渭河陜西段表層沉積物重金屬污染特征及潛在風險

楊學福，姚志鵬，王 蕾，張 宇，關建玲

1.西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 7100212.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 7100553.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 1000124.陜西省環境監測中心站，陜西 西安 710054

渭河陜西段表層沉積物重金屬污染特征及潛在風險

楊學福1,2，姚志鵬3，王 蕾4，張 宇4，關建玲4

1.西安工業大學建筑工程學院，陜西 西安 7100212.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 7100553.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 1000124.陜西省環境監測中心站，陜西 西安 710054

為了解渭河陜西段表層沉積物重金屬的污染特征，采用ICP-MS分析了13個采樣斷面表層沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn 8種重金屬的含量，并對其來源和生態風險進行了評價。結果表明：渭河陜西段8種重金屬的平均含量順序依次為Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd；除Ni外的其余7種重金屬的平均含量均超過陜西省A層土壤背景值。各斷面表層沉積物重金屬的潛在生態風險指數(RI)介于111.4～7 043.7，其中23.1%的斷面有極強生態風險，46.2%的斷面為中等生態風險，其余為輕微生態風險。Cd污染最為嚴重，對各斷面的潛在生態風險介于較強生態風險與極強生態風險之間，對RI的貢獻平均為85.2%；其余7種重金屬在所有斷面均屬于輕微生態危害。渭河陜西段表層沉積物As、Cd、Cu和Zn主要為工業與農業來源；Cr和Ni主要為自然來源；Pb和Mn與城市污水和交通污染來源有關。

渭河陜西段；表層沉積物；重金屬；生態風險

沉積物是河流水環境的重要組成部分，也是其各種污染物的源和匯[1]。重金屬污染物經自然風化侵蝕、污廢水排放、農業排水等途徑進入河流后，僅少部分以溶解態形式存在于水體中，大部分先被懸浮顆粒物吸附，隨之遷移并最終積累在河流底部的表層沉積物中[2]。而表層沉積物中的重金屬易在特定條件擾動下被重新釋放出來對上覆水體造成“二次污染”。研究表明，水環境中的重金屬可通過食物鏈的放大作用等，對水生生物和人體產生嚴重危害[3]。渭河是黃河的最大支流，在陜西省境內河長502 km，主要流經寶雞、咸陽、西安和渭南4市(區)。截至目前，已有學者對渭河表層沉積物中重金屬的污染研究比較零散且多限于2010年以前的情況[4-7]。隨著陜西省《渭河流域水污染防治三年行動方案(2012—2014年)》和《陜西省重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》的實施，渭河外源重金屬污染物排放量有所減少，因此有必要進一步全面了解并評估渭河內源重金屬，即表層沉積物中重金屬的污染現狀及其潛在風險。筆者以渭河陜西段為研究對象，對表層沉積物中重金屬的分布特征和來源進行分析，并運用地質積累指數和潛在生態風險指數評估表層沉積物中重金屬的污染程度和潛在生態風險，以期為渭河流域重金屬污染防治、水生態系統的保護和生態風險管理提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 樣品采集與處理

2014年2月利用抓斗式采樣器在渭河陜西段采集到13個表層沉積物樣品(0～5 cm)，采樣斷面位置如圖1所示。

圖1 渭河陜西段表層沉積物研究斷面位置分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the surface sediment sampling cross-sections in the Weihe River of Shaanxi region

現場將采集的樣品用塑料勺裝入干凈的聚乙烯密封袋中運送回實驗室，風干后去除礫石顆粒、塑料和動植物殘體等雜物，用瑪瑙研缽研磨后過0.074 mm尼龍篩，裝入干凈的聚乙烯袋內密封保存備用。

1.2 實驗分析與測定

準確稱取0.500 g沉積物樣品于聚四氟乙烯消解罐，置于DEENA型全自動石墨消解儀(美國)中。先加入10 mL HCL，在(95±5)℃下低溫加熱，待蒸發至3 mL左右，冷卻，震蕩后，分別加入5 mL HNO3、5 mL HF、3 mL HClO4后，溫度保持在(95±5)℃，1 h，蒸至白煙冒盡，內容物呈粘稠狀后，冷卻，加超純水定容至50 mL備用。

沉積物樣品中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn用Series 200-Elan DRCe型ICP-MS(美國)測定，樣品經0.45 μm濾膜過濾，采用標準曲線法定量。

在重金屬的分析過程中采用沉積物標準樣品進行過程質量控制，8種重金屬的測定值均在國家標準參比物質的允許誤差范圍之內，各重金屬回收率為85.1%～108.8%，平行樣品的相對偏差在5%允許范圍內。

