巢湖北岸烔煬河流域池塘沉積物中重金屬污染特征

摘 要：在巢湖北岸烔煬河流域，選擇不同利用類型的池塘鉆取了沉積物柱狀樣，分析了沉積物重金屬元素濃度，并剖析了重金屬在水平、垂向上的分布特征和污染程度。結果表明，池塘表層沉積物中Cr、As、Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn濃度分別為56.5～91.0、6.4～10.1、0.06～0.11、0.10～0.25、18.07～28.77、11.58～17.60 、15.94～19.0、42.26～68.07 mg/kg；垂向上隨著沉積物深度增加，重金屬濃度總體呈下降趨勢。烔煬鎮老鎮區池塘（S1）表層沉積物中重金屬濃度高于其他池塘。烔煬河流域池塘沉積物中重金屬Cr、Hg、Cu、Zn、As等5種重金屬元素具有同源性，受成土母質影響，而Ni、Pb、Cd 3種重金屬受人類活動影響；池塘表層沉積物重金屬綜合潛在生態風險指數處于輕微生態風險。

關鍵詞：重金屬污染；烔煬河流域；池塘沉積物；潛在生態風險指數

中圖分類號：X131 文獻標志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0405

沉積物作為水生生態系統的組分之一，既是污染物的“匯”，也是污染物的“源”[1]。重金屬是一類不易被生物降解的污染物，進入水體后，易被水中懸浮顆粒物吸附。在重力作用下，這些吸附了重金屬離子的懸浮顆粒物沉降至沉積物表面，形成新的沉積物-水界面層。沉積物-水界面易受水動力、生物擾動影響[2]，沉積物富集的重金屬離子會再次進入上覆水體，使得水環境中重金屬離子濃度上升[3]。因此，沉積物中重金屬的環境行為及其生態風險一直是水生態系統健康研究的熱點[4]。國內外學者廣泛開展了湖泊、河流和海洋中重金屬污染風險評估研究[5-7]。然而，現有研究對小流域池塘沉積物中重金屬及生態風險的特征關注較少。

烔煬河流域位于巢湖北部，流域面積約100 km2，烔煬河全長約22.78 km，其上游主要為農業用地；中游流經烔煬鎮區，開發利用程度較高；下游圩區主要為農業用地。據烔煬鎮政府統計，流域內常住人口為16 981人；水田、旱地面積占流域總面積比例分別為27.2%、33.4%，水稻、油菜和小麥是主要的農作物；工業類型以智能制造、建筑建材、裝備制造、食品加工為主，現有企業100余家，其中規模以上企業20家，2022年規模以上工業總產值達12.9億元。由于地處丘陵崗地，流域內存在許多面積不等的池塘，當地居民利用這些池塘進行水產養殖活動，養殖品種以鰱、鳙、草魚、鯉魚、鯽魚等當地土著種為主。因水溫、單位面積內水產品密度以及養殖種類不同，水產養殖投餌率（飼料質量占每100 kg魚質量的百分比）在0.6%～3.0%范圍內波動。近年來，隨著烔煬鎮周邊地區經濟和城鎮化的快速發展，大量的工農業廢水、生活污水以及自然雨水過程形成的地表徑流進入這些池塘，導致塘內水質惡化。重金屬是一種隱蔽性高、降解難的污染物，隨養殖投餌、地表徑流進入沉積物中。本研究通過分析烔煬河流域池塘柱狀沉積物中重金屬離子濃度，闡明其水平、垂向空間分布特征；運用統計分析手段，解析重金屬主要來源；采用風險評價閾值，評價沉積物重金屬污染水平。研究成果可為我國池塘沉積物中重金屬污染防治提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設與樣品采集

在烔煬河流域布設10個沉積物監測點位（圖1）。S1—S10采樣點分別位于烔煬鎮老鎮區、大何鮑村、大份李村、螺灘張村、示范場村、土橋高村、朝陽公路旁、方莊村、萩藤村、管蔣村。2021年3月，利用柱狀采泥器（內徑86 mm）采集池塘沉積物樣品，用活塞推桿將泥樣推出，并按照深度0～3、3～10、10～17、17～25、25～32、32～50 cm切割，分割的泥樣保存在聚氯乙烯密封袋密封中，快速帶回至實驗室，并低溫（-20 ℃）保存。

1.2 樣品處理分析與和質量控制

沉積物樣品冷凍干燥后，研磨過孔徑為150 μm尼龍篩，放入干凈的自封袋中備用。取一定質量的待測樣品于聚四氟乙烯消解罐中，在HNO3和HF環境條件下微波消解。消解液中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb濃度采用電感耦合等離子體質譜儀測定，As濃度采用原子熒光光譜儀測定，Hg濃度采用Hydra-c型全自動測汞儀測定。為保證測定結果精度，對樣品進行了重復分析（重復率為10%）和標樣分析（加標回收率為90.00%～105.00%），樣品分析誤差lt;10%，符合質量控制要求。

