滇池沉積物中重金屬的污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

滇池沉積物中重金屬的污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

引用格式：劉勇、朱元榮、吳豐昌、廖海青、劉延、施國(guó)蘭、云南湖泊沉積物中重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[j]生態(tài)環(huán)境報(bào)告，2014年，23（7）：1181-1186。LIUYong,ZHUYuanrong,WUFengchang,LIAOHaiqing,LIUYan,SHIGuolan.PollutionCharacteristicsandEcologicalRiskAssessmentofHeavyMetalsinSedimentsofDianchiLake[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2014,23(7):1181-1186.沉積物是湖泊中重金屬等化學(xué)元素的主要蓄積庫(kù)之一。沉積物中化學(xué)元素的地球化學(xué)記錄和遷移轉(zhuǎn)化特征對(duì)于揭示不同歷史時(shí)期湖泊環(huán)境變遷,氣候變化以及自然和人類活動(dòng)在這一過(guò)程中產(chǎn)生的影響等均有重要意義(Li等,2009)。沉積物中化學(xué)元素剖面分布特征和遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究,可以探求元素間的相關(guān)性,揭示湖泊歷史污染事件,甚至重建湖泊沉積環(huán)境演化歷史(Zhou等,2001)。另外,對(duì)沉積物中典型重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),可有效了解湖泊沉積物中重金屬富集特征及污染來(lái)源,并預(yù)測(cè)其對(duì)湖泊環(huán)境可能產(chǎn)生的潛在的“二次污染”(Huang等,2004;張永三等,2009)。目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者已在我國(guó)長(zhǎng)江流域和云貴高原等區(qū)域的湖泊開展了大量相關(guān)研究工作,并揭示了湖泊演變與沉積物中化學(xué)元素之間的關(guān)系(Wu等,2001;Liu等,2008;邴海健等,2010)。滇池位于昆明市南側(cè)(東經(jīng)102°36′~102°47′,北緯24°40′~25°02′),是我國(guó)西南地區(qū)最大的湖泊。滇池為淺水湖泊,以北部一天然沙堤為界分為北部的草海與南部外海(為主體),全湖平均水深為4.4m,蓄水量約為15.7億m3。滇池兼有城市供水、工農(nóng)業(yè)用水、旅游、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、氣候調(diào)節(jié)等諸多功能,在當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中具有極其重要的作用。近年來(lái),由于滇池區(qū)域特殊的地理位置、周邊人口快速增長(zhǎng)以及工農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展,導(dǎo)致滇池內(nèi)匯集了大量的有毒有害污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽(朱元榮等,2010)。尤其是近三十年來(lái),大量N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入和湖泊生態(tài)破壞,導(dǎo)致滇池的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題已十分嚴(yán)重(劉勇等,2012)。目前,關(guān)于滇池沉積物的研究,大多側(cè)重于表層沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬污染的調(diào)查研究(陳云增等,2006;Gong等,2009;朱元榮等,2011)。本文采集了滇池沉積物柱狀樣品,測(cè)定其重金屬元素的含量并分析其剖面分布規(guī)律,以及選取典型重金屬進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),旨在認(rèn)識(shí)滇池沉積物中重金屬的歷史污染狀況及其潛在危害性,進(jìn)而為滇池地區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1樣品處理和保存2010年4月在滇池外海使用自制的重力沉積物采樣器分別采集了滇池北部和中部區(qū)域的沉積物柱芯樣品,包括S1點(diǎn)位和S2點(diǎn)位(圖1),現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分割處理,表層0~20cm沉積物以1cm間隔進(jìn)行分割,20cm以下以3cm間隔進(jìn)行分割,置于密封袋中并冷凍保存。樣品經(jīng)冷凍干燥處理后,使用瑪瑙研缽研磨,并過(guò)100目篩后于密封袋中0℃以下保存?zhèn)溆谩?.2hf水相色譜法消解準(zhǔn)確稱取50mg沉積物樣品于聚四氟乙烯微波消解管中,滴入少量超純水潤(rùn)濕樣品,分別加入2ml優(yōu)級(jí)純濃HCl、5ml優(yōu)級(jí)純濃HNO3及1ml優(yōu)級(jí)純濃HF混勻,加內(nèi)膜旋轉(zhuǎn)蓋,密閉并置于微波爐的旋轉(zhuǎn)托盤上,在190℃條件下消解30min。降溫后打開消解管旋蓋并轉(zhuǎn)移至水浴鍋中,于95℃加熱趕酸,至消解液顏色由深黃色變?yōu)闇\黃色(或接近無(wú)色)。將消解后的樣品轉(zhuǎn)移至50ml比色管中并定容至50ml,取其中0.5ml再次稀釋至50ml。實(shí)驗(yàn)選取水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSD-12同步消解并測(cè)定。