2. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430000;
3. 广东省浩蓝环保水污染治理院士工作站, 广州 510000
2. College of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430000, China;
3. CNHOMELAND Environmental Protection Water Pollution Governance Academician Workstation, Guangzhou 510000, China
湖泊沉积物是一个巨大的储存库,进入湖泊水体中的污染物大部分沉积于湖泊沉积物中[1]. 重金属是一类具有毒性、 持久性、 能够生物累积及难生物降解等特性的污染物[2],当其进入环境并达到一定的浓度后,就会对环境产生非常大的危害. 重金属污染物进入水体后,大部分能快速被水体中悬浮颗粒物和沉积物吸附,并富集贮存[3],可通过食物链在生物体内积累,对生物体产生毒害作用. 而且,重金属具有潜在生态风险污染特征,在水动力、 生物扰动及物理化学等条件适当的情况下,吸附在沉积物中的重金属又可重新释放到上覆水体[4],从而造成二次污染. 而湖泊是较为封闭的水体,流动性及与其他水体交换能力低,重金属污染物一旦进入很难被排出,会对湖泊生态系统造成长期影响[5].
江苏省是我国淡水湖泊分布最集中的省份之一,境内有大小湖泊200多个,湖泊率高达6%,为全国第一[6]. 但自1980年以来,江苏省工业废水排放量呈平缓增长趋势,南京市、 苏南三市和苏中苏北九市的排放量大致各占排放总量的1/3,多年来江苏省工业废水一直占废水排放的60%左右[7]. 而且,江苏省是我国城市化水平最高的省份之一[8]. 随着工业化和城市化的发展,省内湖泊受到大量的工业废水和生活污水的污染,其中携带的重金属污染物随着水体进入沉积物中,对湖泊内水产养殖区造成直接的影响,并威胁饮用水源安全. 已有的研究主要集中于对太湖、 洪泽湖和玄武湖沉积物重金属污染水平的调查[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15],而对江苏省其他湖泊,如三氿湖、 高邮湖、 阳澄湖、 澄湖等湖泊沉积物中重金属含量和污染情况研究相对较少,并且在对含量分布特征分析上大多采用数据列表的方式,缺乏直观性.
本研究对江苏省内11个湖泊表层沉积物采样并进行重金属含量检测,利用GIS对沉积物中重金属的含量、 空间分布特征进行直观分析,结合地累积指数法、 改进污染指数法、 污染负荷指数法和潜在生态风险指数法对研究区沉积物中重金属污染情况进行综合评价,并通过各元素间的相关性探讨各湖泊沉积物中重金属可能来源,以期为江苏省中南部湖泊重金属污染防治提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况[16]本研究所调查的江苏省内的11个湖泊,均为水深不超过6 m的浅水湖泊,分别为洪泽湖、 白马湖、 高邮湖、 邵伯湖、 长荡湖、 滆湖、 三氿湖、 固城湖、 昆承湖、 阳澄湖和澄湖. 洪泽湖是我国第四大淡水湖泊,面积为2 069 km2,跨洪泽、 淮阴、 泗洪和盱眙五县,是淮河水系最大的水利枢纽. 高邮湖及与其相邻的白马湖、 邵伯湖等自北向南分布在京杭大运河的西侧,其中,高邮湖为苏、 皖两省界湖,跨高邮、 金湖、 宝应、 天长四市县,是江苏省第三大淡水湖泊,面积674 km2; 邵伯湖是运西湖群中最南端的一个湖泊,面积77 km2; 白马湖是江苏省十大湖泊之一,是运西湖群中位置最北的一个湖泊,面积108 km2. 固城湖位于南京市高淳区,是典型的草型湖泊,面积39 km2. 其余6个湖泊均属于太湖水系,其中,长荡湖位于常州金坛区东南部,跨金坛、 溧阳两县市,现有面积89 km2; 滆湖由武进县、 宜兴市共辖,是苏南地区仅次于太湖的第二大淡水湖,江苏五大湖泊之一,面积146.5 km2; 三氿湖在宜兴市境内,由东氿、 西氿和团氿组成,出流东注太湖,面积23.2 km2; 昆承湖位于常熟市南郊,属于太湖流域水系阳澄湖湖群,是常熟市境内最大的湖泊,面积18 km2; 阳澄湖位于苏州市区东北部,跨苏州、 吴县和昆山三市,面积119.04 km2,是江苏省内重要的水产养殖区; 澄湖由吴县、 昆山和吴江三市共辖,属泻湖型,面积45 km2.
