洞庭湖沉積物重金屬含量及綜合評(píng)價(jià)

洞庭湖沉積物重金屬含量及綜合評(píng)價(jià)

湖泊是各種污染物質(zhì)的集合場(chǎng)所。污染物可以通過水處理、反應(yīng)、沉淀和沉淀到沉積物中。湖泊沉積物記錄了湖泊環(huán)境變化的豐富信息，反映了流域生產(chǎn)對(duì)湖泊環(huán)境的影響。重金屬顆粒不易分解、生物積累和強(qiáng)化，對(duì)生物和生態(tài)系統(tǒng)的生命和生態(tài)危害較大。洞庭湖(111o53′-113o05′E,28o44′-29o35′N)位于湖南省東北部,長(zhǎng)江中游荊江段南岸,南近湘陰、益陽,北抵華容、安鄉(xiāng)、南縣,東濱岳陽、汨羅,西至澧縣、沅江等縣市.湖體呈近似“U”字形,水位33.50m時(shí)(岳陽站,黃?；?,湖泊面積2625km2.因泥沙淤積、筑堤建垸等自然和人類活動(dòng)的共同影響,洞庭湖現(xiàn)已分割為東、南、西三部分.據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì),洞庭湖區(qū)共有82個(gè)工業(yè)排污口,其中東洞庭湖41個(gè),南洞庭湖33個(gè),西洞庭湖區(qū)8個(gè).本文分析了洞庭湖不同湖區(qū)沉積物中的重金屬和有機(jī)質(zhì)的含量及沉積物pH值,地積累指數(shù)法對(duì)重金屬污染狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià),為洞庭湖的持續(xù)健康發(fā)展提供參考.1樣品處理和測(cè)定2003-2004年,用抓斗式采泥器在洞庭湖湖區(qū)采集了700個(gè)沉積物樣品,采樣站點(diǎn)如圖1.采樣過程中,用塑料勺采取抓泥器中央未受干擾的表層0-2cm泥樣于聚乙烯袋中,扎緊袋口,帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè).將樣品在通風(fēng)的室內(nèi)自然風(fēng)干、除雜、混合均勻后,用木棒和瑪瑙研缽將樣品磨碎后,過100目尼龍篩后供測(cè)定用.沉積物樣品經(jīng)HNO3-HClO4-HF消解后,Pb、Cd、Ni用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定,Cu、Cr、Zn以火焰原子吸收分光光度法測(cè)定,As用氫化物-非色散原子熒光法測(cè)定,Hg用HNO3-H2SO4-V2O5消解后,用冷原子無色散原子熒光法測(cè)定,測(cè)定Cd、Cr、Cu、Zn、Pb和Ni所用的儀器為220FS200Z型原子吸收分光光度計(jì);測(cè)定Hg、As的儀器為HG-AFS原子熒光光譜儀,沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量以灼燒法(550℃灼燒2h)來測(cè)定.沉積物pH以土:水=1:2.5的比例電位法測(cè)定的.分析過程以國家土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS1——GSS8為質(zhì)控標(biāo)樣,測(cè)定相對(duì)誤差小于5%.用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS11.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.2結(jié)果與分析2.1as和cr含量的隨立地進(jìn)行的含量,并納入國家、三級(jí)、三級(jí)的土壤標(biāo)準(zhǔn),所有子區(qū)內(nèi)不同層積為詳細(xì)分析各子湖區(qū)的重金屬變化特征及污染狀況,將洞庭湖分成5個(gè)子湖區(qū)(段),各子湖區(qū)采集的沉積物樣品數(shù)量為:西洞庭湖102個(gè),南洞庭湖(包括萬子湖和橫嶺湖)214個(gè),東洞庭湖348個(gè),大通湖24個(gè),城陵磯12個(gè).各子湖區(qū)重金屬的平均含量、國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)及洞庭湖沉積物背景值如圖2所示.從圖2中可看出,洞庭湖各子湖區(qū)As的平均含量為:南洞庭湖>城陵磯>東洞庭湖>大通湖>西洞庭湖,西洞庭湖和大通湖沉積物中As屬于國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),東洞庭湖、城陵磯和南洞庭湖沉積物中As屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(15-30mg/kg),且各子湖區(qū)沉積物中As的平均含量都高于洞庭湖沉積物As的背景值(12.9mg/kg).