太湖主要入湖河口表層沉積物重金屬分布特征及風險評價

閆興成，楊曉薇，黃烯茜，董傑靖，王明玥，韓睿明，王國祥*

1. 南京師范大學環境學院，江蘇 南京 210097；2. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心//江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室//江蘇省水土環境生態修復工程實驗室，江蘇 南京 210023

太湖主要入湖河口表層沉積物重金屬分布特征及風險評價

閆興成1,2，楊曉薇1，黃烯茜1，董傑靖1，王明玥1,2，韓睿明1,2，王國祥1,2*

1. 南京師范大學環境學院，江蘇 南京 210097；2. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心//江蘇省環境演變與生態建設重點實驗室//江蘇省水土環境生態修復工程實驗室，江蘇 南京 210023

為揭示太湖主要入湖河口表層沉積物重金屬分布特征及其生態風險，采集太湖西岸和北岸 12條主要入湖河口表層沉積物樣品，對沉積物中 5種重金屬元素（Cu、Zn、Ni、Pb、Cd）的含量及空間分布特征進行了分析，并利用地累積指數法和潛在生態風險指數法分別研究了表層沉積物重金屬的累積程度及生態風險。結果表明，調查的 12條入湖河流河口表層沉積物均受到不同程度的重金屬污染，Cu、Zn、Ni、Pb、Cd的平均質量分數分別為63.04、173.11、56.71、37.05、2.23 mg?kg-1。各重金屬在空間分布上具有差異性，總體表現為大港河（DGH）、烏溪港（WXG）廟瀆港（MDG）、大浦港（DPG）、陳東港（CDG）、官瀆港（GDG）、洪巷港（HXG）、社瀆港（SDG）河口表層沉積物以重金屬Cd污染為主，而沙塘港（STG）、太滆運河（TG）、直湖港（ZHG）、梁溪河（LXH）河口表層沉積物表現為 Cu、Zn、Ni、Pb的復合污染。地累積指數法評價表明，各入湖河流河口表層沉積物重金屬的污染程度表現為Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb。潛在風險指數（）表明各重金屬的潛在生態風險表現為 Cd＞Cu＞Ni＞Pb＞Zn，主要污染物為 Cd。其中廟瀆港（MDG）和社瀆港（SDG）處于嚴重風險狀態，大港河（DGH）、烏溪港（WXG）、大浦港（DPG）、官瀆港（GDG）、洪巷港（HXG）處于重度風險狀態，陳東港（CDG）、太滆運河（TG）處于中度風險狀態，其余點位生態風險較低。研究表明，西岸入湖河流表層沉積物重金屬潛在生態風險等級高于北岸，但北岸入湖河流河口表層沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb的累積也應當得到重視。

太湖；入湖河口；表層沉積物；重金屬；風險評價

由于重金屬在環境中具有隱蔽性、持續性和不可降解等特性，能通過生物富集和生物放大作用對生態系統造成嚴重危害（Vinodhini et al.，2008；Zhang et al.，2007）。沉積物重金屬含量不僅可以反映水體的污染歷史，在一定條件下，沉積物中的重金屬也可以向上覆水中釋放，影響水質（Almeida et al.，2004；Bryan et al.，1992；王沛芳等，2012）。因此沉積物重金屬污染受到了廣泛關注。

太湖流域是我國著名的水網地區，被稱為“江南水網”（顧征帆等，2005）。近年來隨著太湖流域經濟的快速發展，煤、石油等燃料的消耗量增加，皮革、電鍍、造紙、黑色金屬冶煉、化工等工業廢水通過這些“水網”進入太湖（謝紅彬等，2002）。經過多年來的治理，太湖流域污染雖有所好轉，但沉積物中重金屬污染仍然是威脅太湖生態環境的主要問題之一（袁旭音等，2002）。目前，對太湖沉積物中重金屬污染的研究大多集中在湖區（陳春霄等，2011；陳春霄等，2013），而對主要入湖河流河口沉積物的重金屬污染現狀的研究較少。因此選擇太湖污染較為嚴重的西岸和北岸 12條主要入湖河流作為研究對象，對其沉積物重金屬的分布、污染現狀以及潛在生態風險進行分析，并總結了2000年以來關于太湖沉積物重金屬研究的部分成果，以期為今后太湖重金屬污染防治措施的制定提供依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布置及樣品采集

