滇池沉積物中重金屬污染特征及其生態(tài)風險評估

劉勇，朱元榮，吳豐昌*，廖海清，劉燕，施國蘭

1. 貴陽學院生物與環(huán)境工程學院，貴陽550005；2. 中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京100012

滇池沉積物中重金屬污染特征及其生態(tài)風險評估

劉勇1，朱元榮2，吳豐昌2*，廖海清2，劉燕1，施國蘭2

1. 貴陽學院生物與環(huán)境工程學院，貴陽550005；2. 中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京100012

采集了滇池北部和中心區(qū)域2根柱狀沉積物樣品，分析其常量元素（Fe、Mn、Al、Ti、Ca、K）、微量元素（Ba、Sr、Cu、Pb、Zn、V、Cd）剖面分布特征，并采用H?kanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對典型重金屬（Cd、Cu、Zn、Pb）進行了污染潛在生態(tài)風險評估。結果表明：沉積物中常量元素以Fe2O3、CaO及Al2O3為主，MnO、K2O及TiO2含量較少，變化范圍是Fe2O3為8.0～14.9%、MnO為0.1～0.2%、Al2O3為9.0～20.1%、TiO2為1.5%～2.8%、CaO為0.4～21.7%、K2O為1.5～2.0%；微量元素Pb, Cd, Zn, Ba, Cu, Sr 及V含量均較高，變化范圍是Pb為73.8～105.3 mg·kg-1、Cd為1.0～3.4 mg·kg-1、Zn為123.4～210.6 mg·kg-1、Ba為264.8～435.7 mg·kg-1、Cu為77.5～133.5 mg·kg-1、Sr為34.9～137.5 mg·kg-1以及V為177.7～284.7 mg·kg-1。尤其表層0～12 cm內（1950 s以后），各元素含量值均明顯高于12 cm以下各值，20世紀50年代后滇池流域內工農業(yè)發(fā)展及污染物輸入是造成金屬元素含量累積的主要因素。沉積物中典型重金屬Cu、Zn、Pb、Cd污染潛在生態(tài)風險評估結果：Cu、Zn和Pb處于中度污染，且值越接近表層（0～12 cm）其值越高，這表明自1950S后污染程度不斷加重，其中Cd累積與污染比較嚴重，分析多種元素的多因子污染參數(shù)之和Cd表明滇池沉積物中多種元素污染整體處于“較高”污染程度，分析多種元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)RI表明滇池沉積物中重金屬潛在生態(tài)風險處于“很高”水平。同時，滇池北部沉積物中重金屬潛在危害較嚴重且近年來污染有加重趨勢。

沉積物；重金屬污染；風險評估；滇池

沉積物是湖泊中重金屬等化學元素的主要蓄積庫之一。沉積物中化學元素的地球化學記錄和遷移轉化特征對于揭示不同歷史時期湖泊環(huán)境變遷，氣候變化以及自然和人類活動在這一過程中產生的影響等均有重要意義（Li等，2009）。沉積物中化學元素剖面分布特征和遷移轉化機理的研究，可以探求元素間的相關性，揭示湖泊歷史污染事件，甚至重建湖泊沉積環(huán)境演化歷史（Zhou等，2001）。另外，對沉積物中典型重金屬污染進行風險評價，可有效了解湖泊沉積物中重金屬富集特征及污染來源，并預測其對湖泊環(huán)境可能產生的潛在的“二次污染”（Huang等，2004；張永三等，2009）。目前，國內學者已在我國長江流域和云貴高原等區(qū)域的湖泊開展了大量相關研究工作, 并揭示了湖泊演變與沉積物中化學元素之間的關系（Wu等，2001；Liu等，2008；邴海健等，2010）。

