湘江流域重金屬污染情況及其對食物鏈的影響

楊夢昕 付湘晉 李忠海 黎繼烈

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

湘江是湖南省最大的河流，也是長江重要的支流之一，它流經(jīng)湖南的衡陽、株洲、湘潭、長沙等城市后入洞庭湖。湘江流域是湖南省工業(yè)和農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展中心，是提供人們?nèi)粘Ｉ睢⒐喔群惋嬘玫闹饕Y源，也是發(fā)展交通運輸和漁業(yè)的主干線，與人們生活健康息息相關(guān)。

湘江原生水質(zhì)良好，水里溶氧量充足，復(fù)氧能力充足，水環(huán)境容量較大［1］。然而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，城市圈不斷擴大的同時，廢水污水的排放量也在不斷地增加，湘江干流多數(shù)河段均已遭受到不同程度的污染，其中重金屬污染情況較為突出，已對該流域的農(nóng)作物、魚類等農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響，并且通過食物鏈的途徑對人體健康造成危害［2－4］。

1 湘江流域重金屬污染情況

湖南省為“有色金屬之鄉(xiāng)”，而大多數(shù)的稀有金屬和有色金屬的礦藏開采和冶煉也集中在湘江流域，自“十五”規(guī)劃以來，湖南的汞、鎘、鉛、鉻的排放量居中國的首位，砷名列第二［5，6］。2008年6月，湖南省政府啟動了湘江水污染綜合治理的方案后，湘江水質(zhì)已有改善；2010年基本恢復(fù)到三類水質(zhì)［7］。2011年3月，中國國務(wù)院正式批準(zhǔn)《湘江流域重金屬污染治理實施方案》［8］，目標(biāo)是到2015年，湘江流域涉及重金屬企業(yè)數(shù)量要比2008年減少50%，重金屬排放量比2008年減少50%。

根據(jù)地表水水域環(huán)境功能高低將水質(zhì)劃分為五類（表1），Ⅰ～Ⅲ類為適合人們生活用水，超過Ⅲ類水的限量指標(biāo)則可視為超標(biāo)。參考湖南省環(huán)境保護廳2003～2013年5月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比了近10年湘江流域地表水?dāng)嗝嫠|(zhì)超標(biāo)情況，如圖1所示。

由圖1可知，2005～2008年斷面超標(biāo)率較高，經(jīng)整治后，2009年至今水質(zhì)已有所改善。但是，在未經(jīng)整治前，含有大量重金屬的污水廢水長期肆意地排放，導(dǎo)致湘江流域的水體、土壤質(zhì)量下降，魚類及其周邊的農(nóng)作物生長受到阻礙，此現(xiàn)象引起了學(xué)者們［5－7］的關(guān)注，并進行了調(diào)查分析和研究。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量部分重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)限值Table 1 Surface water quality standard limits of heavy metals /（mg·L－1）

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量部分重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)限值Table 1 Surface water quality standard limits of heavy metals /（mg·L－1）

摘自GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

等級 銅 鋅 砷 汞 鎘 鉻（六價） 鉛Ⅰ類 ≤0.01≤0.05 ≤0.05 ≤0.000 05≤0.001 ≤0.01 ≤0.01Ⅱ類 ≤1.0≤1.0 ≤0.05 ≤0.000 05≤0.005 ≤0.05 ≤0.01Ⅲ類 ≤1.0≤1.0 ≤0.05 ≤0.000 1 ≤0.005 ≤0.05 ≤0.05Ⅳ類 ≤1.0≤2.0 ≤0.10 ≤0.001 ≤0.005 ≤0.05 ≤0.05Ⅴ類 ≤1.0≤2.0 ≤0.10 ≤0.001 ≤0.01 ≤0.10 ≤0.10

圖1 近10年湘江流域水質(zhì)監(jiān)測超標(biāo)斷面變化趨勢Figure 1 The trend of water section quality monitoring exceed standard in xiangjiang river（2003～2013.5）