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)分析測(cè)定樣品中金屬元素含量。1.3潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)湖泊沉積物中重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以進(jìn)一步準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和描述其污染程度。其中,H?kanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法能綜合體現(xiàn)多種污染物的整體效應(yīng),并定量劃分了污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,本研究采用該方法對(duì)滇池沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)(徐爭(zhēng)啟等,2008)。H?kanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法具體步驟如下:(1)沉積物污染程度的計(jì)算,即單一污染物參數(shù)計(jì)算公式為:式中:Cfi為表示單個(gè)重金屬的污染參數(shù);Cdi表示沉積物中重金屬元素的實(shí)測(cè)值;Cni表示沉積物元素的背景參考值;多種污染物的污染參數(shù)之和Cd的計(jì)算公式為:(2)沉積物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算,即單一污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)計(jì)算公式:式中:rEi表示沉積物中單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子;rTi表示各重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù),用于反映重金屬的毒性水平和生物對(duì)重金屬污染的敏感程度(弓曉峰等,2006)(表1)。多種重金屬污染元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI計(jì)算公式:2結(jié)果與分析2.1金屬元素在云南沉積物中的剖面分布特征2.1.1沉積相與微量元素滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中部分常量元素(Fe、Mn、Al、Ti、Ca、K)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w/%)變化范圍分別是:Fe2O3為8.0~14.9%、MnO為0.1~0.2%、Al2O3為9.0~20.1%、TiO2為1.5%~2.8%、CaO為0.4~21.7%、K2O為1.5~2.0%(圖2)。兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中均以Fe2O3、CaO、Al2O3為主,MnO、K2O、TiO2含量較少?？傮w上,S1點(diǎn)位w(MnO)/%和w(CaO)/%顯著高于S2點(diǎn)位,而w(K2O)/%、w(Al2O3)/%低于S2點(diǎn)位,兩個(gè)點(diǎn)位w(Fe2O3)/%和w(TiO2)/%無(wú)明顯差異性。這可能與昆明盆地北部多碳酸鹽巖與玄武巖等以及南部多碎屑巖與磷塊巖的沉積物物源供應(yīng)差異有關(guān)(薛傳東等,2007;Wang等,2009)。滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中各微量元素(Pb、Cd、Zn、Ba、Cu、Sr、V)含量變化范圍分別是:Pb為73.8~105.3mg·kg-1、Cd為1.0~3.4mg·kg-1、Zn為123.4~210.6mg·kg-1、Ba為264.8~435.7mg·kg-1、Cu為77.5~133.5mg·kg-1、Sr為34.9~137.5mg·kg-1以及V為177.7~284.7mg·kg-1。微量金屬元素在剖面上的變化規(guī)律基本一致。依據(jù)Xiong等利用137Cs精確計(jì)年法對(duì)滇池沉積速率的測(cè)定表明滇池沉積物12cm處約為20世紀(jì)50年代(Xiong等,2010)。滇池沉積0~12cm內(nèi),Zn、Ba、Sr和Cd含量均隨著沉積深度增加而增加且約在5cm處達(dá)最大值后又開始減少,12cm以下變化較小。V、Pb和Cu含量均表現(xiàn)出自表層向下而逐漸增加,其中自12cm以下變化平緩且趨于穩(wěn)定(圖3)。這表明1950s前后滇池微量元素變化明顯,這與該時(shí)期內(nèi)人類活動(dòng)以及湖泊演變發(fā)展有很大關(guān)系。其中,流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和污染物排放是主要的影響因素之一(王天陽(yáng)和王國(guó)祥,2008)。同時(shí),沉積物表層0~5cm內(nèi)各微量元素含量及變化趨勢(shì)可能表明近些年物源污染得到一定控制沉積物中化學(xué)元素富集量相對(duì)減少。另外,沉積物金屬元素中的w(Sr)/w(Ba)比值可以作為判別沉積環(huán)境類型和水體鹽度的重要參數(shù)(Raiswell和Buckley,1988)。滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物的w(Sr)/w(Ba)比值均表現(xiàn)為由表層向深層沉積物逐漸減少并趨于穩(wěn)定,其變化范圍分別為:0.17~0.47、0.21~0.50(圖4)。這表明在近期滇池演變的過(guò)程中,湖泊中的鹽度以及沉積物源量是逐漸增加的過(guò)程,尤其20世紀(jì)50年代以來(lái)人類活動(dòng)更加的頻繁可能給滇池沉積物帶來(lái)更多物源和金屬元素污染,但近些年可能有下降的趨勢(shì)。2.1.2重金屬含量分布及沉積相湖泊沉積物中重金屬作為水體污染重要的敏感指示劑,通過(guò)生物富集和放大作用,會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成直接或間接的威脅(Farkas等,2007)。