典型城郊湖泊沉积物重金属生态风险评价.pdf

典型城郊湖泊沉积物重金属生态风险评价 * 申秋实1邵世光2保琦蓓3张雷1范成新1 1． 中国科学院 南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室， 南京 210008; 2． 河海大学 水文水资源学院， 南京 210098; 3． 宁波检验检疫科学技术研究院， 浙江 宁波 315192 摘要 城郊浅水湖泊沉积物通常受到不同程度的污染， 并面临重金属污染积累和生态风险增加的问题。以典型城郊 浅水湖泊北麻漾近岸表层沉积物为研究对象， 分析各重金属的分布特征， 并利用地积累指数法 Igeo 和潜在生态风 险指数法 ＲI 评价重金属生态风险。结果表明 表层沉积物中 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Pb 含量均不同程度超过环境背景 值， 体现出一定的污染积累特征; 地积累指数法评价所得风险顺序为 Cu ＞ Cd ＞ Zn ＞ Ni ＞ Pb ＞ Cr ＞ Hg， 潜在生态风 险指数法获得单一重金属潜在生态风险顺序为 Cd ＞ Hg ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn， 两种评价结果均显示出以 Cd 为 主， 多种重金属复合污染的特征。综合潜在生态风险指数表明入湖河口区风险等级较高， 外源输入对沉积物重金 属污染影响显著。 关键词 重金属; 沉积物; 地积累指数; 潜在生态风险指数; 湖泊 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201410031 POTENTIAL ENVIＲONMENT ＲISK ASSESSMENT OF SEDIMENT HEAVY METALS IN A TYPICAL SUBUＲBAN SHALLOW LAKE Shen Qiushi1Shao Shiguang2Bao Qibei3Zhang Lei1Fan Chengxin1 1． State Key Lab of Lake Science and Environment，Nanjing Institute of Geography and Limnology，Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008，China; 2． College of Hydrology and Water Ｒesources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3． Ningbo Academy of Science and Technology for Inspection and Quarantine，Ningbo 315192，China AbstractSediments in suburban shallow lakes are usually polluted in different levels and facing problems such as accumulation of heavy metal pollution and increasing of ecological risk． This research focused on heavy metals in surface sediments of near shore area of Lake Beimayang，a typical suburban shallow lake． Distributions and pollution characteristics of different heavy metals were studied． Geoaccumulation index Igeoassessment and potential ecological risk index ＲI assessment were employed to uate the ecological risk of heavy metals． The results showed that the concentrations of Cr， Ni，Cu，Zn，Cd，Pb in sediments were higher than environmental baselines in most sites and reflected certain degrees of enrichment． Based on the geoaccumulation index，the risk order of heavy metals was Cu ＞ Cd ＞ Zn ＞ Ni ＞ Pb ＞ Cr ＞ Hg． However，according to single heavy metal ecological risk index，the risk levels arranged in Cd ＞ Hg ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn． Thus，the results of both assessments indicated that sediments were mainly polluted by Cd accompanied with other heavy metals． Potential ecological risk index indicated that the risk levels were higher in estuary areas than other sites，which reflected that s from rivers showed significant influence on heavy metal pollution． Keywordsheavy metal;sediment;goeaccumulation index;potential ecological risk index;lake * 国家自然科学基金 41103033 ; 江苏省自然科学基金 BK2011879 ; 浙江省自然科学基金 LQ13B070003 。 收稿日期 2013 －05 －15 0引言 重金属往往不具生物可降解性， 并能通过生物富 集和生物放大作用进入食物链物质循环， 给人类健康 和生态系统安全造成严重危害［1- 2 ］。进入水体的重金 属绝大部分会被悬浮物质吸附， 并在水动力条件适宜 时沉积下来， 汇入湖相沉积物中 ［3- 4 ］。当沉积物 － 水 界面氧化还原电位、 pH、 温度、 盐度等条件发生变化 731 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 时， 沉积物中蓄积的重金属又会通过物理、 化学、 生物 等作用向上覆水体释放 ［5 ］， 成为水体重金属来源之 一， 进而影响水质变化［6- 8 ］。此外， 沉积物重金属蓄积 量还被认为可以反映沉积物对上覆水体影响的持久 能力 ［3 ］， 且与上覆水相比， 沉积物中重金属具有更好 的累积程度和规律性， 更易于进行评估和研究 ［9 ］。 故而， 沉积物重金属研究受到广泛的关注， 沉积物重 金属含量、 分布特征及潜在危害评估成为环境监测和 管理中需要重点考虑的指标。城郊浅水湖泊承载有 工农业生产、 生态调节、 水源涵养、 景观旅游等多项复 合功能， 受人类生产活动影响较大并对此有更直接的 响应。因此， 研究城郊浅水湖泊沉积物重金属污染分 布特征， 并对其生态风险进行评价具有重要的现实 意义。 北麻漾位于江苏省苏州市吴江市西南部， 面积约 10 km2， 水深较浅 多在 2 m 以下 ， 是典型的城郊浅 水湖泊 ［10 ］， 围网养殖、 工农业以及周边城镇人口急剧 增加对该湖水质及底质均造成了一定程度的影响。 因此， 本研究选择北麻漾西部未进行围网养殖的区域 为研究地点， 分析研究区域沉积物表层沉积物 Hg、 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Pb 7 种重金属分布特征及污染状 况， 运用地积累指数法和潜在生态风险指数法对各重 金属风险等级进行评估， 为湖泊近岸带沉积物重金属 污染防控与综合治理提供科学依据。 1实验部分 1. 1样品采集 在北麻漾西部非渔业养殖区近岸带布设 10 个沉 积物采样点， 用 GPS 精确定位。采样点布置见图 1。 于2011 年1 月用 8. 4 cm 重力式沉积物柱状采样器 采集各点位沉积物芯样， 上顶切泥法现场分取表层 0 ～5 cm 沉积物样品， 装于贴好标签的自封袋中冷藏 保存， 于 24 h 内带回实验室分析。 1. 2沉积物重金属分析 将不同点位沉积物的样品分别装于坩埚中并在 60℃下充分烘干， 除去砂石、 动植物残体碎屑等异物 后， 用研钵研磨过 200 目尼龙筛网， 充分混合后装入 纸质试样袋放入干燥器中待测。所有沉积物样品均 送至中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境 国家重点实验室进行分析， 沉积物中 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Pb 元素利用 7700X 型电感耦合等离子体质谱仪 ICP- MS 测定; Hg 元素利用 Hydra- c 型全自动测汞 仪进行测定。 图 1采样点布置 Fig．1The layout of sampling sites 1. 3沉积物重金属评价方法 1. 