环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (6): 1409-1420  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.04.15

引用本文  

李照全, 方平, 黄博, 等. 洞庭湖区典型内湖表层沉积物中氮、磷和重金属空间分布与污染风险评价[J]. 环境科学研究, 2020, 33(6): 1409-1420.
LI Zhaoquan, FANG Ping, HUANG Bo, et al. Distribution and Ecological Risk Assessment of Nitrogen, Phosphorus and Heavy Metals in Surface Sediments of Typical Internal Lakes in Dongting Lake Area[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(6): 1409-1420.

基金项目

湖南省自然科学基金项目(No.2019JJ40291);湖南省生态环境厅科研项目(No.2019120525)
Natural Science Foundation of Hunan, China (No.2019JJ40291); Project of Environmental Protection Department of Hunan, China (No.2019120525)

责任作者

黄博(1982-), 男, 湖南长沙人, 工程师, 博士, 主要从事流域重金属污染与防治研究, cnhnhb@hotmail.com.

作者简介

李照全(1982-), 男, 湖南岳阳人, 工程师, 硕士, 主要从事水环境保护研究, lizhaoquan010203@163.com

文章历史

收稿日期:2019-05-24
修订日期:2019-10-23
洞庭湖区典型内湖表层沉积物中氮、磷和重金属空间分布与污染风险评价
李照全1, 方平2, 黄博1, 卢少勇3, 万群1, 熊剑1, 张光贵4    
1. 湖南省岳阳生态环境监测中心, 湖南 岳阳 414000;
2. 湘阴县环境监测站, 湖南 湘阴 414600;
3. 中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 国家环境保护洞庭湖科学观测研究站, 北京 100012;
4. 湖南省洞庭湖生态环境监测中心, 湖南 岳阳 414000
摘要:为了解洞庭湖区内湖表层沉积物中氮、磷和重金属污染空间分布及其生态风险,分别对南湖、黄盖湖、冶湖、鹤龙湖、洋沙湖、湘阴东湖、华容东湖等7个内湖进行现场调查及表层沉积物采样,采用主成分分析法、相关分析法分析了氮、磷和重金属的来源,同时运用综合污染指数法(FF)、地积累指数法(Igeo)与潜在生态风险指数法(RI)评价内湖的污染现状及其生态风险.结果表明:①南湖w(TN)高于洞庭湖区土壤背景值,累积倍数为0.03倍;华容东湖、南湖、冶湖、湘阴东湖、洋沙湖、黄盖湖w(TP)均高于洞庭湖区土壤背景值,累积倍数分别为1.94、1.63、0.84、0.53、0.28、0.26倍;各内湖中w(Cd)、w(Hg)、w(Cu)、w(Pb)、w(Cr)、w(Zn)、w(Ni)均高于洞庭湖沉积物背景值,累积倍数平均值分别为1.09、2.29、1.24、1.62、0.66、0.44、1.78倍.②主成分分析与相关性分析表明,第1主成分TN、Cu、Cr、Ni的质量分数主要受农业生产及养殖业影响,第2主成分Cd、Hg、Pb、Zn的质量分数受工业活动影响最大,第3主成分TP、As、Sb的质量分数主要受生活污染影响.③综合污染指数表明,南湖表层沉积物氮、磷面临重度污染,华容东湖、黄盖湖面临中度污染,湘阴东湖、鹤龙湖、洋沙湖面临轻度污染.④地积累指数表明,南湖表层沉积物重金属面临严重污染,黄盖湖、鹤龙湖面临重污染,湘阴东湖、华容东湖、冶湖面临偏中度污染,洋沙湖面临轻度污染.⑤潜在生态风险指数表明,南湖、湘阴东湖表层沉积物重金属面临较高风险,其余5个内湖面临中等风险.研究显示,洞庭湖区内湖表层沉积物不同程度受氮、磷及重金属污染,南湖综合污染尤为严重,内源污染应引起重视.
关键词内湖    表层沉积物    TN    TP    重金属    生态风险    
Distribution and Ecological Risk Assessment of Nitrogen, Phosphorus and Heavy Metals in Surface Sediments of Typical Internal Lakes in Dongting Lake Area
LI Zhaoquan1, FANG Ping2, HUANG Bo1, LU Shaoyong3, WAN Qun1, XIONG Jian1, ZHANG Guanggui4    
1. Yueyang Eco-Environmental Monitoring Centre of Hunan Province, Yueyang 414000, China;
2. Xiangyin Environmental Monitoring Station, Xiangyin 414600, China;
3. State Environmental Protection Scientific Observation Station of Dongting Lake, National Engineering Laboratory for Lake Water Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
4. Dongting Lake Eco-Environmental Monitoring Centre of Hunan Province, Yueyang 414000, China
