鄱陽湖北部湖區沉積物重金屬分布及其潛在生態風險評價

楊期勇*，曾明，謝琪，程鵬飛，邱秀文，黃亮，趙軍凱

1. 九江學院鄱陽湖生態經濟研究中心，江西 九江 332005；2. 九江學院化學與環境工程學院，江西 九江 332005；

3. 九江市流域管理與生態保護重點實驗室（九江學院），江西 九江 332005；4. 九江學院旅游與國土資源學院，江西 九江 332005

重金屬元素具有難降解、易積累、毒性大和易被生物富集吸收等特點，是對環境人體健康最具有威脅的污染物之一。微量濃度重金屬即可產生毒性，在微生物作用下會轉化為毒性更強的有機金屬化合物，可被生物富集，過量的重金屬除了對魚類自身生理活動造成影響，如鎘可改變魚類的營養結構，抑制魚鰓對鈣的吸收，影響魚類生長代謝及組織器官功能（涂宗財等，2017），還可通過食物鏈進入人體，造成慢性中毒。

鄱陽湖是中國第一大淡水湖，承擔著調洪蓄水、調節氣候、降解污染等多種生態功能，其湖濱濕地、灘涂具有重要的生態價值，是多種珍稀鳥類和動物的棲息地，在中國乃至全球生態格局中具有十分重要的地位。鄱陽湖流域重金屬資源豐富，其中信江中游的永平銅礦和樂安河中、下游的德興銅礦，是中國著名的大型銅業基地。近年來，隨著鄱陽湖流域工業化、城鎮化的快速發展，大量的重金屬隨著河流排放入湖，2006—2012年樂安河流域企業每年排放含重金屬工業廢水均超過3×106t，含6種主要重金屬（Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、As），這些含重金屬工業廢水排入樂安河后，會優先吸附在顆粒物上，隨河水一起流入鄱陽湖（伍恒赟等，2014）。

湖泊沉積物作為湖泊環境中重金屬的主要儲存庫，可以反映湖泊中重金屬污染的狀況，并對湖水具有持久影響，沉積物中的重金屬污染物在一定條件下，如受到水流擾動，會再次進入水體而造成二次污染（喬勝英等，2005；Kunwar et al.，2005）。長期以來，沉積物重金屬對環境的污染，受到國內外專家學者的廣泛關注（Ghrefat et al.，2006；Yu et al.，2008；Coz et al.，2008；Yao et al.，2009；Sun et al.，2010）。近年來，受氣候變化和人類活動的影響，鄱陽湖枯水期時間延長，湖泊低水位頻發，湖泊的“河流屬性”顯著，推動了水體中的重金屬由“水相”轉“固相”從而進入沉積物中，給湖泊漁業和水生態環境帶來了潛在的生態隱患（金艷等，2007；劉婉清等，2014）。

前人基于沉積物現場調查數據，對鄱陽湖流域沉積物重金屬分布特征和污染現狀進行了研究（弓曉峰等，2006；李鳴，2010；胡春華等，2011；劉婉清等，2014；伍恒赟等，2014；簡敏菲等，2014）。本文基于豐、枯水期鄱陽湖入江水道、內湖北部湖區的沉積物調查資料，分析了區域內沉積物重金屬的分布特征和影響因素，并進行了重金屬污染的潛在風險評價。

1　實驗部分

1.1　樣品采集

分別于2015年7月鄱陽湖豐水期和2015年11月枯水期，在鄱陽湖入江水道和內湖北部湖區采集了11個和12個表層沉積物樣品（豐水期的姑塘鎮站未取樣成功），采樣站點布設如圖1和圖2所示。在枯水期到來之前鄱陽湖湖區出現強降雨，使得采樣湖區水位只比豐水期采樣時低3 m左右。

通過自制拖拉式采樣器對鄱陽湖表層沉積物進行采樣。沉積物經自然風干，瑪瑙研磨過100目篩選，裝入預處理封口袋中備用。

1.2　測試方法

沉積物中Cd測定采用石墨爐原子吸收分光光度法（GB/T17141—1997），Hg采用冷原子吸收分光光度（GB/T17136—1997），As采用原子熒光法（GB/T22105.2—2008），Cu、Zn采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T17138—1997），Pb采用KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法（GB/T17140—1997）。

