劉 彬,熊 晶,郭 麗,余開升,姚詩(shī)源

( 湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,湖北 武漢 430072 )

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)大農(nóng)業(yè)的重要組成部分,為保障居民食物蛋白供應(yīng)貢獻(xiàn)巨大[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)屬環(huán)境依賴型產(chǎn)業(yè),生態(tài)環(huán)境狀況決定了其產(chǎn)品的質(zhì)量安全,同時(shí)養(yǎng)殖過程也會(huì)對(duì)周邊水域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),制約其可持續(xù)發(fā)展[2]。重金屬和砷是常見的環(huán)境污染物,也是水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料和漁藥的常用添加劑,極易通過各種途徑進(jìn)入養(yǎng)殖水體,并最終沉降于沉積物中;同時(shí),這些元素又會(huì)被棲息于沉積物或水體中的生物體富集并產(chǎn)生毒性效應(yīng),還會(huì)通過食物鏈放大作用危害人類健康[3]。因此,水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物中的重金屬和砷富集問題逐漸引起了社會(huì)的關(guān)注,已有學(xué)者對(duì)北京郊縣養(yǎng)殖池塘[4]、寧波灘涂貝類養(yǎng)殖區(qū)[5]、浙江嵊泗貽貝養(yǎng)殖區(qū)[6]、長(zhǎng)江三角洲蟹塘[7]、廣東柘林灣海水養(yǎng)殖區(qū)[8]和黃海大連皮口灘涂貝類養(yǎng)殖區(qū)[9]等沉積物中重金屬進(jìn)行含量狀況研究。

位于湖北省的江漢平原是我國(guó)淡水養(yǎng)殖主產(chǎn)區(qū)之一,具有優(yōu)越的水體資源和豐富的水產(chǎn)品種類,淡水養(yǎng)殖(池塘、水庫(kù)、江河、湖泊等)面積、產(chǎn)量等多項(xiàng)指標(biāo)長(zhǎng)期位居全國(guó)首位[10],尤其是“蝦稻共作”創(chuàng)舉為中國(guó)池塘養(yǎng)殖的現(xiàn)代化突破提供了標(biāo)準(zhǔn)模版[11]。張勁等[12]曾對(duì)江漢平原的東荊河沉積物開展過重金屬含量的調(diào)查研究,但針對(duì)“蝦稻共作”養(yǎng)殖沉積物的污染狀況研究卻鮮有報(bào)道。筆者采集了江漢平原典型“蝦稻共作”養(yǎng)殖沉積物,開展了3項(xiàng)理化指標(biāo)和10種元素的含量調(diào)查,旨在探明江漢平原“蝦稻共作”養(yǎng)殖模式下池塘沉積物的肥力狀況和重金屬賦值現(xiàn)狀,為提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江漢平原位于湖北省中南部長(zhǎng)江中游地區(qū),由長(zhǎng)江與漢江沖積而成,地處亞熱帶季風(fēng)區(qū),降水充沛、地形低洼平坦,河流湖泊眾多、溝渠密布[13]。研究區(qū)位于江漢平原腹地的規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖基地(N 29°48′～30°24′,E 112°31′～113°36′),選擇典型“蝦稻共作”養(yǎng)殖模式的水田或池塘,塘齡為5～10年,養(yǎng)殖品種主要為克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)和水稻,少量養(yǎng)殖草魚(Ctenopharyngodonidella)和鯽(Carassiusauratus),周邊均有居民區(qū)。

1.2 樣品采集

共選取10個(gè)水田或池塘(每地5個(gè)),每個(gè)水田或池塘分別均勻布設(shè)3個(gè)點(diǎn)位,用柱狀采泥器取表層(20 cm)和深層(50 cm)沉積物樣品,共60個(gè)樣品。采樣時(shí)間為2018年12月至2019年3月,水稻已收割,克氏原螯蝦處于養(yǎng)殖期。

