洞庭湖沉积物中重金属污染特征与评价

J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4):[e-mail]©2008byJournalofLakeSciences洞庭湖沉积物中重金属污染特征与评价*祝云龙1,2,姜加虎1**,孙占东1,黄群1,王红娟1,2,周云凯1,2(1:中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京210008)(2:中国科学院研究生院,北京100049)摘要:于2003-2004年在洞庭湖湖区采集沉积物样品700个,测定了沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量,并用地积累指数方法和主成分分析法对沉积物中的重金属污染状况进行了评价和分析.结果显示,洞庭湖各子湖区沉积物中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的平均含量都属于国家土壤二级标准,As、Hg、Ni属于国家土壤一级至二级土壤标准;在南洞庭湖与东洞庭湖入湖河流的三角洲的前缘是沉积物重金属积累最高的地点,而在西洞庭湖入湖河流三角洲的后缘沉积物重金属含量比前缘高.采用综合地积累指数法对洞庭湖各子湖区沉积物进行评价,结果表明:南洞庭湖(重污染)东洞庭湖(偏重污染)西洞庭湖(中度污染)大通湖(中度污染)城陵矶(轻度污染).采用主成分分析法对洞庭湖各子湖区沉积物进行分析,结果表明:南洞庭湖与东洞庭湖第一主成分贡献率分别为55.22%、56.86%,主要支配As、Cd、Hg、Pb、Zn的载荷,而第二主成分贡献率分别为30.04%、33.11%,主要支配Cu、Cr、Ni的载荷;西洞庭湖、大通湖和城陵矶因沉积物重金属来源不同,主成分分析结果相差较大.关键词:沉积物;重金属;污染评价;主成分分析;洞庭湖CharacterandassessmentofheavymetalsinthesedimentsfromLakeDongtingZHUYunlong1,2,JIANGJiahu1,SUNZhandong,HUANGQun1,WANGHongjuan1,2&ZHOUYunkai1,2(1:NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210018,P.R.China)(2:GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)Abstract:700sedimentsampleswerecollectedfromLakeDongtingduring2003-2004,andconcentrationsofAs,Cd,Cr,Cu,Hg,Ni,Pb,Zninthesedimentsweremeasuremed.TheresultsshowedthattheaverageconcentrationsofCd,Cr,Cu,Pb,ZndidnotexceedthestandardsofClassIIofenvironmentalqualitystandardforsoilsinChina;theaverageconcentrationsofAs,HgandNiwerebetweenthestandardsofClassIandthestandardsofClassIIofthestandard.TheheavymetalsineastLakeDongtingandsouthLakeDongtingweremostlyaccumulatedinthefrontofthedeltawhereriversranintothelake,howevertheheavymetalsinwestLakeDongtingweremostlyaccumulatedintherearpartofthedelta.ResultswithintegrativeindexofgeoaccumulationshowedthatthedecreasingorderofthedegreeofheavymetalpollutioninLakeDongtingwasasfollows:southLakeDongtingeastLakeDongtingwestLakeDongtingLakeDatongChenglingji.Principalcomponentanalysis(PCA)wasappliedtostudytheheavymetalsinthesedimentsfromLakeDongting.Resultsshowedthatthefirstprincipalcomponent(PC1)insouthLakeDongtingaccountsfor55.22%oftotaldatavariance,andthesecondprincipal(PC2)accountsfor30.04%.As,Cd,Hg,Pb,andZnhavegreaterloadingsinthePC1,andCu,CrandNihavegreaterloadingsinPC2,insouthLakeDongtingandeastLakeDongting.ForthewestLakeDongting,LakeDatongandChenglingji,duetothefactthattheyhavedifferentsourcesofheavymetals,theprincipalcomponentanalyseshaveshowndifferentresults.Keywords:Heavymetal;sediments;pollutionassessment;principalcomponentanalysis;LakeDongting湖泊沉积物是各种污染物质的蓄积库,污染物可以被水体颗粒物吸附、络合、絮凝、沉降在沉积物*国家自然科学基金(40571028)资助.2007-07-05收稿;2007-12-17收修改稿.