Abstract: In order to investigate the spatial distribution and ecological risk of nitrogen, phosphorus and heavy metal pollution in the surface sediments of internal lakes in Dongting Lake area, field investigations and surface sediment sampling were carried out in Nanhu Lake, Huanggai Lake, Yehu Lake, Helong Lake, Yangsha Lake, Donghu Lake of Xiangyin and Donghu Lake of Huarong. The sources of nitrogen, phosphorus and heavy metals were discussed combining with the methods of principal component analysis and correlation analysis. Meanwhile the pollution status and the potential component risk of internal lakes were evaluated by the comprehensive pollution index (FF), geoaccumulation index (Igeo) and Hakanson potential ecological risk index (RI).The results showed that: (1) The w(TN) in Nanhu Lake and w(TP) in Donghu Lake of Huarong, Nanhu Lake, Yehu Lake, Donghu Lake of Xiangyin, Yangsha Lake and Huanggai Lake were 0.03, 1.94, 1.63, 0.84, 0.53, 0.28 and 0.26 times higher than the soil background values in Dongting Lake area, respectively. The values of w(Cd), w(Hg), w(Cu), w(Pb), w(Cr), w(Zn) and w(Ni) in all studied internal lakes were higher than the background values of Dongting Lake sediments, with the average enrichment extent of 1.09, 2.29, 1.24, 1.62, 0.66, 0.44 and 1.78 times, respectively. (2) The results of principal component analysis and correlation analysis showed that the content of TN, Cu, Cr and Ni in the first principal components were mainly affected by agriculture and aquaculture, and the content of Cd, Hg, Pb and Zn in the second principal components were primarily affected by industrial activities. The content of TP, As and Sb in the third principal components were mainly influenced by domestic pollution. (3) The comprehensive pollution index indicated that the nitrogen and phosphorus in surface sediments of Nanhu Lake were seriously polluted, and were moderately polluted in Donghu Lake of Huarong and Huanggai Lake. Slight pollution of nitrogen and phosphorus was found in Donghu Lake of Xiangyin, Helong Lake and Yangsha Lake. (4) The results of geoaccumulation index showed that heavy metals in surface sediments of Nanhu Lake were seriously polluted, and were heavily polluted in Huanggai Lake and Helonghu Lake. Heavy metals in Donghu Lake of Xiangyin, Donghu Lake of Huarong and Yehu Lake were moderately polluted, while Yangsha Lake was slightly polluted. (5) The potential ecological risk index demonstrated that the potential ecological risk of heavy metals in surface sediments of Nanhu Lake and Donghu Lake of Xiangyin was at higher level than that of the other five internal lakes, while the latter five lakes were at moderate risk. The results show that nitrogen, phosphorus and heavy metals in surface sediments of internal lakes were polluted in different degrees, and the comprehensive pollution of Nanhu Lake was particularly serious. Therefore, the internal pollution should be paid attention to in internal lakes in Dongting Lake area.
Keywords: internal lakes    surface sediments    total nitrogen (TN)    total phosphorus (TP)    heavy metals    ecological risk    

沉积物是湖泊生态系统的重要组成部分,也是污染物质重要的“源”和“汇”[1-2].当氮、磷及重金属等污染物进入水体后,绝大部分以溶解态或被悬浮物所吸附存在于水环境中,在一定的水动力条件下逐步迁移、吸附、沉积至表层沉积物中.在环境因素变化时,这部分污染物会重新释放进入水体形成二次污染[3-5].研究[6-8]认为,沉积物是造成湖泊水体富营养化及重金属污染的来源之一,对水质污染的贡献不容忽视.因此,开展湖泊沉积物中氮、磷及重金属污染状况调查,对研究湖泊生态环境质量有重要意义.