3. 1地积累指数法 地积累指数法 geo- accumulation index，Igeo 是一 种相对简洁的沉积物重金属定量评价方法， 被广泛应 用于河流 ［11 ］、 湖泊水库［12- 14 ］沉积物重金属的评价。 评价计算公式如下 Igeo log2 Cn kB n 1 式中 Igeo为地累积指数; Cn为元素 n 在沉积物中的含 量; Bn为元素 n 的地球化学背景值; k 为考虑岩层差 异所引起的背景值变化调整系数， 通常取 1. 5。 通过计算得到 Igeo值后， 对比地积累指数污染指 数分级 见表 1 ， 即可确定重金属元素的污染等级。 表 1地积累指数污染等级划分 Table 1Pollution grade of Igeo Igeo＜00 ～11 ～22 ～33 ～44 ～5 ≥5 级别0123456 等级无轻度偏中度中度偏重重严重 1. 3. 2潜在生态风险指数法 潜在生态风险指数法 potential ecological risk index，ＲI ［15 ］在评价过程中综合考虑重金属含量及 重金属毒性等两方面的因素， 是一种被普遍采用的划 分沉积物污染程度及其水域潜在生态风险的评价方 法 ［4， 12 ］。其计算方法见式 2 式 4 。 Cif Cis Cin 2 Eir TirCif 3 ＲI ∑ n i 1 Eir 4 式中 Cif表示为重金属 i 的污染系数; Ci s为重金属 i 在 831 环境工程 Environmental Engineering 沉积物样品中实测含量; Cin为重金属 i 的背景参照 值; Tis为重金属 i 的毒性响应系数; Ei r为重金属 i 的潜 在生态风险系数; ＲI 为综合生态风险指数。本研究 评价所用的沉积物重金属背景值 ［16 ］和重金属毒性系 数 ［17 ］见表 2， 潜在生态风险评价等级［8 ］见表 3。 表 2重金属元素背景参照值及毒性系数 Table 2Background and toxic coefficient of heavy metals 元素HgCrNiCuZnCdPb 背景值/ mg kg －10. 16 65. 72 29. 12 22. 78 73. 020. 1220. 39 毒性系数402551305 表 3单一重金属生态风险系数及综合生态风险指数等级 Table 3Eirlevel of single heavy metal and comprehensive ＲI level of different heavy metals Eir＜4040 ～8080 ～160160 ～320≥320 ＲI＜150150 ～300300 ～600≥600 等级轻微中等强很强极强 2结果与讨论 2. 1不同点位沉积物重金属含量分析 各采样点表层沉积物重金属含量分析结果见 表 4。除 Hg 外， 沉积物中 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Pb 的均 值均超过土壤背景值 表 2 。各重金属含量均有较 大的变异系数， 表明沉积物空间异质性较大。其中， 9 号点沉积物中 Hg、 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Pb 含量为各采样 点最高值。沉积物中 Cd 含量最高值出现在 10 号采 样点， 此外， 该点位沉积物中 Hg、 Cu、 Zn 的含量也较 高。造成这一现象的原因可能是 9 号和 10 号采样点 位居入湖河口区， 受河流外源影响较为强烈。同样 地， 处于另一入湖河口区的 1 号点沉积物中 Cr、 Ni、 Zn、 Cd、 Pb 含量也显著高于非河口区域。与其他各点 相比， 2 号点沉积物各重金属含量均较低， 其中 Hg、 Cr、 Ni、 Cu、 Pb 含量均为各采样点中的最小值， 这可能 和该点位离岸相对较远有关。总之， 各点位沉积物中 被检测的 7 种重金属均表现出一定程度的污染， 表层 沉积物重金属含量受外源影响较大。 表 4表层沉积物重金属分布特征 Table 4Characteristics of heavy metals in surface sedimentsmg/kg HgCrNiCuZnCdPb 最大值0. 13108. 7649. 37127. 04 225. 160. 3332. 29 最小值0. 0657. 7327. 7426. 7093. 460. 1520. 17 平均值0. 0980. 5639. 2660. 55 131. 620. 2526. 40 标准差0. 0215. 147. 1928. 8339. 460. 063. 54 变异系数26. 2018. 7918. 3247. 6129. 98 25. 9013. 40 2. 