1.3 樣品測(cè)試

將采集的沉積物樣品自然風(fēng)干、研磨,分別過孔徑為10目和100目的尼龍篩處理,并采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測(cè)第2部分:土壤pH的測(cè)定》[14]、NY/T 1121.6—2006《土壤檢測(cè)第6部分:土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》[15]、HJ 889—2017《土壤 陽(yáng)離子交換量的測(cè)定 三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法》[16]、HJ 803—2016《土壤和沉積物12種金屬元素的測(cè)定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》[17]和HJ 680—2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定微波消解/原子熒光法》[18]等標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)pH、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量(CEC)、砷(As)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、銅(Cu)、汞(Hg)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、釩(V)和鋅(Zn)進(jìn)行分析測(cè)試,測(cè)試過程滿足相關(guān)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制要求。

1.4 評(píng)價(jià)方法

1.4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 18407.4—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量無公害水產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境要求》[19]中底質(zhì)限值、GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[20]風(fēng)險(xiǎn)篩選值和風(fēng)險(xiǎn)管制值,背景值為課題組完成的《湖北省土壤環(huán)境背景值及其應(yīng)用研究項(xiàng)目》中江漢平原A層土壤背景值(未發(fā)表數(shù)據(jù)),具體數(shù)值見表1。

表1 元素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) mg/kgTab.1 The standard limits of element

1.4.2 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)也稱為Müller指數(shù)[21],用其評(píng)價(jià)養(yǎng)殖沉積物中元素的富集程度,能同時(shí)考慮自然地質(zhì)過程背景值和人為活動(dòng)影響,常用于元素的來源分析,計(jì)算公式為:

(1)

式中,Cn表示沉積物中某一元素的質(zhì)量濃度(mg/kg),Bn為相應(yīng)元素背景值(mg/kg)(1.5為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值變動(dòng)而取的系數(shù))。Igeo值越大,富集越嚴(yán)重,Igeo>0,表示富集來自人為活動(dòng)而不是自然地殼貢獻(xiàn)。

1.4.3 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)法(PLI)是結(jié)合區(qū)域背景值來評(píng)價(jià)沉積物中元素富集的整體水平,其計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中,CFi為元素i的污染指數(shù),Ci為元素i的質(zhì)量濃度(mg/kg),Si為元素i的背景值(mg/kg),PLI為多種元素的污染負(fù)荷指數(shù),n為評(píng)價(jià)的元素種數(shù)。CFi的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:CFi≤0.7屬于無污染,0.7

1.4.4 富集因子法

富集因子法:通過與參比元素含量進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)重金屬和砷在沉積物中的富集程度,也可以判斷人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)程度。富集因子(EF)計(jì)算公式為:

(4)

式中,Ci為沉積物中某一元素的質(zhì)量濃度(mg/kg),Cn為參比元素的質(zhì)量濃度(mg/kg)(選擇Mn作為參比元素[23]),s代表樣品,b代表背景值。EF≤2為無富集或輕微富集,240為極強(qiáng)富集。

1.4.5 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法結(jié)合各元素的毒性系數(shù)對(duì)沉積物中的重金屬潛在生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià),該指數(shù)能夠綜合反映指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,計(jì)算公式為:

(5)

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)的理化指標(biāo)包括沉積物pH、有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量,其中pH不僅反映沉積物的酸堿度,還是評(píng)價(jià)元素含量水平的條件之一(表1),有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量則體現(xiàn)了沉積物的肥力狀況。監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1)顯示:30個(gè)采樣點(diǎn)位表層樣品pH為5.83～8.46,中位值為7.31;深層樣品pH為5.73～8.53,中位值為7.68,普遍略高于表層。除少數(shù)點(diǎn)位外,大部分表層樣品有機(jī)質(zhì)含量(0.61%～6.04%、中位值3.53%)高于深層(0.50%～7.61%、中位值2.69%)。陽(yáng)離子交換量則是表層沉積物略低于深層沉積物,分別為6.28～35.49 cmol/kg(中位值20.89 cmol/kg)和9.42～35.22 cmol/kg(中位值24.67 cmol/kg)。

圖1 沉積物理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.1 The results of pH, organic matter content and CEC in sediments