祝云龙,男,1978年生,博士研究生;E-mail:[e-mail].**通讯作者;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2008,20(4)478中,湖泊沉积物记载着湖区环境变化的丰富信息,可以反映流域工业生产对湖泊环境的影响[1-2].重金属由于具有难降解、生物富集和放大作用而对生物体及生态系统有较大的生态危害性[3-4].洞庭湖(111º53′-113º05′E,28º44′-29º35′N)[5]位于湖南省东北部,长江中游荆江段南岸,南近湘阴、益阳,北抵华容、安乡、南县,东滨岳阳、汨罗,西至澧县、沅江等县市.湖体呈近似“U”字形,水位33.50m时(岳阳站,黄海基面),湖泊面积2625km2.因泥沙淤积、筑堤建垸等自然和人类活动的共同影响,洞庭湖现已分割为东、南、西三部分.据调查和统计[6],洞庭湖区共有82个工业排污口,其中东洞庭湖41个,南洞庭湖33个,西洞庭湖区8个.本文分析了洞庭湖不同湖区沉积物中的重金属和有机质的含量及沉积物pH值,地积累指数法对重金属污染状况进行了评价,为洞庭湖的持续健康发展提供参考.1材料与方法2003-2004年,用抓斗式采泥器在洞庭湖湖区采集了700个沉积物样品,采样站点如图1.采样过程中,用塑料勺采取抓泥器中央未受干扰的表层0-2cm泥样于聚乙烯袋中,扎紧袋口,带回实验室待测.将样品在通风的室内自然风干、除杂、混合均匀后,用木棒和玛瑙研钵将样品磨碎后,过100目尼龙筛后供测定用.图1洞庭湖沉积物采样点示意Fig.1LocationofsamplingsitesinLakeDongting沉积物样品经HNO3-HClO4-HF消解后,Pb、Cd、Ni用石墨炉原子吸收分光光度法测定,Cu、Cr、Zn以火焰原子吸收分光光度法测定,As用氢化物-非色散原子荧光法测定,Hg用HNO3-H2SO4-V2O5消解后,用冷原子无色散原子荧光法测定,测定Cd、Cr、Cu、Zn、Pb和Ni所用的仪器为220FS200Z型原子吸收分光光度计;测定Hg、As的仪器为HG-AFS原子荧光光谱仪,沉积物中有机质的含量以灼烧法(550℃灼烧2h)来测定.沉积物pH以土:水=1:2.5的比例电位法测定的.分析过程以国家土壤一级标准物质GSS1——GSS8为质控标样,测定相对误差小于5%.用统计软件SPSS11.5进行数据处理.祝云龙等:洞庭湖沉积物中重金属污染特征与评价4792结果与分析2.1洞庭湖沉积物中重金属的含量为详细分析各子湖区的重金属变化特征及污染状况,将洞庭湖分成5个子湖区(段),各子湖区采集的沉积物样品数量为:西洞庭湖102个,南洞庭湖(包括万子湖和横岭湖)214个,东洞庭湖348个,大通湖24个,城陵矶12个.各子湖区重金属的平均含量、国家一级土壤标准[7]及洞庭湖沉积物背景值[8]如图2所示.从图2中可看出,洞庭湖各子湖区As的平均含量为:南洞庭湖城陵矶东洞庭湖大通湖西洞庭湖,西洞庭湖和大通湖沉积物中As属于国家一级土壤标准,东洞庭湖、城陵矶和南洞庭湖沉积物中As属于国家二级土壤标准(15-30mg/kg),且各子湖区沉积物中As的平均含量都高于洞庭湖沉积物As的背景值(12.9mg/kg).东洞庭湖As的含量在4.72mg/kg(9号)与69.26mg/kg(1号)之间,1号点As的含量最高,是国家三级土壤标准(30mg/kg)的2.3倍.南洞庭湖As含量在5.02mg/kg(13号)与93.43mg/kg(6号)之间,6号点沉积物As的含量最高,是国家三级土壤标准的3.1倍.西洞庭湖As含量在6.03mg/kg(14号点)与34.78mg/kg(16号点)之间,16号点As的含量最高,是国家三级土壤标准的1.1倍.大通湖As含量在10.91mg/kg(20号)与18.91mg/kg(22号)之间,略高于国家一级土壤标准,且各采样点之间As含量变化较小.城陵矶As的含量在8.45mg/kg(24号)与48.56mg/kg(23号)之间,各采样点之间变化较大.洞庭湖各子湖区沉积物Cd的平均含量为:南洞庭湖东洞庭湖西洞庭湖大通湖城陵矶,且Cd的含量全部超过国家一级土壤标准(0.2mg/kg),南洞庭湖和东洞庭湖、西洞庭湖均属于国家三级土壤标准(0.6mg/kg).东洞庭湖Cd的含量在0.07mg/kg(4号点)至14.94mg/kg(1号)之间,且1号点Cd的含量最高,是国家三级土壤标准的24.9倍.南洞庭湖Cd的含量在0.04-23.34mg/kg之间,6号点最高,是国家三级土壤标准的38.9倍.西洞庭湖Cd的含量在0.06-3.65mg/kg之间,18号点最高,是国家三级土壤标准的6.1倍.大通湖Cd的含量在0.26-0.57mg/kg之间,22号点最高,但小于国家三级土壤标准.城陵矶Cd的含量在0.14-0.46mg/kg之间,也都远小于国家三级土壤标准.洞庭湖各子湖区沉积物中Cr的平均含量大小顺序为:大通湖东洞庭湖南洞庭湖城陵矶西洞庭湖,且所有沉积物中Cr的含量都属于国家二级土壤标准(90-250mg/kg).大通湖沉积物Cr的含量在102-133mg/kg之间,东洞庭湖Cr的含量在18-152mg/kg之间,3号点Cr的含量最高,属于国家二级土壤标准.南洞庭湖Cr的含量在38-159mg/kg之间,11号点Cr的含量最高.西洞庭湖Cr含量在54-329mg/kg之间,14号点最高.城陵矶Cr的含量在58-122mg/kg之间,23号点Cr含量最高.各子湖区沉积物中Cu的平均含量大小顺序为:大通湖东洞庭湖南洞庭湖城陵矶西洞庭湖,且Cu的平均含量均属于国家二级土壤标准(35-100mg/kg).大通湖Cu的含量在47.8-63.2mg/kg之间,东洞庭湖Cu的含量在10.3-85.8mg/kg之间,南洞庭湖Cu的含量