東洞庭湖As的含量在4.72mg/kg(9號(hào))與69.26mg/kg(1號(hào))之間,1號(hào)點(diǎn)As的含量最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(30mg/kg)的2.3倍.南洞庭湖As含量在5.02mg/kg(13號(hào))與93.43mg/kg(6號(hào))之間,6號(hào)點(diǎn)沉積物As的含量最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的3.1倍.西洞庭湖As含量在6.03mg/kg(14號(hào)點(diǎn))與34.78mg/kg(16號(hào)點(diǎn))之間,16號(hào)點(diǎn)As的含量最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的1.1倍.大通湖As含量在10.91mg/kg(20號(hào))與18.91mg/kg(22號(hào))之間,略高于國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),且各采樣點(diǎn)之間As含量變化較小.城陵磯As的含量在8.45mg/kg(24號(hào))與48.56mg/kg(23號(hào))之間,各采樣點(diǎn)之間變化較大.洞庭湖各子湖區(qū)沉積物Cd的平均含量為:南洞庭湖>東洞庭湖>西洞庭湖>大通湖>城陵磯,且Cd的含量全部超過國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(0.2mg/kg),南洞庭湖和東洞庭湖、西洞庭湖均屬于國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(>0.6mg/kg).東洞庭湖Cd的含量在0.07mg/kg(4號(hào)點(diǎn))至14.94mg/kg(1號(hào))之間,且1號(hào)點(diǎn)Cd的含量最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的24.9倍.南洞庭湖Cd的含量在0.04-23.34mg/kg之間,6號(hào)點(diǎn)最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的38.9倍.西洞庭湖Cd的含量在0.06-3.65mg/kg之間,18號(hào)點(diǎn)最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的6.1倍.大通湖Cd的含量在0.26-0.57mg/kg之間,22號(hào)點(diǎn)最高,但小于國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn).城陵磯Cd的含量在0.14-0.46mg/kg之間,也都遠(yuǎn)小于國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn).洞庭湖各子湖區(qū)沉積物中Cr的平均含量大小順序?yàn)?大通湖>東洞庭湖>南洞庭湖>城陵磯>西洞庭湖,且所有沉積物中Cr的含量都屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(90-250mg/kg).大通湖沉積物Cr的含量在102-133mg/kg之間,東洞庭湖Cr的含量在18-152mg/kg之間,3號(hào)點(diǎn)Cr的含量最高,屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn).南洞庭湖Cr的含量在38-159mg/kg之間,11號(hào)點(diǎn)Cr的含量最高.西洞庭湖Cr含量在54-329mg/kg之間,14號(hào)點(diǎn)最高.城陵磯Cr的含量在58-122mg/kg之間,23號(hào)點(diǎn)Cr含量最高.各子湖區(qū)沉積物中Cu的平均含量大小順序?yàn)?大通湖>東洞庭湖>南洞庭湖>城陵磯>西洞庭湖,且Cu的平均含量均屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(35-100mg/kg).大通湖Cu的含量在47.8-63.2mg/kg之間,東洞庭湖Cu的含量在10.3-85.8mg/kg之間,南洞庭湖Cu的含量在15.7-84.5mg/kg之間,西洞庭湖Cu的含量在12.9-83.1之間,城陵磯Cu的含量在18.1-90.4mg/kg之間.