2020,
Vol. 29
2. 上海海洋大学 水产科学国家级实验教学示范中心, 上海 201306;
3. 上海海洋大学 水产种质资源发掘与利用省部共建教育部重点实验室, 上海 201306
沉积物是水体重金属的重要储蓄场所[1-2]。重金属元素通过大气沉降、地质风化和废水排放等途径进入水体后[3]，大部分会被水中悬浮物吸附和转移到沉积物中，造成沉积物污染。沉积的重金属又会通过物理、化学和生物等过程，重新释放到上覆水中，造成水体的“二次污染”[4]。重金属污染具有危害时间长、生物毒性强和不可逆性等特点，进入食物链后富集作用明显[5-6]，也能通过食物链进入人体，危害健康。因此，沉积物重金属污染评价是水体生态风险危害评价的一项重要参考项。
长江三角洲地区是我国经济发展最活跃、开放程度最高的区域之一，承受着越来越大的环境压力，重金属污染是其中深受人们关注的环境问题之一[7-11]。方明等[7]发现长江口沉积物中重金属元素主要来源于工农业废水、船舶运输及农药化肥的使用，Cd具有较高的潜在生态风险；李亭亭等[8]发现长江口较高的Cd生态风险，可能是由于其具有较高的离子交换态和盐酸盐结合态所导致；何中发等[9]发现1 500年来，长江口区域Cd和As的含量一直处于逐步升高的趋势，其表层沉积物重金属元素已给生态环境造成潜在威胁。位于长江口崇明岛西南部的东风西沙水库建于2014年，是上海市的第二大水源地，水库面积约3.74 km2，总长约5 000 m，平均水深2.3 m，有效库容890.2万m3，日供水能力21.5万m3，服务于崇明区70万人口[10]。该水库是上海崇明区的主要水源，其水质安全直接关系到当地居民的健康，良好的水生态系统能为水质安全提供保障[11]。本文对东风西沙水库沉积物中9种重金属含量、分布及其污染程度作了分析，对其所致的潜在生态风险作了评价，以期为东风西沙水库重金属污染防治及生态风险管理提供数据支持。
1 材料与方法 1.1 采样点设置在东风西沙水库设置10个采样断面，自东(库尾)向西(库首)分别为Ⅰ至Ⅹ(图 1)。除了Ⅸ与Ⅹ间隔300 m，其他断面间隔为500 m。每个断面设沿岸和敞水2个采样点，共20个采样点。采样时间均为2019年4月18日。
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A.东风西沙水库位置; B.采样断面图 A.Location of Dongfeng Xisha Reservoir; B.Sampling section 图 1 东风西沙水库表层沉积物采样断面示意图 Fig. 1 Sampling profile of surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
在5 m×5 m的样框内，采用五点梅花取样法，用彼得逊采泥器采集表层0~15 cm沉积物，样品混合后装入塑料密封袋，置于冷冻保温箱中带回实验室，在-18 ℃冰柜中保存。
1.2.1 样本处理将沉积物样品放在真空冷冻干燥机(ETPS, Minifast04)中干燥至恒重，挑出动、植物残留和砾石后，经玛瑙钵体研磨，过100目标准筛，置于密封袋中保存以备测定。
1.2.2 粒度分析随机取出少量研磨后的样品放入激光粒度分析仪(Malvern, MS2000)中进行粒度分析，各断面沉积物粒度取该断面沿岸、敞水2个采样点的沉积物粒度平均值。
1.2.3 重金属测定将每个断面处理后的沿岸、敞水样本均匀混合，用分析天平称取0.250 0 g(精确到0.000 1 g)，放入经酸洗的微波消解罐。采用HNO3-HF-HCl(6 mL HNO3，2 mL HF，2 mL HCl)微波消解，电热板赶酸(160 ℃，50 min)，超纯水(＞18.25 MΩ·cm)定容至50 mL。As、Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和Mn用电感耦合等离子质谱仪(Thermo, ICP7400)测定，Hg用原子荧光分光光度计(博晖创新, RGF-6300型)测定。同步分析泛滥平原沉积物标准物质GSS-29(GBW07385，中国地质科学院物化探所)，元素Hg、As、Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和Mn的回收率为88%~115%, 符合US EPA要求(80%~120%)。对所测样品按40%的比例设置平行双样，各重金属元素的相对偏差均小于5%。
实验器皿均在25%硝酸溶液中浸泡24 h以上，冲洗后烘干(105 ℃, 24 h)。实验试剂均为优纯级，用水为超纯水(＞18.25 MΩ·cm)。每批样品均做全程空白比对，以消除样品处理及测定过程中可能带入的污染。
1.3 重金属污染评价 1.3.1 地积累指数法地积累指数法(geo-accumulation index)是1970年由MULLE[12]提出，是沉积物重金属污染评价最广泛使用的方法。该法利用某一重金属含量与其地球环境背景值的比值来确定污染程度，考虑了人为污染、地球化学背景值及自然成岩作用引起的背景值变动，可综合反映外源重金属在沉积物的富集程度[13]。计算公式：
