鄱陽湖表層沉積物重金屬污染賦存及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

李正則，張博鑫，盧洪斌

（1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150025；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012）

重金屬具有毒性、持久性和富集性，一旦進(jìn)入環(huán)境就難以被降解，其一般以天然濃度廣泛存在于自然界中[1]。由于人類對重金屬的開采、冶煉和加工，加上商業(yè)性活動的日益活躍，大量重金屬進(jìn)入大氣、水體和土壤中，使得其在地表水、水體沉積物、土壤等多種介質(zhì)中被檢出且賦存濃度較高。水環(huán)境中的重金屬不僅影響動植物生長，而且通過食物鏈積累在生物體內(nèi)，并可以與高分子物質(zhì)（蛋白質(zhì)、酶等）發(fā)生反應(yīng)，對人體的代謝產(chǎn)生不良影響，引發(fā)重大疾病。例如，慢性砷中毒有消化系統(tǒng)癥狀、神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和皮膚病變等[2]；汞可以通過不同途徑進(jìn)入人體，引起以神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟為主的多系統(tǒng)損害[3]；鉛元素可以改變血紅素的合成，造成貧血；鎘可以抑制生物生長，影響某些酶系統(tǒng)的活力，日本的“痛痛病”就是長期食用被污染土壤所生產(chǎn)的“鎘米”引起的[4]。重金屬污染已引發(fā)一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅水生態(tài)安全和人體健康[5]。因此，研究重金屬在環(huán)境中的賦存并評估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對于控制重金屬污染、保護(hù)水環(huán)境安全和人體健康至關(guān)重要。

湖泊是水資源的重要載體，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一。鄱陽湖作為中國最大的淡水湖泊，匯納了贛江、撫河、信江、饒河和修水五條河流的來水，儲存大量的水資源，承擔(dān)著調(diào)洪蓄水、調(diào)節(jié)氣候、降解污染等多種生態(tài)功能，其湖濱濕地、灘涂具有重要的生態(tài)價(jià)值[6]，因此鄱陽湖的水體污染問題關(guān)系到長江中下游的生態(tài)環(huán)境，也影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。劉佳偉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖流域沉積物和土壤中重金屬含量存在明顯差異，兩者可能存在不同的重金屬污染機(jī)制；任瓊等[1]測定了鄱陽湖濕地土壤剖面中重金屬Cu、Zn、Cd、Cr、Pb的含量，結(jié)果表明，鄱陽湖濕地土壤中5種重金屬濃度由高到低的順序?yàn)閆n＞Pb＞Cr＞Cu＞Cd，且濃度均高于鄱陽湖土壤環(huán)境背景值；彭小明等[8]分析了鄱陽湖17處表層沉積物中重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Co的含量，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)率大小排序依次為Hg＞Cu＞Cd＞Pb＞As＞Co＞Ni＞Cr＞Zn；龔嫻等[9]探究鄱陽湖河湖交匯處及長江入湖口沉積物重金屬污染情況，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果顯示，Cu和Cd為主要污染元素，而沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)法則指出Zn元素的潛在生態(tài)毒性較大。由于水體中的污染物經(jīng)過轉(zhuǎn)化、富集等作用對人體健康危害較大，因此有必要研究水體污染情況。通過對地表水體及沉積物中的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，探討對湖泊造成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重金屬元素，為湖泊污染治理提供重要指導(dǎo)。目前，鄱陽湖重金屬污染研究多集中于鄱陽湖流域土壤重金屬污染，并且多關(guān)注短期內(nèi)重金屬污染狀況，缺少對長時(shí)間尺度的沉積物重金屬變化趨勢分析。

本文基于資料獲得的鄱陽湖表層沉積物中6種重金屬年際歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)鄱陽湖沉積物中典型重金屬的歷史變化規(guī)律，探究表層沉積物的重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為鄱陽湖污染防治決策與實(shí)施提供理論依據(jù)，同時(shí)也為中國湖泊重金屬污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于長江中下游交界處的南岸，流域面積廣大，為16.22×104km2，涉及江西、浙江、福建、湖南、安徽和廣東六省。地勢南高北低，北部多為沖積平原，如圖1所示。鄱陽湖流域水網(wǎng)稠密，天然水系發(fā)育良好，贛江、撫河、信江、饒河和修水5條主要河流從四周向鄱陽湖匯聚，最后流入長江，構(gòu)成完整的鄱陽湖水系[10]。因此，鄱陽湖流域水資源豐富，給當(dāng)?shù)靥峁┝己玫陌l(fā)展環(huán)境。鄱陽湖流域氣候溫和，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)逐漸成為推動該區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速增長的主要產(chǎn)業(yè)，各種工廠排放大量污染物入湖，2010—2014年，鄱陽湖每年入湖化學(xué)需氧量約為788.8 t[11]。