1.3 數據處理方法

重金屬元素濃度之間的Pearson線性相關系數，可甄別重金屬元素間來源同源性。主成分分析（PCA）可實現用較少的變量去解釋原來資料中的大部分變量，利用Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）和Bartlett球形測試檢驗了監測數據的適用性，KMO值接近1表明開展主成分分析是有價值的，Bartlett球形測試概率＜0.05表示參數之間顯著相關[1]。在本研究中，KMO值和Bartlett球形測試概率分別為0.77和0.03，表明PCA可用來解釋重金屬來源之間的關聯性。聚類分析能將一組數據分成多個類別，使得同一類別內的數據相似性較高，不同類別之間的相似性較低；采用War’s方法，以歐幾里德距離作為群集之間的距離，聚類分析將距離相近的個體參數或變量分組[8]。利用SPSS 19.0社會統計軟件進行非參數檢驗、主成分分析和聚類分析；采用GraphPad Prism 7繪制烔煬河流域池塘沉積物中重金屬濃度垂向分布圖。

2 結果與討論

2.1 烔煬河池塘沉積物中重金屬分布特征

烔煬河流域10個池塘表層（0～10 cm）沉積物中重金屬Cd、As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn濃度分別在0.10～0.25、6.4～10.1、56.5～91.0、18.07～28.77、0.06～0.11、15.94～19.0、11.58～17.60、42.26～68.07 mg/kg范圍內變化，其平均值分別為0.17、7.98、68.3、20.33、0.07、17.95、14.05、52.35 mg/kg，分別是下層沉積物重金屬元素平均濃度的1.89倍、1.50倍、1.13倍、1.44倍、1.40倍、1.44倍、1.18倍、1.34倍，表明農業生產、畜禽養殖、水產養殖、采礦等人類活動促進了表層沉積物中重金屬元素的富集[9]。烔煬鎮老鎮區池塘采樣點（S1）表層沉積物中重金屬濃度最高，除Cd、Hg和Ni外，As、Cr、Cu、Pb和Zn分別是巢湖流域沉積物對應重金屬背景值的1.07倍、1.14倍、1.52倍、1.12倍和1.15倍；其他池塘表層沉積物中重金屬元素濃度均低于巢湖流域沉積物重金屬背景值[10]。

烔煬河流域10個池塘沉積物柱狀樣中Cd、As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn濃度在0.07～0.18、5.1～8.9、51.7～82.2、13.86～24.19、0.05～0.09、14.14～18.22、8.91～14.93、38.07～55.09 mg/kg范圍內變化，平均值分別為0.12、6.39、63.8、16.60、0.06、16.88、12.78、44.38 mg/kg。除烔煬鎮老鎮區采樣點（S1）池塘沉積物柱狀樣Cr和Cu外，其他采樣點沉積物柱狀樣重金屬平均濃度均低于巢湖流域沉積物重金屬背景值[10]。

圖2表明，隨著池塘沉積物深度增加，8種重金屬元素濃度均呈先增大后減小，最大值出現在10 cm左右的亞表層，總體呈下降趨勢。這與Deng等[11]的研究結果一致，淺水湖泊水動力擾動使長蕩湖表層沉積物中重金屬離子與水體頻繁發生交換，導致表層沉積物中重金屬濃度低于亞表層。然而，烔煬河流域位于巢湖北岸中部，地處丘陵崗地，池塘面積小，風驅動的水動力作用較大型湖泊弱。烔煬河流域內池塘具有漁業養殖等功能，魚類活動是導致池塘表層沉積物中重金屬離子濃度低于亞表層的重要因素。孫剛等[12]研究了稻魚養殖水體中污染物變化特征，發現底層生活的魚類，尤其是泥鰍，是水田上覆水體污染物濃度增加的主要驅動力。鯽魚、鯉魚、草魚、泥鰍、蝦等是烔煬河流域池塘底層生活魚優勢種，其行為會對沉積物水界面產生強烈擾動。此外，底棲生物可改變沉積物的孔隙度、壓實程度、pH值、氧化還原電位，從而影響污染物在沉積物、孔隙水和上覆水之間的物質交換，造成污染物的二次釋放。例如，中華圓田螺、河蜆等底棲動物可促進沉積物中Hg釋放，顯著增加上覆水體Hg濃度[13]；水絲蚓等底棲動物擾動導致沉積物顆粒的再懸浮，使得Cr、Cd、Zn、Cu等重金屬主要以顆粒態的形式向上覆水體釋放[14]；顫蚓擾動造成沉積物中Pb的釋放，導致上覆水中Pb濃度顯著增加，同時也促進了表層沉積物中Pb向沉積物深層遷移[15]。可見，魚類、底棲生物等生物擾動對沉積物-水體界面的物質交換、重金屬遷移轉化具有重要的影響，是決定池塘沉積物中重金屬離子濃度垂向分布的關鍵因素。

