大纵湖（兴化片区）底泥重金属时空分布特征及生态风险评价

朱冬冬 黄晨悦 周莉 尤晓慧 杭小帅 孔明 韩天伦 崔益斌 丁程成

摘要 为探究大纵湖（兴化片区）底泥重金属时空分布及其潜在的生态风险，运用地累积指数法和潜在生态危害指数法分析铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、镍（Ni）、砷（As）、汞（Hg）8种重金属的污染状况，评估重金属污染风险等级，探讨潜在的影响因素。结果表明，地累积指数法得出Cd是研究区污染程度最高，达到偏中度污染程度;潜在生态危害指数法得出，Cd达到强生态危害，Hg在入湖河口和湖内达到强生态危害，出湖河口达到中等生态危害。底泥重金属时空特征研究发现，研究区底泥重金属主要在秋冬两季累积，外来污染源主要来源于鲤鱼河、中引河，而西孤河影响相对较小。

关键词 底泥;重金属;时空分布;生态风险;大纵湖（兴化片区）

中图分类号 X826  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）10-0054-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.014

Temporal and Spatial Distribution Characteristics of Heavy Metals in Sediments and Ecological Risk Assessment in Lake Dazong （Xinghua Area）

ZHU Dong-dong， HUANG Chen-yue， ZHOU Li et al

（Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Ecology and Environment， Nanjing， Jiangsu 210042）

Abstract In order to explore the temporal and spatial distribution of heavy metals in the sediments of Lake Dazong （Xinghua area） and their potential ecological risks， the geo-accumulation index method and the potential ecological hazard index method were used to analyze 8 heavy metals （Cu，Zn，Pb，Cd，Cr，Ni，As，Hg）， assess the risk level of heavy metal pollution， and explore potential influencing factors. The result showed that the geo-accumulation index method shows that Cd had the highest degree of pollution in the study area， reaching a moderate degree of pollution.According to the potential ecological hazard index method， Cd reached a strong ecological hazard，Hg reached a strong ecological hazard， the estuary of the lake reached a moderate ecological hazard. Through the study of the temporal and spatial characteristics of sediment heavy metals， it was found that the sediment heavy metals in the study area mainly accumulated in autumn and winter. The external pollution sources mainly came from Liyu River and Zhongyin River， while the influence of Xigu River was relatively small.

Key words Sediment;Heavy metals;Temporal and spatial distribution;Ecological risk;Lake Dazong （Xinghua area）

基金项目 水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07208006-004）;国家自然科学基金青年科学基金项目（41907154）;江苏省自然科学基金面上项目（BK20191110）。

作者简介 朱冬冬（1992—），男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向：土壤重金属。

收稿日期 2021-06-21;修回日期 2021-07-22

我国是一个湖泊众多的国家，全国共有湖泊20 000多个[1]。湖泊一直是满足人类消费、农业、工业和娱乐需求的最重要的淡水资源，然而，由于人类活动，河流和湖泊受到严重污染，全世界范围内都存在化学物质和过量营养物质对地表水造成污染的问题。过量的化学物质和营养物质会导致缺氧、鱼类死亡、生物多样性的丧失和水生植物床的丧失等问题[2]。目前，湖泊存在的环境问题主要包括富营养化、重金属污染、水体酸化等。

底泥作为湖泊生态系统的重要组成部分，在为水生动植物生长提供基本养分的同时也是各种污染物富集的场所，通过检测底泥中污染物的含量可以反映其水體的污染程度[3]。氮磷等营养物质以及重金属易吸附沉降在底泥中，而底泥又时刻与水体进行物质和能量交换，人们往往重视外源污染而忽视内源污染，事实上，当外源污染得到控制时，水体与底泥中污染物质的动态平衡将被打破，污染物会通过溶解、解吸等作用由底泥向水体迁移，形成二次污染[4]。

