鄱阳湖表层沉积物重金属污染赋存及生态风险评估
时间：2023-03-26 21:25:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李正则，张博鑫，卢洪斌
（1.哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨 150025；
2.中国环境科学研究院 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012）
重金属具有毒性、持久性和富集性，一旦进入环境就难以被降解，其一般以天然浓度广泛存在于自然界中[1]。由于人类对重金属的开采、冶炼和加工，加上商业性活动的日益活跃，大量重金属进入大气、水体和土壤中，使得其在地表水、水体沉积物、土壤等多种介质中被检出且赋存浓度较高。水环境中的重金属不仅影响动植物生长，而且通过食物链积累在生物体内，并可以与高分子物质（蛋白质、酶等）发生反应，对人体的代谢产生不良影响，引发重大疾病。例如，慢性砷中毒有消化系统症状、神经系统症状和皮肤病变等[2]；
汞可以通过不同途径进入人体，引起以神经系统和肾脏为主的多系统损害[3]；
铅元素可以改变血红素的合成，造成贫血；
镉可以抑制生物生长，影响某些酶系统的活力，日本的“痛痛病”就是长期食用被污染土壤所生产的“镉米”引起的[4]。重金属污染已引发一系列严重的环境问题，严重威胁水生态安全和人体健康[5]。因此，研究重金属在环境中的赋存并评估其生态风险，对于控制重金属污染、保护水环境安全和人体健康至关重要。
湖泊是水资源的重要载体，是自然生态系统的重要组成部分之一。鄱阳湖作为中国最大的淡水湖泊，汇纳了赣江、抚河、信江、饶河和修水五条河流的来水，储存大量的水资源，承担着调洪蓄水、调节气候、降解污染等多种生态功能，其湖滨湿地、滩涂具有重要的生态价值[6]，因此鄱阳湖的水体污染问题关系到长江中下游的生态环境，也影响着区域经济社会的发展。刘佳伟等[7]研究发现，鄱阳湖流域沉积物和土壤中重金属含量存在明显差异，两者可能存在不同的重金属污染机制；
任琼等[1]测定了鄱阳湖湿地土壤剖面中重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Pb的含量，结果表明，鄱阳湖湿地土壤中5种重金属浓度由高到低的顺序为Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Cd，且浓度均高于鄱阳湖土壤环境背景值；
彭小明等[8]分析了鄱阳湖17处表层沉积物中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Co的含量，潜在生态风险贡献率大小排序依次为Hg＞Cu＞Cd＞Pb＞As＞Co＞Ni＞Cr＞Zn；
龚娴等[9]探究鄱阳湖河湖交汇处及长江入湖口沉积物重金属污染情况，潜在生态风险指数法评价结果显示，Cu和Cd为主要污染元素，而沉积物质量基准法则指出Zn元素的潜在生态毒性较大。由于水体中的污染物经过转化、富集等作用对人体健康危害较大，因此有必要研究水体污染情况。通过对地表水体及沉积物中的重金属进行生态风险评价，探讨对湖泊造成潜在生态风险的重金属元素，为湖泊污染治理提供重要指导。目前，鄱阳湖重金属污染研究多集中于鄱阳湖流域土壤重金属污染，并且多关注短期内重金属污染状况，缺少对长时间尺度的沉积物重金属变化趋势分析。
本文基于资料获得的鄱阳湖表层沉积物中6种重金属年际历史数据进行分析，总结鄱阳湖沉积物中典型重金属的历史变化规律，探究表层沉积物的重金属生态风险，为鄱阳湖污染防治决策与实施提供理论依据，同时也为中国湖泊重金属污染治理提供参考。
1.1 研究区概况
鄱阳湖位于长江中下游交界处的南岸，流域面积广大，为16.22×104km2，涉及江西、浙江、福建、湖南、安徽和广东六省。地势南高北低，北部多为冲积平原，如图1所示。鄱阳湖流域水网稠密，天然水系发育良好，赣江、抚河、信江、饶河和修水5条主要河流从四周向鄱阳湖汇聚，最后流入长江，构成完整的鄱阳湖水系[10]。因此，鄱阳湖流域水资源丰富，给当地提供良好的发展环境。鄱阳湖流域气候温和，是我国重要的粮食生产基地。随着当地经济的发展，工业逐渐成为推动该区域经济快速增长的主要产业，各种工厂排放大量污染物入湖，2010—2014年，鄱阳湖每年入湖化学需氧量约为788.8 t[11]。
图1 鄱阳湖区域图
1.2 数据来源
本研究利用数据库资源，以“鄱阳湖”和“重金属”为检索词，在中国知网、万方、百度学术进行了相关文献检索。共检索相关文献67篇，收集了相关文献中1993—2021年鄱阳湖表层沉积物中重金属的监测数据[12-33]，其数据能够代表全湖重金属的平均水平。2000年以前的相关研究收集的数据较少，仅收集到1993年的数据。2000—2010年的采集数据所涉文献每年均有0～2篇，2010—2021年每年均有0～3篇。对于同一年的多个数据值，采用求均值的方法[34]。记录各项研究的最大值、最小值、平均值和变异系数等相关参考数据。重金属是指比重等于或大于5.0的金属，如Fe、Mn、Zn、Cd、Cr、Hg、Pb、Co等，而As是一种介于金属与非金属的过渡元素，其化学性质和环境行为与重金属有很多相似之处，因此在讨论时也被包含在内[35]。
