重金屬具有毒性強、易累積、不可降解等特性，是當前環境污染防治工作的重點之一。國家“十二五”“十三五”規劃綱要中，明確指出了我國水環境中重金屬污染問題的嚴重性，并提出加大重點區域、重點行業重金屬污染防治的力度，這從一個層面說明了水環境中重金屬污染治理的迫切性。底泥對重金屬具有極強的累積作用，湖泊中重金屬多通過各種生物和物理化學作用富集于底泥中，底泥中重金屬濃度往往遠高于水體，但隨著上覆水環境條件的改變，累積在底泥中的重金屬會釋放進入水體，造成二次污染。底泥污染狀況是衡量湖泊水環境質量狀況的重要因素之一，開展底泥中重金屬污染特征及生態風險評價，對開展水環境中重金屬內源污染釋放研究具有重要的參考意義。

　　衡水湖位于河北省衡水市境內，是華北平原上第一個國家級濕地自然保護區，并被納入聯合國教科文組織中國人與生物圈保護區網絡。衡水湖分為東、西2個湖，水面面積為75km2，最大蓄水量為1.88億m3。衡水湖水源主要來自西南部匯水、引蓄衛運河和黃河水。衡水湖是南水北調調蓄工程的樞紐，是南水北調中線工程丹江口—北京的必經之路。經過近年來的治理，衡水湖水質已得到明顯改善，但由于歷史上污染較重，底泥中存在重金屬富集風險。關于衡水湖底泥中重金屬污染特征與生態風險方面的系統研究較為鮮見，難以良好支撐當前衡水湖的生態環境保護和風險管控要求。筆者對衡水湖底泥中重金屬濃度進行分析，運用地累積指數法和潛在生態風險指數法評價底泥中重金屬污染狀況，以期為衡水湖重金屬污染的有效控制和科學管理提供依據，同時也為衡水湖生態環境保護及風險管控提供參考。

　　一、材料與方法

　　1.1 采樣點設置及樣品采集

　　根據衡水湖的地理位置特點，在衡水湖湖區設置了11個采樣點(圖1)，分別為大趙閘(S1)、南李莊村(S2)、大湖心(S3)、順民莊(S4)、王口閘(S5)、梅花島(S6)、道安寺(S7)、前冢村(S8)、小湖王口閘(S9)、小湖心(S10)和小湖碧水灣酒店(S11)附近水域。用抓斗式采泥器采集表層(0~10cm)底泥，密封保存于聚乙烯塑料袋中，低溫儲存運回實驗室。

　　1.2 樣品處理及測試

　　將底泥樣品冷凍并經真空冷凍干燥機處理，除去其中的沙石、動植物碎片等后混合均勻。樣品用瑪瑙研缽研磨后過100目尼龍篩，裝入聚乙烯塑料自封袋，放入冰箱中于-4℃保存備用。

　　采用微波消解法徹底消解底泥樣品，稀釋后采用電感耦合等離子體-質譜(ICP-MS)儀測定消解液中重金屬濃度。其中，用王水(濃鹽酸與濃硝酸體積比3∶1)回流提取法測定As、Cu、Pb、Cd、Cr、Mn、Zn、Ni、Co和Tl濃度，采用H2SO4-HNO3-KMnO4消解法測定Hg濃度，用HCl-HNO3消解法測定Sb濃度。

　　1.3 評價方法

　　1.3.1 地累積指數法

　　地累積指數(indexofgeo-accumulation，I_geo)法由德國學者Muller于1969年提出，是目前應用較廣泛的水體、底泥中重金屬污染的評價方法。I_geo計算公式為：

　　式中：C_i為底泥中第i種重金屬的濃度，mg∕kg，B_i為第i種重金屬的地球化學背景值，本研究采用河北省A層土壤背景值作為參比值，k用于校正區域背景值差異，一般取1.5。根據I_geo將重金屬污染程度分為7級(表1)。

　　1.3.2 潛在生態風險指數法

　　地累積指數法側重于地質背景的影響而未考慮重金屬污染對生物的毒害。采用瑞典學者Hakanson于1980年提出的潛在生態風險指數法，對衡水湖底泥中重金屬污染造成的生態風險進行評價。該方法根據重金屬的特點及對水體產生的影響，綜合且定量地劃分重金屬潛在生態風險程度。其計算公式為：