1.2 样品采集本实验所用沉积物样品采集于2014年10月,来自江苏省内11个湖泊的35个沉积物采样点,采样点选在尽量靠近湖中部并远离排污口的地方,采样湖泊及各个湖泊采样点位分布如图 1所示. 野外采样用GPS定位,使用彼得逊采样器采集表层沉积物. 将采集的样品混合均匀后装入聚乙烯自封袋密封,送回实验室低温保藏.
![]() | 1.洪泽湖; 2.白马湖; 3.高邮湖; 4.邵伯湖; 5.固城湖; 6长荡湖; 7.滆湖; 8.昆承湖; 9.三氿湖; 10.阳澄湖; 11.澄湖图 1 采样湖泊和采样点位分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling lakes and sampling sites |
将沉积物样品放入冷冻干燥机(BIOCOOL/FD-1A-50)中冻干,拣出杂物和石块,用研钵磨碎后过100目尼龙筛,装入聚乙烯自封袋中,干燥保存. 采用USEPA 3051a方法,在0.25 g沉积物样品中加入9 mL HNO3和3 mL HCl,使用微波消解仪(ETHOS ONE)进行消解. 消解完成后,使用电感耦合等离子体发射光谱仪(Thermo/ICP6300)进行重金属元素含量的检测. 分析过程中加入湖泊沉积物标准样品(NWSUD-1)以检测分析方法的准确性,结果表明,标准样品中重金属提取量与认证含量之间的误差在5%以内,符合要求.
1.4 评价方法 1.4.1 地累积指数法采用由Müller[17]定义的地累积指数法,该方法主要用于描述单个元素对环境污染的程度,是用来反映沉积物中重金属富集程度的常用指标,计算公式如下所示:

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表 1 地累积指数阈值区间及污染程度分级 Table 1 Geological accumulation index (Igeo) threshold interval and pollution grading |
采用由Hakanson[19]提出的污染指数法来评价沉积物重金属污染,计算公式如下:


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表 2 改进污染指数法的污染程度分级 Table 2 Pollution grading of modified contamination index (mCd) |
污染负荷指数提供了一种简单的、 比较的方法来评价重金属的污染水平[21],计算公式如下所示:


潜在生态风险指数法是由Hakanson[19]定义的,从沉积物学角度来评价重金属污染物的特征和环境行为的方法,计算公式如下:

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表 3 潜在生态风险指数法分级 Table 3 Grading of potential ecological risk index (RI) |
本研究使用ArcGIS 10.2软件对沉积物中重金属元素含量进行插值计算,以得到每种重金属的空间分布; 基本的数理处理及数据图的绘制分别使用Excel和Origin 8.0; 相关性分析和聚类分析使用 SPSS 19.0统计软件完成.