沉積物中Hg的含量只有西洞庭湖屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(0.15-1.0mg/kg),其它子湖區(qū)均屬于國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(<0.15mg/kg),各子湖區(qū)沉積物中Hg平均含量的大小順序?yàn)?西洞庭湖>南洞庭湖>東洞庭湖>大通湖>城陵磯.西洞庭湖Hg的含量在0.053-1.08mg/kg之間,16號(hào)點(diǎn)最高,略微超過國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn).南洞庭湖Hg的含量在0.033-1.36mg/kg之間,11號(hào)點(diǎn)最高,為國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的1.36倍.東洞庭湖Hg的含量在0.016-0.71mg/kg之間,1號(hào)點(diǎn)最高.大通湖和城陵磯Hg的含量分別在0.052-0.106mg/kg和0.05-0.106之間.沉積物中Ni的含量只有東洞庭湖和大通湖屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(40-200mg/kg),其它屬于國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),且各子湖區(qū)Ni的平均含量大小順序?yàn)?大通湖>東洞庭湖>南洞庭湖>城陵磯>西洞庭湖.大通湖Ni的含量在46.3-59.8mg/kg之間,21號(hào)點(diǎn)最高.東洞庭湖Ni的含量在9.2-65.2mg/kg之間,2號(hào)點(diǎn)最高.南洞庭湖Ni的含量在16.9-64.1mg/kg之間,11號(hào)點(diǎn)最高.西洞庭湖Ni的含量在18.8-60.5mg/kg之間,14號(hào)點(diǎn)最高.大通湖和城陵磯Ni的含量分別在46.3-59.8mg/kg、19.7-55.7mg/kg之間.各子湖區(qū)沉積物中Pb平均含量的大小順序?yàn)?南洞庭湖>東洞庭湖>西洞庭湖>城陵磯>大通湖,且沉積物中Pb的含量都屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(35-350mg/kg).南洞庭湖Pb的含量在21.3-199.1mg/kg之間,7號(hào)點(diǎn)最高;東洞庭湖Pb含量在15.1-145.8mg/kg,1號(hào)點(diǎn)最高;西洞庭湖Pb的含量在22.4-118.6mg/kg之間,14號(hào)點(diǎn)最高;大通湖和城陵磯Pb的含量分別在29-44.2mg/kg、22.5-46.3mg/kg之間.各子湖區(qū)沉積物中Zn的平均含量大小順序?yàn)?東洞庭湖>南洞庭湖>大通湖>西洞庭湖>城陵磯,且沉積物中Zn的平均含量都屬于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(100-300mg/kg).東洞庭湖Zn的含量在29-474mg/kg之間,1號(hào)點(diǎn)Zn含量最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的1.6倍.南洞庭湖Zn的含量在51-614mg/kg之間,6號(hào)點(diǎn)最高,是國家三級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)的2倍.西洞庭湖Zn的含量在63-189mg/kg之間,18號(hào)點(diǎn)Zn含量最高.大通湖Zn的含量在102-133mg/kg之間,21號(hào)點(diǎn)最高.城陵磯Zn的含量在63-142mg/kg之間,23號(hào)點(diǎn)最高.總體上來說,大通湖是近乎封閉的水體,8種重金屬的含量較為均一.西洞庭湖的沅江河口三角洲后部重金屬的含量比前緣高,這可能是因?yàn)槿侵藓缶壋练e物粒度較細(xì),且疊加了沅江和澧水沉積物的緣故.東洞庭湖8種金屬的含量變化都比較大,且以汨羅江、新墻河入湖的河口三角洲及君山等處重金屬含量較高,這與姚志剛等得出東洞庭湖的鹿角至城陵磯段沉積物重金屬污染相當(dāng)嚴(yán)重的結(jié)論是相一致的,同時(shí)也可能與汨羅江上游鉛礦開采有關(guān)且重金屬含量從東洞庭湖的東部向西北部逐漸變小,在采桑湖和團(tuán)洲附近重金屬含量最小.南洞庭湖以湘江和資水入湖的河口三角洲上沉積物重金屬含量最高,以東洞庭湖和南洞庭湖銜接處重金屬含量最低.