因受到有色金屬冶煉廠以及化工廠的長期影響，湖南省株洲市霞灣排污口下游處已形成了較為明顯的高濃度Cd污染帶，故霞灣斷面Cd單項污染指數(shù)較其它斷面顯著偏高。2010年株洲市朱亭段Hg污染指數(shù)偏高，這是由于2009年以來，大量挖金船沿該段湘江河道挖金所致，經(jīng)整治，2011年朱亭段Hg污染情況明顯好轉(zhuǎn)。2011年，株洲市政府對該市清水塘工業(yè)區(qū)的環(huán)境污染進行了綜合治理，株洲市環(huán)境質(zhì)量得以改善，但鎘污染情況仍略顯嚴(yán)重［9］。

1.1 水體污染情況

湘江遭受重金屬污染直接導(dǎo)致了流域中水的質(zhì)量嚴(yán)重下降，生活用水和飲用水的品質(zhì)安全受到了極大影響。湖南省環(huán)境保護廳對湘江水質(zhì)進行了監(jiān)測，結(jié)果表明湘江水質(zhì)自20世紀(jì)90年代以來總體呈惡化趨勢［10］，2007年長沙市飲用水源地的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為6.09%。過去10年內(nèi)，湘江水體平均鎘含量為0.005～0.431mg/L［11］。

1971年，湘江部分江段被測出飲用水重金屬超出限量標(biāo)準(zhǔn)，在同年的11月，湖南省衡陽市因重金屬超標(biāo)而停水?dāng)?shù)天［12］；從1978年起，湘江成為了中國遭受重金屬污染最為嚴(yán)重的河流之一［12］。陳詠淑等［1］對1981～2000年湘江水質(zhì)變化做了分析，研究發(fā)現(xiàn)在后10年湘江水中重金屬污染突出，砷、鎘污染指數(shù)均有上升［13］，“九五”期間（1996～2000年）湘江是湘、資、沅、澧四大水系中唯一一個水質(zhì)惡化的水系。在2002年7月，湖南市衡陽市常寧、衡陽縣因地下室被砷污染，導(dǎo)致群體性飲用水中毒的事故。2006年至2007年，湘江曾有50%以上水質(zhì)為三類水［14］。2006年因工業(yè)廢水含鎘嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致湘江株洲河段和長沙河段出現(xiàn)了嚴(yán)重的鎘污染，飲用水水源遭到嚴(yán)重威脅，污染區(qū)域水塘的積水鎘濃度超標(biāo)200多倍以上，該事件對水廠正常供水、農(nóng)業(yè)灌溉等造成了很大的障礙。2009年余光輝等［15］對湘江干流具代表性的斷面進行了分析，發(fā)現(xiàn)衡陽河段的兩個斷面的污染指數(shù)較高，主要為重金屬污染。

湘江水域鉛污染狀況調(diào)查顯示豐水期水質(zhì)達(dá)標(biāo)，可能由于湘江水流速快、流量大、水更換周期短，并認(rèn)為該流域鉛污染主要因為沿江的工礦企業(yè)所排含鉛廢水導(dǎo)致［16］。2012年寧可［17］利用Matlab軟件，建立了湘江株洲－長沙段水體重金屬污染預(yù)測模型，用于預(yù)測湘江株洲－長沙段Cd、Pb、Cu、Cr、As、Zn等6種重金屬含量，為湘江重金屬污染的治理提供了理論依據(jù)［18］。

1.2 土壤污染情況

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，中國土壤環(huán)境中重金屬污染情況不可疏忽［19］，每年排放到環(huán)境中的Cd有680余t是由工業(yè)廢棄物造成的；一些被重金屬嚴(yán)重污染的地區(qū)，稻田里有效Cd含量是中國允許值的26倍［20］；關(guān)于稻米、蔬菜以及其他食品重金屬污染事件的報道屢見不鮮，這對居民的食品安全和身體健康造成了極大的威脅。對于工業(yè)發(fā)達(dá)和開采礦山的地區(qū)，其水體和土壤受重金屬污染的情況更令人堪憂，據(jù)統(tǒng)計［21，22］，中國至少10%以上的耕地受到了重金屬的污染。