1.3　評價方法

潛在生態風險指數法是瑞典學者 Hakanson（1980）提出的，該方法綜合考慮了重金屬元素的毒性、重金屬元素污染的敏感性，以及重金屬元素區域背景值的差異，并給出了重金屬元素潛在生態風險程度的定量劃分，是國內外沉積物質量評價中應用最為廣泛的方法之一，其評價公式為：

式中，RI為沉積物中多種重金屬潛在生態風險指數；Ci為污染物的實測值（mg·kg-1）；為鄱陽湖流域沉積物重金屬背景值（《鄱陽湖研究》編委會，1988），如表1所示；為單個污染物

圖1　鄱陽湖豐水期調查點位Fig. 1　The survey sites of Poyang Lake in high-water period

圖2　鄱陽湖枯水期調查點位Fig. 2　The survey sites of Poyang Lake in low-water period

表1　沉積物中重金屬含量參考值和毒性系數Table 1　Reference value and toxicity coefficient of heavy metal in sediment

2　結果與討論

2.1　鄱陽湖北部湖區沉積物重金屬分布特征

豐水期Cd質量分數最高的是贛江北支采樣點，達2.941 mg·kg-1（表3），最低的是湖口渡口采樣點，為 0.64 mg·kg-1，均值為 1.87 mg·kg-1；Cu 質量分數最高的是星子水文站采樣點，達51.26 mg·kg-1，最低的是贛江中支采樣點，為19.71 mg·kg-1，均值為36.56 mg·kg-1；Zn質量分數最高的是棠蔭水文站采樣點，達256.83 mg·kg-1，最低的是虞家河采樣點，為 82.02 mg·kg-1，均值為 270.28 mg·kg-1；Cr質量分數最高的是星子水文站采樣點，達75.41 mg·kg-1，最低的是贛江中支采樣點，為30.06 mg·kg-1，均值為51.09 mg·kg-1；Ni質量分數最高的是棠蔭水文站采樣點，達63.60 mg·kg-1，最低的是虞家河采樣點，為 22.26 mg·kg-1，均值為 50.78 mg·kg-1；Pb 質量分數最高的是都昌水文站采樣點，達75 mg·kg-1，最低的是屏峰山采樣點，為 36 mg·kg-1，均值為 56 mg·kg-1；Hg質量分數最高的是棠蔭水文站采樣點，達0.138 mg·kg-1，最低的是贛江中支采樣點，為0.05 mg·kg-1，均值為 0.09 mg·kg-1；As質量分數最高的是星子水文站，達17.88 mg·kg-1，最低的是湖口渡口采樣點，為 9.28 mg·kg-1，均值為 17.94 mg·kg-1。

表2　各指標范圍對應的污染程度Table 2　The degree of pollution corresponding to each indicator range

表3　豐水期重金屬檢測結果Table 3　Heavy metal detection results in high-water period　　　　　　　　　mg·kg-1

枯水期Cd質量分數最高的是星子水文站采樣點，達1.407 mg·kg-1（表4），最低的是大湖池采樣點，為 0.623 mg·kg-1，均值為 0.93 mg·kg-1；Cu質量分數最高的是黃金嘴采樣點，達66.65 mg·kg-1，最低的是棠蔭水文站采樣點，為28.09 mg·kg-1，均值為40.22 mg·kg-1；Zn質量分數最高的是吳城鎮碼頭采樣點，達393.05 mg·kg-1，最低的是湖口水文站采樣點，為 123.35 mg·kg-1，均值為 197.50 mg·kg-1；Cr質量分數最高的是星子水文站采樣點，達42.25 mg·kg-1，最低的是柳樹灣航道采樣點，為 25.96 mg·kg-1，均值為 33.65 mg·kg-1；Ni質量分數最高的是黃金嘴采樣點，達34.54 mg·kg-1，最低的是棠蔭水文站采樣點，為 21.03 mg·kg-1，均值為 27.36 mg·kg-1；Pb質量分數最高的是黃金嘴采樣點，達340 mg·kg-1，最低的是大湖池采樣點，為 48 mg·kg-1，均值為119.45 mg·kg-1；Hg質量分數最高的是大湖池采樣點，達0.188 mg·kg-1，最低的是屏峰山—長嶺采樣點，為 0.05 mg·kg-1，均值為 0.088 mg·kg-1；As質量分數最高的是黃金嘴采樣點，達 91.80 mg·kg-1，最低的是大湖池采樣點，為 14.95 mg·kg-1，均值為 35.92 mg·kg-1。

