鄱阳湖沉积物—植物体系中重金属的分布特征及生态风险研究

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鄱阳湖流域从古至今是国家经济较为发达的富裕地区。湖区物种丰富,生态环境优美。有“渔舟唱晚,响穷彭蠡之滨”的欢乐场景,有“山苍苍,水茫茫,大姑小姑江中央”之风景美名。鄱阳湖与长江接壤,长江经济带的形成,促进了江西更加快速的发展进程。经济繁荣的过程中,始终要把坚持保护生态环境摆第一位,时刻响应金山银山不如绿水青山。鄱阳湖水系是江西的生命源泉,其湖区汇集了五大河系及各支流的水源。湖区沉积物的来源主要是以水为传输介质而携带污染物质,通过一系列的物理化学反应,最终迁移转化,絮凝沉降所形成。其沉积物中所含的污染及有害物质就包含重金属,重金属是密度大于5的金属元素,其对动植物不仅有致癌、致畸、致突变与潜在风险等副作用,而且在大自然及生态环境中难降解,易累积,一定条件下产生二次污染。通过采集研究对象区表层沉积物79个,边缘沉积物28个,选择鄱阳湖最大的湿地南矶山湿地采集6个柱状沉积物,每个柱子24cm,并采集6个采样点附近的三种挺水植物芦苇(Phragmites australis)、山类芦(Neyraudia montana)、香茅草(Cymbopogon citratus)。通过实验室处理测定其中重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg含量,与理化指标p H、Eh、SOM(土壤有机质)、D(粒径)、SSS(水溶性盐含量)等。运用内梅罗综合指数、地累积指数法、潜在生态危害指数法等方法。并分析出表层、边缘、剖面湖区沉积物中重金属累积与分布状况,探讨其存在潜在生态危害,并进行大致的评估。同时借助于Arc GIS进行克里金插值分析在鄱阳湖区沉积物中重金属的分布特征及风险的区域描述,采用聚类分析与相关性分析对沉积物中重金属污染进行溯源。植物中的重金属经过实验测定后,主要采用转移系数与富集系数进行分析,探索植物不同组织对湿地生态环境中重金属的累积程度与污染特征。采用目标危害系数与复合目标危害系数,综合评估植物中单一重金属与多种重金属复合后主要对成年人与儿童的健康产生的影响。主要相关研究结果如下:(1)鄱阳湖表层沉积重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg含量高的区域主要集中分布在鄱阳湖的南部,其湖区表层沉积物上的污染物主要以入湖口各支流水域为主要输送途径。重金属超背景值率分为Cu>Cr=Pb>Zn>Ni>Hg>As>Cd。鄱阳湖边缘地区重金属Hg、Cu、Pb、Cd、Zn、As、Cr、Ni的含量平均值分别是鄱阳湖背景值的1.71、5.61、2.29、5.83、2.10、0.85、2.20、1.40倍。元素Cu为主要污染因子,表层超背景值率为98.76%,周边区为100%超背景值,8种重金属存在不同程度累积,沉积物受到了重金属污染。(2)主成分分析与相关性显示第一主成分为As、Cr、Cu、Pb、Zn,其As与Cr、Cu、Pb、Zn相关性显著,污染主要来源为矿山开采与冶炼等农业生产活动及城市产生的工业废水;第二主成分为Hg、Cd,其二者相关性显著,变异系数较大,高含量区域位于南部与西南部,污染来源主要为人为活动;第三主成分为Ni,其污染来源主要由矿产资源开采与自然岩土结构变化。通过相关性分析和聚类分析表明,随着环境的变化,边缘重金属污染可能会转变为面源污染。(3)湿地沉积物剖面Hg、Pb、Cu、Cd、Zn含量范围分别为0.075~0.340mg/kg、2.63~38.53 mg/kg、0.21~28.22 mg/kg、0.01~0.43 mg/kg、25.88~80.72 mg/kg,重金属超江西省背景值率分别为Hg>Cd>Pb>Cu>Zn,其含量均具有富集的趋势。垂直剖面重金属含量结果显示,在0~6 cm的深度范围时,重金属Hg、Pb、Cu、Cd、Zn含量稍高;6~15 cm大部分沉积物重金属含量呈现锯齿波动状态;在深度为15~20 cm处出现Hg、Cd、Pb含量的峰值;20 cm以后呈现下降的趋势。排除测量误差,可能与人为活动影响以及自然环境的变化因素有关。单一的重金属污染可能对环境的危害不是特别明显。整体柱状沉积物上重金属的负荷污染指数显示,其污染程度趋势是由弱到强再到弱的倒U型格局,即剖面上已存在重金属的污染。(4)实验研究中南矶山湿地三种植物均存在不同程度的重金属富集和转移,芦苇、山类芦、香茅草重金属元素Cd、Hg关系表现为CF>TF,Zn、Cu、Pb关系表现为TF>CF,但香茅草重金属元素Cu、Pb关系表现为CF>TF。综合吸附累积指数显示三种植物对重金属Hg、Pb、Cu、Cd、Zn的关系分别为山类芦>芦苇>香茅草、芦苇>香茅草>山类芦、芦苇>山类芦>香茅草、香茅草>山类芦>芦苇、芦苇>香茅草>山类芦。可见,芦苇吸附累积效果最好,是吸附重金属的首选植物,说明湿地植物能对重金属污染的沉积物起到净化的重要作用。单一目标危害指数表明芦苇、山类芦与香茅草根及叶组织存在健康风险,香茅草的茎部组织成人能食用不存在健康风险,儿童慎食。整体研究表明重金属的复合目标危害指数TTHQ均大于1,误食会产生致癌风险。(5)综合多项评价方法分析结果表明,鄱阳湖边缘地区沉积物中重金属存在不同等级的污染,其Pz顺序为Cu>Zn>Ni>Cr>Pb>As>Hg>Cd,其潜在风险顺序为Cd>Hg>Cu>Pb>As>Ni>Cr>Zn。借助污染元素结合采样点多方位分析,鄱阳湖边缘地带湖口县及湖区边缘处污染较严重,存在强负荷,强风险,其他湖区边缘饶河、赣江、信江等与鄱阳湖接壤地带处于严重污染,存在强度负荷与风险。表层沉积物重金属累积大多数为轻度-中度累积,极少数为强累积。重金属Cr、Cu、Pb、Zn、Hg所受污染较严重,其次为Cd、Ni,研究区的总生态风险RI存在二个等级。
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