滇池位于昆明市南側（東經102°36′～102°47′，北緯24°40′～25°02′），是我國西南地區(qū)最大的湖泊。滇池為淺水湖泊，以北部一天然沙堤為界分為北部的草海與南部外海（為主體），全湖平均水深為4.4 m，蓄水量約為15.7億m3。滇池兼有城市供水、工農業(yè)用水、旅游、航運、水產養(yǎng)殖、氣候調節(jié)等諸多功能，在當?shù)氐慕洕蜕鐣l(fā)展中具有極其重要的作用。近年來，由于滇池區(qū)域特殊的地理位置、周邊人口快速增長以及工農業(yè)飛速發(fā)展，導致滇池內匯集了大量的有毒有害污染物和營養(yǎng)鹽（朱元榮等，2010）。尤其是近三十年來，大量N、P等營養(yǎng)物質的輸入和湖泊生態(tài)破壞，導致滇池的富營養(yǎng)化問題已十分嚴重（劉勇等，2012）。

目前，關于滇池沉積物的研究，大多側重于表層沉積物營養(yǎng)鹽及重金屬污染的調查研究（陳云增等，2006；Gong等，2009；朱元榮等，2011）。本文采集了滇池沉積物柱狀樣品，測定其重金屬元素的含量并分析其剖面分布規(guī)律，以及選取典型重金

屬進行污染風險評價，旨在認識滇池沉積物中重金屬的歷史污染狀況及其潛在危害性，進而為滇池地區(qū)的生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

圖1 滇池沉積物采樣點位Fig. 1 Map of Lake Dianchi showing coring sites

1 實驗材料與方法

1.1樣品采集

2010年4月在滇池外海使用自制的重力沉積物采樣器分別采集了滇池北部和中部區(qū)域的沉積物柱芯樣品，包括S1點位和S2點位（圖1），現(xiàn)場進行分割處理，表層0～20 cm沉積物以1 cm間隔進行分割，20 cm以下以3 cm間隔進行分割，置于密封袋中并冷凍保存。樣品經冷凍干燥處理后，使用瑪瑙研缽研磨，并過100目篩后于密封袋中0 ℃以下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2樣品分析

準確稱取50 mg沉積物樣品于聚四氟乙烯微波消解管中，滴入少量超純水潤濕樣品，分別加入2 ml優(yōu)級純濃HCl、5 ml優(yōu)級純濃HNO3及1 ml優(yōu)級純濃HF混勻，加內膜旋轉蓋，密閉并置于微波爐的旋轉托盤上，在190 ℃條件下消解30 min。降溫后打開消解管旋蓋并轉移至水浴鍋中，于95 ℃加熱趕酸，至消解液顏色由深黃色變?yōu)闇\黃色（或接近無色）。將消解后的樣品轉移至50 ml比色管中并定容至50 ml，取其中0.5 ml再次稀釋至50 ml。實驗選取水系沉積物標準物質GSD-12同步消解并測定。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）分析測定樣品中金屬元素含量。

1.3重金屬污染風險評價方法

對湖泊沉積物中重金屬污染進行生態(tài)風險評價可以進一步準確認識和描述其污染程度。其中，H?kanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法能綜合體現(xiàn)多種污染物的整體效應，并定量劃分了污染物的潛在生態(tài)風險程度，本研究采用該方法對滇池沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀進行評價（徐爭啟等，2008）。

H?kanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法具體步驟如下：

（1）沉積物污染程度的計算，即單一污染物參數(shù)計算公式為：

多種污染物的污染參數(shù)之和Cd的計算公式為：

（2）沉積物的潛在生態(tài)風險指數(shù)計算，即單一污染物的潛在生態(tài)風險參數(shù)計算公式：

表1 重金屬的毒性系數(shù)Table 1 The toxic factor of heavy metals

多種重金屬污染元素的潛在生態(tài)風險指數(shù)RI計算公式：

2 結果與分析

2.1滇池沉積物中金屬元素的剖面分布特征

2.1.1 常量元素和微量元素剖面分布特征

滇池兩個點位沉積物中部分常量元素（Fe、Mn、Al、Ti、Ca、K）質量分數(shù)(w/%)變化范圍分別是：Fe2O3為8.0～14.9%、MnO為0.1～0.2%、Al2O3為9.0～20.1%、TiO2為1.5%～2.8%、CaO為0.4～21.7%、K2O為1.5～2.0%（圖2）。兩個點位沉積物中均以Fe2O3、CaO、Al2O3為主，MnO、K2O、TiO2含量較少。總體上，S1點位w(MnO)/%和w(CaO)/%顯

