夏建东， 朱韻洁， 高亚萍， 陈书琴， 庞 燕

1.中国环境科学研究院, 北京 100012 2.安庆师范大学资源环境学院, 安徽 安庆 246133 3.吉林建筑大学市政与环境学院, 吉林 长春 130118 4.皖西学院环境与旅游学院, 安徽 六安 237012 5.中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085

近年来水环境污染问题日益突出[1-2]，湖泊沉积物作为水环境重要的组成部分，是污染物的最终汇集场所[3]，在特定情况下还存在向水体释放污染物，成为污染内源的可能[4]，因此受到广泛关注. 重金属来源广泛且毒性大，进入环境后不易降解，一旦被植物吸收进入食物链极可能随营养关系向后传递，不断富集最终危害人类健康[5]. 因此，对湖泊沉积物重金属的风险评估及来源进行研究十分必要.

目前，受体模型、扩散模型、核素示踪等是最为常见的源解手段，其中基于研究对象的受体模型运用最为广泛[6]. 大部分受体模型无需事先获取详细源成分谱，可直接对研究对象的化学组分进行分析，具有简便可靠等优点[7]. 运用较为广泛的受体模型主要有化学质量平衡法(CMB, Chemical Mass Balance Model)、因子分析法(FA, Factor Analysis)、目标变换因子分析法(TTFA, Target Transformation Factor Analysis)、正定矩阵因子法(PMF, Positive Matrix Factorization)、主成分分析法(PCA, Principal Component Analysis)、UNMIX模型法等. 近年来，学者们已不再满足单个模型的解析结果，不断尝试多个模型联用，利用每个模型的优点，得出相似结论彼此佐证[8-10]. 美国环境保护局1994年开发的正定矩阵因子法，可以通过降维运算简单高效地进行多个污染源定量解析，在国内外水环境研究中已有广泛应用[11-14]，但其存在源谱相似，难以界定污染源类型的状况；主成分分析法可以清晰地识别出主次成分顺序，但不具备污染源间的实际贡献比率意义. 若能结合二者优点克服各自缺陷,将极大提高污染源识别精准度.

作为我国最大深水湖——抚仙湖的唯一上游湖泊，星云湖曾被研究者关注，近年来因星云湖抚仙湖出流改道工程的实施使星云湖的研究热度逐渐降低. 但星云湖位于玉溪市江川区境内，该区经济较为发达，近年来城市化进程不断加快，给星云湖生态环境质量带来较大的冲击. 研究[15]发现，2012年星云湖重金属的污染随城市化发展呈增长趋势，并且人类活动对湖体的影响正在增强；李丽辉等[16]研究也表明，星云湖的Hg、Pb存在明显的富集现象. 然而，星云湖沉积物中重金属赋存特征及分布如何、各污染源贡献率如何均鲜见报道. 因此，该研究通过现场采集星云湖沉积物样品，在分析其重金属空间分布特征及评价生态风险的基础上，先运用PCA判定了污染源类别及主次关系，再采取PMF模型在定性基础上定量解析星云湖沉积物重金属污染来源，以期为多模型递推源解提供参考，并为星云湖重金属污染源治理及生态风险防控提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

星云湖(102°45′E～102°48′E、24°17′N～24°23′N)又名江川海，是地壳运动形成的半封闭陷落湖，位于云南省玉溪市江川区，与抚仙湖一山相隔，由隔河连接. 湖区主要来水为地表及河流的径流补充，但出口仅为人工控制的隧洞. 湖周经济发达，交通运输繁忙，是陆上沟通南亚、东南亚地区的重要门户[16]. 流域地处低纬度、高海拔地带，属亚热带西南季风气候，具有气候温和、四季不分明、干湿季明显的特点.

1.2 数据来源及分析方法

1.2.1样品采集及指标测定

于2018年3月15日、4月27日、7月28日、10月29日在星云湖8个采样点(见图1)使用彼得逊采泥器采集表层沉积物样品32个，采样点的布置尽量覆盖全湖且兼顾主要入湖河口区域，记录编号后封装、冷冻保存带回实验室分析.

图1 星云湖采样点分布示意Fig.1 The distribution map of sampling sites in Xingyun Lake

样品剔除树枝石块等杂质后，经冷冻干燥、研磨过0.15 mm筛备用. 取0.1 g土样采取四酸(HNO3-HCl-HF-HClO4)消解后，使用电感耦合等离子体质谱仪(7800，美国安捷伦公司)测定Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd和As含量，使用直接进样测汞仪(HGA-100，北京海光仪器有限公司)测定Hg. 该研究采取加标回收方式控制检测精度，质控样品回收率均在88%～114%之间.

