沙潁河沈丘段底泥、土壤中砷及重金屬污染與潛在生態風險評價

李仕群，朱靜媛，崔留欣，程學敏，左其亭

鄭州大學 公共衛生學院 勞動衛生與環境衛生教研室，鄭州450001

砷(As)在自然界分布極為廣泛，多數為化合物狀態。目前水體、底泥、土壤等環境介質中的砷污染多數來自于工農業生產，如礦冶、金屬生產、燃煤以及農藥化肥的施用等[1]。As 及其無機化合物被國際癌癥研究所(IARC)認定為1 類致癌物，即確切致癌物，對人體健康危害極大。隨著工業的發展，工業排污的增多，各個環境介質的重金屬污染也日益嚴重。特別是水體中的重金屬污染，如汞(Hg)、鎘(Cd)和鉛(Pb)等[2-5]，對水體、水生植物和水生動物等都會產生嚴重危害，而且可以通過食物鏈進入人體，進而影響人類健康。沙潁河是淮河主要支流之一，發源于河南省伏牛山區，流經豫、皖兩省40 余縣市，在河南省境內全長410 km，流域面積為34 470 km2。自從2004 年國內媒體多次報道了淮河流域環境污染和腫瘤村的出現，淮河污染及其健康危害一直備受人們關注。淮河干流沉積物中多種重金屬含量高于全國平均水平[6]。作為淮河支流，沙潁河的污染不容忽視。有研究發現，沙潁河沈丘段流域的居民人群的腫瘤發病率高于對照區水平[7]，當地水體、土壤存在Pb、Cd 等污染并影響了當地兒童生長發育和智力狀況[8]。因此，對沙潁河沈丘段流域底泥及附近村莊的農田土壤中As、Cr、Hg、Cd 和Pb 的污染狀況進行調查和潛在生態風險評價，以期為該地區的污染控制及進一步的健康危害研究提供科學依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

儀器:日立Z-5000 型原子吸收分光光度計(日本Nikon 公司)，日立2000 型分光光度計(日本Nikon 公司)，NCG-2 冷原子吸收測汞儀(金壇市華龍實驗儀器廠)。

試劑:實驗用水為Milli-Q 高純水發生器制得，硫酸等化學試劑為國產分析純試劑。

1.2 樣品采集及預處理

2011 年4 月和9 月，分2 次對沙潁河沈丘段流域的底泥及土壤樣品進行采集。底泥樣品的采集:沙潁河沈丘段深不足5 m，河寬約250 ～300 m，在沙潁河沈丘段的沈丘縣境內選擇距離市工業區上游2.0 km，避開了河流狹窄和彎道，距離槐店閘上游3.6 km 處的大王樓村，設為采樣斷面1，為入境斷面;在槐店閘處設置采樣斷面2，其位于工業區下游，為工業區斷面;選擇距離沈丘工業區18.9 km，距離槐店閘下游20.1 km 的紙店鎮設為斷面3，為出境斷面。每個斷面等距設置3 個采樣點。采樣點避開了水草茂盛、河床沖擊處以及漩渦回流處。將沉積物樣品自然風干，去掉雜物及石塊后，用瑪瑙研缽將樣品研細過100 目塑料篩，供分析檢測用。土壤樣品的采集:在沙潁河沈丘段的沈丘縣境內，選取距河岸直線距離5 km 以內的紙店鎮白果村和20 km 以外的洪山鄉洪山村，分別作為污染區和對照區，兩村均位于工業區斷面和出境斷面之間。兩區經濟水平、自然氣候、人口構成、農作物種類、生活習俗基本相同，附近均不存在工業污染源。在兩村選擇地勢較平坦，土壤分布均勻的地塊，分別在兩村東、西、南、北、中5 個方位選擇5 個采樣點，每個采樣點按照梅花樁形布點采樣，取20 ～30 個樣，每份樣品為1 kg 左右。采樣的深度為耕作上層土10 ～20 cm。采樣點遠離溝渠、道路、堆肥處及垃圾堆積處。采集來的樣品平鋪在牛皮紙上，置于室內自然晾干，去除根系、石塊等雜質后，過100 目塑料篩，供分析檢測用。在樣品的采集和處理過程中沒有與金屬接觸。底泥和土壤樣品的處理方法和檢測方法按照國家《土壤環境監測技術規范》進行[9]。

