秀山錳礦區(qū)梅江河沉積物重金屬含量及污染特征

曾 青，楊清偉，劉雪蓮，李金甫，許 媛

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074;2.重慶朝陽(yáng)氣體有限公司，重慶400081)

河流沉積物是水環(huán)境安全的指示劑，能夠準(zhǔn)確反映水體受污染的程度。納入水體中的重金屬在化學(xué)吸附、物理沉淀等作用下富集于沉積物中［1］，并在一定的條件下向水體釋放［2］，造成二次污染［3-4］。重慶市秀山地區(qū)位于長(zhǎng)江上游地區(qū)，與湖南花垣、貴州松桃并稱中國(guó)“錳三角”。近年來(lái)隨著錳礦的大量開(kāi)采，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。目前，有一些對(duì)秀山污染問(wèn)題的調(diào)查研究，但尚未有關(guān)于河流沉積物重金屬污染的研究。由于其特殊的地理位置，河流沉積物重金屬可以隨水體遷移通過(guò)灌溉、飲用水及食物鏈等方式對(duì)當(dāng)?shù)丶伴L(zhǎng)江下游地區(qū)的農(nóng)業(yè)、食物、人體健康及生態(tài)安全產(chǎn)生影響。因此，研究秀山梅江河重金屬元素在沉積物中的含量和分布，不僅可以揭示沉積物中重金屬在秀山地區(qū)的遷移、富集規(guī)律，同時(shí)對(duì)于水資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用、區(qū)域環(huán)境評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

筆者于2008年5月1日對(duì)秀山梅江河沿程6個(gè)點(diǎn)(中和鎮(zhèn)、平凱鎮(zhèn)、西門(mén)橋、北門(mén)橋、石板灘、河港村)進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，其中中和鎮(zhèn)為梅江河進(jìn)入秀山縣的樣點(diǎn)，河港村為梅江河流出秀山縣的樣點(diǎn)。沉積物表層(0～10 cm)采集了6個(gè)樣，柱狀樣采集了3個(gè)樣。其中柱狀樣在0～20 cm之間采了4個(gè)樣，20～70 cm之間采了5個(gè)樣。每個(gè)點(diǎn)采3個(gè)子樣組成1個(gè)混合樣。表層底泥的采樣工具為抓斗式采樣器，深層底泥的采樣工具為圓柱狀采樣器。采樣按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［5］中的有關(guān)要求進(jìn)行。樣品采集后用聚乙烯塑料袋封裝，于2 h內(nèi)送到實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，碾碎，過(guò)1 mm篩。取0.5 g過(guò)篩土樣用 HNO3+HClO4(VHNO3∶VHClO4=3∶1)硝化，定容，保存。用原子吸收法對(duì)硝化液中重金屬M(fèi)n、Pb、Zn、Cu、Cr和 Cd 的含量進(jìn)行測(cè)定。

1.2 PLI評(píng)價(jià)及潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

1980 年，Tomlinson，等［6］在重金屬污染水平的分級(jí)研究中提出污染負(fù)荷指數(shù)(Pollution Load Index，PLI)評(píng)價(jià)方法。

根據(jù)某一點(diǎn)的實(shí)測(cè)重金屬含量，進(jìn)行最高污染系數(shù)(Fi)的計(jì)算:

式中:Ci為元素i的實(shí)測(cè)含量;Coi為元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即背景值(一般選用全球普通頁(yè)巖平均值作為重金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表 1［7-8］)。

表1 全球頁(yè)巖元素含量Tab.1 Content of global shale element /(mg·kg-1)

某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)IP:

式中:n為評(píng)價(jià)元素的種類;m為評(píng)價(jià)元素的個(gè)數(shù)。

某一區(qū)域(流域)的污染負(fù)荷指數(shù)IPx:

式中:n為評(píng)價(jià)點(diǎn)的個(gè)數(shù)(即采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù))。污染負(fù)荷指數(shù)一般分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表2［9］。

表2 污染負(fù)荷指數(shù)(IP)與相應(yīng)污染分級(jí)及污染程度Tab.2 Pollution Load Index(IP)with the corresponding pollution grade and level

筆者采用瑞典學(xué)者Hakanson于1980年提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法［10］對(duì)不同來(lái)源沉積物中的重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法的優(yōu)勢(shì)在于從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，反映了多種污染物的綜合影響，并定量地區(qū)分出潛在生態(tài)危害的程度。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值(RI)的計(jì)算公式如下:

表3 、Cd和RI值相對(duì)應(yīng)的污染程度以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

表3 、Cd和RI值相對(duì)應(yīng)的污染程度以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

Cif范圍 單因子污染物污染程度 Cd范圍 總體污染程度 Ei r范圍 單因子污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子 RI范圍低度≥1～3 中度 ≥8～16 中度 ≥40～80 中度 ≥150～300 中度≥3～6 重度 ≥16～32 重度 ≥80～160 較重 ≥300～600 重度≥6 嚴(yán)重 ≥32 嚴(yán)重 ≥160～320 重度 ≥600 嚴(yán)重—總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度＜1 低度 ＜8 低度 ＜40 低度 ＜150—— ≥320 嚴(yán)重 — —

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥重金屬含量的水平分布

梅江河秀山城區(qū)段沉積物 Mn、Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量水平分布見(jiàn)圖1。就平均值而言，6種重金屬含量大小順序?yàn)?Mn(5 198 mg/kg)＞Zn(201 mg/kg)＞Pb(188 mg/kg)＞Cu(168 mg/kg)＞Cr(42 mg/kg)＞Cd(3 mg/kg)，其中，Mn的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他元素?cái)?shù)10倍～數(shù)1 000倍，由此可見(jiàn)，該地區(qū)的礦業(yè)活動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)生了錳在空間上的擴(kuò)散。與背景值(中國(guó)土壤元素背景值)相比，除了Cr平均值低于背景值以外，其余5種重金屬的含量均超過(guò)背景值。

圖1 還顯示了 Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 種重金屬含量的沿程分布情況。可以看出，除Zn和Cu外，其他4種重金屬在沿程分布上具有相似的分布規(guī)律。

整體上，Mn、Pb、Cd、Cr 4 種重金屬沿程分布呈下降趨勢(shì)，但Pb、Cd、Cr 3種重金屬含量在北門(mén)橋段均出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)折，說(shuō)明在北門(mén)橋段內(nèi)存在含有Pb、Cd、Cr元素的污染源;Mn在石板灘段的含量極高，說(shuō)明在石板灘段存在含有Mn元素的污染源。Zn和Cu含量沿程分布趨勢(shì)不明顯，Cu約有升高，但二者含量沿程波動(dòng)較大。在平凱鎮(zhèn)段Zn、Cu2種重金屬含量均有明顯增加，說(shuō)明在平凱鎮(zhèn)段存在含有Zn、Cu元素的污染源;同時(shí)Zn在石板灘段的重金屬含量也有明顯增加，這與Mn的分析是一致的，進(jìn)一步說(shuō)明在石板灘段存在含有Mn、Zn元素的污染源，Cu在北門(mén)橋段的重金屬含量也有顯著增加，說(shuō)明在北門(mén)橋段存在包括Cu在內(nèi)的4種元素(Pb、Cd、Cr)的污染源。

2.2 底泥重金屬含量的垂向分布

Mn、Pb、Cu、Cd、Zn 及 Cr含量垂直分布情況見(jiàn)圖2。

Mn、Pb、Cr、Cd 4 種金屬元素的趨勢(shì)線相近，表明Mn、Pb、Cr、Cd 4種金屬元素的輸入過(guò)程相似。在深度0～10 cm、15～50 cm段之間，4種重金屬濃度隨深度的變淺而降低，表明在此深度對(duì)應(yīng)的沉積時(shí)段內(nèi)隨著時(shí)間的進(jìn)展，Mn、Pb、Cr、Cd 4種重金屬向秀山梅江河沉積物中的輸入量逐漸減少;而在深度50～70 cm之間，4種金屬濃度隨深度變淺呈上升趨勢(shì)，僅Cr、Cd在深度60～70 cm之間有一個(gè)轉(zhuǎn)折，含量有所回升，但總體來(lái)看，該4種金屬的輸入隨時(shí)間變化而逐漸增加向沉積物中輸入;對(duì)于深度在10～15 cm之間4種重金屬的含量來(lái)說(shuō)，其突然增加很多，表明這段時(shí)間重金屬的輸入極不穩(wěn)定。