圖1 鄱陽湖區(qū)域圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究利用數(shù)據(jù)庫資源，以“鄱陽湖”和“重金屬”為檢索詞，在中國知網(wǎng)、萬方、百度學(xué)術(shù)進(jìn)行了相關(guān)文獻(xiàn)檢索。共檢索相關(guān)文獻(xiàn)67篇，收集了相關(guān)文獻(xiàn)中1993—2021年鄱陽湖表層沉積物中重金屬的監(jiān)測數(shù)據(jù)[12-33]，其數(shù)據(jù)能夠代表全湖重金屬的平均水平。2000年以前的相關(guān)研究收集的數(shù)據(jù)較少，僅收集到1993年的數(shù)據(jù)。2000—2010年的采集數(shù)據(jù)所涉文獻(xiàn)每年均有0～2篇，2010—2021年每年均有0～3篇。對于同一年的多個(gè)數(shù)據(jù)值，采用求均值的方法[34]。記錄各項(xiàng)研究的最大值、最小值、平均值和變異系數(shù)等相關(guān)參考數(shù)據(jù)。重金屬是指比重等于或大于5.0的金屬，如Fe、Mn、Zn、Cd、Cr、Hg、Pb、Co等，而As是一種介于金屬與非金屬的過渡元素，其化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境行為與重金屬有很多相似之處，因此在討論時(shí)也被包含在內(nèi)[35]。

1.3 評價(jià)方法

本文采用HAKANSON[36]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對鄱陽湖沉積物中的重金屬進(jìn)行評價(jià)。該方法綜合考慮了富集程度、生物毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等，以定量劃分和評價(jià)重金屬污染物的潛在生態(tài)危害程度，其涉及的計(jì)算公式有[37]

式中：RI為多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為單項(xiàng)重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Tri為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)；Cfi為重金屬的富集系數(shù)；Ci為重金屬i的濃度實(shí)測值；Cni為重金屬i的參照背景值。

由于沉積物背景值存在較為明顯的區(qū)域性差異，因此本研究采用鄱陽湖土壤背景值作為計(jì)算參照值，相關(guān)重金屬的背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)如表1所示，、RI和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級如表2所示[28]。

表1 鄱陽湖重金屬背景值和毒性響應(yīng)系數(shù)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與分級標(biāo)準(zhǔn)

2 表層沉積物重金屬年際變化

1993—2021年，鄱陽湖沉積物重金屬含量分析結(jié)果如表3所示。鄱陽湖全湖水質(zhì)呈弱堿性，多年平均pH介于7.0～7.6。因此，選取《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）的弱堿性土壤（6.5＜pH≤7.5）風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為參考標(biāo)準(zhǔn)。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，研究分析的6種重金屬中只有Cr小于全國水系沉積物環(huán)境背景值，而六者之中只有Cd大于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其年際均值超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.373倍，污染形勢較為嚴(yán)峻。

表3 1993—2021年鄱陽湖沉積物重金屬含量分析

1993—2021年，鄱陽湖表層沉積物中重金屬的含量變化如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 鄱陽湖表層沉積物中Cu和Pb的含量年際變化

圖3 鄱陽湖表層沉積物中Zn和Cd的含量年際變化

圖4 鄱陽湖表層沉積物中As和Cr的含量年際變化

6種重金屬的含量變化趨勢略有不同。Zn與Cd是先下降再波動上升；Cu呈現(xiàn)先下降再波動上升的趨勢；Pb呈現(xiàn)先上升后下降再波動上升的趨勢；而對于As和Cr來說，因只有3年數(shù)據(jù)，僅可看出As與Cr呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。Cu于1993年達(dá)到最大值，Pb、Zn、Cd、As于2010年達(dá)到最大值，Cr于2013年達(dá)到最大值。