2.2 10種元素含量情況

本次調(diào)查所有樣品中均檢出了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb、V和Zn,含量見圖2。同一點(diǎn)位表層和深層沉積物中各元素檢出情況相似,各元素結(jié)果的變異系數(shù)為16%～41%,存在嚴(yán)重局部富集的可能性較小[25]。采用GB 15618—2018對(duì)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種元素的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),只有As和Cu的少量結(jié)果略高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值(低于該值風(fēng)險(xiǎn)可忽略),但未超過風(fēng)險(xiǎn)管制值(超過該值則要采取嚴(yán)格管控措施);當(dāng)采用針對(duì)無公害水產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境的GB/T 18407.4—2001《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量》對(duì)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 7種元素進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),發(fā)現(xiàn)除Hg、Pb、Zn外,其他元素均存在不滿足底質(zhì)污染物最高限量的情況,但超標(biāo)倍數(shù)不大,其中:Cr含量均超過該標(biāo)準(zhǔn)的最高限量,表層沉積物超標(biāo)倍數(shù)為1.04～2.46、深層沉積物超標(biāo)倍數(shù)為1.15～2.49,與北京郊縣水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘[4]、長(zhǎng)江三角洲蟹塘[7]和江漢平原東荊河沉積的監(jiān)測(cè)結(jié)果類似[12];Cu超標(biāo)率分別為76.7%和83.3%,超標(biāo)倍數(shù)分別為1.15～1.67和1.01～1.81;As和Cd的超標(biāo)率均小于10%,最大超標(biāo)倍數(shù)為1.44,其含量水平均低于其他水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物監(jiān)測(cè)結(jié)果或與之相當(dāng)[4-9](表2)。

表2 其他養(yǎng)殖沉積物中10種元素含量情況Tab.2 Contents of ten kinds of elements in other cultured sediments

2.3 元素富集水平

采用地累積指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法和富集因子法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:所有元素的地累積指數(shù)均<1,屬輕度富集(圖3),其中Cr、Pb、Hg、V、As、Mn地累積指數(shù)≥0的比例均≤10%,Cd、Ni、Cu、Zn地累積指數(shù)≥0的比例均超過20%(最高為Cd,46.7%);采用污染負(fù)荷指數(shù)法評(píng)價(jià),僅有1處點(diǎn)位兩層沉積物均為無污染,26.7%的沉積物被評(píng)價(jià)為輕微污染,另有66.7%的表層沉積物和70.0%的深層沉積物被評(píng)價(jià)為輕度污染,單項(xiàng)污染指數(shù)均值最大的是Cd、Ni、Zn和Cu(1.21～1.39)(圖4);Cd富集因子>2的點(diǎn)位比例最高(達(dá)到33.3%),表層沉積物富集因子最大值為2.61、深層沉積物富集因子最大值為2.87,其他元素富集因子>2的點(diǎn)位比例均小于10%。綜合來看,研究區(qū)沉積物中重金屬和砷富集或污染水平以輕度為主,指標(biāo)主要涉及Cd、Ni、Zn、Cu。

圖3 沉積物中10種元素的地累積指數(shù)Fig.3 Geo-accumulation index of ten kinds of elements in sediments

圖4 沉積物中10種元素的污染負(fù)荷指數(shù)Fig.4 Pollution load index of ten kinds of elements in sediments

2.4 重金屬和砷生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

不同元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5,絕大多數(shù)指標(biāo)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均小于40,為輕微風(fēng)險(xiǎn)水平。只有Cd和Hg元素存在被判定為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的情況,其中Cd中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣品數(shù)占比達(dá)56.7%(有3個(gè)點(diǎn)位的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)超過了60),Hg中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣品數(shù)只有1個(gè)(潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為62.2)。綜合各點(diǎn)位的所有重金屬指標(biāo),其潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)全部小于150,屬輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。

圖5 沉積物中10種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Fig.5 Potential ecological risk factor of ten kinds of elements in sediments