2015年8月對太湖西岸和北岸12條主要入湖河流進行實地考察，在河口用彼得森采泥器采集了12個表層樣品（0～10 cm），分別為大港河（DGH）、烏溪港（WXG）、廟瀆港（MDG）、大浦港（DPG）、陳東港（CDG）、官瀆港（GDG）、洪巷港（HXG）、社瀆港（SDG）、沙塘港（STG）、太滆運河（TG）、直湖港（ZHG）、梁溪河（LXH）。采用手持式GPS定位器進行導航定位，采樣點位見圖 1。太湖西岸河流包括DGH、WXG、MDG、DPG、CDG、HXG、GDG、SDG等河流，北岸河流包括STG、TG、ZHG、LXH等河流。

1.2 樣品處理與分析

利用彼得森采泥器采集太湖西岸和北岸 12條主要入湖河流0～10 cm表層沉積物，將采集底泥迅速裝入塑封袋并放入冰箱冷凍，然后轉移至真空冷凍干燥器進行干化處理，挑揀出其中的沙石、貝類及植物殘體，用瑪瑙研磨機研磨后過100目尼龍分樣篩，裝入聚乙烯塑封袋中貯存備用。沉積物樣品采用EPA 3051法消化處理（USEPA，2004），并用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd的含量。實驗中所用的玻璃及聚乙烯器皿均以2 mol?L-1的HNO3充分浸泡24 h以上，分析過程采用超純水，并利用國家沉積物標準品GBW-07310進行質量控制，測定結果符合質控要求。

1.3 評價方法

目前對重金屬污染的評價方法主要有地累積指數法（Muller，1969）、沉積物富集系數法（Buat-Menard et al.，1979）、沉積物質量基準法（陳明等，2015）、潛在生態風險指數法（Hakanson，1980）等。其中地累積指數法定量評價沉積物中重金屬污染程度，潛在生態風險指數法考慮了各種金屬污染的綜合作用，被廣泛用于水體沉積物重金屬污染風險分析（劉成等，2014）。本文擬采用這兩種方法對太湖西岸和北岸 12條主要入湖河流沉積物重金屬污染狀況進行評價。

1.3.1 地累積指數法（Igeo）

該方法被廣泛應用于重金屬污染評價，地累積指數法在評價過程中主要考慮元素的富集作用，其評價方程為：

式中，Cn為某種金屬的實際測定值；Bn為該金屬在沉積巖中的地球化學背景值，本文使用江蘇省土壤重金屬背景值（魏復盛等，1990）：Cu、Zn、Ni、Pb、Cd分別為22.3、62.6、26.7、26.2、0.126 mg?kg-1；1.5是考慮到成巖作用引起的背景值波動而引入的參數。地累積指數法根據計算得到的 Igeo數值的大小將重金屬的污染程度劃分為7個等級，詳細的分級情況見表1。

1.3.2 潛在生態風險指數（RI）法

該方法既考慮了單一金屬的污染程度，又可以評價多種金屬元素的協同作用。其評價公式為：

（1）單個金屬污染指數

（2）單個重金屬潛在生態風險指數

（3）多個金屬綜合潛在生態風險指數

2 結果與分析

2.1 重金屬含量分析

太湖西岸和北岸12條主要入湖河流表層沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd的平均質量分數分別為63.04、173.11、56.71、37.05、2.23 mg?kg-1，均高于相應背景值，表明12條入湖河流沉積物均存在一定的污染。以背景值為參照，12條主要入湖河流沉積物樣品中 Cu的平均質量分數為背景值的2.83倍，最高值位于TG點（196.54 mg?kg-1），最低值位于MDG點（24.10 mg?kg-1）；Zn的平均質量分數為背景值的 2.77倍，最高值位于 TG點（429.42 mg?kg-1），最低值位于 MDG點（65.89 mg?kg-1）；Ni的平均質量分數為背景值的2.12倍，最高值位于TG點（126.55 mg?kg-1），最低值位于MDG點（20.76 mg?kg-1）；Pb的平均質量分數為背景值的 1.41倍，最高值位于 WXG點（57.49mg?kg-1），最低值位于DPG點（19.42 mg?kg-1）；Cd的平均質量分數為背景值的17.69倍，最高值位于MDG點（8.63 mg?kg-1），最低值位于STG（0.42 mg?kg-1）。

表1 地積累指數與潛在生態風險指數分級Table 1 Classification of Igeoand potential ecological risk indexes

