洞庭湖表層沉積物重金屬生態風險及其變化趨勢研究

張光貴，田琪，郭晶

湖南省洞庭湖生態環境監測中心，岳陽 414000

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洞庭湖表層沉積物重金屬生態風險及其變化趨勢研究

張光貴*，田琪，郭晶

湖南省洞庭湖生態環境監測中心，岳陽 414000

盡管針對洞庭湖沉積物中重金屬的研究工作較多，但是針對其生態風險及其變化趨勢的研究工作比較少見。基于2012年2月和2013年4月對洞庭湖9個具有代表性監測點位的采樣分析以及相關監測歷史資料的收集，采用Hakanson生態危害指數法，研究了洞庭湖表層沉積物中重金屬的生態風險及其變化趨勢。結果表明，洞庭湖表層沉積物中Cd、Hg、As、Cu和Pb的含量分別為0.60～20.7 mg·kg-1、0.090～0.640 mg·kg-1、10.4～83.7 mg·kg-1、17.9～70.9 mg·kg-1和16.9～95.8 mg·kg-1，其大小順序為Pb>Cu>As>Cd>Hg。洞庭湖表層沉積物中重金屬單因子生態風險程度順序為Cd>Hg>As>Pb>Cu，Cd和Hg為主要重金屬風險污染物，其中Cd為首要污染物；全湖RI 值在117.10～589.80之間，平均289.99，在空間分布上，表現為南洞庭湖區>西洞庭湖區>東洞庭湖區；根據Hakanson提出的分級標準，南洞庭湖區Cd具有極高的生態風險，全湖生態風險程度為中。初步分析結果表明，30年來，除Hg外，其它重金屬生態風險均有一定上升，其中以Cd的上升趨勢較明顯，全湖重金屬生態風險程度由低生態風險上升到中生態風險，提高了一個等級。因此，洞庭湖流域重金屬污染治理應以湘江和資水的Cd為重點。

重金屬；污染；生態風險；變化趨勢；洞庭湖；表層沉積物

近年來湖泊重金屬污染問題日益嚴重，成為國內外十分關注的環境問題之一。一般情況下，湖泊沉積物是各種污染物質的“匯”，但在一定條件下沉積物中的重金屬又會釋放到上覆水中，沉積物轉成水體污染的“源”[1]，嚴重影響湖泊上覆水體的質量，造成水環境的“二次污染”和生態風險[2-6]。此外，表層沉積物是水體中底棲生物的重要生活場所和食物來源，沉積物中的重金屬可直接或間接地對水生生物產生毒害作用，并通過生物富集、食物鏈放大等過程進一步影響陸地生物和人類[7]。目前，沉積物中重金屬的生態毒性或生態風險已引起了研究者的廣泛關注[8]，因此研究沉積物中重金屬的潛在生態風險及其變化趨勢對防控湖泊水體重金屬污染有重要指導意義。

洞庭湖是目前長江中游荊江段唯一與長江干流直接相通的湖泊，具有調蓄、飲用、漁業、灌溉、航運、調節湖區氣候、旅游和生物多樣性保護等重要生態功能。相關研究結果表明，洞庭湖水系已受到不同程度的污染[9]，重金屬健康風險不斷增加[10]，洞庭湖水質呈總體下降趨勢[11-12]。盡管近年來有學者針對洞庭湖沉積物重金屬開展了相關研究，如姚志剛等[13]對洞庭湖各水系入湖口和湖區沉積物的重金屬環境地球化學特征進行了研究，祝云龍等[14]對洞庭湖不同湖區沉積物中重金屬含量及其空間分布、污染狀況與來源進行了研究，萬群等[15]對東洞庭湖沉積物中重金屬的分布特征、污染程度與來源進行了研究，唐曉嬌等[16]和李飛等[17]分別采用基于盲數理論的水體沉積物重金屬污染評價模型和基于梯形模糊數的沉積物重金屬污染風險評價模型對洞庭湖沉積物重金屬污染狀況進行了評價，左蘭蘭等[18]利用潛在生態危害指數法對洞庭湖沉積物中重金屬生態風險進行了評價，祝慧娜等[8]在潛在生態危害指數法的基礎上，引入區間排序法對洞庭湖沉積物中重金屬生態風險進行了分析，但對洞庭湖沉積物中重金屬生態風險變化趨勢的研究尚未見報道。目前，沉積物重金屬污染生態風險評價方法較多，具有代表性的主要有地累積指數法、潛在生態危害指數法、沉積物質量基準法等[7]，由于潛在生態危害指數法不僅考慮了重金屬含量，而且將重金屬的生態、環境與毒理學聯系在一起，同時也顧及了背景值的地區差異性[19]，因而得到了廣泛應用與認可[20-21]。本研究通過對洞庭湖表層沉積物中鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、銅(Cu)和鉛(Pb)等重金屬含量的測定，利用潛在生態危害指數法對其潛在生態風險現狀進行評價，同時搜集洞庭湖沉積物中重金屬監測的歷史資料，對洞庭湖表層沉積物中重金屬生態風險變化趨勢進行分析，以期為了解和掌握洞庭湖沉積物中重金屬生態風險狀況及其變化趨勢、防控洞庭湖水體重金屬污染提供參考和依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區概況