洞庭湖位于长江荆江段南岸,是长江中下游重要的调蓄湖泊.经过漫长的自然演变和近50年来的人为活动,湖区内形成了众多内湖.内湖系指相对外湖洞庭湖而言的圩垸湖泊,与江、河无直接水文联系,湖泊入、出流受人为控制[9].据统计,洞庭湖区面积大于1 km2的内湖有122个[9],是我国湖泊密度大、发育广泛的湖群集中区域[10].内湖作为水生生态系统的重要组成部分,对改善生态环境、维持湿地生物多样性、调节局部小气候等方面有重要作用,同时在地方经济建设与发展过程中,承载着重要的经济价值和社会价值.但相比外湖而言,内湖易受外部环境干扰,水动力条件普遍较差,加上养殖、工农业生产、城乡居民生活等人为活动影响,导致其生态环境脆弱,面临的污染形势更为严峻.因此,保护内湖生态环境显得尤为迫切.近年来,不少学者对湖泊沉积物开展研究,如卢少勇等[11]研究发现,重庆长寿湖表层沉积物氮、磷污染严重且空间分布差异明显;蒋豫等[12]研究表明,阳澄湖表层沉积物已不同程度受重金属污染,阳澄西湖污染最重;陈乾坤等[13]对江苏西部7个湖泊表层沉积物进行潜在生态风险评价,显示固城湖等4个内湖为中等风险,主要风险因子为Cd、As.目前关于洞庭湖区内湖相关研究较少[10, 14],并且缺乏较系统的调查评价.为此,笔者以列入国家湿地重点自然保护区、国家湿地公园、湖南省重要湿地名录及水域面积大于10 km2的洞庭湖区岳阳地区内湖为调查范围,兼顾水体不同使用功能与污染类型,选取了7个代表性内湖为研究对象.通过现场调查与采样,借助SPSS 19.0、ArcGIS 10.2等软件分析内湖表层沉积物中氮、磷及重金属等污染物的空间分布与累积成因,并采用综合污染指数法(FF)、地积累指数法(Igeo)与潜在生态风险指数法(RI)评价内湖的污染现状及其生态风险,以期为洞庭湖区内湖污染防治提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

岳阳市(28°25′33″N~29°51′00″N、112°18′31″E~ 114°09′06″E)位于湖南省东北部,素称“湘北门户”,年均降水量1 289.8~1 556.2 mm,年均气温16.5~17.2 ℃.境内地貌组合复杂,山地、丘陵、岗地、平原、水面5种地貌类型分别占全市国土总面积的16%、24%、18%、26%、16%.境内湖泊星布,河流众多,有大小湖泊165个,流域面积100 km2以上的河流27条.辖区洞庭湖面积1 312 km2,其中东洞庭湖920 km2、南洞庭湖392 km2.长江干流自华容塔市驿入境至黄盖湖铁山嘴,全长158.5 km.湘江、汨罗江、新墙河、华容河、藕池河自境内注入洞庭湖.结合辖区实际,选取了7个代表性内湖为研究对象,基本情况见表 1.

表 1 内湖基本情况 Table 1 General situation of the internal lakes
1.2 采样点布设、样品采集与分析

于2015年8月、9月丰水期对洞庭湖区7个典型内湖进行采样,按左、中、右或上、中、下布设采样点,具体见图 1.使用抓斗式采泥器采集0~20 cm表层沉积物,同时用手持式GPS (GARMIN GPS76,上海佳明速达航电科技有限公司)记录采样点的经纬度信息.每个采样点采集5个样品共约2 kg,混合并装入封口袋,置于洁净制样间自然风干.风干样品经粗磨过2 mm筛,均匀混合后采用四分法弃取;保留样品一份细磨过0.25 mm筛,另一份保存备用;称量后再四分法成两份,一份用于测定氮、磷全量,另一份继续细磨全部过0.15 mm筛,用于重金属全量分析. w(TN)采用半微量开氏法测定;w(TP)采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定;w(Cu)、w(Zn)、w(Cr)、w(Ni)采用火焰原子吸收分光光度法〔Z-5000,日立分析仪器(上海)有限公司〕测定;w(Pb)、w(Cd)采用石墨炉原子吸收分光光度法〔Z-5000,日立分析仪器(上海)有限公司〕测定;w(As)、w(Sb)、w(Hg)采用原子荧光法(AFS-8230,北京吉天仪器有限公司)测定.采用国家标准沉积物GSD-19、GSD-22进行质控,每个样品分析2个平行样,要求误差小于5%,按平均值统计.