城陵磯作為洞庭湖入江的唯一出口,其沉積物重金屬含量并不是洞庭湖沉積物中重金屬含量最高的地方,與姚志剛等得出的城陵磯沉積物重金屬含量是洞庭湖沉積物中含量最高的結(jié)論是不一致的.2.2重金屬含量的計(jì)算地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法(Geoaccumulationindex,Igeo)是德國海德堡大學(xué)沉積物研究所的科學(xué)家Muller于1979年提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo).計(jì)算公式為:式中:Cn是實(shí)測(cè)元素n在沉積物中的含量;Bn為該元素在普通頁巖中的地球化學(xué)背景值;K是考慮了各地巖石差異可能會(huì)引起的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般取1.5).地積累指數(shù)可分為幾個(gè)級(jí)別,如F?stner等將其分為7級(jí),分級(jí)情況和污染程度分類見表1.考慮到不同的地球化學(xué)背景可能造成所獲得的重金屬的污染信息的差異,本次研究選取洞庭湖水系水體沉積物背景值作為Bn,即:As為12.9mg/kg,Cd為0.33mg/kg,Cr為44mg/kg,Cu為20.2mg/kg,Hg為0.047mg/kg,Ni為21.2mg/kg,Pb為23.3mg/kg,Zn為83.3mg/kg,同時(shí)考慮到區(qū)域地質(zhì)差異K取1.5.其計(jì)算結(jié)果如表2.此外,為了分析重金屬的復(fù)合污染狀況,我們引入了綜合地累積指數(shù)Itot,并定義Itot為一個(gè)地區(qū)所有重金屬地累積指數(shù)Igeo的和值.從表3中可看出,對(duì)西洞庭湖沉積物中的重金屬的平均含量而言,As和Zn為清潔;Cd、Cr、Cu、Ni、Pb屬于輕度污染;Hg屬于偏中度污染.對(duì)西洞庭湖沉積物中重金屬的最高含量而言,As、Ni、Zn屬于輕微污染,Cu、Pb屬于偏中度污染,Cd、Cr屬于中度污染,Hg則屬于偏重污染.就不同重金屬而言,西洞庭湖Hg污染最嚴(yán)重,Cd、Cr次之,As和Zn最輕.對(duì)南洞庭湖沉積物中的重金屬的平均含量而言,As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn屬于輕度污染,Cd屬于偏中度污染.對(duì)南洞庭湖沉積物中重金屬的最高含量而言,Cd屬于嚴(yán)重污染,Hg屬于重污染,As、Pb、Zn的屬于中度污染,Cr、Cu、Ni屬于偏中度污染.就不同重金屬而言,南洞庭湖Cd污染最嚴(yán)重,Hg次之,Cr、Cu、Ni最輕.對(duì)東洞庭湖沉積物重金屬的平均含量而言,As屬于輕度污染;Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn屬于偏中度污染.對(duì)于東洞庭湖沉積物中重金屬的最高含量而言,Cd屬于重污染,Hg屬于偏重污染,Pb屬于中度污染,As、Cr、Cu、Ni屬于偏中度污染.就不同重金屬而言,東洞庭湖Cd污染最嚴(yán)重,Hg次之,Pb再次之,As最輕.對(duì)大通湖沉積物重金屬的平均含量而言,Cr、Cu、Hg、Ni、Pb屬于輕度污染,As、Cd、Zn屬于清潔.對(duì)大通湖沉積物重金屬的最高含量而言,Cr、Cu屬于偏中度污染,Cd、Hg、Ni、Pb、Zn屬于輕度污染,As屬于清潔.對(duì)城陵磯沉積物重金屬的平均含量而言,Cd、Zn屬于清潔,As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn屬于輕度污染.對(duì)城陵磯沉積物重金屬的最高含量而言,As、Cu屬于偏中度污染,Cr、Hg、Ni、Pb、Zn屬于輕度污染,Cd屬于清潔.對(duì)洞庭湖各子湖區(qū)沉積物中重金屬的復(fù)合污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果是:南洞庭湖(重污染)>東洞庭湖(偏重污染)>西洞庭湖(中度污染)>大通湖(中度污染)>城陵磯(輕度污染).同時(shí)可以看出,洞庭湖沉積物中的主要重金屬污染物是Cd和Hg,且主要污染點(diǎn)集中在河流入湖的三角洲上,西洞庭湖由于沅江和澧水共同注入,主要污染點(diǎn)集中在三角洲的后緣而不是前緣,與東洞庭湖和南洞庭湖不同.2.3因子變量的貢獻(xiàn)率及特征分析為了進(jìn)一步揭示重金屬元素之間的相互關(guān)系,對(duì)洞庭湖各子湖區(qū)沉積物中各種污染物進(jìn)行主成分分析求出因子載荷矩陣,探討該地區(qū)沉積物中重金屬含量的相互關(guān)系.通過主成分分析計(jì)算,洞庭湖各子湖區(qū)的主成分因子的載荷和主成分因子的貢獻(xiàn)率如圖3和表3.