　　式中：RI為底泥中多種重金屬潛在生態風險指數，Cni為第i種重金屬濃度參比值，mg∕kg，本研究以河北省A層土壤背景值作為各重金屬濃度的參比值，Tir為第i種重金屬的毒性系數，Eⁱ_r為第i種重金屬的潛在生態風險系數。Hakanson提出了以下重金屬的毒性系數：Cu為5，Pb為5，Zn為1，Cd為30，Cr為2，As為10，Ni為2。在Hakanson的基礎上，徐爭啟等提出了其他幾種重金屬的毒性系數：Mn為1，Co為5，Sb為40。由于無相關參考文獻提出Tl的毒性系數，故不對其進行潛在生態風險指數評價。Eⁱ_r、RI與底泥中重金屬污染程度的關系如表2所示。

　　1.4 數據統計分析

　　試驗數據均采用Excel軟件進行處理，采用SPSS20.0軟件進行Pearson相關性分析，采用Origin8.5軟件進行圖表制作。

　　二、結果與討論

　　2.1 底泥中重金屬濃度分布特征

　　衡水湖底泥中重金屬濃度如表3所示。由表3可知，底泥中Cr濃度為24.70~88.80mg∕kg，低于GB15618—2018«土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)»中農用地土壤風險篩選值，Ni濃度為15.70~28.80mg∕kg，低于農用地土壤風險篩選值，Cu濃度為3.46~13.30mg∕kg，其中S1~S3和S11采樣點濃度低于檢出限，其他采樣點濃度低于農用地土壤污染風險篩選值，Zn濃度為29.10~87.20mg∕kg，低于農用地土壤污染風險篩選值，As濃度為6.10~11.70mg∕kg，低于農用地土壤污染風險篩選值，Cd濃度為0.09~2.23mg∕kg，其中S5、S7、S8采樣點低于農用地土壤污染風險篩選值，S1、S3、S4、S6、S9~S11采樣點高于農用地土壤污染風險篩選值但低于風險管制值，S2采樣點高于農用地土壤污染風險管制值但低于GB36600—2018«土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)»中建設用地土壤污染風險篩選值，Pb濃度為8.07~28.90mg∕kg，低于農用地土壤污染風險篩選值，Hg濃度在各采樣點均低于檢出限，因此后續不對Hg濃度進行分析。由于GB15618—2018中無Sb和Co濃度相關的標準，所以采用GB36600—2018對Sb和Co濃度進行分析：Sb濃度為0.020~0.458mg∕kg，低于建設用地土壤污染風險篩選值，Co濃度為7.39~25.70mg∕kg，其中在S1、S2、S5和S8采樣點低于建設用地土壤污染風險篩選值，在S3、S4、S6、S7、S9~S11采樣點高于建設用地土壤污染風險篩選值，但低于建設用地土壤污染風險管制值。在上述2個標準中均未有Mn和Tl濃度的相關要求，因此采用河北省A層土壤背景值進行分析：Mn濃度為334~524mg∕kg，在各采樣點均低于土壤背景值，Tl濃度為0.280~0.562mg∕kg，在S1~S5采樣點高于土壤背景值，在其他采樣點低于土壤背景值。

　　采用河北省A層土壤背景值評價底泥中12種重金屬污染情況，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Mn、Sb和Tl濃度平均值低于土壤背景值，Cd和Co濃度平均值分別為土壤背景值的8.19倍和1.63倍，表明衡水湖底泥中Cd和Co污染較嚴重，尤其是Cd污染應引起重視。

　　2.2 地累積指數污染評價

　　衡水湖底泥中重金屬I_geo計算結果如表4所示。由表4可見，各采樣點Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Mn、Sb和Tl這9種重金屬的I_geo均小于0，可視為無污染，Cd的I_geo較大，污染最為嚴重，總體為偏中度污染，其中在S1、S4和S10采樣點達到中度污染，在S2和S9采樣點甚至達到偏重度污染，Co總體為輕度污染，其中在S1、S2和S5采樣點可視為無污染。可見，Cd和Co是衡水湖底泥中主要富集的重金屬元素。對衡水湖進行攔閘，除引黃河水入湖補水以外，并無其他河流流入。據報道，Cd是黃河水中的主要污染因子，衡水湖的Cd污染可能是黃河水引入所致，衡水湖底泥中Co污染分布較均勻，可能與衡水湖周邊的人類活動相關。