2不同点位沉积物重金属地积累指数评价 按照式 1 计算各点位不同种类金属的地积累 指数值， 并依据表 1 的标准进行污染等级划分， 结果 如表 5 所示。评价结果表明， 研究区域表层沉积物重 金属污染属于无污染、 轻度污染和偏中度污染 3 种等 级， 以无污染级居多， 轻度污染次之， 偏中度污染等级 的重金属最少。Hg、 Cr、 Ni、 Cu、 Zn、 Cd、 Pb 的 Igeo均值 分别为 － 1. 42、－ 0. 31、－ 0. 81、 0. 69、 0. 21、 0. 47、 －0. 22。对比评价等级标准可知，Cu、 Zn、 Cd 总体上 处于轻度污染状态， 表现出一定程度的积累特征; Hg、 Cr、 Ni、 Pb 总体上处于无污染等级。从空间分布 上来看， 入湖河口区的 1 号、 9 号和 10 号点表现出更 多更强的重金属积累特征， 也表明外源影响对各重金 属污染程度具有显著影响。按照地积累指数评价结 果， 可得研究区域内各重金属的风险等级顺序为 Cu ＞ Cd ＞ Zn ＞ Ni ＞ Pb ＞ Cr ＞ Hg。 表 5沉积物重金属地积累指数法评价结果 Table 5Igeoassessment results of sediment heavy metals 点位 HgCrNiCuZnCdPb Igeo 等级 Igeo 等级 Igeo 等级 Igeo 等级 Igeo 等级 Igeo 等级 Igeo 等级 1－1. 420－0. 1000. 0511. 0220. 5610. 821－0. 110 2－1. 980－0. 740－0. 6500. 101－0. 1900. 421－0. 600 3－0. 920－0. 2000. 0201. 0720. 4410. 861－0. 030 4－1. 590－0. 390－0. 1800. 5910. 1610. 451－0. 200 5－1. 710－0. 320－0. 1800. 7110. 1810. 521－0. 200 6－1. 950－0. 340－0. 2200. 031－0. 150－0. 150－0. 360 7－1. 300－0. 300－0. 1800. 6510. 2410. 311－0. 290 8－1. 300－0. 1300. 041－0. 360－0. 230－0. 220－0. 120 9－0. 9100. 1410. 1811. 8921. 0420. 8010. 081 10－1. 090－0. 770－0. 6501. 2120. 1110. 941－0. 420 931 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 2. 3潜在生态风险分析 根据沉积物重金属分析结果， 由式 2 和式 3 ， 对沉积物重金属进行潜在生态风险评价。不同点位 单一重金属潜在生态风险分析结果如图 2 所示。 图 2不同点位沉积物单一重金属潜在生态风险特征 Fig． 2Characteristics of potential ecological risk of single heavy metal in different sediments 按表3 划分标准可知， 除 Cd 外， 其他重金属潜在 风险均处在 “轻微” 级 Eir＜ 40 。评价结果显示， 研 究区域潜在生态风险最大的重金属为 Cd， 平均值达 64. 65， 整体处于 “中等” 危害程度 40≤Eir＜80 。其 中， 3 号点和 10 号点达到 “强” 的危害程度 80≤Eir＜ 160 。除了沉积物本身 Cd 的含量较高之外， 其高毒 性是造成该重金属高生态风险的重要原因。Hg 的潜 在生态风险仅次于 Cd， 整体处于 “轻微” 等级， 但 9 号 041 环境工程 Environmental Engineering 点和 3 号点指数 Eir较高， 且接近“中等” 等级下限。 更高的毒性系数， 使得 Hg 在沉积物中接近环境背景 值时即具有较高的生态风险。 将各重金属潜在生态风险指数求得平均值， 按照 Eir均值大小可得各重金属潜在生态风险顺序为 Cd ＞ Hg ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn。 在获得单一重金属潜在生态风险系数的基础 上， 依据式 4 ， 获得不同点位重金属综合生态风险 指数 ＲI， 见图 3。根据 ＲI 值及评价标准 表 3 可以 认为， 研究区表层沉积物重金属潜在生态风险等级 处于“轻微” ＲI ＜ 150 状态， 表层沉积物重金属潜 在生态风险较小。但不同点位表现出较大差异， 1 号、 3 号、 9 号、 10 号 ＲI 值较高， 已接近“中等” 等 级， 潜在生态风险较大。所有重金属中， 对综合潜 在生态风险指数贡献最大的是 Cd 和 Hg， 二者在研 究区域表层沉积物中的含量及其潜在危害应引起 更多的关注和重视。 