2 结果与分析 2.1 沉积物重金属含量分布特征研究区湖泊沉积物中重金属的含量及其空间分布见图 2. 结合图 2和表 4可以看出,Cu、 Pb、 Zn和Ni空间分布十分相似,虽然它们的浓度各不相同,但是湖泊沉积物中重金属元素平均含量最低值都出现在长荡湖,Cu、 Zn和Ni平均含量最高值出现在三氿湖,Pb最高值出现在高邮湖,其次是三氿湖. As和Cr有相似的地方,沉积物中重金属元素平均含量最低值均为阳澄湖. 从单项金属含量来看,所有湖泊沉积物中As的平均含量均超过了江苏省土壤背景值,在1.74-3.85倍之间,且有部分已接近或超过土壤二级质量标准值,含量最高,说明所研究湖泊沉积物中可能存在较严重的As污染现象; 其次为Cu和Zn,分别为土壤背景值的0.65-2.66倍和0.48-3.56倍; Cr、 Pb和Ni分别为土壤背景值的0.43-1.52、 0.02-1.49和0.12-1.42倍,含量相对较低,基本无污染.
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表 4 江苏省浅水湖泊表层沉积物中重金属平均含量 /mg ·kg-1 Table 4 Average contents of heavy metals in surface sediments of shallow lakes in Jiangsu Province/mg ·kg-1 |
![]() | 图 2 重金属含量分布 Fig. 2 Distribution of heavy metal contents |
研究区各湖泊表层沉积物中各种重金属地累积指数评价结果见表 5. 从结果看出,6种重金属中,As是最主要的污染物,这11个湖泊表层沉积物中都存在该金属的污染. 其中,白马湖为2级,偏中度污染; 洪泽湖部分点位达到2级,整体为1级,轻度污染; 其余湖泊均为1级,为轻度污染. Cu次之,阳澄湖、 澄湖、 昆承湖、 长荡湖、 固城湖污染程度为0级,无污染; 洪泽湖有部分点位呈1级污染,整体0级,白马湖和滆湖的部分点位呈0级污染,整体1级,说明这3个湖泊正逐渐受到Cu污染; 其余3个湖泊均为1级,轻度污染. 然后为Zn,三氿湖污染最严重,部分点位为1级,整体呈2级,偏中度污染; 洪泽湖和澄湖有部分点位为1级,整体都为0级,滆湖部分点位为0级污染,整体1级,也表明这3个湖泊受到Zn的污染在加重; 高邮湖、 邵伯湖为1级,轻度污染; 其余湖泊为0级,均未受到污染. 长荡湖沉积物中部分点位Cr污染水平达到1级,整体0级,有污染趋势. Pb和Ni在所有湖泊中的地累积指数为0级,无污染.
根据以上分析结果,可将研究湖泊大致分为三类:①污染程度较轻的是阳澄湖、 昆承湖和固城湖,只受到轻度As污染; ②污染程度相对较重的是澄湖、 白马湖、 长荡湖和洪泽湖,除了受到As污染外,湖泊中的部分点位还存在其他金属的污染,澄湖有1个点位存在轻微的Zn污染,白马湖有1个点位存在轻度Cu污染,长荡湖有1个点位存在轻微Cr污染,洪泽湖有部分点位存在轻度Cu和Zn污染; ③污染程度比较严重的是三氿湖、 高邮湖、 滆湖和邵伯湖,都存在As、 Cu和Ni这3种重金属污染,其余重金属无污染.
