東平湖表層沉積物重金屬的空間分布及污染評價

張菊，何振芳，董杰，鄧煥廣，魯長娟，郭娜

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

東平湖表層沉積物重金屬的空間分布及污染評價

張菊，何振芳，董杰，鄧煥廣，魯長娟，郭娜

聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059

為了解東平湖沉積物中重金屬的污染特征，于2013年11月環湖采集了44個表層沉積物樣品，分析了Al、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb、Zn、Hg、As、有機質的含量和粒度，采用克里格（Kriging）插值法探討了重金屬的空間分布特征，并采用富集因子法和潛在生態風險指數法對其進行了污染評價。結果表明：東平湖表層沉積物有機質的平均質量分數為22.4 g?kg-1；平均粒徑為25.5 μm，以粘粒和粉粒為主；Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg和As的平均質量分數分別為0.299、78.7、43.8、37.3、22.4、100.0、0.030和17.3 mg?kg-1。各重金屬含量較高的區域主要位于大汶河入湖口即湖區的東部、東南部，其次位于南部湖區；Hg和As在湖區北部即出湖區部分區域含量也較高。以黃河干流沉積物化學元素的背景值為評價標準，Cd、Cu和Zn表現為中度污染，其他重金屬元素為輕微污染；總體生態風險水平為中等，其中Cd和Hg是主要的生態危害因子，其對潛在生態風險指數的平均貢獻率分別為46.5%和29.6%。大汶河入湖區和出湖區部分區域表層沉積物重金屬具有強生態風險。Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn之間具有顯著的正相關性，與受人類活動影響較小的Al和Fe亦呈顯著正相關，結合其空間分布特征和污染水平，推斷Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的來源受到自然源和大汶河污染輸入的雙重影響；而Hg和As與其他重金屬元素間的相關性不顯著，其可能還來源于湖區的漁業養殖、化肥農藥、垃圾和生活污水等面源污染，但具體成因仍有待進一步研究。

重金屬；沉積物；空間分布；污染評價；東平湖

東平湖（35°30′～36°20′N，116°00′～116°30′E）是山東省第二大淡水湖泊，也是我國東部地區典型的淺水型湖泊，總面積627 km2，由老湖和新湖兩部分組成。老湖區常年積水，湖盆平坦，面積約209 km2，多年平均水深1～2 m，為典型的淺水型湖泊。在黃河不滯洪的條件下，大汶河是東平湖唯一的入湖河流。東平湖是南水北調東線的主要調節湖和山東省西水東調的水源地，其水質狀況直接關系到調水工程受水區的水質安全問題。由于長年受大汶河流域污染影響，以及水資源的不合理開發和利用，東平湖水體Cd、Hg和As等重金屬污染問題日益凸顯（張菊等，2011；Wang et al.，2015）。通過各種途徑排入湖泊水體的重金屬多數通過沉淀或絮凝作用逐步轉移進入湖泊沉積物中，然而當水體環境條件改變時，重金屬可從沉積物中重新釋放造成二次污染，甚至通過食物鏈對人類健康造成威脅（關瑩等，2014；伍恒赟等，2014114）。因此沉積物是研究湖泊重金屬污染的重要介質。本研究對東平湖表層沉積物中重金屬的含量水平、空間分布特征和來源進行了調查分析，并采用富集因子法和潛在生態風險指數法評價了東平湖表層沉積物中重金屬的污染水平及其潛在生態風險，以期為東平湖的環境保護、管理和生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預處理

于2013年11月采用抓斗式采泥器（ETC-200，中國）采集表層沉積物樣品（厚度0～10 cm）。每個樣點樣品量均超過200 g，并在現場手持GPS定位，具體采樣點見圖1。采集的沉積物樣品裝入聚乙烯密封袋中，帶回實驗室后，用冷凍干燥機（CHRIST，德國）凍干后除雜、混勻，取部分保存于密封袋中用于測定粒度，剩余部分過100目尼龍網篩后保存于密封袋中用于測定重金屬和有機質（Orgg anic Matter，OMM）的含量。

圖1 采樣點分布圖Fig.1Distribution of saampling sites in Doongping Lake, Shandong Province