1.2.2评价方法及模型

采用地累积指数法评价星云湖沉积物中重金属污染程度[17]；采用潜在生态风险指数法评价星云湖重金属污染程度及其对生物的影响[18]；采用PCA和PMF模型对星云湖沉积物重金属污染源进行解析，具体操作参考文献[19-20].

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量特征

由表1可见，Hg、Cd含量超出星云湖背景值最多，分别为其背景值的2.13和1.62倍，Ni和Cu含量均未超过其背景值. Hg的变异系数高达154%，说明星云湖Hg的空间差异性最大，可能存在某些点源污染的排放或特殊的富集点位，其余元素空间分布差异程度较为接近. 与抚仙湖[21]相比，星云湖中Cr、Pb含量较高，其他元素的含量则相对较低. 与阳宗海南部湿地沉积物相比，星云湖中Cr、Zn、As和Pb的含量较高，分别是阳宗海南部湿地沉积物重金属含量的4.77、2.23、1.55、2.50倍[22]. 由此可见，星云湖部分重金属含量在该断陷盆地区域内存在显著高于其他湖泊的现象.

表1 星云湖表层沉积物8种重金属含量及参照值统计

2.2 沉积物重金属空间分布特征

对星云湖沉积物中重金属含量运用MapInfo 15.0软件进行反距离加权插值，分析其空间分布特征(见图2). 由图2可见，星云湖湖心处As、Cd、Cr、Cu、Ni含量较高，西北和南部含量均较低. Zn和Pb最高含量分布在湖区西部，Cd最高含量分布在东北部，Hg则在西北部含量最高. 入湖河流的输送是形成这种分布的重要因素，由河流及星云湖重金属分布状态可以推断：As、Cd主要来自东大河、庄子河和旧州河的输入；Hg主要由学河和大龙潭河水输入；Pb、Zn则更多来自西部入湖河流(如周官河、小街河等)输入. 此外，As、Cd、Cr、Cu、Ni在湖心部分存在高浓度分布，且基本处于星云湖最深区域，可能意味着这几种元素进入湖区后又经历了势能作用产生了搬迁，尤其以Cd、Cr、Cu最为明显，几乎与势能坡面完全一致. 除上述基本特征以外，Cr、Cu呈一种从东部湖岸向湖区陆源扩散的趋势，可能说明其主要来自东部地表径流；Ni仅在湖心高浓度分布，则可能是其早期由某种途径入湖后，排放逐步减少，在长期的势能作用下逐渐形成这种状态；Hg在北部河口的局部高浓度分布，可能是因近年来学河和大龙潭河Hg的排入不断增加，且扩散时间尚短，形成了这种仅在河口高浓度分布的状态. 入湖输送方式和湖泊自身的蓄积条件共同构成了星云湖沉积物重金属的整体分布特征.

图2 星云湖表层沉积物重金属浓度分布Fig.2 Concentration distribution of heavy metals in surface sediments of Xingyun Lake

2.3 风险评价

星云湖表层沉积物重金属的地累积污染风险评价结果见图3. Cd的地累积指数(Igeo)最高，基本维持在3左右，处于“中污染-重污染”和“重污染”程度；Hg的地累积指数在样点间起伏最大，2号、4号、5号采样点污染最轻，但依然达到了“无污染-中污染”水平；Ni、As和Cr是污染最轻的元素，均为“无污染”水平. Cd元素的较高积累现状表明，星云湖对Cd的防治十分必要.

潜在生态风险评价结果(见图4)，1号、3号和7号采样点达到了中等潜在生态风险水平，且Hg是主要风险贡献元素，其风险占比大于50%，其余采样点潜在生态风险尚低. 星云湖潜在生态风险指数(RI)变化趋势与Hg相一致，其作为风险的主要来源，应是区域内重金属污染风险管控的重点.

Spearman相关性检验结果见表2. 其中w(Cd)与w(As)呈极显著相关(P<0.01)，而显著相关元素间往往可能具有相似的污染来源，因此，同时产生Cd和 As 的污染源存在增加湖区生态风险的较大可能.