著高于S2點位，而w(K2O)/%、w(Al2O3)/%低于S2點位，兩個點位w(Fe2O3)/%和w(TiO2)/%無明顯差異性。這可能與昆明盆地北部多碳酸鹽巖與玄武巖等以及南部多碎屑巖與磷塊巖的沉積物物源供應差異有關（薛傳東等，2007；Wang等，2009）。

圖2 滇池沉積物常量元素剖面分布圖Fig.2 Vertical profiles of major element fractions in sediments from Dianchi Lake

滇池兩個點位沉積物中各微量元素（Pb、Cd、Zn、Ba、Cu、Sr、V）含量變化范圍分別是：Pb為73.8～105.3 mg·kg-1、Cd為1.0～3.4 mg·kg-1、Zn為123.4～210.6 mg·kg-1、Ba為264.8～435.7 mg·kg-1、Cu為77.5～133.5 mg·kg-1、Sr為34.9～137.5 mg·kg-1以及V為177.7～284.7mg·kg-1。微量金屬元素在剖面上的變化規(guī)律基本一致。依據(jù)Xiong等利用137Cs精確計年法對滇池沉積速率的測定表明滇池沉積物12 cm處約為20世紀50年代（Xiong等，2010）。滇池沉積0～12 cm內，Zn、Ba、Sr和Cd含量均隨著沉積深度增加而增加且約在5 cm處達最大值后又開始減少，12 cm以下變化較小。V、Pb和Cu含量均表現(xiàn)出自表層向下而逐漸增加，其中自12 cm以下變化平緩且趨于穩(wěn)定（圖3）。這表明1950s前后滇池微量元素變化明顯，這與該時期內人類活動以及湖泊演變發(fā)展有很大關系。其中，流域內工農業(yè)發(fā)展和污染物排放是主要的影響因素之一（王天陽和王國祥，2008）。同時，沉積物表層0～5 cm內各微量元素含量及變化趨勢可能表明近些年物源污染得到一定控制沉積物中化學元素富集量相對減少。

另外，沉積物金屬元素中的w(Sr)/w(Ba)比值可以作為判別沉積環(huán)境類型和水體鹽度的重要參數(shù)（Raiswell和Buckley，1988）。滇池兩個點位沉積物的w(Sr)/w(Ba)比值均表現(xiàn)為由表層向深層沉積物逐漸減少并趨于穩(wěn)定，其變化范圍分別為：0.17～0.47、0.21～0.50（圖4）。這表明在近期滇池演變的過程中，湖泊中的鹽度以及沉積物源量是逐漸增加的過程，尤其20世紀50年代以來人類活動更加的頻繁可能給滇池沉積物帶來更多物源和金屬元素污染，但近些年可能有下降的趨勢。

圖3 滇池沉積物微量元素剖面分布圖Fig.3 Vertical profiles of microelement fractions in the Dianchi Lake sediments

圖4 滇池沉積物微量元素w(Sr)/w(Ba)比值剖面分布圖Fig.4 Vertical profiles of Sr/Ba atomic ratio in the Dianchi Lake sediments