(1)
式中：Igeo为地积累指数；Ci为元素i的实测值, mg/kg；Bi为元素i的参比值，参比值对地积累指数的评价结果影响极大，本文以上海市土壤重金属元素背景值作为参比值[7, 14]；k为考虑各地岩石差异可能导致背景值变动而取的系数(一般取值1.5)。地积累指数分级标准见表 1。
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表 1 地积累指数分级标准 Tab.1 Classification standard of geo-accumulation index |
潜在生态风险指数法是由HAKANSON[15]于1980年提出，综合考虑了重金属的种类、含量、毒性系数及所在区域的背景值，可反映单一或多种重金属的复合潜在生态影响，应用也较多[16]。计算公式：
(2)
式中：RI为综合潜在生态风险指数；Efi为元素i的潜在风险指数；Tfi为元素i的毒性系数，本文分别取Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Cr、Mn和Zn的毒性系数为40、30、10、5、5、2、2、1、1[15, 17]；Ci为元素i的实测值, mg/kg；Cni为元素i的参比值，选择上海市土壤背景值作为参比值[7, 14]。潜在生态风险等级划分标准见表 2。
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表 2 潜在生态危害划分标准 Tab.2 Classification criteria of potential ecological risk |
采用SPSS 25.0进行相关性分析和主成分分析，利用ArcGIS 10.0软件中的反距离加权插值法(inverse distance weighted，IDW)对重金属含量进行空间分布分析，其余分析在Microsoft Excel 2016中进行。
2 结果与讨论 2.1 表层沉积物的粒度分布根据沉积物粒度分级标准(砂粒＞0.05 mm；粉砂0.005~0.05 mm；黏土＜0.005 mm)，对东风西沙水库表层沉积物作了粒度分析。总体来看，各断面的砂粒和粉砂的含量较高，黏土含量较低，整个水库砂粒、粉砂和黏土的平均含量分别为46.29%、42.63%和11.08%(图 2)。
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图 2 东风西沙水库表层沉积物的粒度组成 Fig. 2 Grain size composition of surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
中值粒径和平均粒径是判断沉积物整体粗细的常用指标[18]。东风西沙水库各断面沉积物的中值粒径为0.021~1.087 mm，平均0.156 mm；平均粒径为0.030~0.911 mm，平均0.153 mm；各断面中值粒径和平均粒径的升降趋势基本一致(图 2)。
水库库尾(断面Ⅰ、Ⅱ)受到长江南支来水的影响，表层沉积物较粗，中值粒径为0.091~1.087 mm，平均0.635 mm；平均粒径为0.163~0.911 mm，总体平均为0.619 mm，属于粗砂粒质。库首(断面Ⅹ)和库中弯道处(断面Ⅵ、Ⅶ)受到上游来水及地形的影响，水流湍急，细粒物质不易沉降，沉积物粒度较粗，中值粒径为0.081~0.087 mm，平均0.084 mm；平均粒径为0.086~0.095 mm，总体平均为0.091 mm，属于极细砂粒质。断面Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ、Ⅸ水流较缓，沉积物粒度变细；中值粒径为0.021~0.034 mm，平均0.026 mm；平均粒径为0.030~0.042 mm，总体平均为0.037 mm，属于粗粉砂质。
2.2 表层沉积物的重金属含量及空间分布 2.2.1 重金属含量特征表 3列出了表层沉积物9种重金属元素的含量测定结果。变异系数能反映各断面重金属含量的离散程度，大于36%为高度变异，16%~36%之间为中等变异，小于15%为小变异[19]。分析显示，Hg、Ni、Mn、As和Cd的变异系数分别为75.00%、61.27%、52.08%、47.15%和39.12%，均大于36%，属于高度变异；Pb、Cu、Zn和Cr的变异系数分别为27.62%、27.27%、22.37%和16.94%，属于中等变异，预示着该水库表层重金属在空间分布上存在较大的差异性[20]。
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表 3 东风西沙水库表层沉积物重金属元素的平均含量及变异系数 Tab.3 Average content and Coefficient of Variation of heavy metals in surface sediment of Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