　　2.3 重金屬潛在生態風險評價

　　衡水湖各采樣點底泥中重金屬Eⁱ_r和RI如表5所示。由表5可知，從Eⁱ_r來看，衡水湖底泥中Cd污染最為嚴重，除在S5、S7、S8采樣點為低或中污染外，在其他采樣點均為較重或重污染，在S2、S9、S10采樣點甚至達到了嚴重污染，而底泥中其他重金屬元素均為低污染等級。衡水湖底泥中重金屬RI為48.26~734.05，在各采樣點均存在生態危害，其中在S5、S7、S8采樣點為輕度生態危害，在S1、S3、S6和S11采樣點為中等生態危害，在S4、S9和S10采樣點為強生態危害，在S2采樣點為很強生態危害。10種重金屬元素的生態風險貢獻率為：Cd>>Co>As>Sb≈Pb>Cu>Ni>Cr>Mn≈Zn，其中91.18%的生態風險由Cd所貢獻，其次為Co(3.01%)和As(2.44%)。

　　已有研究表明，Cd幾乎對所有水生生物都具有毒性，Co是植物生長必需的微量元素，但濃度過高時會使植物受到毒害作用，As對人體有致癌作用。由于水生生物無法主動離開水體，所以Cd、Co和As會在水體中通過食物鏈富集，最終影響人類健康。因此，衡水湖底泥中這3種重金屬的污染應引起重視。

　　2.4 底泥中重金屬濃度相關性分析

　　通過對底泥中重金屬濃度進行相關性分析可大致了解底泥中重金屬的來源，衡水湖底泥中重金屬濃度Pearson相關性分析結果見表6。由表6可知，底泥中Cr-Zn(0.831)、Ni-Tl(0.755)、Zn-As(0.762)和Mn-As(0.784)呈極顯著相關(P<0.01)，Cr-As(0.730)、Ni-Cu(-0.653)、Zn-Mn(0.701)、Cd-Tl(0.704)和Pb-Mn(0.731)呈顯著相關(P<0.05)，而Sb及Co與其他重金屬之間無相關性。Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Mn、Tl濃度之間均存在相關性，說明這9種重金屬污染具有一定的同源性或相同的地球化學過程。衡水湖周邊無重工業，但居民較多，人口密度較大，人類活動對衡水湖的影響日益加大，衡水湖底泥中重金屬污染可能是由于歷史上湖周居民生活污水及農田地表徑流排入湖造成的。此外，歷史上冀州市的生活污水和工業廢水未經處理后排入衡水湖，曾是衡水湖最大的污染源，重金屬排入衡水湖后在底泥中積累，這也可能是造成衡水湖底泥中重金屬污染的主要原因之一。Cd的污染可能是由近年來定期的引黃河水入湖和湖區周邊人類活動共同造成的。

　　三、結論

　　(1)衡水湖底泥11個采樣點中，除Cd和Co外，其他9種重金屬(Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Mn、Sb和Tl)濃度平均值均低于河北省A層土壤背景值，Cr、Ni、Cu、Zn、As和Pb濃度在各采樣點均低于GB15618—2018農用地土壤污染風險篩選值，而Cd濃度有8個采樣點高于農用地土壤污染風險篩選值，其中S2采樣點高于農用地土壤污染風險管制值，Sb濃度在各采樣點均低于GB36600—2018建設用地土壤污染風險篩選值，Co濃度雖有部分采樣點高于建設用地土壤污染風險篩選值，但均未高于建設用地土壤污染風險管制值。

　　(2)地累積指數污染與潛在生態風險評價結果表明，衡水湖底泥主要受重金屬Cd和Co污染，其中Cd總體為偏中度污染，Co總體為輕度污染，底泥中重金屬RI為48.26~734.05，在各采樣點均存在生態危害，總體為中等生態危害。衡水湖底泥中重金屬污染可能與歷史上湖周人類生活污水和工業廢水排放入湖并在底泥中逐年累積及引黃河水入湖有關，二者疊加造成了Cd較嚴重的污染。應當加強對Cd的入湖污染控制及其在底泥中累積污染的治理，同時對Co等重金屬污染的治理也不容忽視。（來源：遼寧大學環境學院；中國環境科學研究院水環境管理研究室；中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司）