen L Q, et al. Assessment of metal contamination in coastal sediments of the Maluan Bay (China) using geochemical indices and multivariate statistical approaches[J]. Marine Pollution Bulletin, 2015, 99(1-2): 43-53. DOI:10.1016/j.marpolbul.2015.07.064 |
| [38] |
朱晨阳, 付国威, 李光耀, 等. 西湖和东苕溪沉积物重金属化学形态分析[J]. 四川环境, 2021, 40(1): 136-142. Zhu C Y, Fu G W, Li G Y, et al. Chemical speciation of heavy metals in the sediments of West Lake and East Tiaoxi basin[J]. Sichuan Environment, 2021, 40(1): 136-142. |
| [39] | Liu L L, Wang Z P, Ju F, et al. Co-occurrence correlations of heavy metals in sediments revealed using network analysis[J]. Chemosphere, 2015, 119: 1305-1313. DOI:10.1016/j.chemosphere.2014.01.068 |
| [40] | Schiff K C, Weisberg S B. Iron as a reference element for determining trace metal enrichment in Southern California coastal shelf sediments[J]. Marine Environmental Research, 1999, 48(2): 161-176. DOI:10.1016/S0141-1136(99)00033-1 |
| [41] |
李玄添, 张风宝, 杨明义. 渭河陕西段沉积物重金属空间分布及来源解析[J]. 应用生态学报, 2020, 31(12): 4225-4234. Li X T, Zhang F B, Yang M Y. Spatial variation and source identification of heavy metals in sediments in Shaanxi section of Weihe River, Northwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2020, 31(12): 4225-4234. |
| [42] |
李悦昭, 陈海洋, 孙文超. "河-湖"沉积物重金属环境特征及来源解析[J]. 环境科学, 2020, 41(6): 2646-2652. Li Y Z, Chen H Y, Sun W C. Environmental characteristics and source apportionment of heavy metals in the sediments of a river-lake system[J]. Environmental Science, 2020, 41(6): 2646-2652. |
| [43] |
齐文启, 汪志国, 孙宗光, 等. 关于As和Hg在环境中的形态及其监测分析[J]. 中国环境监测, 2000, 16(3): 9-15. Qi W Q, Wang Z G, Sun Z G, et al. The form and monitoring of As and Hg in environment[J]. Environmental monitoring in China, 2000, 16(3): 9-15. DOI:10.3969/j.issn.1002-6002.2000.03.003 |
| [44] | Barakat A, El Baghdadi M, Rais J, et al. Assessment of heavy metal in surface sediments of day River at Beni-Mellal region, Morocco[J]. Research Journal of Environmental and Earth Sciences, 2012, 4(8): 797-806. |
| [45] | Yu Y, Luo H J, He L H, et al. Level, source, and spatial distribution of potentially toxic elements in agricultural soil of typical mining areas in Xiangjiang River basin, Hunan Province[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2020, 17(16). DOI:10.3390/ijerph17165793 |
| [46] | Bradl H B. Adsorption of heavy metal ions on soils and soils constituents[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 277(1): 1-18. DOI:10.1016/j.jcis.2004.04.005 |
| [47] |
李雨清, 何江, 吕昌伟, 等. 富里酸对重金属在沉积物上吸附及形态分布的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(3): 1008-1015. Li Y Q, He J, Lü C W, et al. Effects of fulvic acid on absorption and form distribution of heavy metals on sediments[J]. Environmental Science, 2016, 37(3): 1008-1015. |
| [48] |
杨新明, 庄涛, 韩磊, 等. 小清河污灌区农田土壤重金属形态分析及风险评价[J]. 环境化学, 2019, 38(3): 644-652. Yang X M, Zhuang T, Han L, et al. Fraction distribution and ecological risk assessment of soil heavy metals in the farmland soil from the sewage irrigated area of Xiaoqing River[J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(3): 644-652. |
| [49] |
杨安, 王艺涵, 胡健, 等. 青藏高原表土重金属污染评价与来源解析[J]. 环境科学, 2020, 41(2): 886-894. Yang A, Wang Y H, Hu J, et al. Evaluation and source of heavy metal pollution in surface soil of Qinghai-Tibet Plateau[J]. Environmental Science, 2020, 41(2): 886-894. |