1.3 評價方法

1.3.1 地質積累指數法(Igeo)

由MüLLER于1969年提出，利用某重金屬的含量與對應地球化學背景值的關系，定量研究其污染程度，目前在歐洲被廣泛使用。該方法不僅考慮了重金屬的自然分布特征，也能直觀反映外源重金屬在沉積物中的富集程度，即人為活動對重金屬污染的影響[8]。其計算方法如下：

(1)

式中：Igeo為沉積物中重金屬i的地質積累指數，無量綱；Ci為沉積物中重金屬i的實測含量，mg/kg；k為考慮到造巖運動可能引起的背景值差異系數，取1.5；Bi為清潔沉積物中重金屬i的地球化學背景值，mg/kg。選擇合理的背景值是正確評價重金屬污染程度與生態風險的關鍵因素，Bi選取陜西省A層土壤重金屬背景值，As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的背景含量分別為11.1、0.094、62.5、21.4、557、28.8、21.4、69.4 mg/kg[9]。

1.3.2 潛在生態風險指數法(RI)

瑞典學者HANKANSON基于元素豐度和釋放能力原則提出的潛在生態風險指數(RI)法，是評價沉積物重金屬生態危害的常用方法[10]。其計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

1.4 數據分析

數據分析采用SPSS 19.0統計軟件和Excel 2010軟件。

2 結果與討論

2.1 表層沉積物中重金屬的含量水平

渭河陜西段表層沉積物8種重金屬的含量統計結果見表1。

表1顯示，渭河陜西段表層沉積物中8種重金屬的平均含量介于2.63～711 mg/kg之間，按各重金屬的平均含量順序為Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd，平均含量最高的是Mn，為711 mg/kg，占8種重金屬總含量的75.31%；其次是Zn和Cr，平均含量分別為78.38、64.08 mg/kg；平均含量最低的是Cd，為2.63 mg/kg。各采樣斷面表層沉積物重金屬的含量差別較大，除Cr外的其余重金屬變異系數均大于20%，其中Cd、As和Zn的變異系數分別為226%、39%和33%，表明其污染來源沿程變化可能較大。

表1 渭河陜西段表層沉積物重金屬的含量統計結果Table 1 Statistics of heavy metal contents in surface sediment of the Weihe River in Shaanxi region

與陜西省A層土壤背景值相比，除Ni外，其余7種重金屬的平均含量均超過對應土壤背景值，說明渭河陜西段表層沉積物受到一定程度的重金屬復合污染。值得注意的是，渭河陜西段表層沉積物Cd的平均含量是對應土壤背景值的27.95倍，即使Cd含量最小的11#斷面也超過對應土壤背景值1.87倍，這說明渭河陜西段表層沉積物中Cd污染非常嚴重。據研究[12]，黃河水體中的懸浮粒子對痕量Cd有較強的吸附能力，相當一部分Cd在水體流動過程中隨懸浮粒子沉降在河底。渭河作為黃河的主要支流，與其有著相似的性質，因此，進入渭河水體的Cd被顆粒物吸附并沉降可能是導致表層沉積物中Cd含量普遍較高的主要原因。

2.2 表層沉積物中重金屬的污染程度及潛在風險

2.2.1 表層沉積物重金屬污染程度評價

渭河陜西段表層沉積物重金屬的Igeo評價結果見表2。

表2 渭河陜西段表層沉積物重金屬的污染程度評價結果Table 2 The assessment of heavy metal pollution in surface sediment of Weihe River in Shaanxi region

表2顯示，渭河陜西段表層沉積物各采樣斷面均存在Cd污染，其中有15.4%的斷面為嚴重污染，7.7%的斷面為重度污染，23.1%的斷面為中度污染，46.2%的斷面為偏中度污染，7.7%的斷面為輕度污染；As、Cu、Mn和Zn均存在輕微污染，分別有15.4%、30.8%、23.1%和15.4%的研究斷面為輕度污染，其余斷面為無污染；Cr、Ni和Pb在各斷面評價結果均為無污染。Cd為環境中毒性較大的重金屬，進入人體后主要在肝、腎組織中引起慢性中毒，導致腎臟吸收功能不全、免疫能力低下以及骨質疏松、軟化、關節變形和全身疼痛等癥狀。當環境條件發生變化(如水體pH下降、離子強度增大等)時，沉積物中的酸可溶態Cd易被釋放引起二次污染[12]，這進一步增加了渭河陜西段表層沉積物Cd的污染風險。