与上海市土壤背景值相比，东风西沙水库各断面的Hg和Ni均未超标，但Cd的超标率达100%，As、Cu、Zn、Mn、Pb和Cr的超标率分别为50%、40%、40%、40%、10%和10%。从平均含量看，仅有Cd和As为上海市土壤背景值的5.23倍、1.24倍，而其余7种则低于该背景值。与全国土壤背景值相比，该水库Cd、Cu、As、Zn和Cr的平均含量为该背景值的9.71倍、1.39倍、1.23倍、1.22倍和1.15倍，而Cd高达9.71倍，富集情况特别严重，这可能与水库上游的长江流域存在着大量的采矿、造船、电子废物和加工业等污水排放有关[7-9, 21-22]。
2.2.2 重金属的空间分布采用反距离加权插值法绘制的重金属元素在10个断面的含量分布见图 3，可清晰地看出，表层沉积物中各重金属元素具有基本一致的空间分布特征。9种重金属元素的含量都是以库尾(断面Ⅰ)最高，其他断面则相对较低。但Cd、Cu和Mn在库首(断面Ⅹ)，Cd、Pb、Cu、Cr、Zn在接近库尾(断面Ⅱ)，Cd、Pb、Cu、Ni、Zn和Mn在库中弯道处(断面Ⅵ)也有较高的含量。
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图 3 东风西沙水库表层沉积物重金属含量的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of heavy metals in surface sediment of Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
除断面Ⅹ和Ⅵ外，其余断面从进水口(库首)到出水口(库尾)，重金属含量随水流方向是逐步上升的，余晖等[24]认为该种重金属含量分布模式属于洪水冲刷型堆积模式，主要原因是受水流冲刷作用的影响，入水口处细颗粒沉积物的沉降较为困难，导致重金属含量较低，而在出水口处情况相反。同时，部分学者认为湖库型水库有加重坝前沉积物淤积的特点，吸附于沉积物颗粒表面的重金属随着泥沙沉降在库区[25]。因此导致库首区域表层沉积物中重金属含量偏低，库尾区域重金属含量偏高的特点。断面Ⅹ和Ⅵ处重金属含量较高则可能是地形所导致的，断面Ⅹ处水深较深，最深处可达9.9 m，平均水深为6.0 m，形成深水弱动力的环境，有利于沉积物沉降，重金属含量偏高，到断面Ⅸ时，水深变浅，平均水深为2.9 m，形成浅水强动力环境，沉积物不易沉降，因此重金属含量偏低[26]；断面Ⅵ处于弯道处，水域面积变宽，水流变缓，水流冲刷作用减弱，沉积物沉降明显，重金属含量上升。
2.2.3 与邻近水体沉积物重金属含量的比较长江口附近水体环境均长期受到人类活动的影响，频繁的人类活动对该区域水体环境造成不同程度的污染，为了解东风西沙水库在长江口区域水体中的重金属污染水平, 本文选择长江口不同类型水体与其比较。与邻近的长江口大型江心水库——青草沙水库相比，本水库的重金属含量均相对较低。与长江口的自然水域相比，本水库的As和Cd元素含量较高，其余6种元素的含量则相对较低。与太湖相比，本水库的Hg、Pb、Ni和Cr相对较低，As、Cu和Zn略高，Cd则为太湖的2.27倍。与洪泽湖相比，本水库的Cr和Zn略高，其余6种元素则相对较低。因此，东风西沙水库表层沉积物的重金属含量总体上低于邻近水体，处于偏低的水平(见表 4)。
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表 4 东风西沙水库表层沉积物重金属平均含量与邻近水体的比较 Tab.4 Comparison of average heavy metal contents of surface sediment in Dongfeng Xisha Reservoir with adjacent water bodies |
利用Pearson相关性，研究中值粒径与各重金属元素间的关联性，结果显示，中值粒径与Hg、As、Cu、Zn、Cr和Pb之间存在显著相关，说明粒度对这6种元素的分布起着重要作用。
Mn-Ni和As-Hg-Cr-Cd-Cu-Zn-Pb两组之间各自存在着显著的正相关关系，且相关系数均大于0.6(表 5)，表明这些重金属的来源相似，具有相似的地球化学特性[16, 24]。
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表 5 东风西沙水库表层沉积物重金属含量的相关性(n=10) Tab.5 Pearson correlation of heavy metal contents in surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China (n=10) |
主成分分析可进一步解析这些重金属元素的污染贡献及其关联性。表 6列出了9种重金属元素的主成分载荷，可见前2个主成分已解释了总方差的61.73%和27.22%。从图 4可以发现，As-Hg-Cr-Cd-Cu-Zn-Pb在第1主成分上有较高的正载荷，根据方明等[7]、李亭亭等[8]、何中发等[9]的研究发现，Cu、Zn、As和Cd等元素主要来源于采矿、造船、电子废物等工业污水和上游地表径流，预示着工业污水对沉积物重金属的影响。Mn-Ni在第2主成分上有较高的正载荷，Ni和Mn为参与地球化学循环的主要元素，且Ni-Mn的贡献率较低，代表了地球化学成分对沉积物重金属的影响[29-32]。