洞庭湖位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，北接長江松滋、太平、藕池三口，南納湘、資、沅、澧四水，經城陵磯匯入長江，湖體呈近似“U”字形，總流域面積25.72萬km2，集水面積104萬km2，水位33.50 m時(岳陽站，黃海基面)，湖長143.00 km，最大湖寬30.00 km，平均湖寬17.01 km，湖泊面積2 625 km2，最大水深23.5 m，平均水深6.39 m，相應蓄水量167億m3，是我國第二大淡水湖。受泥沙淤積、筑堤建垸等自然和人類活動的影響，洞庭湖現已明顯地分化為西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3個不同的湖泊水域。洞庭湖為一典型的過水性洪道型湖泊[22]，兼具河流與湖泊雙重屬性，其水流方向大致為西洞庭湖→南洞庭湖→東洞庭湖→長江[23]。

1.2 樣品采集

為較好地反映沉積物中重金屬污染狀況，克服單次監測點位少、數據代表性不夠的缺陷，本研究選擇在沉積物環境相對穩定的非汛期(枯水期)進行了兩次監測。分別于2012年2月和2013年4月，采用抓斗式采泥器采集洞庭湖表層沉積物樣品，采樣深度約0～10 cm，每個采樣點采集3個平行樣品現場混勻，裝入封口袋，4℃保存。采樣點的布設參考了洞庭湖水質常規監測斷面，共設置9個采樣點，其中西洞庭湖區3個，分別是南嘴(S1)、蔣家嘴(S2)和小河嘴(S3)，南洞庭湖區3個，分別是萬子湖(S4)、橫嶺湖(S5)和虞公廟(S6)，東洞庭湖區3個，分別是鹿角(S7)、東洞庭湖(S8)和洞庭湖出口(S9)，所有采樣點采用便攜式GPS定位，采樣點位置見圖1。

1.3 樣品處理及分析

所采沉積物樣品經冷凍干燥后去除各種雜質，再經瑪瑙研缽研磨處理后過100目尼龍篩，分裝于塑料袋中密封以待測。

Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Hg采用冷原子吸收分光光度法測定，As采用原子熒光法測定，Cu、Pb采用火焰原子吸收分光光度法測定。為保證分析的準確性，實驗每個樣品設置2個平行樣，平行分析誤差<5%，取平均值為結果。

1.4 評價方法

1.4.1 潛在生態危害指數

潛在生態危害指數法[24]由瑞典科學家Hakanson于1980年提出，是一種相對快速、簡單和標準的用于劃分沉積物污染程度及水域潛在生態風險的方法。潛在生態危害指數計算公式如下：

1.4.2 生態風險貢獻率

為了找出沉積物中重金屬的主要風險污染物，引入生態風險貢獻率ki，并將ki按從大到小的順序累加，確定∑ki>80%的前幾項污染物為主要風險污染物。

1.4.3 評價參數的確定

圖1 洞庭湖采樣點分布Fig. 1 Sampling sites in Dongting Lake

表1 沉積物中重金屬的參比值和毒性系數

1.4.4 生態危害程度劃分標準

表2 沉積物中重金屬生態危害程度分級標準

2 結果(Results)

2.1 沉積物中重金屬的含量

洞庭湖表層沉積物中重金屬的監測結果見表3。由表3可知，洞庭湖表層沉積物中Cd在0.60～20.7 mg·kg-1之間，平均值為5.77 mg·kg-1；Hg在0.090～0.640 mg·kg-1之間，平均值為0.225 mg·kg-1；As在10.4～83.7 mg·kg-1之間，平均值為26.2 mg·kg-1； Cu在17.9～70.9 mg·kg-1之間，平均值為39.1 mg·kg-1；Pb在16.9～95.8 mg·kg-1之間，平均值為53.7 mg·kg-1。同一重金屬在不同樣點間的變異程度不同，其中Cd的變異系數最大，As、Hg、Pb次之，Cu的變異系數最小。洞庭湖表層沉積物中重金屬含量的大小順序為Pb>Cu>As>Cd>Hg。

2.2 沉積物中重金屬的生態風險評價

全湖RI 值在117.10～589.80之間，平均289.99，生態風險程度為中，西洞庭湖區、南洞庭湖區和東洞庭湖區的RI 值分別為194.00、496.37和179.62，表現為南洞庭湖區>西洞庭湖區>東洞庭湖區，南洞庭湖區具有高生態風險，西洞庭湖區和東洞庭湖區的生態風險為中。

2.3 生態風險變化趨勢分析

為了分析洞庭湖表層沉積物重金屬生態風險變化趨勢，本研究還搜集了洞庭湖表層沉積物中重金屬監測的歷史資料[13,15-16,29]，利用相同方法對重金屬生態風險進行評價，并將其評價結果與上述評價結果進行比較，具體見表5、圖2。