1998年王凱榮等［23］對安化某礦區(qū)耕地土壤進行研究發(fā)現(xiàn)：土壤中鉻平均含量比中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限量的土壤鎘含量高出20～30倍。2008年有學(xué)者［24，25］研究發(fā)現(xiàn)湘江流域農(nóng)田和礦區(qū)水稻土壤重點污染因子是Cd，其次為Zn、Pb和As。有研究［26，27］表明，湘江流域重金屬的有效態(tài)含量達(dá)安全水平所占比率為60.52%，重污染水平達(dá)18.38%，其中生態(tài)風(fēng)險較高的地域主要分布在河流、建設(shè)用地、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點的聚集區(qū)。

1.3 農(nóng)作物污染情況

湘江流域大部分水質(zhì)和土壤均遭受了不同程度的重金屬污染，使得其周邊農(nóng)田種植的農(nóng)作物質(zhì)量受到威脅。1998年湖南安化礦區(qū)耕地種植的早稻、晚稻鎘平均含量分別比中國食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2012中限定的精大米中鎘含量高出約5倍和10倍［23］。2002年湖南郴縣東西河流域區(qū)糙米中重金屬Pb含量超出限量10～15倍，Cd超出限量3～1 0倍；大豆中Pb含量超出限量8～10倍，Cd超出限量1.5～3.0倍［28］。

2005年瀏陽七寶山河流域的水稻鎘含量比中國食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2012中限定的精大米中鎘含量高出約5倍［29］。研究［23，30］表明，蔬菜、大豆植株等農(nóng)作物對重金屬鎘有較強的積累能力。

2010年對湖南省寧鄉(xiāng)縣和株洲縣種植的茶葉進行研究［31］表明兩地種植的茶葉Pb、Cu含量均符合國家無公害茶標(biāo)準(zhǔn)，且茶葉中的Pb與相應(yīng)土壤中的Pb有一定的相關(guān)性；2013年對長沙市及寧鄉(xiāng)縣部分地區(qū)的大白菜、黃瓜、韭菜、辣椒等4種蔬菜的Hg、As含量進行分析［32］，數(shù)據(jù)表明寧鄉(xiāng)縣采集的蔬菜樣品污染程度達(dá)安全級別，但長沙市樣品仍有輕度污染或達(dá)警戒級別。

1.4 魚類污染情況

湘江流域魚類資源和水產(chǎn)資源豐富，而現(xiàn)今湘江河段漁業(yè)資源狀況與以往相比卻有著巨大的改變。漁業(yè)狀況不斷惡化主要體現(xiàn)在3個方面［33，34］：① 每年的捕撈量都在下降，有漁民反映現(xiàn)在采用相同的操作工具在相同的時間捕撈到的漁獲物種類不到20世紀(jì)50年代時候的1/5；② 魚類品種少、個體也越來越小，質(zhì)量明顯下降；③ 魚類洄游等場地被堵塞。出現(xiàn)這些情況主要原因之一就是河段污染程度加劇［35］。

早至1973年，湖南省長沙、株洲、湘潭市魚類資源調(diào)查組［36］在株洲進行了魚體含毒量的檢測，經(jīng)過5次采樣分析得出，河蚌、魚內(nèi)臟As含量，分別超出限量2.26，3.30倍，魚肉As含量超出限量2.50倍。研究［37］表明，同種生物對不同重金屬的積蓄能力有所不同；不同生物體對同種重金屬積累量不同，這一現(xiàn)象與其進食特性及生活環(huán)境有關(guān)。

2012年研究［38］發(fā)現(xiàn)湘江長沙段主要污染的重金屬元素為Cd、Pb和As，樣品魚中超標(biāo)率分別為50%，25%，25%，Cr、Hg、Cu、Fe和Zn檢出率為100%，其中Cd污染最為嚴(yán)重，不同魚類受污染水平為：鯰魚＞鯽魚＞草魚＞鰱魚，整體看來生活在水底的魚類其受重金屬污染程度比生活在上層水域的魚類大。

2 重金屬污染對食物鏈的影響

重金屬污染不只會直接影響魚類和農(nóng)作物的質(zhì)量、產(chǎn)量，還能通過食物鏈對人們的身體健康帶來危害［39］。水生食物鏈中重金屬的富集和遷移，最后會導(dǎo)致該江河流域土壤里種植的農(nóng)作物和相應(yīng)的生物體受到重金屬的污染，從而使得重金屬在不同的食物鏈中進行遷移和富集［40］。