Cu、Zn 2種金屬元素的趨勢(shì)線相近，說(shuō)明Cu、Zn具有相似的輸入過(guò)程。分層表現(xiàn)為:0～10 cm之間2種金屬的含量隨深度的增加而減少，說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)Cu、Zn的含量隨時(shí)間增加而增加，比較特殊的是Zn在這階段含量增加迅速，具體原因有待進(jìn)一步調(diào)查。在10～50 cm之間，Cu的濃度隨深度的增加而下降但趨勢(shì)較為平緩，說(shuō)明對(duì)應(yīng)時(shí)間段Cu的增加趨勢(shì)不明顯，Zn的濃度隨深度增加變化不大，表現(xiàn)為隨時(shí)間的增加其輸入很少。在深度50～70 cm之間，Cu的濃度隨深度增加而增加，表明該時(shí)間段內(nèi)Cu的輸入隨時(shí)間增加而減少，Zn的濃度隨深度增加呈下降趨勢(shì)，表明對(duì)應(yīng)時(shí)間段Zn的含量也在增加。

但總的來(lái)說(shuō)，Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 種重金屬的表層濃度都很大，這表明沉積物表層中的重金屬通過(guò)水流的擾動(dòng)而進(jìn)入水體的含量會(huì)高于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表層沉積物重金屬含量低的或正常的水體，其潛在污染風(fēng)險(xiǎn)也增大，因此更應(yīng)重視這類沉積物的重金屬污染及治理。

2.3 沉積物重金屬污染程度的PLI評(píng)價(jià)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)重金屬最高污染系數(shù)和污染負(fù)荷指數(shù)見(jiàn)表4。

表4 水體沉積物重金屬元素污染負(fù)荷指數(shù)Tab.4 Pollution load index of heavy metals in sediments

結(jié)合表2和表4可以看出各樣點(diǎn)Ip均在1以上，其中污染最嚴(yán)重的是在平凱鎮(zhèn)、中和鎮(zhèn)和石板灘這3個(gè)樣點(diǎn)，Ip大于3，最高為3.70，屬極強(qiáng)度污染;北門(mén)橋、西門(mén)橋二個(gè)點(diǎn)IP介于2～3之間，表現(xiàn)為強(qiáng)度污染;污染最小的是河港村IP介于1～2之間為中度污染。從整個(gè)研究區(qū)域來(lái)看，極強(qiáng)度污染占50%，強(qiáng)度污染占33.33%，中度污染占16.67%;因此該研究區(qū)底泥重金屬污染以強(qiáng)度污染及其以上污染程度為主。

本實(shí)驗(yàn)所測(cè)IPx值與長(zhǎng)江重慶段［12］和武江樂(lè)昌段［13］相比，介于二者之間。相較之下，梅江河的污染比武江樂(lè)昌段的污染要輕的多，但高于長(zhǎng)江重慶段。研究區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)見(jiàn)表5和表6。

表5 沉積物中重金屬污染單因子評(píng)價(jià)Tab.5 Single-factor pollution evaluation of heavy metals in sediments

表6 沉積物中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Tab.6 Potential ecological risk assessment of sediments

結(jié)合表3和表5可知，綜合污染程度評(píng)價(jià)為嚴(yán)重污染。其主要重金屬污染因子為Cd，影響順序?yàn)?Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。除了Cr的值在1左右屬于低度污染水平外，其余5種重金屬值均大于1為中、重度污染水平。結(jié)合表3和表6可見(jiàn)，秀山梅江河沉積物6種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子大小順序?yàn)?Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。Cd為最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，所有采樣點(diǎn)的Cd的風(fēng)險(xiǎn)因子都超出嚴(yán)重污染等級(jí)值。其中，Mn、Cu、Pb、Zn、Cr的值均低于80，屬于低、中度污染水平，僅Cd處于嚴(yán)重污染水平，這表明秀山梅江河重金屬Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

3 結(jié)論

1)秀山梅江河的沉積物重金屬污染在水平、垂向分布上，Mn含量均為最高，污染也最為嚴(yán)重。其污染物含量排序?yàn)镸n＞＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr＞Cd。

2)沉積物重金屬污染負(fù)荷指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，秀山梅江河重金屬Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，研究區(qū)域處于中度污染、強(qiáng)度污染、極強(qiáng)度污染3個(gè)污染等級(jí)，整個(gè)區(qū)域IP值為2.6，達(dá)到強(qiáng)度污染等級(jí)。

3)研究區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明秀山梅江河處在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，6種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子大小順序?yàn)?Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr，其中Cd為最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

［1］楊麗莉，張登峰，曾向東.沉積物中重金屬釋放規(guī)律研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(27):8630-8631.YANG Li-li，ZHANG Deng-feng，ZENG Xiang-dong.Research on the releasing-rule of heavy metals from sediment［J］.Journal of Anhui Agriculture Sicence，2007，35(27):8630-8631.