图 1 洞庭湖区典型内湖采样点分布 Fig.1 Sampling sites of the typical internal lakes in Dongting Lake area
1.3 评价方法 1.3.1 综合污染指数法

采用综合污染指数法评价氮、磷污染程度,计算公式:

$ {S_i} = {C_i}/{C_{\rm{s}}} $ (1)
$ {\rm{FF}} = \sqrt {\left( {{F^2} + {F_{{{\max }^2}}}} \right)/2} $ (2)

式中:Si为第i项污染物单项指数;Ci为第i项污染物在沉积物中的含量,mg/kg;Cs为对应元素评价标准值,该研究以加拿大安大略省环境和能源部(1992年)发布的沉积物质量评价指南中引起最低级别生态毒性效应含量为标准[15],其中w(TN)、w(TP)分别为550、600 mg/kg;FF为综合污染指数;F为单项污染指数平均值;Fmax为最大单项污染指数.综合污染程度分级见表 2.

表 2 沉积物综合污染程度分级 Table 2 Classification of comprehensive pollution index of sediments
1.3.2 地积累指数法

地积累指数法由德国沉积物学者Muller(1969年)[16]提出,广泛用于沉积物中重金属的污染评价,计算公式:

$ {I_{{\rm{geo}}}} = {\log _2}\left[ {{C_n}/\left( {k \times {B_n}} \right)} \right] $ (3)

式中:Cn为实测元素在沉积物中的含量,mg/kg;K为各地岩石差异可能导致背景值变化而取的参数,一般取值1.5;Bn为该元素地球化学背景值,该研究以洞庭湖水系沉积物背景值为地球化学背景值(见表 3).按地积累指数分为7个级别,具体污染程度分级见表 4.

表 3 洞庭湖水系沉积物重金属背景值[17] Table 3 Background values of heavy metals of sediments in Dongting Lake water systems[17] 

表 4 沉积物地积累指数污染程度分级 Table 4 Classification of geoaccumulation index of sediments
1.3.3 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法1980年由瑞典地球化学家Hakanson[18]提出,该方法以全球工业化前沉积物中污染物的含量为参比,根据地球元素“丰度”原则与“释放原理”,从沉积学角度给出了PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn等8种污染物的生物毒性系数,并定量划分了潜在生态风险指数级别,计算公式:

$ {\rm{RI}} = \sum\limits_{i = 1}^n {E_{\rm{r}}^i} = \sum\limits_{i = 1}^n {T_{\rm{r}}^i} \times \frac{{C_{\rm{s}}^i}}{{C_n^i}} $ (4)

式中:Tri为重金属生物毒性响应系数,其中Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn等7种重金属参照Hakanson给出的系数,分别取值为40、30、10、5、5、2、1,Sb、Ni参考林丽钦[19]的研究,分别取值为40、5;Csi为沉积物中重金属的实际含量,mg/kg;Cni为沉积物重金属参比值,该研究采用洞庭湖沉积物背景值(见表 3);Eri为单个重金属潜在生态风险指数;RI为多项重金属综合潜在生态风险指数,考虑到该研究重金属因子为9项,因此对潜在生态风险指数级别范围适当调整(见表 5).

表 5 沉积物潜在生态风险指数污染程度分级 Table 5 Classification of potential ecological risk index of sediments
2 结果与讨论 2.1 沉积物中氮、磷与重金属质量分数及空间分布 2.1.1 氮、磷质量分数及空间分布

