池艳峰 李国宏

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，北京 100012

目前国内外评价沉积物重金属污染及生态风险的方法有内梅罗指数法、地积累指数法、潜在生态风险指数法、污染负荷指数法、沉积物质量基准法、次生相与原生相比值法等[1]。其中，地积累指数法（Igeo）相比其他单因子评价方法考虑了地质作用的影响，并且操作简单;潜在生态风险指数法综合了重金属的毒性、浓度、迁移转化规律及区域背影响值的影响。因此二者被广泛用于评价水体重金属污染和潜在生态风险。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

蘑菇湖水库位于新疆石河子市西北21 km处的自然洼地，是一座大（II）型引水注入式平原水库。水库设计总库容为1.8亿m³，正常蓄水位为390.80 m，死水位为379.50 m，设计蓄水面积为31.2 km²，流域面积为120万亩，年平均调节水量约2亿m³ 。

1.2 样品采集与分析

笔者于2017年10月在蘑菇湖水库采集底泥样品，共12个样点，使用抓斗式采泥器采集表层底泥，剖去样品与抓斗式采泥器接触部分后对其进行搅匀处理，封装于聚乙烯自封袋中，用保温箱带回实验室，以真空冷冻干燥机冻干。冻干后挑除杂草、石块，过100目（0.15 mm）尼龙筛后进行检测。

重金属元素Cd、Pb的测定采用原子吸收光谱法，Hg、As的测定采用原子荧光光谱法，Cu、Cr、Zn、Ni的测定采用电感耦合等离子体发射光谱法。有机质、TN、TP的测定参考《土壤农业化学分析方法》[2]：有机质（OM）测定采用重量法；TN测定采用碱性过硫酸钾氧化分光光度法；TP测定采用碱熔—钼锑抗分光光度法。

1.3 数据处理

数据经正态检验剔除异常值后，采用SPSS19.0及origin9.0、surfer11进行统计分析与绘图。

1.4 沉积物重金属污染评价方法

（1）地积累指数法( index of geoaccumulation，Igeo)于1979年由G.Muller提出，其计算方法如下

式中，Cn为重金属元素n在沉积物中的含量；Bn为该元素在当地的背景值，通常为该区域未经污染的土壤中重金属的含量，本研究采用新疆维吾尔自治区土壤重金属背景值；1.5为考虑重金属在区域内含量波动以及轻微人为影响之后的修正系数。

当Igeo＞5时为极度污染，4＜Igeo≤5时为强烈至极度污染， 3＜Igeo≤4时为强烈污染， 2＜Igeo≤3时为中度至强烈污染，1＜Igeo≤2时为中度污染，0≤Igeo≤1时为未污染至中度污染， Igeo＜0时为未污染。

（2）潜在生态风险指数法于1980年由Hakanson提出，其计算公式为

2 结果与讨论

2.1 蘑菇湖水库沉积物中重金属污染特征

蘑菇湖水库沉积物中重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni平均含量分别为 0.20±0.06mg/kg、0.67±0.38mg/kg、14.48±3.21mg/kg、37.68±11.40 mg/kg、23.78±3.07mg/kg、62.71±26.70mg/kg、401.50±94.11mg/kg、34.65±9.38mg/kg，均超过了新疆土壤背景值，尤其Hg和Zn分别为背景值的33.5倍和5.8倍，在沉积物中的蓄积现象较为严重；Zn在沉积物中含量超过土壤环境质量二级标准。通过比较8种重金属含量的变异系数可知，Hg的变异系数最大（CV= 57.2%），表明其在水库不同位置沉积物中含量的空间分布差异最大；其次为Cr（CV= 42.58%）；其余重金属元素在水库沉积物中含量的空间分布相对比较均匀。

水库沉积物中有机质、TN、TP的含量分别为6.57±2.11%、2.39±1.39g/kg和1.14±0.39g/kg。TN在水库不同区域沉积物中的分布较有机质、TP不均匀（CV= 58.14%）。

2.2 沉积物重金属污染及潜在生态风险评价

2.2.1 Igeo法

根据Igeo法得到的蘑菇湖水库沉积物中重金属元素Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的Igeo范围分别为-0.85～0.92、1.23～5.84、-0.66～0.28、-0.70～0.68、-0.69～-0.07、-1.17～0.81、0.95～2.55、-1.36～0.38其平均Igeo从大到小依次为：Hg（4.37）＞ Zn（1.91) ＞ Cd（0.09）＞ Cu（-0.15） ＞As（-0.25）＞ Ni（-0.26）＞ Pb（-0.30）＞ Cr（-0.36）。其中，As、Pb、Cr、Ni、Cu处于未受污染状态，Zn处于重度污染状态，而Hg处于强烈至极度污染状态。Igeo法评价结果表明，蘑菇湖水库沉积物污染的主要重金属元素为Hg和Zn。