2.5 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

單因素顯著性分析顯示,表層和深層沉積物中10種元素含量不具有顯著性差異(P=0.603)。對(duì)30個(gè)點(diǎn)位的60個(gè)沉積物中10種元素進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析,分析結(jié)果表明:表層和深層沉積物中Cr-V、Cu-Zn之間的相關(guān)系數(shù)均接近1,達(dá)到極顯著水平(P<0.01);Mn僅與As之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他元素相關(guān)性不顯著;Hg與各元素之間均無顯著相關(guān)性(表3)。利用因子分析中的主成分抽取方法(提取的各因子以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)),提取累積方差貢獻(xiàn)率大于75%的因子,得到2個(gè)主成分:表層和深層沉積物中,第1主成分方差貢獻(xiàn)率分別為58.6%和57.8%,Cr、V、Cu、Pb、Zn、Ni重金屬的載荷均較高;第2主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為20.5%和20.2%,載荷最高的是Hg和Cd(表4)。

表3 沉積物中10種元素的含量相關(guān)性Tab.3 Concentration correlation between the elements in sediments

表4 主成分中10種元素的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rate of ten kinds of elements in principal components

3 討 論

3.1 生物活動(dòng)對(duì)沉積物理化性質(zhì)的影響

研究區(qū)大部分表層沉積物樣品的有機(jī)質(zhì)含量均高于深層,可能與水體中生物活動(dòng)有關(guān)。表層沉積物直接與水體接觸,水生生物的排泄物、分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w等物質(zhì)會(huì)通過沉降、吸附等作用殘留其中,同時(shí)由于粒徑較大無法通過沉積物的細(xì)小孔隙擴(kuò)散至深層,使得表層沉積物的有機(jī)質(zhì)含量升高。而在這些有機(jī)質(zhì)的好氧降解過程中,會(huì)產(chǎn)生并不斷累積短鏈脂肪酸,進(jìn)而引起表層沉積物pH的下降[26]。當(dāng)表層沉積物不斷酸化,其微粒表面所負(fù)電荷會(huì)逐漸減少,陽(yáng)離子交換量也會(huì)隨之降低,阻礙了營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和釋放,可能會(huì)在一定程度上影響水稻的生長(zhǎng)[27]。

3.2 沉積物中元素含量間的相關(guān)性

表層和深層沉積物中相同元素含量不具有顯著性差異,可能是因?yàn)橹亟饘偌捌浠衔锪捷^小,會(huì)通過沉積物孔隙進(jìn)行遷移擴(kuò)散,表層和深層含量趨于動(dòng)態(tài)平衡,受局部環(huán)境影響變小[28]。表層和深層沉積物中Cr-V和Cu-Zn的相關(guān)系數(shù)均接近1,達(dá)到極顯著水平(P<0.01),具有相同來源的可能性非常大;Mn僅與As之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他元素相關(guān)性不顯著,表明Mn和As可能有相似的來源[29];Hg與各元素之間均無顯著相關(guān)性,推斷其可能與其他元素的具體來源不同,該結(jié)論與已有研究一致[24]。

3.3 沉積物中重金屬和砷的可能來源

通常認(rèn)為,沉積物中的重金屬和砷來源于環(huán)境本底或是人為引入,根據(jù)本次監(jiān)測(cè)結(jié)果將10種元素分為2組:第1組為Cr、Pb、Hg、V、As、Mn,其地累積指數(shù)≥0的比例均≤10%,說明研究區(qū)沉積物中這些元素含量受人為活動(dòng)的影響較小,可能來自自然源,這與同屬江漢平原的東荊河沉積物中Cr來源研究結(jié)論一致[12],且湖北省的地質(zhì)環(huán)境中含有大量V元素[30],同時(shí)Cr-V、Mn-As可能具有伴生關(guān)系,推測(cè)該組元素源于自然地殼背景的可能性較大;第2組為Cd、Ni、Cu、Zn,它們是克氏原螯蝦養(yǎng)殖過程中常見的飼料和漁藥添加劑[31],可能會(huì)通過投放和水生生物排泄等行為進(jìn)入沉積物,也有研究推測(cè)江漢平原水體沉積物中的這些元素可能來源于流域重工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[12],本次這4種重金屬地累積指數(shù)≥0的比例均超過20%(最高為Cd,46.7%),Cd富集因子EF>2的點(diǎn)位比例也最高,并且Cu-Zn含量具有顯著相關(guān)性,說明沉積物中的該組重金屬源于人類活動(dòng)影響的可能性比較大。