各内湖表层沉积物中w(TN)、w(TP)平均值及变化范围见表 6,其中w(TN)、w(TP)最大平均值分别出现在南湖、华容东湖,分别高于最小平均值2.87、2.90倍.单因素方差分析显示,w(TN)在各内湖之间差异显著(P < 0.05),w(TP)在各内湖之间差异极显著(P < 0.01).结合表 7可知,南湖w(TN)高于洞庭湖区土壤背景值(1 647 mg/kg)[20],累积倍数为0.03倍;华容东湖、南湖、冶湖、湘阴东湖、洋沙湖、黄盖湖w(TP)均高于洞庭湖区土壤背景值(672 mg/kg)[20],累积倍数分别为1.94、1.63、0.84、0.53、0.28、0.26倍.总体表现为氮、磷含量空间分布差异较大,磷的累积相对较重.华容东湖、南湖TP累积尤为突出,可能与局部污染较重有关.结合调查相近时段水质结果[21]比较发现,w(TP)在表层沉积物与上层水中分布趋势相似,而w(TN)未见明显关联,表明内湖水体磷的污染与其表层沉积物中的含量关系密切.

表 6 内湖表层沉积物中TN、TP和重金属的质量分数及N/P Table 6 Concentration of total nitrogen, total phosphorus, heavy metals and N/P ratio in surface sediments of internal lakes

表 7 内湖表层沉积物氮、磷及重金属累积倍数 Table 7 Enrichment extent of nitrogen, phosphorus and heavy metals in surface sediments of internal lakes

对比表 6表 8发现:洞庭湖区7个内湖w(TN)明显低于湖北保安湖、武汉南湖、桂林木龙湖、鄂州梁子湖等内湖,仅南湖略高于武汉莲花湖,总体处于中低水平;各内湖w(TP)高于桂林木龙湖、太原晋阳湖、鄂州梁子湖等内湖,仅鹤龙湖低于湖北保安湖、重庆长寿湖,总体处于中高水平;各内湖N/P在0.4:1~ 1.7:1之间,相比国内其他内湖处于较低水平,远低于水生生物体中N/P(7:1~10:1)[27]. N/P是反映水生生物生长营养结构的重要指标,表层沉积物中过低的N/P不利于水生高等植物生长,从而减少了氮的沉积,可能是洞庭湖区内湖w(TN)偏低的原因之一.与洞庭湖相比,w(TN)在南湖、黄盖湖略高于洞庭湖;w(TP)在各内湖明显高于洞庭湖,倍数在0.7~5.7倍之间,说明湖区内湖TP的污染较外湖更为严重.一方面与内湖以磷为主要特征污染物有关;另一方面是因为内湖水动力条件较差,更利于营养盐的沉积,而洞庭湖较快的水流加速了水体中DO向沉积物中扩散,ρ(DO)对沉积物中磷的释放影响较大[29].

表 8 不同湖泊表层沉积物氮、磷质量分数及N/P Table 8 Concentration of nitrogen, phosphorus and N/P ratio in surface sediments of various lakes
2.1.2 重金属质量分数及空间分布

各内湖表层沉积物中重金属平均值及变化范围见表 6,单项重金属最大平均值高于最小平均值范围为0.33~3.60倍.单因素方差分析显示,w(As)、w(Pb)、w(Sb)在各内湖之间差异极显著(P < 0.01),w(Cu)、w(Cr)在各内湖之间差异显著(P < 0.05).结合表 7可知,Cd、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等7种重金属质量分数平均值均高于洞庭湖水系沉积物重金属背景值(见表 3),累积倍数范围分别为0.31~2.27、1.16~3.42、0.56~2.34、0.82~2.18、0.38~1.00、0.13~0.59、1.40~2.20倍;As的累积倍数为0.55~1.85倍(洋沙湖、湘阴东湖除外);Sb在南湖、华容东湖累积倍数分别为1.18、0.20倍.总体表现为重金属含量空间分布差异显著,多因子复合累积较重.各内湖比较发现,南湖Cd、As、Sb及黄盖湖Cu、Cr、Zn、Ni累积相对严重,表明二者重金属复合污染最重.这可能与南湖受工业活动与城市生活污染较重,以及黄盖湖受农业生产、养殖等人为活动影响较大有关.