鄱陽湖底泥中Cd、Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Hg、As等8種重金屬元素在豐水期和枯水期的均值，與鄱陽湖流域沉積物重金屬背景值（《鄱陽湖研究》編委會，1988）進行比較，結果如圖3所示。由圖3可知，除Ni外，其余7種重金屬均值含量都高于背景值，尤其是Cu、Zn和Pb，其在枯水期的均值分別是背景值的8.68倍、4.67倍、9.28倍。

李鳴（2010）研究了鄱陽湖豐水期、平水期、枯水期水體中重金屬含量，認為不同時期湖區水體中Pb、Cu、Zn、Cr、Cd的含量整體變化不大，枯水期和平水期Fe、Mn含量整體高于豐水期。涂淑玲等（2005）對2004年平水期（4月）與枯水期（10月）鄱陽湖湖區水體進行了采樣，研究發現平水期和枯水期水體重金屬含量整體變化不大；簡敏菲等（2015）研究發現采樣點水體中Cu、Pb、Cd等重金屬的濃度均未超出地表水環境質量Ⅲ類標準限值。綜合前人研究成果，水體中重金屬的濃度變化不大，且均低于地表水環境質量標準中Ⅲ類水的限值，因此本文未對水體進行采樣和分析，研究發現沉積物中重金屬含量能較好地反映不同區域重金屬污染情況。

表4　枯水期重金屬檢測結果Table 4　Heavy metal detection results in low-water period　　　　　　　　　mg·kg-1

表5　沉積物重金屬均值與背景值Table 5　The mean values and background values of heavy metal in sediment　　　　　mg·kg-1

圖3　鄱陽湖沉積物重金屬均值與背景值柱狀圖Fig. 3　A histogram of the background value and the mean value of heavy metal in sediment of Poyang Lake

2.2　沉積物重金屬含量趨勢分析

贛江水系和饒河水系是鄱陽湖五大水系中的兩條主要水系（圖 4），本調查中的棠蔭水文站、都昌水文站、贛江北支、星子水文站、屏峰山、湖口水文站等 6個采樣點較均勻分布在這兩大水系中，其中星子水文站處于贛江水系與饒河水系交界處（圖 5）。豐、枯水期從棠蔭水文站至湖口水文站6個采樣點沉積物中各重金屬含量趨勢如圖6所示，圖中散點從左至右分別對應棠蔭水文站向北至湖口各水文站，這6個站位豐水期沉積物重金屬含量整體上高于枯水期。

圖4　鄱陽湖兩大水系分布圖Fig. 4　Two water systems of Poyang Lake

圖5　6個采樣點位分布圖Fig. 5　Distribution map of 6 smpling sites

對圖6中重金屬在棠蔭水文站以北站位的趨勢進行了分析，得出了以下結論，（1）豐水期Cd含量高于枯水期，內湖站位的沉積物含量整體上高于入江水道站位；枯水期入江水道沉積物Cd含量整體上高于內湖站位。（2）6個采樣點沉積物中 Cu含量在豐水期和枯水期都呈現出較明顯增加的趨勢。在豐水期調查的棠蔭水文站以北的9個采樣點中，入江水道中除了星子水文站和湖口水文站外，其他幾個采樣點沉積物中Cu含量整體上小于內湖中的棠蔭水文站、贛江南支站和都昌水文站等采樣點。除黃金嘴站位外，枯水期內湖站位Cu含量略低于入江水道中的站位。（3）豐水期沉積物Zn含量整體上高于枯水期，豐水期6個采樣點的Zn含量沒有表現為明顯的變化趨勢，枯水期則呈現較明顯的下降趨勢。（4）在豐、枯水期，6個采樣點的Cr含量呈現升高的趨勢，豐水期入江水道口的贛江北支采樣點和星子水文站采樣點沉積物的 Cr含量明顯高于其他采樣點。（5）各采樣點枯水期Pb含量整體高于豐水期，豐水期各采樣點 Pb含量變化較小，枯水期除棠蔭水文站外，其他采樣點 Pb含量變化亦不明顯。枯水期的棠蔭水文站 Pb含量大大高于其他5個采樣點，且棠蔭水文站附近的柳樹灣航道、黃金嘴兩個采樣點的 Pb含量也明顯高于其他點（見表4）。（6）豐水期沉積物Ni含量明顯高于枯水期。豐水期各采樣點Ni含量變化較小，表現為緩慢的下降趨勢；枯水期各采樣點沉積物的Ni含量表現為小幅的上升。（7）豐水期沉積物的Hg含量高于枯水期，豐水期各采樣點Hg含量表現為下降的趨勢，枯水期Hg含量則呈現小幅的上升。（8）枯水期 As含量整體高于豐水期，在豐、枯水期都表現為下降的趨勢，豐水期變化較小，而枯水期下降趨勢較為明顯。枯水期的柳樹灣航道、黃金嘴兩個取樣點沉積物的 As含量明顯高于其他采樣點（見表4）。