2.1.2 重金屬剖面分布特征

湖泊沉積物中重金屬作為水體污染重要的敏感指示劑，通過生物富集和放大作用，會對生態(tài)系統(tǒng)構成直接或間接的威脅（Farkas等，2007）。本文選取滇池沉積物中典型的4種重金屬（Cd、Cu、Zn、Pb）進行分析。結果表明滇池兩個點位沉積物中Cd和Zn含量變化趨勢均表現(xiàn)為隨著沉積深度增加而先增加后降低，其中0～12 cm含量變化明顯，12 cm以下變化較平緩。Pb含量剖面變化波動較大，其中表層0～3 cm和17 cm以下含量相對較低，3～17 cm內相對較高。Cu含量表現(xiàn)為隨著沉積深度增加而增加（圖3和表2）。同時，分析表明S1點位沉積物中4種重金屬含量均高于S2點位，其中S1點位沉積物中Cd含量顯著高于S2點位。結合整個滇池流域，其中90%以上的企業(yè)在草海附近，包括印染廠、造紙廠、冶煉廠及制革廠等（尹家元等，1999）以及北部的Cd和Zn含量高，這表明其對滇池生態(tài)潛在污染效應較大。

表2 滇池沉積物重金屬含量、國家土壤環(huán)境質量標準值及云南土壤背景值Table 2 Heavy metal fractions in the Dianchi Lake sediments, the state soil environment quality standard and yunnan soil background value

依據(jù)國家土壤環(huán)境質量標準值（GB 15618—1995）以及云南土壤背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）（表2）表明：滇池兩個點位0～12 cm（約近60年來）內沉積物中4種重金屬（Cd、Cu、Zn、Pb）含量均顯著高于國家土壤環(huán)境質量一級標準值（為保護區(qū)域自然生態(tài)，維護自然背景的土壤環(huán)境質量限制值）以及云南土壤背景值，其中Cd含量甚至超過國家土壤環(huán)境質量三級標準值（為保障農林業(yè)生產和植物正常生長的土壤臨界值）并達2～3倍。這表明近60年來滇池區(qū)域存在重金屬污染，其中Cd污染較為嚴重。

2.2滇池沉積物中重金屬的污染風險評價

本文研究的重金屬元素（Cd、Cu、Zn、Pb）少于H?kanson提出的8種，根據(jù)H?kanson的方法，并結合本研究采用的底泥中污染物數(shù)量和種類，對所測污染物的dC和RI值進行了調整，重新定義后的四種重金屬元素dC和RI范圍見表3（劉成等，2002；徐爭啟等，2008）。將兩個點位沉積物柱樣以12 cm為界限，分0～12 cm內（1950 s后）和12 cm以下（1950 s前）研究重

金屬污染特征，分析結果見表4和表5。

表3 、、和RI值相對應的污染程度及潛在生態(tài)風險程度Table 3 Degrees of contamination and potential ecological risk corresponding to the values of,,and RI

表3 、、和RI值相對應的污染程度及潛在生態(tài)風險程度Table 3 Degrees of contamination and potential ecological risk corresponding to the values of,,and RI

C 單因子污染物污染程度dC 總體污染程度ii f E 單因子污染物r生態(tài)風險程度 RI 總的潛在生態(tài)風險程度＜1 低 ＜5 低微 ＜30 低微 ＜20 低微1～3 中 5～10 中等 30～60 中等 20～40 中等3～6 較高 10～20 較高 60～120 較高 40～80 較高≥6 很高 ≥20 很高 120～240 高 ≥80 很高≥240 很高

表4 滇池沉積物中重金屬單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)Table 4 The single factor pollution index and synthesis pollution index of sediment heavy metals in Dianchi Lake

表5 滇池潛在生態(tài)風險參數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)Table 5 The potential ecological risk factor and the potential ecological risk index in Dianchi Lake

3 結論

（1）滇池沉積物12 cm處(約為1950 s)金屬元素變化明顯，近十幾年來滇池流域內工農業(yè)快速發(fā)展和污染物的輸入是導致沉積物物源增加，及一些與人為活動密切相關的常量元素、微量元素（Ba、Sr、Cu、Pb、Zn、V、Cd）增加的重要因素。