单因素方差分析表明,洞庭湖区内湖w(Ni)、w(Pb)明显高于国内其他内湖,差异达极显著水平(P < 0.01),其他重金属质量分数差异不显著.与国内其他内湖(见表 9)相比:洞庭湖区内湖w(Cd)略高于武汉东湖、阳澄湖,与梁子湖相当;w(Hg)高于梁子湖、南四湖,与阳澄湖相近;w(Zn)、w(Cu)、w(Cr)、w(As)总体水平与国内其他内湖相当.总体上,洞庭湖区内湖表层沉积物中重金属质量分数处于中等偏高水平,其内源污染不容忽视.与洞庭湖相比:各内湖w(Cd)、w(Hg)、w(Zn)低于洞庭湖;w(As)与洞庭湖相当;w(Pb)、w(Ni)高于洞庭湖.总体而言,各内湖表层沉积物重金属累积程度较洞庭湖为轻,但Cd、Hg污染仍较重.

表 9 不同湖泊表层沉积物重金属质量分数 Table 9 Concentration of heavy metals in surface sediments of different lakes
2.2 沉积物中氮、磷及重金属来源分析 2.2.1 相关性分析

采用Pearson相关分析,研究洞庭湖区内湖表层沉积物中氮、磷及重金属因子相互关联.结果(见表 10)表明,w(TN)与w(As)、w(Cr)、w(Ni)均呈极显著正相关(P < 0.01),与w(Cu)、w(Zn)、w(Sb)均呈显著正相关(P < 0.05);w(TP)与w(Pb)呈极显著负相关,与w(Sb)呈显著正相关.这说明各内湖表层沉积物中氮与重金属累积程度关系更为密切. w(Cd)、w(Hg)、w(Zn)三者之间以及w(Cu)、w(Cr)、w(Zn)、w(Ni)四者之间两两均呈极显著正相关;w(Pb)与w(Zn)以及w(As)与w(Sb)亦呈极显著正相关;w(Cd)与w(Pb)、w(Sb)均呈显著正相关.这表明这些重金属污染具有同源性.

表 10 内湖表层沉积物中氮、磷与重金属Pearson相关系数 Table 10 Pearson correlation coefficients of nitrogen, phosphorus and heavy metals in surface sediments of internal lakes
2.2.2 主成分分析

为进一步分析沉积物氮、磷及重金属污染成因,将各测点重金属原始数据进行主成分分析,提取特征值大于1的3个主成分(见图 2).第1主成分贡献率占32.99%,特征因子表现为在TN、Cu、Cr、Ni的质量分数上有较高的正载荷,对应质量分数较高点主要分布在黄盖湖、冶湖,据调查其水体均以农业灌溉和养殖为主,无工业类重金属污染来源,说明第1主成分主要受农业生产及养殖业影响.第2主成分贡献率占25.35%,特征因子表现为在Cd、Hg、Pb、Zn的质量分数上有较高的正载荷,对应质量分数较高点主要分布在南湖、湘阴东湖、洋沙湖、鹤龙湖.南湖为典型的城市内湖,在城市工业变革的历史进程中,周边曾分布机械工业、五金加工及电镀等中小型企业所排放的涉重废水,是表层沉积物重金属累积的重要来源.湘阴东湖、洋沙湖、鹤龙湖位于湘江尾闾,通过调蓄闸可与湘江互通.湘江是湖南省最大的河流及重要纳污水体,有色金属污染尤为严重[33],表现出中下游表层沉积物重金属的污染较重[34].万群等[35]研究认为,湘江入湖口沉积物的Cd、Hg、Pb、Zn累积相对较重,主要受工业生产和有色金属采冶支配.祝云龙等[36]研究发现,洞庭湖各子湖以南洞庭湖重金属复合污染最重,其中湘江入南洞庭湖的河口三角洲上As、Cd、Hg、Pb、Zn的质量分数较高.就湘阴东湖、洋沙湖、鹤龙湖而言,其重金属累积特征因子与湘江下游及入湖口沉积物累积特征因子大致吻合,认为受湘江来水影响最大,结合对南湖表层沉积物重金属累积成因分析,说明第2主成分主要受工业活动影响最大.第3主成分贡献率占23.81%,特征因子包括TP、As、Sb,对应质量分数较高点主要分布在南湖,说明受局部污染可能性最大.另外,TN在第3主成分亦有较高的正载荷,结合表 10相关性分析结果,即内湖表层沉积物中w(TN)与w(As)、w(Sb)分别呈极显著、显著正相关,w(TP)与w(Sb)呈显著正相关,说明氮、磷的累积与w(As)、w(Sb)关系密切.考虑到南湖自身的污染特征,其表层沉积物中氮、磷的累积主要来源于大量的城市生活污水排放.由此可见,第3主成分主要受生活污染影响最大.