2.2 烔煬河池塘表層沉積物中重金屬來源

池塘沉積物中重金屬受到成土母質、降雨徑流、農業生產、生活污水、養殖投餌等多種因素影響[12]。除成土母質外，烔煬河流域池塘表層沉積物中重金屬濃度還與工農業生產、水產養殖投餌以及生活污水排放等人類活動有關，重金屬濃度垂向分布特征也印證這點，尤其是采樣點S1。

2.2.1 重金屬元素濃度之間相關性

表1給出了烔煬河流域池塘表層沉積物中8種重金屬濃度之間的線性相關系數，相關系數越大，說明兩個因子之間的關聯性越強，兩種重金屬元素同源或伴生的可能性就越大，因此，可以用來解析沉積物中重金屬來源[4，7，10]。Cr與As、Hg、Cu、Zn，Cu與As、Hg，Zn與As、Hg、Cu之間均存在顯著或極顯著的線性相關，表明這5種重金屬元素具有同源性，即主要來源于成土母質；Ni、Pb、Cd與上述5種重金屬離子之間無顯著相關性，表明其在沉積物中累積不僅與成土母質有關，還受到其他因素影響，例如元素自身的物理化學特性、有機質成分及與其它元素間存在競爭吸附等[16]，更重要的是受到養殖投餌、生活污水排放等人類活動影響。孔明等[17]研究表明，巢湖流域河流沉積物中Cr、Ni、Cd和Pb之間存在顯著的線性相關，具有相似來源；而Hg和Zn兩種重金屬元素與其他金屬元素間的相關關系較弱，其來源呈現出多種途徑。

2.2.2 主成分分析

主成分分析（PCA）能夠得到一些有關污染源信息的因素組合[18]。PCA將烔煬河流域表層沉積物中8種重金屬數據集的初始維數減少為3個主成分，其特征值均大于1，累計解釋82.21%的總方差（表2）。第一主成分（PC1）可解釋48.97%的總方差，Cr、As和Hg載荷因子較大；第二主成分（PC2）可解釋21.20%的總方差，其中Cu和Zn載荷因子顯著高于其他重金屬元素；第三主成分（PC3）可解釋12.04%的總方差，Cd、Pb和Ni載荷因子顯著高于其他重金屬元素。

2.2.3 聚類分析

聚類分析可反映重金屬的類別[19]。圖3顯示，當歐幾里德距離為20～25時，烔煬河流域池塘表層沉積物中重金屬可分為2類：第1類包括Pb、Cd和Ni，第2類包括Cr、As、Hg、Cu和Zn。當歐幾里德距離為15～20時，烔煬河流域池塘表層沉積物中重金屬可分為3類：第1類包括Pb和Cd，第2類為Ni，第3類包括Cr、As、Hg、Cu和Zn。這說明Cr、As、Hg、Cu和Zn具有相似的來源，Pb和Cd也具有相似的來源，而Ni來源相對復雜。

2.3 烔煬河流域池塘沉積物中重金屬污染風險評估

基于重金屬離子對底棲動物的風險程度，瑞典科學家Hakanson[20]于1980年提出了潛在生態風險指數法，該方法綜合考慮了重金屬離子種類、濃度、毒性水平以及底棲動物對重金屬污染的敏感性，是水體沉積物中重金屬污染風險評估最常用的方法。優先考慮的重金屬為Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Hg。重金屬綜合潛在生態風險指數（RI）計算公式為：

式中：Cfi為重金屬i污染系數；Eri 為重金屬i潛在生態風險指數；Cdi為重金屬i的實測濃度；Cri為重金屬i的背景參考值，巢湖流域沉積物中Cd、As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn背景參考值分別為0.27、9.4、79.3、18.9、0.11、19.5、15.7、59.0 mg/kg[10]；Tri為重金屬i的毒性響應因子，反映重金屬的毒性水平及生物對重金屬污染的敏感程度，Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn的毒性響應因子分別為40、30、10、5、5、5、2、1[19]。根據文獻[17]，重金屬綜合潛在生態風險劃分為四個等級：輕度生態風險（RI＜150）、中度生態風險（150≤RI＜300）、重度生態風險（300≤RI＜600）和嚴重生態風險（RI≥600）。