［2］朱圣清，臧小平.長(zhǎng)江主要城市江段重金屬污染狀況及特征［J］.人民長(zhǎng)江，2001，32(7):23-25.ZHU Sheng-qing，ZANG Xiao-ping.On heavy metal pollution along Yangtze river stretches of urban areas in major cities［J］.Yangtze River，2001，32(7):23-25.

［3］Tamn F Y，Wong Y S.Spatial and temporal variations of heavy metals contamination in sediments of a mangrove swamp in HongKong［J］.Marine Pollution Bulletin，1995，31:254-261.

［4］Wring T P，Mason C F.Spatial and seasonal variation in heavy metals in the sediments and biota of two adjacent estuaries，the Orwell and the Stour，in eastern England［J］.The Science of the Total Environment，1999，226:139-156.

［5］國(guó)家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法:3［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1997:440-446.

［6］F¨ostner U，Wtttmanng T W.Metal pollution in the aquatic environment:2［M］.Berlin:Springer-Verlerg，1981:133-135.

［7］柳林，許世遠(yuǎn)，陳振樓，等.上海濱岸帶潮灘表層沉積物中重金屬的空間分布與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.上海地質(zhì)，2000(1):1-5.LIU Lin，XU Shi-yuan，CHEN Zhen-lou，et al.Spatial distribution and environmental quality assessment on heavy metals in tidal flat sediments of Shanghai coastal zone［J］.Shanghai Geology，2000(1):1-5.

［8］徐爭(zhēng)啟，滕彥國(guó)，庹先國(guó)，等.攀枝花市水系沉積物與土壤中重金屬的地球化學(xué)特征比較［J］.生態(tài)環(huán)境，2007，16(3):739-743.XU Zheng-qi，TENG Yan-guo，TUO Xian-guo，et al.The geochemical characteristics and their comparison of heavy metals in soil and sediment in Panzhihua ［J］.Ecology and Environment，2007，16(3):739-743.

［9］徐爭(zhēng)啟，倪師軍，張成江，等.應(yīng)用污染負(fù)荷指數(shù)法評(píng)價(jià)攀枝花地區(qū)金沙江水系沉積物中的重金屬［J］.四川環(huán)境，2004，23(3):64-67.XU Zheng-qi，NI Shi-jun，ZHANG Cheng-jiang，et al.Assessment on heavy metals in the sediments of Jinsha river in Panzhihua area by pollution load index［J］.Sichuan Environment，2004，23(3):64-67.

［10］H¨akanson L.An ecological risk index for aquatic pollution control:a sediment logical approach［J］.Water Research，1980，14:975-986.

［11］徐爭(zhēng)啟，倪師軍，庹先國(guó)，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31(2):112-115.XU Zheng-qi，NI Shi-jun，TUO Xian-guo，et al.Calculation of heavy metals toxicity coefficient in the evaluation of potential ecological risk index［J］.Environmental Science ＆ Technology，2008，31(2):112-115.

［12］楊清偉，肖飛，劉雪蓮，等.長(zhǎng)江重慶城區(qū)段表層沉積物重金屬污染特征分析［J］.水資源保護(hù)，2009，25(1):28-30.YANG Qing-wei，XIAO Fei，LIU Xue-lian，et al.Characterization of heavy metal pollution in surface sediments of Chongqing section of the Yangtze river［J］.Water Resources Protection，2009，25(1):28-30.

［13］楊清偉，藍(lán)崇鈺，束文圣，等.武江(樂(lè)昌段)水體底泥重金屬污染調(diào)查［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2008，20(2):18-21.YANG Qing-wei，LAN Chong-yu，SHU Wen-sheng，et al.Investigation on heavy metal pollution in the surface sediments on Lechang section of Wujiang river［J］.The Administration and Technique of Environmental Monitoring，2008，20(2):18-21.