2.2.2 表層沉積物重金屬潛在生態風險評價

根據RI的計算結果，渭河陜西段各斷面表層沉積物8種重金屬的RI值介于111.4～7 043.7之間，平均RI為870.2。由表3渭河陜西段表層沉積物重金屬的RI評價結果可知，渭河陜西段表層沉積物重金屬總體上存在較高的生態風險，其中23.1%的斷面為極強生態風險，46.2%的斷面為中等生態風險，其余斷面均為輕微生態風險。依據表4中的各重金屬的Eri計算結果，渭河陜西段各斷面表層沉積物As、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn 7種重金屬的Eri均小于40，屬于輕微生態危害；各斷面Cd的Eri值介于86.2～7 002.1之間，平均為838.4，其中23.1%的研究斷面有極強生態風險，23.1%的斷面為強生態風險，其余斷面均為較強生態風險。渭河陜西段表層沉積物8種重金屬中，Cd對RI的平均貢獻最大，達85.2%；其次為As、Cu、Pb和Ni，累計占12.7%；其余3種重金屬的平均貢獻很小(≤1%)，詳見圖2。可見，與渭河陜西段表層沉積物中的其他7種重金屬相比，Cd平均含量雖然較低，但其引起的潛在生態風險較高，值得重視。

表3 渭河陜西段表層沉積物重金屬的RI評價結果Table 3 Potential ecological risk index of heavy metals in surface sediment of Weihe River in Shaanxi region

表4 渭河陜西段表層沉積物中各重金屬的Eri評價結果Table 4 Potential ecological risk factor of heavy metals in surface sediment of Weihe River in Shaanxi region

圖2 渭河陜西段表層沉積物各重金屬對RI的平均貢獻率Fig.2 The average contribution rates of the heavy metal for Potential ecological risk index in surface sediment of Weihe River in Shaanxi region

2.3 表層沉積物重金屬的來源分析

渭河陜西段表層沉積物中8種重金屬含量的Pearson相關系數如表5所示。

表5 渭河陜西段表層沉積物重金屬含量的Pearson相關系數矩陣Table 5 Pearson correlation matrix of the heavy metals in surface sediment of Weihe River in Shaanxi region

注：“**”表示極顯著相關(P>0.01)；“*”表示顯著相關(P>0.05)。

表5顯示，Zn與Cd、Cu之間極顯著相關(P>0.01)，Zn與As之間顯著相關(P>0.05)，Cr與Ni之間極顯著相關(P>0.01)，其余各重金屬之間不相關，表明渭河陜西段表層沉積物中重金屬之間來源具有一定的相似性。

為進一步分析渭河陜西段表層沉積物中重金屬的污染來源，采用因子分析法進行污染源解析[13]。渭河陜西段表層沉積物8種重金屬的因子載荷分析結果見圖3。

圖3 渭河陜西段表層沉積物重金屬的因子載荷圖Fig.3 Factor loading plot of the heavy metals in the surface sediments of Weihe River in Shaanxi region

由圖3可見，提取出的3個主因子的累計方差貢獻率為80.5%，分別可以解釋總方差的32.8%、27.4%和20.3%。因子1主要與重金屬As、Cd、Cu和Zn有關，其中與Cd、Cu和Zn有較高的載荷。據統計[14-17]，渭河流域化肥和農藥畝均施用量遠高于陜西省平均水平，但農業生產過程中化肥和農藥的利用率普遍不高，分別為34.8%和35%左右。另外，農用塑料薄膜和農業垃圾中也含有一定量Cd等重金屬，大量無節制使用或使用不當會造成土壤中相關重金屬的污染。渭河陜西段表層沉積物中Cd含量相對較高的采樣斷面為8#、10#和12#斷面，均在西安段，最大值出現在10#斷面。研究發現，西安市有多年的污水灌溉歷史，污灌區土壤Cd污染較為明顯[18]，市郊農田土壤中As等元素嚴重超標[19]。渭河陜西段地處黃土高原南部，流域內水土流失較為嚴重，土壤顆粒中的養分、農藥及重金屬等也隨水土流失過程遷移最終進入河流并造成重金屬As、Cd和Cu等污染。渭河陜西段沿岸的寶雞、咸陽、西安、渭南等市均屬工業城市，有色金屬冶煉、造紙和紡織企業比較集中[20]，重金屬污染負荷相對較大。渭河表層沉積物中Cu和Zn含量較高，且變異系數大，可能受工業污染比較嚴重。因此，因子1主要代表工業廢水與農業污染。因子2主要與重金屬Cr和Ni有關，兩者均有較高的載荷。表層沉積物中Ni平均含量低于背景值，Igeo評價結果也顯示，Cr和Ni為無污染，說明因子2主要與自然來源有關。因子3主要與重金屬Pb和Mn有關，與Pb有較高的載荷。Pb是機動車污染源的標識元素，由于汽油中添加四乙基鉛以增加燃料中辛烷含量，在燃燒過程中絕大部分被分解為無機鉛鹽及鉛氧化物隨汽車尾氣排出，成為最重要的鉛污染源[21-22]。而部分含鉛量小的汽油中則主要用環戊二烯三羰基錳代替四乙基鉛作為防爆劑，也會帶來一定的Mn污染[23]。而渭河流域合流制排水管網系統占有率較高(超過40%)，雨天時會沖刷路面和街塵中的重金屬Pb和Mn的污染物，部分未經處理便直接流向水體[24]。另外，調查發現渭河流域城市污水中Pb和Mn的濃度較高，而常規的二級污水處理工藝對其去除率不高，表層沉積物中的Pb和Mn也可能與流域內大量的城市污水排放有關。因此，因子3主要代表城市污水和交通污染。