1.3 评价方法
本文采用HAKANSON[36]提出的潜在生态风险指数法对鄱阳湖沉积物中的重金属进行评价。该方法综合考虑了富集程度、生物毒性和生态风险等，以定量划分和评价重金属污染物的潜在生态危害程度，其涉及的计算公式有[37]
式中：RI为多种重金属的综合潜在生态风险指数；
为单项重金属i的潜在生态风险指数；
Tri为重金属i的毒性响应系数；
Cfi为重金属的富集系数；
Ci为重金属i的浓度实测值；
Cni为重金属i的参照背景值。
由于沉积物背景值存在较为明显的区域性差异，因此本研究采用鄱阳湖土壤背景值作为计算参照值，相关重金属的背景值和毒性响应系数如表1所示，、RI和潜在生态风险等级如表2所示[28]。
表1 鄱阳湖重金属背景值和毒性响应系数
表2 潜在生态风险评价与分级标准
1993—2021年，鄱阳湖沉积物重金属含量分析结果如表3所示。鄱阳湖全湖水质呈弱碱性，多年平均pH介于7.0～7.6。因此，选取《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）的弱碱性土壤（6.5＜pH≤7.5）风险筛选值作为参考标准。由统计结果可知，研究分析的6种重金属中只有Cr小于全国水系沉积物环境背景值，而六者之中只有Cd大于风险筛选值，其年际均值超过风险筛选值0.373倍，污染形势较为严峻。
表3 1993—2021年鄱阳湖沉积物重金属含量分析
1993—2021年，鄱阳湖表层沉积物中重金属的含量变化如图2、图3和图4所示。
图2 鄱阳湖表层沉积物中Cu和Pb的含量年际变化
图3 鄱阳湖表层沉积物中Zn和Cd的含量年际变化
图4 鄱阳湖表层沉积物中As和Cr的含量年际变化
6种重金属的含量变化趋势略有不同。Zn与Cd是先下降再波动上升；
Cu呈现先下降再波动上升的趋势；
Pb呈现先上升后下降再波动上升的趋势；
而对于As和Cr来说，因只有3年数据，仅可看出As与Cr呈现先下降后上升趋势。Cu于1993年达到最大值，Pb、Zn、Cd、As于2010年达到最大值，Cr于2013年达到最大值。
重金属的污染状况不仅需要考虑重金属含量，还与环境介质的性质、不同生物对不同重金属的毒性反应等因素有关，根据重金属含量无法判断重金属的污染程度，故采用潜在生态风险指数法进行评价，用表征各重金属的污染，用RI表征6种重金属的综合污染。
1993—2021年，鄱阳湖表层沉积物值如表4和图5所示，综合重金属各年的平均值来看，Cu（75.13）＞Cd（32.97）＞Pb（18.93）＞As（10.28）＞Zn（2.71）＞Cr（1.43）。Cu、Cd和Pb为RI的主要贡献指标，贡献度高达97.97%，故重点关注Cu、Cd和Pb污染造成的生态风险。由图5可以看出，Cu、Pb已经得到较为有效的控制，而Cd的污染防控还需要加强，2013年到达低点后，2018年出现明显反弹，呈现上升趋势。
图5 单种重金属的生态风险变化趋势
表4 1993—2021年鄱阳湖表层沉积物Eri值
鄱阳湖表层沉积物RI值如图6所示，RI的各年平均值为129.67，呈中等程度污染。从变化趋势来看，1993—2011年，RI先显著下降，风险等级由强变为轻微；
2011年开始逐渐回升，缓慢增长；
2020年，其风险等级由轻微又变回中等；
2021年，风险等级又由中等降为轻微。最大值出现在1993年，达到322.27；
最小值出现在2011年，仅为44.00。1993年，重金属生态风险等级达到强，尤其是Cu的单项生态风险等级达到很强，这是当时流域范围内大量铜矿开采导致的，整个流域水体及沉积物的重金属含量逐渐增多[38]；
随着鄱阳湖污染治理得到重视，污染治理措施更加完善，鄱阳湖表层沉积物重金属含量逐渐降低，尤其是2009年环鄱阳湖生态经济区和“保护一湖清水”战略构想的提出和实施，为鄱阳湖重金属污染治理带来新的机遇[39]；
2010年，近1.35亿t生活废水因得不到有效处理而排放到鄱阳湖中[39]，从而加重鄱阳湖重金属污染，重金属污染程度逐渐有回升趋势。
图6 1993—2021年鄱阳湖表层沉积物RI值变化特征
本文通过对比分析鄱阳湖表层沉积物的重金属含量年际变化，评估鄱阳湖表层沉积物的重金属潜在生态风险。研究发现，1993—2021年，表层沉积物中6种重金属只有Cd大于风险筛选值，其年际均值超过风险筛选值0.373倍。Zn与Cd先下降再波动上升；
Cu呈现先下降再波动上升的趋势；
Pb呈现先上升后下降再波动上升的趋势；
而对于As和Cr来说，因只有3年数据，仅可看出As与Cr呈现先下降后上升趋势。Cu于1993年达到最大值，Zn、Pb、Cd、As于2010年达到最大值，Cr于2013年达到最大值。潜在生态风险指数法评价结果显示，各重金属的污染程度排序为Cu＞Cd＞Pb＞As＞Zn＞Cr。Cu、Cd和Pb为RI的主要贡献指标，贡献度高达97.97%，故重点关注Cu、Cd和Pb污染造成的生态风险。单项重金属的Eri值变化趋势显示，Cu、Pb已经得到较为有效的控制，而Cd的污染防控还需要加强，2013年到达低点后出现明显反弹，呈现上升趋势。表层沉积物的各年RI平均值为129.67，呈中等程度污染，其变化特征为先显著下降，等级由强变为轻微，再逐渐上升，由轻微逐渐变为中等，而后又降为轻微。