（2）滇池沉積物中典型重金屬（Cd、Cu、Zn、Pb）污染風險評價分析表明了Cu、Zn、Pb三種重金屬為中度污染程度，潛在生態(tài)風險程度屬于低微水平，然而近60年來重金屬污染急劇加重，其潛

在的環(huán)境危害也越大。滇池沉積物中Cd污染較嚴重，潛在生態(tài)風險程度屬于高-很高污染程度，對生態(tài)環(huán)境危害較大。同時滇池北部污染較南部嚴重，這表明人為污染輸入可能是重金屬污染來源的主要因素。

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sediments of Dianchi Lake

LIU Yong1, ZHU Yuanrong2, WU Fengchang2*, LIAO Haiqing2, LIU Yan1, SHI Guolan2
1. School of Biological and Environmental Engineering, Guiyang University, Guiyang, 550005, China; 2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing, 100012, China

Two sediment profiles were collected from the northern and central parts of Dianchi Lake. Distribution characteristics of major elements (Fe, Mn, Al, Ti, Ca and K) and trace elements (Ba, Sr, Cu, Pb, Zn, V and Cd) were investigated. And then the potential ecological risk of heavy metals (Cd, Cu, Zn and Pb) was analyzed by the method of H?kanson. The contents of Fe2O3, CaO, and Al2O3were high and contributed mainly to the major elements, while the contents of MnO, K2O and TiO2were low in the sediments from Dianchi Lake. The contents of Fe2O3, CaO, Al2O3, MnO, K2O and TiO2were 8.0～14.9 %, 0.4～21.7 %, 9.0～20.1 %, 0.1～0.2 %, 1.5～2.0 %, and 1.5%～2.8 %, respectively. For the trace elements, contents of Pb, Cd, Zn, Ba, Cu, Sr and V were relatively high, which were 73.8～105.3 mg·kg-1, 1.0～3.4 mg·kg-1, 123.4～210.6 mg·kg-1, 264.8～435.7 mg·kg-1, 77.5～133.5 mg·kg-1, 34.9～137.5 mg·kg-1and 177.7～284.7 mg·kg-1, respectively. The contents of these elements were greater in the top 12 cm of sediments, which were due to industrial and agricultural development after 1950s. The ecological risk assessment on 4 typical heavy metals including Cu, Zn, Pb, and Cd showed that the value ofwas greater in the top 12 cm, which indicated the pollution status of heavy metals were serious after 1950 s. The Cu, Zn, and Pb were in the status of moderate pollution. The Cd was accumulated in the sediments, which was in the serious pollution status. The multiple factor pollution index, such as the value of Cd, showed that heavy metal pollution was at the level of “high”. The index of RI for ecological risk assessment also showed that the potential ecological risk was at a “very high” level. Further more, ecological risk of heavy metals from sediments was greater in northern part of Dianchi Lake, and the pollution becomes more serious in recent years.

sediment; heavy metals; risk assessment; Dianchi Lake

X131.2

A

1674-5906（2014）07-1181-06

國家自然科學基金項目(40973090；41261140337)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2008CB418200)

劉勇(1987年生)，男，講師，碩士研究生，主要從事環(huán)境污染與生態(tài)修復研究。E-mail: Lyong821mmm@163.com。

吳豐昌，男，研究員，博士，博導，主要從事環(huán)境地球化學和水質基準研究。E-mail: wufengchang@vip.skleg.cn

2013-12-27

劉勇，朱元榮，吳豐昌，廖海清，劉燕，施國蘭. 滇池沉積物中重金屬污染特征及其生態(tài)風險評估[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(7): 1181-1186.

LIU Yong, ZHU Yuanrong, WU Fengchang, LIAO Haiqing, LIU Yan, SHI Guolan. Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sediments of Dianchi Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1181-1186.