總體上看，太滆運河（TG點位）沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb的污染最為嚴重，Cd的污染程度較輕；而廟瀆港（MDG點位）的Cu、Zn、Ni、Pb的污染較輕，各重金屬含量接近甚至低于其相應的背景值，但是該點位的Cd污染程度重。其他點位各類重金屬也存在一定的污染，其含量見表2。在12條入湖河流的沉積物中，重金屬Cu、Zn、Ni、Pb含量較高的沉積物主要集中在太湖北岸河流，如太滆運河、直湖港及梁溪河，而重金屬Cd含量較高的表層沉積物主要集中在太湖西岸河流，如廟瀆港、烏溪港、官瀆港和社瀆港。

表2 太湖主要入湖河流表層沉積物重金屬質量分數Table 2 Heavy metal mass fraction in surface sediment of inflow rivers around Taihu Lakemg?kg-1

2.2 地積累指數法評價

利用地積累指數法對太湖西岸和北岸 12條主要入湖河流表層沉積物各重金屬污染狀況進行了評價（表3）。由表3可知，污染程度分布于0～3之間，共四級。各重金屬污染程度大小順序是Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb，與背景值的比較結果類似，污染程度最為嚴重的重金屬是Cd，污染等級（L）為3，達到中度污染水平；Cu、Zn、Ni的污染等級為1級，表明這3種重金屬在12條入湖河流中已經形成輕度污染。Pb的污染等級為0，表明其在12條入湖河流中尚未形成污染。由于重金屬在空間分布上存在差異性，西岸河流河口表層沉積物Cd的富集程度較大，而北岸河流河口表層沉積物Cu、Zn、Ni、Pb的富集程度較大。

表3 表層沉積物重金屬地積累指數及污染等級Table 3 Igeoand contamination level of heavy metals in surface sediment

2.3 潛在生態風險評價

利用式（2）～（4）對 12條主要入湖河流表層沉積物重金屬綜合潛在生態風險進行評價，就單個重金屬生態風險指數（表4）來看，12條河流各類重金屬風險等級為：Cd＞Cu＞Ni＞Pb＞Zn，其中Cu、Zn、Ni、Pb均處于低風險狀態。所調查的12條河流中，Cu、Zn、Ni、Pb的潛在生態風險程度較低；而Cd處于嚴重的風險狀態，特別是廟瀆港、社瀆港、官瀆港和烏溪港。總體上看，12條河流均以Cd的潛在風險等級最高，風險等級分別為中度、較重、重和嚴重，而其他重金屬均處于低風險狀態。因此，從單個重金屬生態風險來看，重金屬Cd表現出最高的風險，與地積累指數的計算結果一致。

從各重金屬的綜合風險指數（表4）來看，MDG和 SDG兩條河流均處于嚴重的風險狀態，潛在生態風險指數分別高達1379.21和525.96，主要的貢獻因子為Cd，其他4種重金屬的污染程度較輕；DGH、WXG、DPG、GDG和HXG5條河流處于重度風險狀態，主要的貢獻因子仍為Cd；CDG和TG兩條河流處于中度風險狀態，STG、ZHG和LXH則處于較低的風險狀態。綜上所述，調查的 12條入湖河流表層沉積物中重金屬Cd具有最高的潛在生態危害。

3 討論

3.1 入湖河流表層沉積物重金屬空間分布特征及生態風險

太湖流域入湖河流眾多而且來水復雜，由入湖河流攜帶的流域內的污染物質易在入湖河口處產生沉積（Zhang et al.，2014）。對入湖河口表層沉積物重金屬含量進行分析，能夠在一定程度上反映各入湖河流對太湖重金屬污染的貢獻。研究表明，太湖西岸和北岸 12條主要入湖河流河口表層沉積物均受到不同程度的重金屬（Cu、Zn、Ni、Pb、Cd）污染，5種重金屬表現出不同程度的富集，其中Cd的富集程度最為嚴重，達17.69倍，Cu、Zn、Ni、Pb分別為2.83、2.77、2.12和1.41倍。5種重金屬在研究區域的空間分布具有明顯差異，其中Cd主要分布在西岸的入湖河口，以MDG區域污染最嚴重，而Cu、Zn、Ni、Pb 4種重金屬則主要分布在北岸的入湖河口，以TG區域污染最嚴重。5種重金屬中，Cd的生態風險指數最高，并且由于其作為潛在生態風險的主要貢獻者，導致MDG、SDG處于嚴重風險狀態，而DGH、WXG、DPG、GDG和HXG處于重度風險狀態，雖然Cu、Zn、Ni、Pb 等4種重金屬在北岸入湖河口沉積物中有所累積，但由于其Cd含量較低，除TG外，其余位點均處于較低的風險狀態。