本文選取滇池沉積物中典型的4種重金屬(Cd、Cu、Zn、Pb)進(jìn)行分析。結(jié)果表明滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中Cd和Zn含量變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為隨著沉積深度增加而先增加后降低,其中0~12cm含量變化明顯,12cm以下變化較平緩。Pb含量剖面變化波動(dòng)較大,其中表層0~3cm和17cm以下含量相對(duì)較低,3~17cm內(nèi)相對(duì)較高。Cu含量表現(xiàn)為隨著沉積深度增加而增加(圖3和表2)。同時(shí),分析表明S1點(diǎn)位沉積物中4種重金屬含量均高于S2點(diǎn)位,其中S1點(diǎn)位沉積物中Cd含量顯著高于S2點(diǎn)位。結(jié)合整個(gè)滇池流域,其中90%以上的企業(yè)在草海附近,包括印染廠、造紙廠、冶煉廠及制革廠等(尹家元等,1999)以及北部的Cd和Zn含量高,這表明其對(duì)滇池生態(tài)潛在污染效應(yīng)較大。依據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(GB15618—1995)以及云南土壤背景值(中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,1990)(表2)表明:滇池兩個(gè)點(diǎn)位0~12cm(約近60年來(lái))內(nèi)沉積物中4種重金屬(Cd、Cu、Zn、Pb)含量均顯著高于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(為保護(hù)區(qū)域自然生態(tài),維護(hù)自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量限制值)以及云南土壤背景值,其中Cd含量甚至超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值(為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤臨界值)并達(dá)2~3倍。這表明近60年來(lái)滇池區(qū)域存在重金屬污染,其中Cd污染較為嚴(yán)重。2.2重金屬污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)本文研究的重金屬元素(Cd、Cu、Zn、Pb)少于H?kanson提出的8種,根據(jù)H?kanson的方法,并結(jié)合本研究采用的底泥中污染物數(shù)量和種類,對(duì)所測(cè)污染物的Cd和RI值進(jìn)行了調(diào)整,重新定義后的四種重金屬元素Cd和RI范圍見表3(劉成等,2002;徐爭(zhēng)啟等,2008)。將兩個(gè)點(diǎn)位沉積物柱樣以12cm為界限,分0~12cm內(nèi)(1950s后)和12cm以下(1950s前)研究重金屬污染特征,分析結(jié)果見表4和表5。滇池沉積物中重金屬單因子污染參數(shù)值分析表明滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中Cu、Zn和Pb三種重金屬元素單因子污染均屬于中度污染程度,而沉積物中Cd污染屬于較高-高污染程度,并且兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中除Cu污染有所降低外,Cd、Zn、Pb三種重金屬值越接近表層(0~12cm)其值越高,而表現(xiàn)為自1950s后污染程度不斷加重,其中Cd金屬污染已十分嚴(yán)重(表4)。同時(shí)分析多因子污染參數(shù)之和Cd表明滇池沉積物中多種元素污染整體處于較高污染程度,且接近表層0~12cm其Cd值越高,同時(shí)S1點(diǎn)位Cd值較S2點(diǎn)位高,表明滇池沉積物中重金屬污染整體在逐年加重,且北部污染更明顯,這暗示滇池北部人為活動(dòng)是造成重金屬污染的重要原因。滇池沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)值rEi分析結(jié)果(表5)表明滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中Cu、Zn、Pb三種重金屬單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度均處于低微污染,而Cd單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度為高-很高污染程度。S1點(diǎn)位和S2點(diǎn)位0~12cm的沉積物rEi值大于12cm以下,表明其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染程度有所提高,其中Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。分析多種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI表明滇池兩個(gè)點(diǎn)位沉積物中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于很高水平,其中0~12cm沉積物中重金屬RI高于12cm以下,S1點(diǎn)位沉積物中重金屬RI高于S2點(diǎn)位,表明滇池沉積物中重金屬整體上對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在危害逐年加重,特別是1950s后,人類活動(dòng)對(duì)滇池生態(tài)環(huán)境的影響明顯加強(qiáng)后,滇池北部沉積物中重金屬潛在危害更嚴(yán)重且近年來(lái)污染有加重趨勢(shì)(Guo等,2010)。3重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(1)滇池沉積物12cm處(約為1950s)金屬元素變化明顯,近十幾年來(lái)滇池流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)快