图3 星云湖表层沉积物重金属地累积污染风险评价结果Fig.3 The geoaccumulation pollution risk assessment of heavy metals in surface sediments of Xingyun Lake

图4 星云湖表层沉积物重金属潜在生态风险评价结果Fig.4 The potential ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments of Xingyun Lake

Hg具有一定的特殊性，其未表现出与其他元素的相关性(P>0.05)，但因存在较高的潜在生态风险，值得进一步研究.

2.4 污染源解析

该研究运用PMF模型定量解析星云湖沉积物重金属的潜在来源，多次调整因子个数及相关参数发现，在因子个数为4、旋转系数Fpeak为-0.5、迭代17次时达到最佳模拟效果，残差正态分布在-3～3之间且元素实测浓度与模拟浓度拟合系数(R2)大于0.86，模型解析效果符合要求.

PMF模型解析结果(见表3)显示，存在各因子对多数元素贡献比率接近的模型解析缺陷，以常规分析方式较难区分因子种类. 因此，该研究结合PCA及周边实际情况并综合考虑元素自身特点，进行因子类型预判断后再使用PMF模型做定量分析.

表2 星云湖沉积物8种重金属间相关性检验结果

PCA分析后各主成分按贡献排序输出，各因子载荷见表3. PC1变异系数最高，其中Cu、Ni具有最大的载荷量，沉积物样品中二者均未超过星云湖背景值，最主要贡献来自于自然源，故认为PC1应为自然源. PC2中Hg载荷系数较大，研究表明煤炭燃烧和钢铁冶炼行业可能会造成Hg的污染[25-27]，玉溪市统计资料显示，近年来工业发展迅猛，金属加工、冶炼行业规模持续增长，生产过程排放的废物极可能是星云湖Hg的最大来源. 此外，相邻湖泊抚仙湖的研究显示，附近光化学工业废水、煤炭钢铁等企业会带来Pb[28]，也在PC2中体现，因而判断PC2为工业源. PC3中Zn、Cd的系数较高，农业活动施加的粪肥和化肥会带来超量的Zn和Cd[29]，二者与农业活动存在密切关联[30-33]，有报道指出星云湖周边农业种植选择的有机肥料中含有较高的Zn[34]，加之星云湖西部和北部岸边分布大面积的水田或旱地，存在农业活动释放Zn、Cd污染的条件，综合分析认定PC3为农业源. PC4中Cr、Pb、Zn载荷高于其余元素，而Cr是公认的非废气交通排放关键元素[35]，Pb来源于轮胎磨损和道路混凝土的释放[36-37]，Zn主要来源于汽车润滑油的使用[38]，因此判断PC4是交通源.

表3 PCA及PMF模型运算因子对重金属贡献结果

应用PCA将各污染源定性判定后，运用PMF模型计算各因子总贡献率(见图5). 由图5可见，自然源是星云湖当前重金属的主要来源，但人为贡献占比仍大于自然释放，工业源和农业源占比分别为25.89%、20.52%，值得持续关注. 相比于人类活动强烈的其他区域而言，星云湖自然源占比最大[39-41]，表明该区域正处于城市化干扰的初级阶段，有效的管控措施能最大限度避免环境问题的产生.

图5 星云湖表层沉积物重金属污染源贡献组成Fig.5 The composition map of heavy metal pollution sources in the surface sediments of Xingyun Lake

3 结论

a) 星云湖沉积物中w(Ni)、w(Cu)尚未超过星云湖背景值，w(Cd)和w(Hg)分别是其背景值的1.62和2.13倍，其中Hg的潜在生态风险最高.

b) 星云湖沉积物中各元素的空间分布差别较大，w(As)、w(Cr)、w(Cu)、w(Ni)均表现为中部>南部>西北湖湾；w(Cd)表现为东北湾>中部>南部；w(Hg)表现为西北湾>南部>中部；w(Zn)、w(Pb)则表现为西部>中部>北部. 其中Hg的空间异质性最大，CV达154%，局部富集特征明显.

c) 地累积污染风险评价结果显示，各元素地累积指数排序依次为Cd>Hg>Pb>Cu>Zn>Cr>As>Ni；潜在生态风险评价结果显示，Hg是主要风险贡献元素，Cd是第二贡献元素，其余重金属风险较低.

d) 结合PMF模型运行结果、星云湖周边调查情况及浓度分布特征，认为星云湖沉积物中重金属主要来自自然源，其次为工业源、农业源、交通源，正处于人类干扰的初级阶段. 自然源、工业源、农业源和交通源对星云湖沉积物中重金属的贡献分别为43.32%、25.89%、20.52%和10.27%.