图 3不同点位沉积物重金属综合生态风险指数特征 Fig． 3Characteristics of comprehensive ecological risk index of heavy metals in different sediments 两种评价方法的结果有所差异 地积累指数法评 价结果认为 Cu 和 Cd 是最主要的风险金属， 而潜在 生态风险评价法结果显示 Cd 和 Hg 是最主要的风险 金属。这主要是由于潜在生态风险评价法在考虑污 染物种类和含量的同时， 也考虑了重金属本身的毒性 系数 ［11 ］。而 Cd 和 Hg 具有最大的毒性系数 分别为 30 和 40 ， 因此与地积累指数法相比， 潜在生态风险 评价法得到的 Cd 与 Hg 的危害等级均有升高。综合 两种评价结果可知， 研究区域呈现出以 Cd 为主的多 种重金属复合污染的特征。 3结论 对北麻漾近岸带表层沉积物重金属污染情况进 行分析， 并分别利用地积累指数法和潜在生态风险评 价法对重金属风险进行了评价， 主要结论如下 1研究区域表层沉积物重金属呈现出一定程度 的污染， 大多数重金属含量超过当地环境背景值， 靠 近入湖河口区的表层沉积物含有更高的重金属浓度， 且外源影响显著。 2不同评价方法所得结果有所不同。地积累指 数法评价结果表明， 各重金属风险等级顺序为 Cu ＞ Cd ＞ Zn ＞ Ni ＞ Pb ＞ Cr ＞ Hg， 其中 Cu、 Cd、 Zn 表现 出明显的积累特征; 潜在生态风险指数法评价结果所 得各重金属风险等级顺序为 Cd ＞ Hg ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn， 其中 Cd 和 Hg 对 ＲI 贡献最大。造成两种 方法评价结果差异的主要原因在于潜在生态风险指 数法评价体系中重金属毒性系数的考量。综合两种 评价结果， 认为研究区域表层沉积物表现出以 Cd 为 主的多种重金属复合污染特征， Cd 和 Hg 的污染状况 及生态风险应引起重视。 参考文献 ［1］王静雅，李泽琴，程温莹，等． 湖相沉积物中重金属环境污染 研究进展［J］． 地球科学进展， 2004， 19 S1 434- 438. ［2］Gao X，Chen C T A．Heavy metal pollution status in surface sediments of the coastal Bohai Bay［J］． Water Ｒesearch， 2012， 46 6 1901- 1911. ［3］范成新，朱育新，吉志军，等． 太湖宜溧河水系沉积物的重金 属污染特征［J］． 湖泊科学， 2002， 14 3 235- 241. ［4］李梁，胡小贞，刘聘婷，等． 滇池外还底泥重金属污染分布特 征及风险评价［J］． 中国环境科学， 2010， 30 S1 46- 51. ［5］Oyewale A O，Musa I． Pollution assessment of the lower basin of Lakes Kainji/Jebba，NigeriaHeavy metal status of the waters， sediments and fishes［J］． Environmental Geochemistry and Health， 2006， 28 3 273- 281. ［6］Hiller E， Jurkovic L， Sutriepka M． Metals in the surface sediments ofselectedwaterreservoirs， Slovakia ［J］．Bulletinof Environmental Contamination and Toxicology， 2010， 84 5 635- 640. ［7］Uluturhan E． Heavy metal concentrations in surface sediments from two regions Saros and Gokova Gulfsof the Eastern Aegean Sea ［J］． Environmental Monitoring and Assessment，2010，165 1/ 4 675- 684. ［8］尚林源，孙然好，汲玉河，等． 密云水库入库河流沉积物重金 属的风险评价［J］． 环境科学与技术，2011，34 S2 344- 348. ［9］丁喜桂，叶思源，高宗军． 近海沉积物重金属污染评价方法 ［J］． 海洋地质动态， 2005， 21 8 31- 36， 38. ［ 10］中国科学院南京地理所湖泊室． 江苏湖泊志［M］． 南京江苏 科学技术出版社， 1982 199. 下转第 75 页 141 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 该粉尘元素含量见表 6、 表 7。 