西洞庭湖第一主成分(PC1)的貢獻(xiàn)率為45.5%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cu、Ni、Zn的濃度上有較高的正載荷,也就是第一主成分反映了Cu、Ni、Zn的富集程度;第二主成分(PC2)的貢獻(xiàn)率為24%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在As、Cr、Pb的濃度上有較高的正載荷,也就是說第二主成分因子反映了As、Cr、Pb的富集程度;第三主成分(PC3)的貢獻(xiàn)率為15.8%,特點(diǎn)表現(xiàn)為Cd、Hg的濃度上有較高的正載荷,第三主成分因子反映了Cd、Hg的富集程度,同時(shí)Zn受第一主成分因子與第三主成分因子的共同支配.南洞庭湖第一主成分的貢獻(xiàn)率為55.22%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在As、Cd、Hg、Pb、Zn的濃度上有較高的正載荷,第一主成分反映了As、Cd、Hg、Pb、Zn的富集程度;第二主成分的貢獻(xiàn)率為30.04%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cr、Cu、Ni的濃度上有較高的正載荷,第二主成分反映了Cr、Cu、Ni的富集程度.東洞庭湖第一主成分的貢獻(xiàn)率為56.86%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在As、Cd、Hg、Pb、Zn的濃度上有較高的正載荷,第一主成分反映了As、Cd、Hg、Pb、Zn的富集程度;第二主成分的貢獻(xiàn)率為33.11%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cr、Cu、Ni的濃度上有較高的正載荷,第二主成分反映了Cr、Cu、Ni的富集程度.大通湖第一主成分的貢獻(xiàn)率為59.96%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的濃度上有較高的正載荷,第一主成分反映了As、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的富集程度;第二主成分的貢獻(xiàn)率為16.27%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Hg上有較高的正載荷,第二主成分反映了Hg的富集程度;第三主成分的貢獻(xiàn)率為11.93%,特點(diǎn)表現(xiàn)位因子變量在Cu的濃度上有較高的正載荷,第三主成分反映了Cu的富集程度,同時(shí),Cr和Zn在第一、第二和第三主成分都有較高的正載荷,說明Cr和Zn受第一、第二、第三主成分的共同支配.城陵磯第一主成分的貢獻(xiàn)率為60.23%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cr、Ni、Pb、Zn的濃度上有較高的正載荷,第一主成分反映了Cr、Ni、Pb、Zn的富集程度;第二主成分的貢獻(xiàn)率為17.50%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在As、Cd、Pb的濃度上有較高的正載荷,第二主成分反映了As、Cd、Pb的富集程度;第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.74%,特點(diǎn)表現(xiàn)為因子變量在Cu、Hg的濃度上有較高的正載荷,第三主成分反映了Cu、Hg的富集程度,Cu、Pb、Zn同時(shí)也受第一、第二和第三主成分因子的共同支配.綜上所述,洞庭湖各子湖區(qū)8種污染物的全部信息可由三個(gè)主成分反映大于85%的信息,即對(duì)前三個(gè)主成分進(jìn)行分析已經(jīng)能反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息.通過主成分分析可知,南洞庭湖與東洞庭湖的As、Cd、Hg、Pb、Zn主要受第一主成分的支配,可歸為一類,且其相應(yīng)的最高點(diǎn)分別集中在湘江和資水入南洞庭湖的河口三角洲與汨羅江和新墻河入東洞庭湖的河口三角洲上,說明As、Cd、Hg、Pb、Zn主要來源于洞庭湖入湖的河水,而Cr、Cu、Ni則主要受第二主成分的支配,可歸為一類,且各采樣點(diǎn)之間變幅不大,受洞庭湖河流來水的影響不大.西洞庭湖由于沅江和澧水的相互作用,且入湖河流三角洲的沉積物的重金屬含量是后緣比前緣高,可能是沅江與澧水相互頂托,使懸浮顆粒的凝聚作用和重金屬的沉淀或沉積作用增強(qiáng),使As、Cd、Cu、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn在主成分分析時(shí),使其在主成分因