1.2 分析方法和實驗室質量控制

采用激光粒度儀（LLS 13 320，美國貝克曼庫爾特有限公司）測定樣品粒徑，有機質的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法。樣品用HNO3-HHF-HClO4法消解定容后（張菊，2005），用原子吸收光譜儀（AANALYSST 800，Perkkin-Elmer）測定樣品中AAl、Cd、Cr、Cuu、Fe、Ni、Pb和Zn的含量，其中Al、Cr、Cu、Fee、Ni和Zn用火焰法檢測，Cd和Pbb用石墨爐法檢測。Hg和AAs經王水消解后（陶征楷等，2014），用原子熒光光譜儀（AFS-99230，北京吉天公司）測定。在實驗分析過程中，采用長江底部沉積物標準物質GBW 073309（GSD-9）和土壤標準物質GGBW 07406（GSS-6）作為質控標樣，Al、Cr、Cu、Fe、Ni和Zn回收率均為92.5%～105.5%，Hgg和AAs為88.5%～94.3%，且在每批次實驗中均做3個空白檢測和3組平行，相對標準偏差均小于10%。

1.3 評價方法和數據分析方法

采用富集因子法和潛在生態風險指數法對東平湖表層沉積物重金屬的污染程度及其潛在生態風險進行評價。富集因子法的計算公式為（關瑩等，20114）：

式中，EF（Enrichmentt Factor）為單一重金屬元素的富集系數，(M/Fe)sedimment是沉積物中該重金屬元素質量分數與鐵質量分數之比，(M/AAl)sediment是沉積物中重金屬質量分數與鋁質量分數之比，(M//Fe)ref是重金屬元素與鐵元素的地球化學背景值之比，(M/Al)reff是重金屬元素與鋁元素的地球化學背景值之比。

潛在生態風險指數法的計算公式為（Haakanson，1980）：

表1 1評價指標及其分級Table 1 GGrades of the assesssment index

采用SPSS18.0軟件對數據進行處理和統計分析，采用Arc GIS 10.1的普通克里格（Ordinary Kriging）插值方法分析重金屬空間分布特征并繪制其濃度分布圖和污染評價圖。

表2 東平湖表層沉積物重金屬的含量水平Table 2 Statistic results of concentrations of heavy metals in surface sediments of Dongping Lake, Shandong Province mg?kg-1

2 結果

2.1 東平湖表層沉積物重金屬的含量水平

如表2所示，東平湖表層沉積物中各重金屬的平均含量均高于黃河干流沉積物化學元素的背景含量，其中Cd、Cu、Zn、Hg、As的平均值分別為黃河干流沉積物背景值的3.9、3.4、2.5、2.0和2.3倍；除Al和Pb的平均值低于山東省土壤背景值外，其他重金屬含量的平均值均高于山東省土壤元素背景值。經過T檢驗，上述東平湖沉積物各重金屬平均含量與黃河干流沉積物背景值和山東省土壤背景值的差異均達到顯著水平（P＜0.001）。變異系數（CV，Coefficient of variation）是反映變異程度的一個統計量，根據Wilding（1985）對變異程度的分類，Al、Cd、Cr、Fe、Ni和Zn為小變異（CV＜15%），Cu和Pb為中等變異（15%＜CV＜36%），而Hg和As均為高度變異（CV＞36%)。有機質和粒度是影響沉積物中重金屬含量水平的兩個重要理化性質指標。如表2所示，東平湖表層沉積物有機質含量在5.2～50.9 g?kg-1之間，平均值為22.4 g?kg-1，是山東省土壤有機質背景值的1.9倍；平均粒徑在7.7～62.4 μm之間，平均值為25.5 μm，以粘粒和粉粒為主，63 μm以下的顆粒所占比例為75.4%～99.9%，平均值為90.9%；從變異系數來看，有機質和平均粒徑均為高度變異（CV＞36%)。