烔煬河流域池塘表層（0～10 cm）沉積物中重金屬生態危害風險指數（RI）為116.0～140.8，平均值為128.4，是下層沉積物中RI值的1.5倍，池塘表層沉積物重金屬生態風險等級均為輕度生態風險。通過分析8種重金屬元素在綜合潛在生態風險指數中的占比（貢獻率），發現Cd對沉積物潛在生態風險指數的貢獻率最高，其次為Hg，Cd和Hg對10個池塘重金屬潛在生態風險指數的貢獻率分別為32.2%～49.1%和14.8%～19.5%，均值分別為39.3%和17.3%，二者聯合貢獻率為48.3%～65.8%，平均值為56.6%（表3）。烔煬河流域10個池塘泥柱中RI在96.1～112.9變化，平均值為102.5，總體屬于輕度生態風險。從烔煬河流域池塘沉積物RI指數的垂向分布來看，隨沉積物深度增加，RI先增加后減少，總體呈下降趨勢，最大值均出現在亞表層沉積物中，其中S1和S6亞表層RI分別達到142.9和142.6（圖4），接近中等生態風險閾值。盡管烔煬河流域池塘沉積物中重金屬綜合潛在生態風險指數不高，但池塘表層沉積物中（0～10 cm）仍有增加風險，因此，應加大對烔煬鎮老鎮區池塘（S1）重金屬生態危害風險監控，必要時可對重金屬污染的表層沉積物進行疏浚。

3 結 論

巢湖北岸小流域池塘內沉積物柱狀樣中重金屬污染特征及其來源分析表明：

（1）烔煬河小流域池塘表層沉積物中8種重金屬濃度存在空間異質性。在垂向分布上，隨沉積物深度增加總體呈下降趨勢。對比村莊和集鎮，烔煬鎮老鎮區池塘受人類活動影響更強，因而沉積物中重金屬濃度相對較高，且Cu、Pb、Cr和Zn濃度均高于流域背景值。

（2）烔煬河小流域池塘沉積物中重金屬來源受到成土母質和人類活動影響。Cr、Hg、Cu、Zn、As 5種重金屬元素具有同源性，以成土母質影響為主。而Ni、Pb、Cd 3種重金屬受人類活動影響更明顯。

（3）烔煬河小流域池塘表層沉積物中重金屬綜合潛在生態風險指數（RI）均低于150，屬于輕微生態風險等級。

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收稿日期：2023-10-23

基金項目：國家自然科學基金項目（42171012）

作者簡介：熊竹陽，男，高級工程師，本科，研究方向為水環境綜合治理技術。E-mail：50863571@qq.com

通信作者：鄧建才，男，副研究員，博士，研究方向為水體生態修復與環境保護。E-mail：jcdeng@niglas.ac.cn

2024，8（4）：30-37

Characteristics of Heavy Metal Pollution in Pond Sediments of the Tongyang River Basin on the North Bank of Chaohu Lake

XIONG Zhuyang1，WAN Nengsheng1，QI Pengyun1，LAI Xijun2，DENG Jiancai2

（1.Institute of Lake Ecology and Environment，Chaohu Lake Management Bureau of Anhui Province，Hefei 230071，China；2. Nanjing Institute of Geography amp; Limnology，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）

Abstract：Columnar sediment samples were collected from ponds of different usage types in the Tongyang River basin on the north bank of Chaohu Lake. The concentrations of heavy metal elements in these samples were examined，and the horizontal and vertical characteristics as well as pollution levels were analyzed. Results reveal that the concentrations of Cr，As，Hg，Cd，Cu，Pb，Ni and Zn in the surface sediments of the ponds ranged 56.5-91.0 mg/kg，6.4-10.1 mg/kg，0.06-0.11 mg/kg，0.10-0.25 mg/kg，18.07-28.77 mg/kg，11.58-17.60 mg/kg，15.94-19.0 mg/kg，and 42.26-68.07 mg/kg，respectively. In vertical direction，the concentrations of heavy metals decreased with sediment depth. The Old Township Pond （S1） suffered from higher levels of heavy metal contamination in surface sediments than other ponds. Five heavy metal elements，namely Cr，Hg，Cu，Zn and As，exhibit homogeneity and are influenced by the soil-forming parent material，while Ni，Pb and Cd are affected by human activities. The comprehensive potential ecological risk index of heavy metals in the surface sediments of ponds in the Tongyang River basin is classified as a slight ecological hazard.

Key words：heavy metal pollution；Tongyang River basin；pond surface sediments；potential ecological risk index