圖6　重金屬含量散點分布圖Fig. 6　Scattered points distribution of heavy metals content

上述關于豐、枯水期的鄱陽湖湖區的表層沉積物重金屬分布的趨勢分析與前人研究基本一致。劉婉清等（2014）根據 2012年豐、枯水期鄱陽湖湖區多站位表層沉積物調查數據，分析了豐、枯水期沉積物重金屬的分布態勢，認為豐水期沉表層積物Cr、Pb、Cu、Zn、Cd等重金屬含量整體高于枯水期，表現為豐水期湖區東南部高于西北部和入江水道，而枯水期則表現為湖區西北部和入江水道高于東南部。

2.3　重金屬分布的影響因素

重金屬的分布與河流輸入量、湖泊水位和水動力以及湖泊岸線息息相關，本文針對這些因素，對重金屬的空間分布的影響因素進行了分析。

2.3.1河流輸入量的影響

鄱陽湖重金屬主要來源于五大入湖河流輸入的工業污水（呂蘭軍，1994；弓曉峰等，2006），李鳴（2010）基于五大入湖河流入湖段的水體和沉積物調查資料，發現Pb和Cr主要來源于信江、饒河和撫河，Cu和 Cd主要來源于信江和饒河，Zn則主要來源于信江、饒河和贛江，豐水期入湖河流重金屬含量高于枯水期，五大河入湖段和湖區沉積物重金屬含量平均值如表6所示。本研究發現，河流的輸入對鄱陽湖重金屬的分布具有重要的作用，豐水期河流輸入重金屬的量超過枯水期，使得豐水期湖泊沉積物重金屬含量整體上高于枯水期；前人研究發現信江、饒河和贛江是鄱陽湖湖區 Zn的主要來源（李鳴，2010），本次豐水期調查期內湖區和入江水道各站位沉積物Zn含量變化不大（圖6），這可能與豐水期贛江水體中有較多的 Zn流入入江水道有關。

表6　五大河入湖段和湖區沉積物重金屬平均質量分數Table 6　The mean value of heavy metals mass fraction in sediment of 5 river tails and lake area　　　mg·kg-1

2.3.2湖泊水位、水動力的影響

鄱陽湖表現為高水位時呈現湖相，低水位時為河相，形成“洪水一片，枯水一線”的獨特景觀（彭俊，2015）。豐水期湖泊水量較大，水位較高，五河來水進入鄱陽湖后，水體流速驟降（張琍等，2014），攜帶的污染物易于沉積，導致各重金屬含量高且分布集中；相對于豐水期的高水位湖面，枯水期鄱陽湖水位較低，具有河流屬性，該階段湖水落槽，鄱陽湖內湖的流速較高（李云良，2013），更容易將大量沉積于五河河口處的沉積物重金屬沖刷至水體中，攜帶至更遠的區域，使得鄱陽湖枯水期沉積物重金屬分布更均勻（劉婉清等，2014）。