1.3 樣品As 和重金屬的測定

As 的測定采用硼氫化鉀—硝酸銀分光光度法;鎘、鉛的測定采用火焰原子吸收光譜法;汞的測定采用冷原子吸收光譜法;鉻的測定采用二苯碳酰二肼分光光度法[10]。

1.4 As 和重金屬的潛在生態風險評估

潛在生態風險指數RI 的計算公式如下:

式中，Cf為某一項(類)重金屬的單項污染指數，Cx為底泥或土壤中該項(類)重金屬的實測濃度值，Cs為該項(類)重金屬的評價標準濃度值，這里取全球沉積物工業化前背景值。As、Cr、Hg、Cd 和Pb 的沉積物工業化前背景值分別為15、90、0.25、1和70 mg·kg-1。

Er為某一項(類)重金屬的潛在風險系數，Tr為該項(類)金屬的毒性系數。As、Cr、Hg、Cd 和 Pb在底泥中Tr分別為10、2、40、30 和5。

RI 為多種金屬的潛在生態風險指數。污染強度分級為:Er＜40 或RI ＜150，輕微生態風險;40≤Er≤80 或150≤RI ＜300，中等生態風險;80≤Er≤160或300≤RI ＜600，強生態風險;160≤Er≤320 或RI≥600，很強生態風險;Er≥320，極強生態風險。

1.5 數據分析

實驗數據用EXCEL2003 整理，用SPSS12.0 軟件進行統計分析，采用t 檢驗和方差分析，檢驗水準取α=0.05。

2 結果(Results)

2.1 沙潁河沈丘段3 個斷面底泥As 及重金屬污染狀況

測定結果見表1，在沙潁河沈丘段的3 個斷面底泥中，只有總Cr 含量的差異具有統計學意義(P＜0.05)，而As、Hg、Cd 及Pb 的含量在3 個斷面之間的差異無統計學意義(P ＞0.05)。該縣的工業區斷面，即入境斷面和出境斷面之間，并沒有礦石、冶金、電鍍、儀表顏料、化工、農業或火電廠等企業的存在，即沒有(類)重金屬污染源，這說明，從入境斷面接納的污染物濃度已經超過河水自凈能力。

2.2 沙潁河沈丘段2 個村莊農田As 及重金屬污染狀況

所測定土壤的pH 范圍均在6.5 ～7.5。由表2可知，兩村土壤中As、總Cr、Hg、Cd、Pb 含量差異均有統計學意義(P ＜0.05)。

基于《土壤環境質量標準》(GB15618—2008)[11]中的土壤無機污染物的環境質量第二級標準，對土壤樣品檢測結果進行超標率和超標倍數的統計，結果見表3。由表可見，白果村土壤中As 及重金屬超標率從大到小依次為Cd、Hg、As、Pb、總Cr，最大超標倍數從大到小依次為Pb、Cd、Hg、As、總Cr。洪山村土壤中As 及重金屬超標率從大到小依次為Hg、Cd、As、總Cr、Pb，最大超標倍數從大到小依次為Hg、Pb、Cd、As、總Cr。

表1 沙潁河沈丘段3 個斷面底泥中As 及4 種重金屬的實測含量(n=9)Table 1 Concentrations of As and four heavy metals in sediment of three sections in Shenqiu Segment of Shaying River(n=9)(mg·kg-1)

表2 兩村農田土壤中As 及4 種重金屬的實測含量(n=60)Table 2 Concentrations of As and four heavy metals in cropland soils of two villages(n=60)(mg·kg-1)

表3 兩村農田土壤中As 及4 種重金屬超標率、超標倍數的比較(n=60)Table 3 Comparisons of excessive rates of As and four heavy metals in cropland soils of two villages(n=60)

2.3 沙潁河沈丘段底泥的As 及重金屬污染潛在生態風險評價

對沙潁河3 個斷面底泥中As、總Cr、Hg、Cd 和Pb 共5 種(類)重金屬進行潛在生態風險評價，得到單因子潛在生態風險系數Er和綜合潛在生態風險系數RI，結果見表4。3 個斷面總潛在生態風險系數均大于150，屬于中等生態風險。

表4 沙潁河沈丘段3 個斷面底泥中As 及4 種重金屬的潛在生態風險評價結果Table 4 Potential ecological risk assessment results of As and four heavy metals in sediment of three sections in Shenqiu Segment of Shaying River