因子分析結(jié)果顯示,表層和深層沉積物中第1主成分Cr、V、Cu、Pb、Zn、Ni元素的載荷均較高,第2主成分載荷最高的是Hg和Cd。結(jié)合前部分各元素的來源分析(Cr、V、Pb、Hg主要源于環(huán)境背景,Cu、Zn、Ni、Cd主要源于人為活動(dòng)),2個(gè)主成分可能均反映了雙重因素,自然和人為活動(dòng)對(duì)“蝦稻共作”沉積物中10種元素含量現(xiàn)狀的影響相當(dāng)。

3.4 思考和建議

在本次監(jiān)測(cè)結(jié)果中,10種元素在研究區(qū)沉積物中普遍存在,自然和人為引入都會(huì)影響其含量現(xiàn)狀。其中Cr、Pb、Hg、V、As、Mn等元素源自區(qū)域地球背景的可能性較大,對(duì)照背景值分析發(fā)現(xiàn),這些元素的富集水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)并不高,與其他養(yǎng)殖區(qū)沉積物監(jiān)測(cè)結(jié)果相比也屬偏低或含量相當(dāng)水平,但采用GB 15618—2018和GB/T 18407.4—2001等廣譜性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)又會(huì)存在不滿足限值要求的情況,鑒于這些存在于環(huán)境背景中的元素也可能會(huì)釋放、擴(kuò)散進(jìn)入水體,或是被水生生物直接攝入,若開展無公害水產(chǎn)品養(yǎng)殖時(shí),可以結(jié)合元素環(huán)境背景值來科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域,或是對(duì)目標(biāo)養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行元素本底值監(jiān)測(cè)并開展有針對(duì)性的環(huán)境修復(fù),避免環(huán)境化學(xué)背景對(duì)養(yǎng)殖過程的影響;而Cd、Ni、Cu、Zn等重金屬很大可能來自人為引入,它們?cè)诘蜐舛葼顟B(tài)下可促進(jìn)克氏原螯蝦或其他水生生物的抗菌能力,但超過一定濃度就會(huì)對(duì)其呼吸、免疫和生長(zhǎng)繁殖造成嚴(yán)重危害[32],還會(huì)通過食物鏈累積影響人體健康,本次監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),除去自然背景的影響后,這些重金屬的多數(shù)點(diǎn)位仍然具有一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),其他水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物也具有類似情況[4-5,7-9,12],因此有必要加強(qiáng)對(duì)水產(chǎn)飼料、漁藥和作物肥料中Cd、Ni、Cu、Zn等添加劑安全性的重視,科學(xué)制定配方,優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù),提高生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入門檻,踐行綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖。

4 結(jié) 論

(1)本次監(jiān)測(cè)中表層沉積物的有機(jī)質(zhì)含量普遍高于深層,可能與水體中生物活動(dòng)有關(guān);pH和陽(yáng)離子交換量則是表層低于深層,可能與脂肪酸累積和微粒表面所負(fù)電荷減少有關(guān)。

(2)在所有樣品中均檢出了10種元素,表層和深層含量差異不大,不同地區(qū)的點(diǎn)位間不存在明顯空間分布差異,雖然As和Cu的少量結(jié)果略高于GB 15618—2018風(fēng)險(xiǎn)篩選值,但大部分沉積物中元素含量均低于文獻(xiàn)報(bào)道的其他養(yǎng)殖區(qū)或與之水平相當(dāng)。

(3)與區(qū)域背景值相比,70%的點(diǎn)位的重金屬和砷為輕度富集,主要因子為Cd、Ni、Zn、Cu,有56.7%的沉積物存在Cd中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),推測(cè)其主要來源于人為,應(yīng)重視添加劑的安全性;Cr、Pb、Hg、V、As、Mn可能來源于環(huán)境本底,所以開展無公害養(yǎng)殖時(shí),建議合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)。