表3 洞庭湖表層沉積物重金屬監測結果統計

表4 洞庭湖表層沉積物中重金屬生態風險評價結果

表5 重金屬生態風險評價結果比較

圖2 不同年份潛在生態危害指數比較Fig. 2 Comparison of the potential ecological risk indexes in different years

3 討論(Discussion)

洞庭湖表層沉積物中重金屬生態風險以Cd最高，Hg次之，其它重金屬較低，此評價結果與左蘭蘭等[18]的基本一致。南洞庭湖區特別是橫嶺湖(S5)和虞公廟(S6)表層沉積物中重金屬生態風險較高，主要是受入湖河流湘江和資水的影響，有研究結果表明，南洞庭湖區湘江和資水入湖的河口三角洲上沉積物重金屬含量最高[14,30]。湖南素有“有色金屬之鄉”之稱，礦產資源豐富，特別是湘江流域衡陽水口山的鉛鋅礦、郴州的鎢礦、湘潭的錳礦和資水流域錫礦山的銻礦更是蜚聲中外，然而隨著礦產資源的開發和洞庭湖流域工業生產的迅速發展，洞庭湖水系水質已受到不同程度的重金屬污染，尤以湘江和資水污染較為嚴重[10]。西洞庭湖區的蔣家嘴(S2)表層沉積物中重金屬生態風險相對較高可能與沅江河口沉積物中Hg和Cd含量較高有關[13]。

30年來，盡管Cd和Hg仍是洞庭湖表層沉積物中重金屬的主要風險污染物，但Cd和Hg的生態風險貢獻率發生了相反的變化，即Cd的貢獻率不斷上升，Hg的貢獻率不斷下降，首要風險污染物由1984年的Hg變為2004年后的Cd。因此，洞庭湖流域重金屬污染治理應以湘江和資水的Cd為重點。

萬群等[15]的研究結果表明，洞庭湖沉積物中Hg主要受工業廢物排放和有色采冶支配，周軍等[31]的分析結果表明，2004～2008年，湖南省工業廢水中Hg的排放量呈逐年下降趨勢，洞庭湖表層沉積物中Hg的生態風險貢獻率下降可能與洞庭湖流域工業企業Hg的排放量減少有關。

在洞庭湖表層沉積物重金屬生態風險變化趨勢分析中，沒有考慮不同年份沉積物樣品采集、前處理與分析方法等不一致可能帶來的影響，這本身就存在一些不確定性，因此本研究所得生態風險變化趨勢分析結論僅僅是初步結果。

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Heavy Metal Ecological Risk of Surface Sediments in Dongting Lake and Its Tread

Zhang Guanggui, Tian Qi, Guo Jing

Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Center of Hunan Province, Yueyang 414000, China

Received 19 September 2014 accepted 29 October 2014

Although there are many studies on heavy metals in Dongting Lake sediments, the information regarding heavy metal ecological risk and its trend is little. This paper discussed the heavy metal ecological risk of surface sediments in Dongting Lake and its trend, based on sampling analysis of 9 representative monitoring sites in February 2012 and April 2013 and some historical monitoring data. Hakanson's Potential Ecological Risk Index (RI ) Method was employed in this paper. The results show that the contents of Cd, Hg, As, Cu and Pb in surface sediments range from 0.60 mg·kg-1to 20.7 mg·kg-1, 0.090 mg·kg-1to 0.640 mg·kg-1, 10.4 mg·kg-1to 83.7 mg·kg-1, 17.9 mg·kg-1to 70.9 mg·kg-1and 16.9 mg·kg-1to 95.8 mg·kg-1, respectively. The descending order is as follows: Pb>Cu>As>Cd>Hg. The potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Dongting Lake can be arranged as Cd>Hg>As>Pb>Cu. Cd and Hg are the main heavy metal risk pollutants, and Cd is the primary pollutant. The RI values of the whole lake are between 117.10 and 589.80, with an average value of 289.99. The spatial distribution of RI average values has certain characteristics. South Dongting Lake is the highest area, West Dongting Lake is the middle one, and East Dongting Lake is the lowest region. According to the classification standard proposed by Hakanson, the Cd in South Dongting Lake has extremely high ecological risk. The ecological risk level of Dongting Lake is medium. In terms of the preliminary analysis, the ecological risks of other heavy metals have risen, to some extent, in the past 30 years, except Hg. And Cd's rising trend is obvious. The heavy metal ecological risk level in Dongting Lake has changed from low risk to medium. Therefore, heavy metal pollution control in Dongting Lake basin should focus on Cd in Xiangjiang River and Zishui River.

heavy metals; pollution; ecological risk; trend; Dongting Lake; surface sediments

張光貴(1964-), 男, 學士, 主要從事水環境監測與生態研究, E-mail: zhangguanggui64@163.com

10.7524/AJE.1673-5897-20140919001

2014-09-19 錄用日期：2014-10-29

1673-5897(2015)3-184-08

X171.5

A

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