大纵湖位于江苏省盐城市盐都区、泰州市兴化两地，当地又名平湖，为古射阳湖经分化解体后的残迹湖之一。地处里下河平原腹地，是运东湖群中地势最为低下的地区。湖形略近椭圆形，湖面面积为36.783 km2，兴化境内面积为17.01 km2，占水域总面积的46.25%，属碳酸盐类钠组Ⅰ型淡水湖。目前，学者对大纵湖的研究较少，主要集中在水生植物、底栖动物等水生态方面，对于底泥的研究较少，因此，笔者选取大纵湖兴化片区为研究区域，对兴化片区大纵湖流域底泥污染物时空分布特征和生态风险特征进行系统分析，为相关部门提供大纵湖兴化片区较为全面的数据，为改善湖泊环境、湖泊污染治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大纵湖位于长江、淮河两大水系交融的苏北里下河水乡，地处盐城市盐都区大纵湖镇和兴化市中堡镇境内，地理坐标为119°43′～119°50′E、33°07′～33°13′N;东与盐城市盐都区大纵湖镇滨湖街区相接，北与盐城市盐都区楼王镇北龙港街区相接，西与泰州兴化市沙沟镇相接，南以大纵湖与泰州兴化市中堡镇相接（图1）。大纵湖湖面呈椭圆形，东西最长9 km，南北最宽6 km，总面积36.78 km2，平均水深约1 m。此次研究区域为大纵湖兴化片区，该片区湖泊面积为17.01 km2。

1.2 样品采集与处理

以大纵湖兴化片区为研究对象，在2018—2019年每个季度对多个点位水质指标进行监测，具体监测时间为2018年10月（秋季）、2019年2月（冬季）、2019年5月（春季）、2019年8月（夏季），涵盖了丰水期、平水期、枯水期。点位1、2、3代表入河湖口;4、5、6、7、8代表湖内;9、10代表出湖河口（图2）。

采用Van Veen底泥采样器采集表层沉积物，每个点位采集3份样品，采集的泥样装入聚乙烯塑料袋中。采集完毕放在4 ℃冰箱内保存并于当日带回实验室，所有样品在仪器分析前，经过105 ℃下烘烤30 min，然后在80 ℃条件下烘干至恒重，最后将底泥磨碎过筛（100 mm），封装记上标号待测。

1.3 数据分析与处理

测定的指标包括铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、镍（Ni）、砷（As）、汞（Hg）重金属指标，试验分析方法如表1所示。采用Excel 2016进行数学分析，Origin 2018进行绘图。

1.4 评价方法

1.4.1 地累积指数法。地累积指数法（Igeo）[5-7]在1969年由德国学者Miller提出，能反映沉积物中重金属元素潜在污染程度，其计算方法如下：

Igeo=log2Cn1.5Bn（1）

式中，Igeo为地累积指数;Cn为金属元素n的实测值（mg/kg）;Bn为金属元素n的背景值（mg/kg），该研究采用流域所处的里下河浅洼平原的背景值作为参考[8];1.5为修正指数。Igeo越大，表明该地区重金属污染越严重[9]。地累积指数分级标准以及污染程度见表2。

1.4.2 潜在生态风险指数法。潜在生态危害指数（RI）[10]是由瑞典学者Hakanson于1980年提出，用于评价重金属污染和潜在生态危害的方法。它根据重金属的污染特征及能造成的生态影响，定量地划分重金属潜在生态风险程度。 其计算公式[11]如下：

Eir=Tir（WisCin）（2）

RI=ni=1Eir（3）

式中，Eir是重金屬i的潜在生态风险因子;Tir为重金属i的毒性系数，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg的毒性系数分别为5、1、5、30、2、5、10和40[12];Wis为底泥重金属含量实测值（mg/kg）;Cin为单一元素参比值（mg/kg）;RI是多个重金属潜在生态危害指数。潜在生态风险指数法分级标准及污染程度见表3。

2 结果与分析

2.1 底泥重金属时空分布

2.1.1 重金属污染情况。大纵湖（兴化片区）pH变化较为平稳，处于7.0～7.5，参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》风险筛选值进行评价。大纵湖（兴化片区）表层沉积物样品中重金属浓度结果统计如表4所示，底泥的背景值采用江苏省里下河浅洼平原表层土壤背景值。从表4可以看出，大纵湖（兴化片区）表层沉积物中的重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg平均值分别为18.93、88.2、24.9、0.32、49.3、29.1、14.58和0.062 0 mg/kg，其中Zn、Pb、Cd、As、Hg的平均值均超过背景值，且Cd最大浓度超过风险筛选值，其余重金属浓度均未超过风险筛选值，说明Cd污染程度严重。变异系数又称“标准差率”，是用于比较不同样本数据的离散程度。将变异系数（CV）划分为3个等级，分别为高度变异（CV≥0.36）、中等变异（0.16≤CV<0.36）和低度变异（CV<0.16）[5]。重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As变异系数均高于0.36，为高度变异;Cd、Hg变异系数均低于0.16，为低度变异。