2.2.2 潜在生态风险指数法

根据Hakanson潜在生态风险指数法得出的蘑菇湖水库表层沉积物中重金属、RI结果如表1所列。

表1 蘑菇湖水库沉积物重金属

表1 蘑菇湖水库沉积物重金属

i项目RI 潜在生态风险程度Cd Hg As Cu Pb Cr Zn Er采样点S1 85.00 3435.29 18.21 12.04 6.86 3.02 8.81 3569.23 非常高S2 32.50 611.76 9.55 5.11 4.66 1.42 2.89 667.91 非常高S3 52.50 1176.47 12.68 7.81 6.01 1.33 6.02 1262.81 非常高S4 60.00 2870.59 13.39 7.66 6.83 3.14 6.08 2967.69 非常高S5 42.50 141.18 10.89 5.17 5.34 2.60 4.10 211.77 中S6 65.00 1670.59 14.11 8.43 6.96 1.57 6.67 1773.32 非常高S7 57.50 1647.06 14.82 8.43 6.60 5.27 6.64 1746.32 非常高S8 25.00 1788.24 14.46 7.73 7.14 3.45 6.05 1852.07 非常高S9 65.00 2258.82 17.32 8.09 6.75 3.04 6.16 2365.19 非常高S10 40.00 1011.76 9.46 4.61 5.44 1.87 5.54 1078.68 非常高S11 35.00 1105.88 10.00 4.85 5.34 1.98 5.33 1168.39 非常高S12 47.50 1058.82 10.18 4.74 5.62 1.83 5.74 1134.43 非常高平均值 50.63 1564.71 12.92 7.06 6.13 2.54 5.84 1649.82 非常高潜在生态风险程度 中 非常高 低 低 低 低 低

蘑菇湖水库沉积物重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn的平均单项潜在生态风险指数分别为50.63、1564.71、12.92、7.06、6.13、2.54、5.84。其中，单一污染物潜在生态风险指数最高的重金属为Hg，其Eri值为1564.71，潜在生态风险程度为非常高；其次为Cd，潜在风险程度为中；其余重金属潜在生态风险程度均为低。各采样点得到的RI值范围在211.77～3569.23，平均为1649.82。除S5点位的潜在生态风险为中等外，其余所有点位潜在生态风险程度均为非常高（RI≥600）。

2.3 沉积物重金属污染来源

主成分分析(principle component analysis, PCA)是判别重金属来源的有效方法。对沉积物中8种重金属的主成分分析（见表2）最终辨识出2个主成分，其特征值为分别为5.354和1.192，方差贡献率分别为66.920%和14.895%，累积方差贡献率为81.814%。PC1中Cu、As、Zn、Hg、Pb、Cd拥有较高的载荷，分别为 0.941、0.937、0.936、0.898、0.897、0761。结合这几种重金属含量的相关性分析可知，其来源具有一致性。根据Igeo法和潜在生态风险指数法的分析结果可知，这些金属潜在生态风险均比较高，且其空间分布大都在南部和中部，为周边污染排入和汇集区。

表2 蘑菇湖水库沉积物重金属主成分分析结果

有学者认为，沉积物中的重金属Cu、Cd可能来源于化肥、农药等；Hg、As、Pb等大多来源于工业和矿区污染[3]，而沙湾地区土壤Hg、As、Pb背景值均处在土壤环境质量一级标准限值附近，且周围无矿业企业，故工业污染对其贡献可能最大。因此PC1代表了重金属污染的人为因素，如工业污染和农业面源污染，代表重金属元素有Cu、As、Zn、Hg、Pb、Cd。PC2上较高载荷的有Ni（0.725）和Cr（0.440），而 Ni、Cr的 Igeo范围分别为 -1.36～0.38 和 -1.17～ 0.81，基本属于未污染状态。并且有研究表明，Ni、Cr、Co等重金属含量常常受自然地质因素的影响，大多来源于沉积物母质中的地质矿物[4]。因此PC2代表的是重金属的自然来源，代表元素为Ni和Cr。

3 结语

（1）Igeo法评价结果表明，沉积物重金属的平均Igeo从大到小依次为：Hg（4.37）＞ Zn（1.91）＞ Cd（0.09）＞ Cu（-0.15）＞ As(-0.25）＞ Ni（-0.26）＞ Pb（-0.30）＞ Cr（-0.36）。污染严重的重金属元素为Hg、Zn，其中Hg处于强烈至极度污染状态，Zn为中度污染。潜在生态风险评价结果表明，沉积物中重金属综合潜在生态风险非常高。

（2）主成分分析结果表明，蘑菇湖水库沉积物中重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn可能具有相似的污染来源，且人为因素如工业的有机化工和印染废水污染和农业面源污染占据主导；Ni、Cr的污染主要为自然来源。