表 6熔炼炉烟 粉 尘元素含量 图 7b 中所示位置 2 Table 6Element content of the converter dust position 2 shown in Figure 7b OSFeCu 41. 1717. 7119. 6720. 47 表 7熔炼炉烟 粉 尘元素含量 图 7b 中所示位置 3 Table 7Element content of the converter dust position 3 shown in Figure 7b OSFeNiCu 40. 0416. 211. 7512. 864. 42 由图8a、 图8b 和表6、 表 7 可知 该粉尘表面主要 以 O、 S 元素为主， 还有部分的 Fe、 Ni 和 Cu 等元素。 同时进行 XＲD 物相定性分析， 见图 9。 图 9转炉烟 粉 尘 XＲD 分析 Fig．9XＲD analysis of the converter dust 由图 9 可知 收尘灰以 Fe2O3、 Fe3O4为主。 3结论 通过对镍冶炼企业含重金属收尘灰的粒度特征 分析、 烟尘组分分析和烟尘表面特征分析， 可以看出 烟 粉 尘由大量微米级细小晶体颗粒构成， 表面重 金属含量均较低， 远低于体相中重金属含量。烟 粉 尘污染治理的关键在于环境集烟系统的集烟效 率。由于部分含重金属烟 粉 尘未能被集烟系统收 集处理， 而逸散至环境， 给人体和环境造成危害。因 此， 提高现有的环境集烟系统的集烟效率是控制含重 金属烟 粉 尘逸散的关键。 参考文献 ［1］徐庆新． 红土矿的过去与未来［J］． 中国有色冶金，2005 6 1- 8. ［2］李启厚，王娟，刘志宏． 世界红土镍矿资源开发及湿法冶金技 术的进展［J］． 湖南有色金属， 2009， 25 2 21- 24， 48. ［3］陈甲斌． 国内外镍资源及其开发现状［EB/OL］ ．http / / wenku． baidu． com/view/6e7751bb1a37f111f1855b18． html. ［4］孟庆江． 从国内外钴镍工业现状与发展趋势看我省钴镍工业 的发展战略［J］． 江西有色金属， 2000， 14 1 38- 40， 44. ［5］曹异生． 国内外镍工业现状及前景展望［J］． 世界有色金属， 2005 10 67- 71. ［6］第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数核算项目 镍钴 冶炼行业产排污系数核算课题技术报告［Ｒ］ . ［7］张璇． 镍对大麦急性毒性的生物配体模型的研究［D］． 北京 北京师范大学， 2008． 第一作者 何绪文 1964 － ， 男， 教授、 博士生导师， 主要从事水污染控 制方面的研究。hexuwen sina． com． cn 通讯作者 李静 1976 － ， 女， 博士在读。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 jinglee58163． com 上接第 141 页 ［ 11］曹祥英，王晨，于志强，等． 湘江岳阳段沉积物重金属污染特 征及其初步生态风险评价［J］ ． 地球化学，2012，41 1 63- 69. ［ 12］李玉斌，冯流，刘征涛，等． 中国主要淡水湖泊沉积物中重金 属生态风险研究［J］ ． 环境科学与技术，2012，35 2 200- 205. ［ 13］弓晓峰，陈春丽，周文斌，等． 鄱阳湖底泥中重金属污染现状 评价［J］． 环境科学， 2006， 27 4 732- 736. ［ 14］余辉，张文斌，余建平． 洪泽湖表层沉积物重金属分布特征及 其风险评价［J］． 环境科学， 2011， 32 2 437- 444. ［ 15］Hakanson L． An ecoligical risk index for aquatic pollution control- a sedimentological approach［J］． Water Ｒesearch， 1980，14 8 975- 1001. ［ 16］钟晓兰，周生路，赵其国． 长江三角洲地区土壤重金属污染特 征及潜在生态风险评价 以江苏太仓市为例［J］． 地理科 学， 2007 3 395- 400. ［ 17］徐争启，倪师军，庹先国，等． 潜在生态危害指数法评价中重 金属毒性系数计算［J］． 环境科学与技术， 2008 2 112- 115. 第一作者 申秋实 1982 － ， 男， 博士， 助理研究员， 主要从事湖泊沉积 物污染与修复研究。junma1202 sina． com 通讯作者 范成新。cxfan niglas． ac． cn 57 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control