2.2 東平湖表層沉積物重金屬的空間分布特征

Al和Fe的空間變異系數均低于10%，為小變異，因此不對其進行空間分析。由圖2所示，各重金屬含量較高的區域主要位于大汶河入湖口附近區域，即湖區的東部、東南部；除Cr和Ni外，其他6種重金屬在南部湖區的含量也明顯較高；Hg和As的含量在湖區北部即出湖區的含量也較高。有機質含量的空間分布與重金屬的分布較為一致，大汶河入湖區和湖的南部區域有機質含量較高，而湖心區和湖的西部區域含量較低。而平均粒徑則表現為湖的南部區域和出湖區的較大，大汶河入湖區次之，湖心區和湖西區的較細。

2.3 東平湖表層沉積物重金屬的污染評價

沉積物背景值的選取對重金屬污染評價的計算結果具有決定性的影響。由于東平湖湖盆是黃河泛濫的泥沙淤塞而成（喻宗仁等，2004），因此采用黃河干流沉積物的地球化學基礎資料作為東平湖沉積物的環境背景值（趙一陽等，1992），即表2中的參比值1。

由富集因子法可得東平湖各重金屬的富集系數，其平均值表現為：Cd（3.17）＞Cu（2.74）＞Zn（2.04）＞As（1.90）＞Hg（1.66）＞N（i1.52）＞Pb（1.22）＞Cr（1.07），其中，Cd、Cu和Zn表現為中度污染，而其他5種重金屬元素表現為輕微污染。從各重金屬富集系數的分布情況來看（圖3a），各點位沉積物中Cd均表現為中度污染，Cu和Zn也主要表現為中度污染，其次為輕微污染；Ni、Pb、Cr、As和Hg則主要表現為輕微污染。Hg和As富集系數的空間變異較大，因此對其空間分布進行進一步的分析，結果如圖3b所示，沉積物中Hg、As表現為中等污染水平以上的水域主要位于大汶河入湖區附近、出湖口附近和湖區的南部。

r的點位中表現為強生態風險。Hg的潛在生態風險系數的空間變異較大，對其空間分布特征進行進一步的分析發現（圖4b）：大汶河入湖區、出湖區附近及湖區南部水域沉積物中的Hg表現為強或很強生態風險。

圖2 東平湖表層沉積物重金屬、有機質和平均粒徑的空間分布Fig.2 Thh e spatial distributtion of heavy metaal and organic mattter concentrationsand average particcle size in surface ssediments of Donggping Lake, SShandong Provincce

東平湖表層沉積物重金屬的潛在生態風險指數（RI）在180.7～471.8之間，其中，RII值大于3000表現為強生態風險的點位所占比例為13.5%；RI平均值為261.3，總體表現為中等生態風險。Cd和Hgg對潛在生態風險的貢獻最大，其平均貢獻率分別為46.55%和29.6%；其次為AAs和Cu，其平均貢獻率分別為8.9%和6.4%；Ni、Pb、Cr和ZZn總的平均貢獻率為8.6%。如圖4c所示，大汶河入湖口和出湖口部分區域表層沉積物重金屬總體生態風險強，應引起關注。

2.4 東平湖表層沉積物重金屬和理化性質的相關分析

如表33所示，Al、Cd、Cr、CCu、Fe、Ni、Pb和Zn兩兩之間存在顯著的正相關性，Hg和AAs與其他重金屬元素的相關性均不顯著。從重金屬元素與理化性質的相關性來看，Cd、Cu、NNi、Pb、Zn、As與有機質均呈顯著正相關，但僅Fe與平均粒徑呈顯著負相關，有機質和平均粒徑呈顯著正相關。

圖3 東平湖表層沉積物重金屬富集系數的分布Fig.3 The disttribution of enrichmment factors of heaavy metals in surfface sediments of DDongping Lake, Shh andong Province

圖4 4東平湖表層沉積物重金屬潛在生態風險指數的分布Fig.44 The distributioon of potential ecollogical risk indicess of heavy metalsin surface sedimennts of Dongping LLaa ke, Shandong Proovince

表3 東平湖表層沉積物重金屬和理化性質的Pearson相關系數Table 3Pearson correlatiion coefficients off heavy metal conccentrations and phyysiochemical properties in surface see diments of Dongpping Lake, SShandong Provincce