沿食物鏈浮游植物→浮游動物→魚類這一傳遞過程中，隨營養(yǎng)級的升高，Cd的濃度通常會降低，對于Hg則升高。一般來說，重金屬沿著底棲或浮游生物食物鏈傳遞，通過不同營養(yǎng)級其濃度被生物體放大或稀釋，不同的食物鏈或不同類型的重金屬有不同的規(guī)律。再者，食物鏈之間復(fù)雜的關(guān)系是如何影響重金屬向高營養(yǎng)級輸送仍需進一步研究。因不同生物體對重金屬的代謝機制有所不同，故食物鏈關(guān)系越復(fù)雜，重金屬的生物可利用性變化也就越大［41］。

王文雄等［42］總結(jié)了近年來國外不同海洋食物鏈中重金屬傳遞的研究成果，強調(diào)在重金屬生物可利用性評估中，要充分考慮動物的生理生化過程的影響，同時也必須認(rèn)識到不同的海洋生物其代謝機制不同。

2007年李楓等［43］研究黑龍江扎龍濕地保護區(qū)發(fā)現(xiàn)在蒼鷺雛鳥各組織中，肝臟和羽毛中重金屬的含量比其它組織器官高；重金屬的含量會隨食物鏈等級的升高而被積累，水體中重金屬的含量最低，魚體內(nèi)重金屬含量次之，而蒼鷺體內(nèi)重金屬含量最高，并有明顯規(guī)律顯示生物體內(nèi)重金屬積累量隨生物營養(yǎng)等級升高而遞增。2008年Yujun YI等［44］對長江流域的污染情況與其食物鏈的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)沉積物中重金屬的含量比水體中高，生活在水底的無脊椎動物組織內(nèi)重金屬含量相對較高；食物鏈中重金屬含量順序為：底層物質(zhì)＞底棲魚、水底動物群＞中下游層魚＞中上游層魚＞水。2010年Zdenka等［45］研究了斯洛文尼亞的一個礦區(qū)人造湖區(qū)域，重金屬隨著食物鏈的遷移情況，發(fā)現(xiàn)Hg是該食物鏈中最具生物毒性的元素，且在魚體中可遷移性很強。水生植物中Pb含量與該區(qū)域沉積物中的Pb含量呈正比，且Pb主要積累在植物根部；Cd和Pb的含量隨著該食物鏈的營養(yǎng)級的升高而積累增加；數(shù)據(jù)顯示魚類肝臟和腎臟可大量積累重金屬。

可見重金屬會隨著食物鏈營養(yǎng)級的升高而產(chǎn)生量的變化，這種變化對環(huán)境污染控制、食物原料的安全和人類健康有著重要意義。然而中國對于湘江流域中重金屬的研究，主要集中于水體、土壤、農(nóng)作物、水產(chǎn)品等單方面，而對于重金屬在食物鏈中遷移的整體分析和研究比較缺乏。

3 總結(jié)與展望

湘江作為湖南的“母親河”受到嚴(yán)重的重金屬污染，導(dǎo)致其水質(zhì)、土壤、周邊農(nóng)作物和漁業(yè)遭到極大的影響。在治理方面，早在1979年保護湘江的條例已出臺，到2011年首次將湘江流域綜合治理和重點流域水污染治理一起納入了國家大江大河治理的范圍，在限制工業(yè)企業(yè)排污量和完善水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的同時，還要向廣大民眾宣傳保護湘江的意識。在環(huán)境污染調(diào)查方面，學(xué)者們針對礦區(qū)周邊的調(diào)查研究已較成熟和全面，然而對于湘江流域中重金屬在食物鏈中的遷移情況及可食用部分的重金屬積累尚未有太多的報道。今后的研究可朝以下兩個方向深入：① 對湘江流域重金屬在食物鏈中的遷移情況進行進一步研究，找到在食物鏈中排解重金屬的有效方法；② 為已受重金屬污染的土壤找到成本合理且效果顯著的凈化方式。相信在社會各界的不懈努力下會重現(xiàn)一個潔凈的湘江。

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