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表 5 江苏省浅水湖泊表层沉积物重金属地累积指数及污染程度评价 Table 5 The Igeo and pollution grade evaluation of heavy metals in surface sediments of shallow lakes in Jiangsu Province |
各湖泊沉积物中重金属的mCd、 PLI、 Ei和RI评价结果如表 6和图 3所示. 根据改进污染指数法(mCd)评价结果,三氿湖、 高邮湖和邵伯湖污染指数都超过了1.5,为轻度污染; 三氿湖最高,高达1.793,较为接近中度污染; 其余湖泊污染指数低于1.5,无污染,其中以阳澄湖为最低,污染指数为0.923,长荡湖与之相差不大,为0.930; 白马湖、 滆湖和洪泽湖虽整体为无污染,但污染指数已接近1.5,表明这3个湖泊沉积物中可能存在部分区域的重金属污染,这一点可以从地累积指数结果中得到证明. 根据污染负荷指数法的评价结果,三氿湖、 高邮湖、 邵伯湖、 滆湖、 洪泽湖和白马湖的污染负荷指数(PLI)依次降低,值都大于1,说明这些湖泊沉积物都受到了重金属污染; 其余湖泊PLI值都小于1,未受到污染; 长荡湖PLI值为最低. 根据单金属潜在生态风险(Ei)评价结果可以看出,所有湖泊的单项金属均呈现出较低的生态风险,总体上,As的生态风险指数最大,Cu次之,其余4种金属风险指数相对较低,这与地累积指数结果相似,说明江苏省湖泊沉积物中As不仅富集程度高而且具有较大的潜在生态风险. 综合潜在生态风险指数RI表明,白马湖、 高邮湖、 三氿湖、 邵伯湖、 滆湖和洪泽湖风险指数依次降低,生态风险达到了中等程度,其余湖泊沉积物中的重金属综合潜在生态风险程度较低,以长荡湖为最低.
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表 6 mCd、 PLI和RI的评价结果 Table 6 Evaluation results of mCd,PLI and RI |
![]() | 图 3 mCd、 PLI和RI评价结果 Fig. 3 Evaluation results of mCd,PLI and RI |
根据以上多种评价方法的综合比较,可减小评断误差,使评价结果更可靠. 综上,从mCd、 PLI和RI的评价结果看出,三氿湖、 高邮湖、 邵伯湖沉积物中重金属污染情况相对较严重,其中三氿湖沉积物受这6种重金属污染最严重,且潜在生态风险已达到中等程度,沉积物中重金属污染负荷相对为最大. 滆湖、 白马湖和洪泽湖这3个湖泊,由于部分区域存在某些金属的污染,污染情况有加重趋势,潜在生态风险也达到中等程度,沉积物中重金属污染负荷较大. 其余5个湖泊,沉积物受重金属污染的风险以及污染负荷均较小,整体为无污染状态,其中以长荡湖情况最为良好.
2.3 重金属元素间的相关性分析湖泊沉积物中各重金属元素间的相关关系与元素的性质、 吸附特征以及沉积环境有关[23]. 表 7所示为以上6种重金属与Fe、 Al、 Mn和有机质之间的相关关系. 从中可以看出,Ni、 Zn、 Pb、 Cu之间、 Fe与Al、 Mn、 Cr、 As以及Al和As之间相关性显著,尤其是Al-Fe、 Fe-Cr、 Cu-Zn、 Zn-Ni这4组元素之间相关关系较为显著,相关系数分别达到0.792、 0.717、 0.898、 0.769(P<0.01),说明这些重金属元素的污染源相同,是通过共沉淀或吸附积累在沉积物中,化学特征相似[24]. 但是Ni、 Zn、 Cr、 Cu、 Mn这些重金属与As的相关性并不显著,表明湖泊沉积物中As的氧化物或氢氧化物共沉淀或吸附这些金属元素较少,也反映了人为来源对这些重金属的贡献[25]. 其余的Al-Cr、 Al-Pb、 Mn-Cr、 As-Pb之间虽然相关系数不高,但相关性却达到了显著性水平,说明它们之间有着部分相似的来源. 在所研究重金属元素中,只有As和有机质表现出较好的相关关系,表明研究区湖泊表层沉积物中的As可能主要以与有机质结合成络合物的形式迁移[26].