表4 表層沉積物潛在生態風險指數與風險等級Table 4 Potential ecological risk indexes and risk level of surface sediment

重金屬的的空間分布差異與流域內經濟發展方式、水平及人類活動有關（秦延文等，2012）。本研究 12條河流均為入湖河流，接納了來自流域內的工業、生活、農業灌溉及地表徑流等來水，這些來水的污染特征及排放量可能是造成研究區域內重金屬空間分布差異的主要原因。有研究（Qu et al.，2001）表明，Ni、Pb主要來自電鍍等工業廢水，Pb除了來自工業廢水外，大氣沉降、船舶航行等均能排放Pb，并在沉積物中累積（秦延文等，2012）。TG、ZHG和LXH靠近無錫及常州地區，該區域電鍍、機械制造和金屬冶煉等工業發達，其生產過程中所排放的含有重金屬的廢水能通過ZHG和LXH入湖，可能是導致該區域表層沉積物中 Cu、Zn、Ni、Pb含量高于其他入湖河口的主要原因。WXG、GDG、HXG、TG和ZHG等河流航運發達，可能是造成表層沉積物Pb含量偏高的主要原因。MDG、DPG、HXG、GDG、SDG之間的區域種植業發達，且以傳統農業生產為主（焦偉等，2013），農業生產過程中長期使用大量的農藥和化肥（楊陳等，2016；Tang et al.，2010），可能是加劇區域內 Cd在沉積物中累積并導致該區域生態風險等級較高的主要原因。盡管北岸區域生態風險等級不高，但其沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb的復合污染也應引起足夠的重視。

3.2 沉積物重金屬含量的影響因素

沉積物中重金屬含量不僅取決于源頭排放，且與水體及沉積物理化性質也有很大關系，沉積物對水體重金屬的吸附不僅受到重金屬本身性質的影響，還會受到pH、溫度、氧化還原狀況、有機質、沉積物顆粒組成等因素的影響（王欽等，2008；劉恩峰等，2007）。當然，pH值對不同重金屬的影響是不同的，如Cu、Zn、Pb在弱酸范圍內即可沉淀，而Cd在強酸范圍內生成沉淀。一般認為在還原條件下，沉積物中的重金屬大部分會釋放至上覆水中（劉清等，1996），而且氧化還原條件的變化還會影響pH值，進而影響沉積物重金屬的穩定性（Chen et al.，2001）。重金屬在沉積物中還具有粒度效應，表現為沉積物粒度的減小，水體重金屬含量增大（Zhu et al.，1993）。此外沉積物有機質的含量及礦化分解也能導致與之結合的重金屬釋放（Tack et al.，1996）。因此，沉積物重金屬含量受到多方面因素的影響。

3.3 2000年來太湖表層沉積物重金屬含量比較

本文查閱了自2000年以來，關于太湖表層沉積物重金屬 Cu、Zn、Ni、Pb、Cd的部分研究結果，見表5。由于研究區域不盡相同，因此其測定結果存在一定差異。但總體來看，太湖沉積物重金屬污染已經逐漸好轉。從2009年初《太湖流域15條入湖河流水環境綜合整治規劃總本》的編制完成，至今已過去 7年，太湖主要入湖河流的重金屬污染控制取得了一定成效，但局部區域個別重金屬的積累也應當得到重視。太湖的重金屬污染防治應繼續加強監管力度，對個別重金屬污染嚴重而且存在較高潛在風險的區域應當及時采取相應措施，如底泥疏浚等，從而有效降低沉積物重金屬的潛在生態風險（毛志剛等，2014）。然而，歸根究底，源頭治理才是從根本上解決太湖重金屬污染的最為有效的措施。

表5 2000年以來關于太湖沉積物重金屬研究結果Table 5 Research results of heavy metals in sediments of Taihu Lake since 2000 mg?kg-1

4 結論

（1）本次調查的太湖西岸和北岸 12條主要入湖河流表層沉積物各類重金屬的含量均高于江蘇省區域背景值，表現出不同程度的富集，各金屬的污染程度表現為Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb。

（2）不同區域重金屬的分布具有空間差異性，太湖西岸河流沉積物中重金屬Cd是主要的污染因子，而北岸河流則表現出Cu、Zn、Ni、Pb的復合污染。

（3）從單個重金屬生態風險來看，Cu、Zn、Ni、Pb均處于低風險狀態。但由于受到重金屬Cd影響，西岸河流的風險指數（RI）基本處于較高的水平。雖然北岸河流潛在風險等級較低，但其沉積物中Cu、Zn、Ni、Pb的積累也應當得到足夠的重視。