图 2 氮、磷与重金属主成分因子载荷 Fig.2 Matrix of principal component analysis loadings of nitrogen, phosphorus and heavy metals in surface sediments
2.3 沉积物中氮、磷及重金属污染评价 2.3.1 氮、磷污染评价

表 11可见:STN值在南湖达重度污染,黄盖湖达中度污染,冶湖、鹤龙湖、华容东湖为轻度污染,洋沙湖、湘阴东湖为清洁水平;STP值在华容东湖达重度污染,南湖、冶湖达中度污染,湘阴东湖、洋沙湖、黄盖湖为轻度污染,鹤龙湖为清洁水平;综合污染指数由大小排序依次为3.04(南湖)>2.84(华容东湖)>2.27(黄盖湖)>2.04(冶湖)>1.50(湘阴东湖)>1.39(鹤龙湖)>1.28(洋沙湖),其中南湖面临重度污染,华容东湖、黄盖湖、冶湖面临中度污染,湘阴东湖、鹤龙湖、洋沙湖面临轻度污染.结合主成分分析结果(见图 2)表明,南湖表层沉积物中氮、磷污染受大量生活污水中营养盐沉积所致,尽管近年来外源污染得到有效管控,但内源污染仍较重,是其水质变化的主控因素.华容东湖受周边农村生活、农业及渔业养殖等多因素复合污染,加上水体流动性极差等不利因素影响,导致磷污染尤为突出,综合污染亦接近重度污染.因此,在推进农环整治及退养还湖基础上,其内源污染治理仍不容忽视.

表 11 内湖表层沉积物氮磷综合污染指数与分级 Table 11 Comprehensive pollution index and its classification of nitrogen, phosphorus in surface sediments of internal lakes

综合污染指数法以加拿大安大略省环境和能源部(1992年)发布的沉积物质量评价指南中引起最低级别生态毒性效应含量为标准,与洞庭湖区土壤背景值中w(TN)相差较大.前者侧重于生态风险评价,未考虑不同区域背景值的影响,后者突出了后期人为活动等因素的影响,两种评价结果互为补充.

2.3.2 重金属污染评价 2.3.2.1 地积累指数评价

表 12可见:各内湖表层沉积物不同程度出现了重金属累积,以偏中度污染和轻度污染为主.其中Hg、Ni、Pb、Cu污染相对严重,7个内湖均出现偏中度或轻度污染,尤其Hg的地积累指数在南湖、黄盖湖、鹤龙湖、湘阴东湖达偏中度污染,Ni的地积累指数在黄盖湖、冶湖达偏中度污染,Pb的地积累指数在鹤龙湖、洋沙湖达偏中度污染,Cu的地积累指数在黄盖湖达偏中度污染;Cd的地积累指数在南湖达偏中度污染,其余为轻度污染或清洁水平;As、Cr、Zn、Sb污染相对较轻,各内湖未见偏中度及以上污染.单项重金属地积累指数平均值排序依次为Hg>Ni>Pb>Cu>Cd>Cr>As>Zn>Sb,其中Hg达偏中度污染,Ni、Pb、Cu、Cd、Cr为轻度污染,As、Zn、Sb为清洁水平.

表 12 内湖表层沉积物重金属地积累指数与分级 Table 12 Geoaccumulation index and its classification of heavy metals in surface sediments of internal lakes

采用综合地积累指数(Itot)[32]比较各内湖表层沉积物中重金属复合污染状况.从表 12也可以看出:南湖重金属复合污染相对最重,面临严重污染;黄盖湖、鹤龙湖面临重污染;湘阴东湖、华容东湖、冶湖面临偏中度污染;洋沙湖复合污染程度最轻,面临轻度污染.按综合地积累指数由重至轻排序依次为6.36(南湖)>4.36(黄盖湖)>4.17(鹤龙湖)>1.74(湘阴东湖)>1.53(华容东湖)>1.36(冶湖)>1.00(洋沙湖).结合主成分分析结果(见图 2)表明:南湖表层沉积物中重金属面临严重污染,主要受早期环湖工业活动影响较大,其次是大量城市生活污水带入的重金属沉积所致;黄盖湖面临重污染,主要与流域范围内大面积的农业生产及城乡民居生活污染有关;鹤龙湖面临重污染,则受湘江中上游工业活动影响最大;南湖、黄盖湖、鹤龙湖三者污染程度明显高于其余4个内湖.