3 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

重金屬的污染狀況不僅需要考慮重金屬含量，還與環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、不同生物對不同重金屬的毒性反應(yīng)等因素有關(guān)，根據(jù)重金屬含量無法判斷重金屬的污染程度，故采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)，用表征各重金屬的污染，用RI表征6種重金屬的綜合污染。

1993—2021年，鄱陽湖表層沉積物值如表4和圖5所示，綜合重金屬各年的平均值來看，Cu（75.13）＞Cd（32.97）＞Pb（18.93）＞As（10.28）＞Zn（2.71）＞Cr（1.43）。Cu、Cd和Pb為RI的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)，貢獻(xiàn)度高達(dá)97.97%，故重點(diǎn)關(guān)注Cu、Cd和Pb污染造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可以看出，Cu、Pb已經(jīng)得到較為有效的控制，而Cd的污染防控還需要加強(qiáng)，2013年到達(dá)低點(diǎn)后，2018年出現(xiàn)明顯反彈，呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 單種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢

表4 1993—2021年鄱陽湖表層沉積物Eri值

鄱陽湖表層沉積物RI值如圖6所示，RI的各年平均值為129.67，呈中等程度污染。從變化趨勢來看，1993—2011年，RI先顯著下降，風(fēng)險(xiǎn)等級由強(qiáng)變?yōu)檩p微；2011年開始逐漸回升，緩慢增長；2020年，其風(fēng)險(xiǎn)等級由輕微又變回中等；2021年，風(fēng)險(xiǎn)等級又由中等降為輕微。最大值出現(xiàn)在1993年，達(dá)到322.27；最小值出現(xiàn)在2011年，僅為44.00。1993年，重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級達(dá)到強(qiáng)，尤其是Cu的單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級達(dá)到很強(qiáng)，這是當(dāng)時(shí)流域范圍內(nèi)大量銅礦開采導(dǎo)致的，整個(gè)流域水體及沉積物的重金屬含量逐漸增多[38]；隨著鄱陽湖污染治理得到重視，污染治理措施更加完善，鄱陽湖表層沉積物重金屬含量逐漸降低，尤其是2009年環(huán)鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和“保護(hù)一湖清水”戰(zhàn)略構(gòu)想的提出和實(shí)施，為鄱陽湖重金屬污染治理帶來新的機(jī)遇[39]；2010年，近1.35億t生活廢水因得不到有效處理而排放到鄱陽湖中[39]，從而加重鄱陽湖重金屬污染，重金屬污染程度逐漸有回升趨勢。

圖6 1993—2021年鄱陽湖表層沉積物RI值變化特征

4 結(jié)論

本文通過對比分析鄱陽湖表層沉積物的重金屬含量年際變化，評估鄱陽湖表層沉積物的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，1993—2021年，表層沉積物中6種重金屬只有Cd大于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其年際均值超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.373倍。Zn與Cd先下降再波動上升；Cu呈現(xiàn)先下降再波動上升的趨勢；Pb呈現(xiàn)先上升后下降再波動上升的趨勢；而對于As和Cr來說，因只有3年數(shù)據(jù)，僅可看出As與Cr呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。Cu于1993年達(dá)到最大值，Zn、Pb、Cd、As于2010年達(dá)到最大值，Cr于2013年達(dá)到最大值。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果顯示，各重金屬的污染程度排序?yàn)镃u＞Cd＞Pb＞As＞Zn＞Cr。Cu、Cd和Pb為RI的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)，貢獻(xiàn)度高達(dá)97.97%，故重點(diǎn)關(guān)注Cu、Cd和Pb污染造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。單項(xiàng)重金屬的Eri值變化趨勢顯示，Cu、Pb已經(jīng)得到較為有效的控制，而Cd的污染防控還需要加強(qiáng)，2013年到達(dá)低點(diǎn)后出現(xiàn)明顯反彈，呈現(xiàn)上升趨勢。表層沉積物的各年RI平均值為129.67，呈中等程度污染，其變化特征為先顯著下降，等級由強(qiáng)變?yōu)檩p微，再逐漸上升，由輕微逐漸變?yōu)橹械龋笥纸禐檩p微。