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表 7 沉积物中6种重金属、 Fe、 Al、 Mn和有机质之间的相关关系 1) Table 7 Correlation among six heavy metals,Fe,Al,Mn and organic matter in sediments |
江苏省经济发展迅速,城市化和工业化水平均较高,通过对发展格局的不断调整,使环境与人口、 经济协调发展,但是仍旧存在环境污染问题[27, 28]. 研究的11个湖泊中,洪泽湖、 白马湖、 高邮湖和邵伯湖沿京杭大运河江苏段自北而南分布,该段是整个运河中水运最为繁忙的部分[29],运河沿岸人口密集,并且洪泽湖是淮河水系最大的水利枢纽,因此,它们极易受到河岸周边人类工农业活动及航道运输等的影响. 而其余7个湖泊主要位于苏南(昆山、 苏州、 常州等地),该区域经济发展及城市化水平为江苏省之首,城市化水平的不断提高也使工业废水排放量增大,1991-2001年间工业废水排放总量大致占全省的1/3,自2001年开始增幅明显[7, 8],如此,长期以来一些含重金属的生活污水和工业废水排入湖泊,再加上汽车尾气和工业废气排放之后的沉降作用,就会造成沉积物污染负荷逐年加重.
在研究的6种重金属中,As是污染程度最高的污染物. 地表环境中As主要来源于人为活动,尤其是金属冶炼和煤炭燃烧,同时农业生产使用污水灌溉及含As肥料、 农药等也能引起As元素含量的增加[30]. 根据地累积指数分析结果,洪泽湖、 高邮湖和白马湖表层沉积物中As累积程度最高,这可能与近些年来湖泊周边乡镇工业迅速发展带来的大量工业废水的排放有关[12]. 三氿湖、 高邮湖、 滆湖、 邵伯湖以及洪泽湖的部分点位都存在轻度甚至是偏中度的Cu、 Zn污染,这与该流域电镀、 制革和有色金属冶炼业有关,并且Cu、 Zn具有生物累积效应以及与有机物较强的结合能力,这可能是造成沉积物Cu、 Zn污染的主要原因.
3 结论(1)研究区湖泊表层沉积物中,Cu、 Pb、 Zn和Ni空间分布相似,平均含量最低值都出现在长荡湖,Cu、 Zn和Ni平均含量最高值出现在三氿湖,Pb最高值出现在高邮湖,其次是三氿湖,As和Cr的平均含量最低值出现在阳澄湖. 6种重金属中,所有湖泊As含量均超过江苏省土壤背景值且超过倍数最高,存在污染现象; 其次为Cu和Zn,存在部分湖泊的污染; Cr、 Pb和Ni含量相对最低,基本无污染.
(2)根据地累积指数评价结果,将研究区11个湖泊分大致为3类:污染程度最轻的是阳澄湖、 昆承湖和固城湖,只受到轻度As污染; 污染程度相对较重的是澄湖、 白马湖、 长荡湖和洪泽湖,除了受到As污染外,澄湖有1个点位存在轻微的Zn污染,白马湖有1个点位存在轻度Cu污染,长荡湖有1个点位存在轻微Cr污染,洪泽湖有部分点位存在轻度Cu和Zn污染; 污染程度最严重的是三氿湖、 高邮湖、 滆湖和邵伯湖,存在As、 Cu和Nip这3种重金属污染.
(3)综合污染指数法(mCd)、 污染负荷指数法(PLI)和潜在生态风险评价法(RI)的评价结果与地累积指数法相似,却比其更加准确可靠. 三氿湖、 高邮湖、 邵伯湖沉积物中重金属污染情况相对最严重,潜在生态风险也达到中等程度,污染负荷最大; 滆湖、 白马湖、 洪泽湖沉积物中部分区域存在某些金属的污染,污染情况有加重趋势,潜在生态风险也达到中等程度,沉积物中重金属污染负荷较大; 其余5个湖泊,沉积物受重金属污染的风险以及污染负荷均较小,整体为无污染状态.
(4)研究湖泊表层沉积物中重金属污染大多是由江苏省工业化和城市化快速发展引起,因此,应针对不同地区的发展情况,协调好发展与环境之间的关系,有针对性的进行环境污染治理.
致谢 :本研究沉积物样品采集得到了中国环境科学研究院地下水与环境系统工程创新基地多位师兄师姐的帮助,实验所需各项耗材由张列宇小组资助购买,在此表示感谢.
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