表4 東平湖與國內其他湖泊沉積物重金屬含量比較Table 4 Comparison of heavy metal concentrations in surface sediments of Dongping Lake and other lakes in China

3 討論

如表4所示，東平湖表層沉積物中Cd和Zn的含量水平與Wang et al.（2015）202的研究結果較為一致，而Cr、Cu、Pb、Hg和As的平均含量均低于Wang et al.（2015）202的研究結果，但各重金屬尤其是Hg和As的含量范圍和變異系數均大于Wang et al.（2015）202的研究結果，這可能與本次研究布點數較多有關。與南四湖相比，東平湖表層沉積物中Hg和Pb的平均含量較低，而其他6種重金屬的含量較高；Cd、Pb、Zn和Hg的平均含量均顯著低于太湖（除Zn）、巢湖、洞庭湖和鄱陽湖；As的平均含量與鄱陽湖處于同一水平，但顯著低于洞庭湖；Cu的平均含量高于太湖和巢湖，但低于洞庭湖和鄱陽湖；Cr的平均含量高于鄱陽湖，但低于太湖和洞庭湖；Ni的含量與太湖和巢湖處于同一水平。

在黃河不滯洪的條件下，大汶河是東平湖唯一的入湖河流。由于近年來大汶河流域內社會經濟發展和人口增長快速，工業廢水和城鎮生活污水的排放量也逐年增加。大量污染物質經大汶河匯入東平湖后，對東平湖水質造成較大影響。其中，重金屬類污染物易于發生吸附、沉淀作用，隨湖水流動的方向逐漸沉降、稀釋、擴散，形成污染物濃度由大汶河入湖區向西逐漸降低的趨勢（圖2）。這與其他學者對東平湖水體重金屬空間分布特征的研究結果較為一致（馮素萍等，2008；Wang et al.，2015）。

在一定區域內，沉積物中重金屬元素間的相關性可反映其來源是否相同，相關性越大則來源越相似，反之，則說明其具有不同的來源（齊鵬等，2015）。東平湖表層沉積物中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn兩兩之間顯著相關，與平均粒徑無顯著相關性（表3），且具有較為一致的空間分布特征（圖2）；從污染水平來看，Cd、Cu和Zn為中度污染，而Cr、Ni和Pb為輕微污染；同時，這6種重金屬均與Fe和Al存在顯著正相關，而Al和Fe受人類活動影響較小，因此可初步推斷東平湖表層沉積物中的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn除來自于自然源（如沉積母質）外，主要受到大汶河污染輸入的影響。Hg和As與其他重金屬間均不顯著相關，其含量的空間變異顯著高于其他重金屬，總體表現為輕微污染水平；從Hg和As含量的空間分布特征來看，與其他重金屬較為一致的是大汶河入湖口附近區域含量較高，但Hg和As的含量在湖區北部即出湖區附近含量也較高，且Hg和As在出湖區和南部湖區的含量分布也有較大差異（圖3），由此說明Hg和As除來源于大汶河的輸入外，還有其他的污染來源。根據本課題組的實地調研發現，東平湖水域有大量的網箱和圍網養殖；湖區周邊主要是村莊、魚塘、耕地等，并無涉及金屬開采、冶煉等方面的工業企業；同時伴隨著東平湖旅游資源的開發，湖區周邊酒店、餐飲娛樂等相關行業也逐漸發展起來。因此，初步分析Hg和As除來源于大汶河輸入外，還可能來源于湖區的漁業養殖、農藥化肥、垃圾和生活污水等面源污染，但具體來源還有待進一步研究。

根據富集因子法和潛在生態危害指數法的評價結果，東平湖表層沉積物已受到Cd、Cu和Zn的普遍污染，而Hg和As的污染主要位于大汶河入湖區、出湖口和湖區南部；Cd和Hg的毒性系數遠高于其他重金屬，其潛在生態危害強。Wang et al.（2015）203研究也發現As、Cd和Hg是東平湖表層沉積物的主要污染因子和生態危害因子。沉積物對上覆水有持久的影響力，張菊等（2011）111研究發現東平湖湖水中Hg濃度超標且As具有致癌風險，而湖水中的重金屬極有可能來源于沉積物的“二次釋放”。沉積物中重金屬的遷移轉化、毒性響應以及生物有效性主要取決于重金屬的化學形態（孔明等，2015），因此在今后的研究中建議以Cd、Hg、As、Cu和Zn為重點監控因子，對其賦存形態進行研究，以期為東平湖沉積物重金屬的生態風險評價和污染防治提供重要的科學依據。