2.1.2 重金属时空分布特征。根据采样点检测结果（图3），重金属Hg含量春季最高，重金属Cr、Cd、Ni和As浓度均秋季最高，重金属Cu、Pb和Zn浓度均冬季最高。根据实地调查大纵湖（兴化片区）存在大量围网式水产养殖产业，水产养殖主要在第3季度投饵，因此秋冬两季重金属浓度较高。Cd含量在秋季明显高于春季、夏季、冬季，这是因为Cd大量存在于农药、化肥中，磷肥中Cd含量可以达到300 mg/kg[7]，大纵湖流域分布着大量的农田，农药化肥残留随地表径流进入大纵湖，累积在沉积物中。根据研究区气象资料，5—9月降水量712.2 mm，占年降水量的69.3%。研究区降水量主要呈现上升趋势，这说明As相较于其他重金属易迁移到水相中，随着水流迁移。

雨季集中在每年的5—9月份，重金属易随着雨水迁移至下游区域，因此夏季研究区重金属浓度偏低。入河湖口2、3号点位（鲤鱼河、中引河）相较于1号点位（西孤河）重金属含量更高，说明研究区底泥重金属的主要来源为鲤鱼河、中引河，而西孤河影响相对较小。Zn和Ni在时空上无明显的分布规律，说明Zn和Ni元素主要为自然累积。大部分重金属含量在入河湖口呈现下降趋势，仅As含量在出湖河口。

2.2 底泥重金属生态风险评价

2.2.1 地累积指数法评价。根据公式（1）计算得出大纵湖（兴化片区）底泥重金属地累积指数（Igeo）如表5所示。从表5可以看出，研究区底泥重金属Igeo在-1.64～1.26。重金属Cu、Zn、Pb、Cr和Ni均处于1级无污染;As在入湖河口和出湖河口处于2级轻度污染，湖内为1级无污染;Hg在入湖河口和湖内处于2级轻度污染，出湖河口为1级无污染;Cd在3处均处于3级偏中度污染，污染程度最高。总体上来看，研究区底泥重金属处于无污染程度，底泥重金属污染程度较小。

2.2.2 潜在生态风险指数法评价。根据公式（2）、（3）计算得出大纵湖（兴化片区）底泥重金属潜在生态风险如表6所示。从表6可以看出，研究区底泥重金属单因子潜在生态风险（Eir）在0.96～126.92。评价结果与地累积指数法评价结果有一定的差别，这是由于Hg的毒性系数较高，即使在底泥中浓度较低，也会产生较大的潜在生态危害[13]。重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Ni和As均处于I级轻微生态危害;Hg在入河湖口和湖内达到Ⅲ级强生态危害，出湖河口为Ⅱ级（中等生态危害）;Cd在3处均处于Ⅲ级强生态危害，生态危害最高。无论国内还是国外，Hg和Cd都属于极强污染[14]。从多个重金属潜在生态危害指数（RI）角度来看，3处均处于Ⅱ级中等生态危害，其中湖内RI值最高，达到259.12。总体上来看，研究区底泥重金属处于轻微生态危害，底泥重金属生态危害程度较小。

3 结论

（1）大纵湖（兴化片区）底泥重金属总体污染程度低，其中Zn、Pb、Cd、As和Hg的平均值均超出背景值，Cd最大浓度超出风险筛选值，其余重金属均未超出筛选值。

（2）从底泥重金属时空分布分析得出，底泥重金属主要在秋季、冬季累积;鲤鱼河、中引河为研究区主要污染来源。

（3）从底泥重金属生态风险评价分析得出，2种评价方法均得出研究区Cd是最大的污染物。

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