本研究發現豐水期內湖站位沉積物中Cd含量整體上高于入江水道站位（圖 6），這可能由于湖區Cd主要來源于信江、饒河和撫河，豐水期湖泊水位較高，較多的Cd沉積在河流入湖處，隨著距離加長，沉積物中Cd含量減少；枯水期入江水道站位沉積物中Cd含量高于內湖站位，這可能由于枯水期河流Cd來量減少，湖泊河流屬性增強，重金屬向下游河道擴散，使得入江水位沉積物中 Cd含量較高。

在豐水期調查的棠蔭水文站以北的9個采樣點中，除了星子水文站和湖口水文站外，入江水道中其他幾個采樣點Cu含量整體上小于內湖中的棠蔭水文站、贛江南支和都昌水文站等采樣點。除黃金嘴外，枯水期內湖采樣點Cu含量略低于入江水道中的采樣點。

枯水期湖泊的河流屬性增強，沉積物中重金屬向下游河道擴散，使得入江水道沉積物中的含量高于內湖區，本次調查中幾個采樣點的Zn、Cr、Ni、Hg等重金屬都表現出這種趨勢（圖6）。

2.3.3湖泊岸線的影響

鄱陽湖岸線形態對于沉積物中重金屬的分布有重要的影響。枯水期的黃金嘴、柳樹灣航道采樣點的Zn、Pb、As含量明顯高于其他點位，這段湖岸為農業區，沒有工業排放污染源，重金屬含量高可能是由于鄱陽湖岸線在此有較明顯的突出，而枯水期鄱陽湖湖區水位較低，河流屬性加強，突出的岸線使水體中的懸浮泥沙容易在此沉積，因而重金屬含量較高。

2.3.4降雨的影響

任泓泉等（2013）研究表明河流上游暴雨引起洪峰，上游沉積物中重金屬隨洪水流入下游水庫，使得水庫水質和沉積物的重金屬污染加重。本次枯水期調查前發生了一場強降雨，使得調查時水位較高，降雨對于沉積物重金屬的分布有一定的影響。鄱陽湖枯水期河流屬性增強，降雨使得湖區流速加大，會導致五大入湖河流河口區富含重金屬的沉積物向下游輸運，也會增高北部湖區和入江水道水域的沉積物重金屬含量。

表7　生態風險評價結果Table 7　Ecological risk assessment results

2.4　污染物重金屬評價

3　結論

根據 2015年豐水期和枯水期鄱陽湖北部湖區的沉積物調查資料，分析了沉積物中Cd、Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Hg等重金屬在調查水域的分布特征，揭示了重金屬分布的影響因素，并采用Hakanson重金屬元素潛在生態風險指數評價了沉積物中重金屬個體風險危害程度和綜合風險危害程度。結論如下：

（1）豐水期鄱陽湖北部湖區沉積物中Cd、Cr、Ni含量整體上高于枯水期，枯水期沉積物中 Cu、Zn、Pb、As含量整體高于豐水期。

（2）鄱陽湖沉積物中8種重金屬，除Ni外，其他重金屬在沉積物中的含量均高于鄱陽湖流域沉積物重金屬背景值，其中Cu、Zn和Pb的枯水期均值分別是背景值的8.68倍、4.67倍、9.28倍。

（3）受河流輸入量、湖泊水位和水動力以及湖泊岸線等因素的影響，北部湖區沉積物重金屬含量分布具有一定的規律性：豐水期河流輸入重金屬的量超過枯水期，使得豐水期湖泊沉積物重金屬含量整體上高于枯水期；枯水期湖泊的河流屬性增強，沉積物中重金屬向下游河道擴散，使得入江水道沉積物中的含量高于內湖區；鄱陽湖岸線形態對沉積物中重金屬的分布有重要的影響，枯水期鄱陽湖湖區水位較低，河流屬性加強，突出的岸線使水體中的懸浮泥沙易沉積于此，故其重金屬含量較高。

（4）鄱陽湖底泥重金屬潛在生態風險評價結果表明：鄱陽湖底泥重金屬均存在一定的潛在危害性，鄱陽湖個體潛在危害程度順序為：Cd＞Hg＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Zn＞Cr，其中 Cd 的個體潛在危害指數為417，潛在危害風險性極高。綜合潛在生態風險指數RI均值為528.4，屬于極強潛在生態危害。

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