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表 6 东风西沙水库表层重金属含量的主成分分析 Tab.6 Principal component analysis of heavy metals in surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
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图 4 东风西沙水库表层沉积物重金属的主成分载荷 Fig. 4 Principal component loads of heavy metals in surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
由表 7可知，Hg、Pb、Cu、Ni、Cr和Zn等6种元素在各断面的Igeo值均为负值，污染等级为0，处于清洁水平。Cd的Igeo值在0.25~2.50之间，平均污染等级为2，处于偏中度污染水平，其中轻微、偏中度和中度污染的断面比例为10%、40%和50%。但As和Mn在断面Ⅰ处于轻微污染，其他断面则处于清洁水平。从水平分布看，断面Ⅰ的污染相对严重，有Cd、As和Mn 3个元素达到中度或轻度污染程度，其他断面只有Cd达到中度或轻度污染程度。
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表 7 东风西沙水库表层沉积物重金属地积累指数Igeo及污染级别 Tab.7 Heavy metals geo-accumulation index Igeoand pollution levels in surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
由表 8可知，Cd的潜在风险等级总体上达到了强生态风险水平，其中达到很强生态危害水平的断面比例高达40%。其他8种元素在10个断面的Efi值均小于40，潜在风险轻微。9种重金属的Efi指数均值依次为Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Mn＞Cr＞Zn＞Ni。
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表 8 东风西沙水库表层沉积物重金属潜在生态危害指数 Tab.8 Efi and RI of heavy metals in surface sediment from Dongfeng Xisha Reservoir in Shanghai, China |
由RI指数可以看出，该水库表层沉积物的潜在生态风险总体处于中等生态危害水平，其中断面Ⅰ达到强生态危害水平，其RI值高达322.13。各断面RI值中Cd的贡献率最高，潜在生态风险等级依次为断面Ⅰ＞Ⅹ＞Ⅱ＞Ⅵ＞Ⅴ＞Ⅶ＞Ⅲ＞Ⅷ＞Ⅳ＞Ⅸ。
通过对比重金属污染指数Igeo值和Efi指数均值排序结果，可以发现，Cd污染最为严重，但在Zn、Pb和Hg排列上存在差异，这可能是由于重金属的毒性系数差异所造成的。Hg的毒性系数高达40，而Pb和Zn的毒性系数仅为5和1。这样, 地积累指数法评估为最低污染程度的Hg，经毒性系数折算后达到了较高的生态风险排位，而Zn的生态风险排位则下降，表明潜在生态风险指数法更偏向于重金属毒害效应的特点
3 结论东风西沙水库表层沉积物中砂粒和粉砂含量较高，黏土含量较低，三者的平均含量分别为46.29%、42.6%和11.08%。断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅹ的沉积物属于砂粒质沉积物；断面Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ则为粉砂粒质沉积物。
除Cd富集现象明显，远超背景值外，其余8重金属均略高于或低于背景值；空间分布上，9种元素的含量基本都以接近库尾(断面Ⅰ)、库首(断面Ⅹ)和库中弯道处(断面Ⅵ)最高或较高。
相关性分析与主成分分析结果表明，粒度对6种元素的分布起着重要作用，Mn-Ni和As-Hg-Cr-Cd-Cu-Zn-Pb两组重金属相关性显著；重金属以输入性来源为主。
地积累指数评价显示Cd为最高污染元素，总体污染程度为偏中度，其他8种元素污染程度均为清洁，污染程度依次为Cd＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Pb＞Ni＞Hg。
潜在生态风险评价显示Cd为主要生态风险贡献因子，单重金属潜在风险指数依次为Cd＞As＞Hg＞Cu＞Pb＞Mn＞Cr＞Zn＞Ni。水库处于中等生态危害水平。
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