2.4 沙潁河沈丘段農田土壤的As 及重金屬污染潛在生態風險評價

對兩村農田中As、Hg、Cd、Pb、Cr 共5 種(類)重金屬進行潛在生態風險評價，得到單因子潛在生態風險系數Er和綜合潛在生態風險系數RI，結果見表5。白果村和洪山村農田土壤中5 種(類)重金屬的單因子潛在生態風險系數從大到小依次為Hg、As、Cd、Pb、總Cr。其中，白果村Hg 的潛在生態風險系數大于160，屬于很強生態風險;洪山村Hg 的潛在生態風險系數大于80，屬于強生態風險。兩村的Cd、Pb、As、Cr 的潛在生態風險系數均小于40，屬于輕微生態風險。兩村總潛在生態風險系數均大于150，屬于中等生態風險。

表5 兩村農田土壤中As 及4 種重金屬的潛在生態風險評價結果Table 5 Potential ecological risk assessment results of As and four heavy metals in cropland soils of two villages

3 討論(Discussion)

3.1 沙潁河沈丘段底泥及土壤中As 及重金屬污染狀況污染水體的重金屬等污染物在物理沉淀、化學

吸附等作用下進入底泥，在一定條件下又會再次釋放進入水體。河流底泥作為水環境中重金屬的主要蓄積庫，可以反映水體受重金屬污染的狀況。對沙潁河沈丘段3 個斷面底泥的檢測發現，只有總Cr 的含量在不同斷面間存在差異，而As、Hg、Cd、Pb 的含量差異沒有統計學意義，因沙潁河沈丘段不存在新的重金屬的污染來源，這說明該段As、Hg、Cd、Pb 污染主要來自上游，且污染程度較大，已經觀察不到該段河流的自凈作用。

污水灌溉等途徑可造成土壤重金屬污染。沙潁河沈丘段附近的白果村農田大部分直接利用沙潁河或通過溝渠引沙潁河進行灌溉，而離河較遠的洪山村主要是機井汲水或自來水灌溉。兩區農田土壤中As、總Cr、Hg、Cd、Pb 等含量的差異具有統計學意義(見表2)，這說明土壤污染差異與其灌溉水的差異有關。參照《土壤環境質量標準》(GB15618—2008)[11]，白果村土壤中As 的含量在8.52 ～80.31 mg·kg-1之間，超標率達到50%以上，但Cd 的超標率最高(67.2%)，Pb 的超標倍數最大(3.54);洪山村土壤As 的含量在4.13 ～91.39 mg·kg-1之間，超標率不到30%，而Hg 的超標率和超標倍數最大，這說明兩地區土壤污染的重金屬類型不同。從超標率看，白果村農田土壤中As 及總Cr、Hg、Cd、Pb 等重金屬污染程度均高于洪山村。

3.2 沙潁河沈丘段底泥及土壤中As 及重金屬污染的潛在生態風險評價

Hakanson[12]提出的潛在生態風險指數評價法是目前評價河流底泥質量應用較為廣泛的方法之一。相較于傳統的平均指數法、模糊數學法、等標負荷法等環境質量評價方法，潛在生態風險指數評價法的優勢在于考慮到重金屬的生物毒性，能夠反映多種污染物的綜合影響，并且給出判定潛在生態風險程度的標準。

Hg 和As 均為環境生態風險評價常見貢獻因子。在沙潁河沈丘段附近村莊白果村農田土壤的潛在生態風險評價中，以Hg 和As 為主要貢獻因子。沙潁河沈丘段3 個斷面底泥中砷的單因子潛在生態風險指數均小于40，判定為“輕微”生態風險;白果村和洪山村農田土壤中As 的單因子潛在生態風險指數較底泥中指數有所升高，但均小于40，屬于“輕微”生態風險。無論在底泥還是土壤中，As 和其他重金屬的總生態風險指數均高于150，判定為中等生態風險，這說明多種污染物共存導致生態毒性增加。其中，對生態風險貢獻最大的是Hg，其單因子潛在生態風險指數在底泥和農田土壤中均達到了強生態風險水平;在白果村農田土壤中達到很強生態風險水平，說明當地Hg 污染更為嚴重。在我國其他地區的潛在生態風險評價中也有相似報道，在湘江株洲段河流底泥[13]和南通市河流底泥中[14]，Hg對其生態風險影響最大;而在湖南采礦區和冶煉區水稻土重金屬潛在生態風險評價[15]中，As 的貢獻位于第二位，僅次于Cd。總之，淮河沙潁河流域重金屬污染狀況嚴重，亟待環境治理。

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