3 結論

1)渭河陜西段表層沉積物8種重金屬的平均含量介于2.63～711 mg/kg之間，按各重金屬平均含量順序依次為Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd。與陜西省A層土壤背景值比，除Ni外，渭河陜西段表層沉積物其余7種重金屬的平均含量均超過對應土壤背景值。

2)Igeo評價結果顯示：渭河陜西段表層沉積物中Cd污染最為嚴重，As、Cu、Mn和Zn為輕微污染，Cr、Ni和Pb為無污染。RI評價結果顯示：8種重金屬的RI值介于111.4～7 043.7之間，23.1%的斷面有極強生態風險，46.2%的斷面為中等生態風險，其余斷面均為輕微生態風險。Cd在各斷面的潛在生態風險介于較強生態風險與極強生態風險之間，其對RI的平均貢獻最大，達85.2%，其余7種重金屬在所有斷面均屬于輕微生態危害。

3)來源分析表明：渭河陜西段表層沉積物中重金屬元素之間來源具有一定的相似性，As、Cd、Cu和Zn主要為工業廢水與農業污染來源；Cr和Ni主要為自然來源；Pb和Mn主要為城市污水和交通污染來源。

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Heavy Metal Pollution Characteristics and Potential Ecological Risk in Surface Sediment of Shaanxi Segment of the Weihe River

YANG Xuefu1,2,YAO Zhipeng3,WANG Lei4,ZHANG Yu4,GUAN Jianling4

1.School of Civil and Architecture Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China2.School of Environmental and Municipal Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring，China National Environmental Monitoring Centre，Beijing 100012，China4.Shaanxi Environmental Monitoring Centre,Xi’an 710054,China

In order to understand the pollution characteristics of heavy metals in surface sediments of Shaanxi segment of the Weihe River, the concentrations of 8 heavy metals including As，Cd，Cr，Cu，Mn，Ni，Pb and Zn in surface sediments of 13 sampling section were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and their potential ecological risks were evaluated. The results indicated that the average concentration level of heavy metals in sediments followed the order: Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>As>Cd. The concentrations of 8 heavy metals, except Ni, were above the corresponding soil background values for Shaanxi. The potential ecological risk indexes (RI) of 8 heavy metals at all sampling sites were between 111.4 and 7 043.7, including 23.1% sampling sites posed serious potential ecological risk, 46.2% sampling sites posed moderate potential ecological risk, and the rest sampling sites posed low potential ecological risk for the River. Cd, which potential ecological risk was from higher potential ecological risk to serious potential ecological risk and contributed 85.2% of the total potential ecological risk, was found as the most polluted heavy metal in the River. The rest of 7 heavy metals all posed a low potential ecological risk at all sampling sites of the River. Source analysis suggested that, As，Cd，Cu and Zn are derived from the industrial and agricultural sources, Cr and Ni are derived from the Natural sources, Pb and Mn are derived from urban sewage and vehicle pollution sources.

Shaanxi segment of the Weihe River;surface sediment;heavy metals;ecological risk

2015-11-19；

2016-02-16

陜西省社會發展科技攻關項目(2015SF282)

楊學福(1981-)，男，寧夏同心人，博士，講師。

王 蕾

X824

A

1002-6002(2017)02- 0061- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.10