4 結論

（1）東平湖表層沉積物中Cd、Cu、Zn、Hg和As的含量顯著高于黃河干流沉積物化學元素的背景值和山東省土壤元素背景值，Hg和As含量的變異系數顯著高于其他重金屬元素。

（2）東平湖表層沉積物重金屬的空間分布特征表現為：大汶河入湖口附近區域即湖區的東部、東南部各重金屬含量明顯較高，其次為南部湖區；湖區北部即出湖區部分區域Hg和As的含量較高。

（3）富集因子法和潛在生態風險指數法的評價結果表明：Cd、Cu和Zn表現為中度污染，其他重金屬元素為輕微污染；8種重金屬的總體生態風險水平為中等，其中，Cd和Hg是主要的生態危害因子；大汶河入湖區和出湖區部分區域表層沉積物重金屬具有強生態風險。

（4）相關分析的結果表明：除Hg和As外，其他重金屬之間具有顯著的相關性；東平湖表層沉積物重金屬受到自然源和大汶河污染輸入的雙重影響；Hg和As則可能還來源于湖區的漁業養殖、化肥農藥、垃圾和生活污水等面源污染。

HAKANSON L.1980.An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach [J].Water Research, 14(8): 975-1001.

LI F, HUANG J, ZENG G, et al.2013.Spatial risk assessment and sources identification of heavy metals in surface sediments from the Dongting Lake, Middle China [J].Journal of Geochemical Exploration, 132: 75-83.

WANG Y, YANG L, KONG L, et al.2015.Spatial distribution, ecological risk assessment and source identification for heavy metals in surface sediments from Dongping Lake, Shandong, East China [J].Catena, 125: 200-205.

WILDING L P.1985.Spatial variability: Its documentation, accommodation and implication to soil surveys [M]//NIELSEN D R, BOUMA J.Soils Spatial Variability.Wageningen: PUDOC publishers: 166-194.

YIN H, DENG J, SHAO S, et al.2011.Distribution characteristics and toxicity assessment of heavy metals in the sediments of Lake Chaohu, China [J].Environmental Monitoring and Assessment, 179(1-4): 431-442.

YUAN H, SHEN J, LIU E, et al.2011.Assessment of nutrients and heavy metals enrichment in surface sediments from Taihu Lake, a eutrophic shallow lake in China [J].Environmental Geochemistry and Health, 33(1): 67-81.

馮素萍, 溫超, 沈永.2008.東平湖不同粒徑底泥沉積物中汞的形態分布[J].環境監測管理與技術, 20(6): 22-25, 70.

關瑩, 臧淑英, 肖海豐.2014.連環湖馬圈泡沉積物重金屬污染及潛在生態風險[J].地理科學, 34(4): 505-512.

孔明, 董增林, 晁建穎, 等.2015.巢湖表層沉積物重金屬生物有效性與生態風險評價[J].中國環境科學, 35(4): 1223-1229.

劉良, 張祖陸.2013.南四湖表層沉積物重金屬的空間分布、來源及污染評價[J].水生態學雜志, 34(6): 7-15.

齊鵬, 余樹全, 張超, 等.2015.城市地表水表層沉積物重金屬污染特征與潛在生態風險評估：以永康市為例[J].環境科學, 36(12): 4486-4493.

陶征楷, 畢春娟, 陳振樓, 等.2014.滴水湖沉積物中重金屬污染特征與評價[J].長江流域資源與環境, 23(12): 1714-1720.

伍恒赟, 羅勇, 張起明, 等.2014.鄱陽湖沉積物重金屬空間分布及潛在生態風險評價[J].中國環境監測, 30(6): 114-119.