（4）近年來，太湖沉積物重金屬污染雖有所好轉，但個別重金屬污染較為嚴重和存在較高潛在風險的區域仍不容忽視，應當采取相應措施，如加強源頭監管力度、底泥疏浚等進行治理。

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Distribution and Risk Assessment of Heavy Metals in the Surface Estuarine Sediments of Main Inflow Rivers in Taihu Lake

YAN Xingcheng1,2, YANG Xiaowei1, HUANG Xiqian1, DONG Jiejing1, WANG Mingyue1,2, HAN Ruiming1,2, WANG Guoxiang1,2*

1. School of Environment, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China; 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application//Jiangsu Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction//Jiangsu Engineering Laboratory of Water and Soil Eco-remediation, Nanjing 210023, China

To reveal the distributive characteristics and ecological risk of heavy metals in the estuarine sediment of the inflow rivers in Taihu Lake, surface sediments were collected from the estuaries of 12 inflow rivers located in the western and northern shores of Taihu Lake. Concentrations of five heavy metals (Cu, Zn, Ni, Pb, Cd) were quantified for the sampled sediments, and the spatial distribution characteristics were analyzed. The pollution extent and potential ecological risk of each heavy metal were evaluated based on the geo-accumulation index (Igeo) and the potential ecological risk factor () respectively. The results indicated that all of the 12 main inflow rivers had been confronted with heavy metal contamination to certain extents in the surface estuarine sediments. The average concentrations of Cu, Zn, Ni, Pb, Cd were 63.04, 173.11, 56.71, 37.05, 2.23 mg?kg-1respectively. Spatial heterogeneity was found in the distribution of different heavy metals: the estuaries of inflow rivers Daganghe (DGH), Wuxigang (WXG), Miaodugang (MDG), Dapugang (DPG), Chendonggang (CDG), Guandugang (GDG), Hongxianggang (HXG) and Shedugang (SDG) were mainly polluted by Cd, while the estuaries of Shatanggang (STG), Taigeyunhe (TG), Zhihugang (ZHG) and Liangxihe (LXH) were polluted by a combination of Cu, Zn, Ni and Pb. According to geo-accumulation index (Igeo), the pollution extent of heavy metals in surface sediment followed the order as: Cd＞Cu＞Zn＞Ni＞Pb. According to ecological risk factor (), the potential ecological risk of heavy metals in surface sediment followed the order as: Cd＞Cu ＞Ni＞Pb＞Zn, and Cd was the major pollutant for risk. Among the 12 inflow rivers’ estuaries, MDG and SDG were of serious ecological risk, DGH, WXG, DPG, GDG and HXG were of severe ecological risk, CDG and TG were of moderate ecological risk, STG, ZHG, LXH were of low ecological risk. It was demonstrated that the levels of potential ecological risk of heavy metals in the estuaries of inflow rivers located between DGH and SDG were higher than that between STG and LXH, yet attentions should also be paid to the accumulation of Cu, Zn, Ni and Pb in the estuarine sediments between STG and LXH.

Taihu Lake; estuaries of inflow rivers; sediment; heavy metals; risk assessment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.09.014

X52

A

1674-5906（2016）09-1515-07

閆興成, 楊曉薇, 黃烯茜, 董傑靖, 王明玥, 韓睿明, 王國祥. 2016. 太湖主要入湖河口表層沉積物重金屬分布特征及風險評價[J]. 生態環境學報, 25(9): 1515-1521.

YAN Xingcheng, YANG Xiaowei, HUANG Xiqian, DONG Jiejing, WANG Mingyue, HAN Ruiming, WANG Guoxiang. 2016. Distribution and risk assessment of heavy metals in the surface estuarine sediments of main inflow rivers in Taihu Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 25(9): 1515-1521.

國家水體污染控制與治理重大專項（2012ZX07101-008-02）；江蘇省太湖水環境綜合治理科研項目（JSZC-G2014-212）；國家自然科學基金項目（41403064）；江蘇省教育廳基礎研究計劃（自然科學基金）青年基金項目（BK20140922）；江蘇省教育廳高校自然科學研究面上項目（14KJB610007）

閆興成（1993年生），男，碩士研究生，主要研究方向為水環境生態。E-mail: 15651658250@163.com

*通信作者：王國祥，男，教授，主要研究方向為水環境生態修復。E-mail: wangguoxiang@njnu.edu.cn

2016-08-28