2.3.2.2 潜在生态风险指数评价

表 13可见:Hg的污染相对最重,南湖、湘阴东湖面临高风险,其余内湖面临较高风险;Cd在南湖、洋沙湖面临较高风险,黄盖湖、鹤龙湖、湘阴东湖面临中等风险,其余为低风险;Sb在南湖面临较高风险,华容东湖面临中等风险,其余为低风险; As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni在各内湖同为低风险.单项重金属潜在生态风险指数平均值排序依次为Hg>Cd>Sb>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn,其中Hg面临较高风险,Cd面临中等风险,其余7项重金属为低风险.潜在生态风险指数表明:南湖、湘阴东湖重金属潜在生态风险最高,面临较高风险;其余5个内湖同为中等风险.单项重金属以Hg、Cd对RI值贡献率最大,分别在39.6%~56.3%、15.9%~31.9%之间,是洞庭湖区内湖主要生态风险因子.

表 13 内湖表层沉积物重金属潜在生态风险指数与风险占比 Table 13 Potential ecological risk index of heavy metals and its risk proportion in surface sediments of internal lakes

单项污染指数与潜在生态风险指数平均值排序有所差异,但均以Hg的污染最重,Cd、Sb、As的潜在生态风险指数平均值排序更靠前.因此,应优先将Hg、Cd作为洞庭湖区内湖沉积物主要控制因子.由综合地积累指数(Itot)与潜在生态风险指数可知,各内湖综合污染程度排序基本一致,但湘阴东湖、洋沙湖的潜在生态风险指数排序更高,这与Hg、Cd等生物毒性系数大的重金属因子贡献占比大有关,也体现了潜在生态风险指数法侧重于重金属生物毒性的特点.

3 结论

a) 洞庭湖区各内湖表层沉积物w(TN)、w(TP)空间分布差异较大,最大平均值分别高于最小平均值2.87、2.90倍,与国内其他内湖比较,其w(TN)处于中低水平,w(TP)处于中高水平.各内湖重金属空间分布差异显著,最大平均值高于最小平均值范围为0.33~3.60倍,与国内其他内湖比较,其总体质量分数处于中等偏高水平.

b) 相关性分析与主成分分析结果表明:第1主成分TN、Cu、Cr、Ni的质量分数主要受农业生产及养殖业影响;第2主成分Cd、Hg、Pb、Zn的质量分数受工业活动影响最大;第三主成分TP、As、Sb的质量分数则主要受生活污染的影响.

c) 综合污染指数(FF)表明,南湖面临重度污染,华容东湖、黄盖湖面临中度污染,湘阴东湖、鹤龙湖、洋沙湖面临轻度污染.单项污染指数STNSTP值分别在南湖、华容东湖面临重度污染,STN值在黄盖湖及STP值在南湖、冶湖面临中度污染,其余为轻度污染或清洁水平.

d) 地积累指数(Igeo)表明,Hg、Ni、Pb、Cu污染相对严重,各内湖均出现了偏中度或轻度污染. As、Cr、Zn、Sb污染相对较轻,各内湖未见偏中度及以上污染.潜在生态风险指数(RI)表明:Hg的污染相对最重,南湖、湘阴东湖面临高风险,其余均为较高风险;Cd、Sb的污染次之,Cd在南湖、洋沙湖及Sb在南湖面临较高风险,其余为中等或低风险;As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni均为低风险.地积累指数(Igeo)和潜在生态风险指数(RI)综合比较发现:南湖的综合污染最重,面临严重污染,潜在风险面临高风险;黄盖湖、鹤龙湖面临重污染,潜在风险面临中等风险;湘阴东湖面临偏中度污染,但潜在风险面临较高风险;华容东湖、冶湖面临偏中度污染及洋沙湖面临轻度污染,潜在风险面临中等风险.

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