徐爭啟, 倪師軍, 庹先國, 等.2008.潛在生態危害指數法評價中重金屬毒性系數計算[J].環境科學與技術, 31(2): 112-115.

喻宗仁, 竇素珍, 趙培才, 等.2004.山東東平湖的變遷與黃河改道的關系[J].古地理學報, 6(4): 469-479.

張菊, 鄧煥廣, 陳詩越, 等.2011.東平湖水源地水環境健康風險初步評價[J].安全與環境學報, 11(6): 111-115.

張菊.2005.上海城市街道灰塵重金屬污染研究[D].上海: 華東師范大學: 24

張兆永, 吉力力·阿不都外力, 姜逢清.2015.艾比湖表層沉積物重金屬的來源、污染和潛在生態風險研究[J].環境科學, 36(2): 490-496.

趙一陽, 鄢明才.1992.黃河、長江、中國淺海沉積物化學元素豐度比較[J].科學通報, 37(13): 1202-1204.

中國環境監測總站.1990.中國土壤元素背景值[M].北京: 中國環境科學出版社: 329-493.

Spatial Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals in the Surface Sediments of Dongping Lake

ZHANG Ju, HE Zhenfang, DONG Jie, DENG Huanguang, LU Changjuan, GUO Na
School of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

In order to understand the pollution characteristic of heavy metals in the surface sediments of Dongping Lake, 44 surface sediment samples were collected from Dongping Lake in November 2013, and the concentrations of heavy metals (Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, Hg and As) and organic matter as well as the particle size of the sediment were analyzed.The Ordinary Kriging interpolation method was applied to interpret the spatial distribution characteristics of heavy metal concentrations.Using the concentrations of heavy metals in Yellow River sediments as the background, the pollution assessment was carried out by the enrichment factor method and the potential ecological risk index method.The results showed that the average organic matter content was 22.4 g?kg-1; and the surface sediments were mainly composed of clay and silt grain with an average particle size of 25.5 μm.The average concentrations of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg and As were 0.299, 78.7, 43.8, 37.3, 22.4, 100.0, 0.030 and 17.3 mg?kg-1respectively.In general, high concentrations of heavy metals were found in the inlet areas of Dawen River, i.e.the east and southeast areas of the lake, secondly in the south area of the lake.In addition, high concentrations of Hg and As were also found in part of the north areas which is near the outlet of the lake.The contamination of Cd, Cu and Zn were at the middle level, and the contamination of the others was low.The ecological risk of heavy metals in surface sediments was at middle level, in which Cd and Hg were the main ecological risk factors with average contribution ratios of 46.5% and 29.6%.Strong ecological risk was in surface sediments of the inlet areas of Dawen River and part of outlet areas of the lake.Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn were significantly positively correlated with each other, and also with Al and Fe which are generally less affected by human activities.Combining the above correlation analysis results with the spatial distribution characteristics and pollution levels of these metals, it could be inferred that the concentrations of Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn might be from both the natural sources such as the parent materials and the input of Dawen River.Neither of Hg and As had significant correlations with the other heavy metals, which suggested that the concentrations of Hg and As might be more associated with other non-point sources such as aquaculture, fertilizer and pesticide, garbage and domestic sewage in the lake area, but this still needs further study.

heavy metal; sediment; spatial distribution; pollution assessment; Dongping Lake

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.015

X14

A

1674-5906（2016）10-1699-08

張菊, 何振芳, 董杰, 鄧煥廣, 魯長娟, 郭娜.2016.東平湖表層沉積物重金屬的空間分布及污染評價[J].生態環境學報, 25(10): 1699-1706.

ZHANG Ju, HE Zhenfang, DONG Jie, DENG Huanguang, LU Changjuan, GUO Na.2016.Spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in the surface sediments of Dongping Lake [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1699-1706.

國家自然科學基金項目（41401563）；山東省自然科學基金項目（ZR2014JL028）；中國博士后科學基金項目（2015M571830）

張菊（1980年生），女，副教授，碩士，主要從事水環境與水生態研究。E-mail: mickyjuzi@lcu.edu.cn

2016-07-20