二道松花江沉積物重金屬特征及其潛在生態風險

陸繼龍，劉奇志，王春珍，蔡 波， 郝立波，尹業長，趙玉巖

1. 吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2. 長春水務(集團)有限責任公司，長春 130041

0 引言

河流沉積物是水環境的基本組成部分，是環境污染物(有機污染物、重金屬和營養物等)重要的源和匯[1]。沉積物中的重金屬因其危害持久性、生物毒性及食物鏈的富集效應等特點，成為水環境研究的重點[2-3]。二道松花江屬于第二松花江干流，發源于長白山主峰天池，是東北地區河流中源頭最高的河流[4]。其主要支流為頭道白河、三道白河、四道白河、五道白河、古洞河及其下游的金銀別河[5]；流向由東南向西北，在兩江口與頭道松江河匯合成第二松花江。二道松花江長302 km，流域面積10 625 km2[6]。該流域地處長白山區，是吉林省重要的礦產集中分布區。同時，2005年成立的長白山保護開發區管理委員會的駐地——池北區(原二道白河鎮)就位于二道松花江干流的上游。近年來，由于礦產資源勘探開發力度增大、長白山旅游開發過程中管理不善，使得生態環境惡化，給水環境也帶來了很大的影響[7]。因此，本文通過研究二道松花江河流沉積物的重金屬含量特征，對該河流水環境質量狀況進行探討，以期為水環境保護提供參考。

1 樣品采集與測試

1.1 樣品采集

本次研究河流沉積物樣品采自二道松花江干流及其流域內較大的主要支流(圖1)。為了使沉積物樣品能反映水系全年沉積的情況，采樣位置盡可能靠近河道中心。采集時使用重力采樣器采集河道表層物質，樣品均為多點混合樣，將其裝入磨口瓶中、密封后帶回實驗室。共采集二道松花江干流及其支流沉積物樣品34件。

1.2 樣品測試

在實驗室中先自然風干，再去除石塊、砂礫和樹枝等雜物，并在105 ℃下烘干至恒重，最后將沉積物粉碎通過200目篩，存放于干燥器中備測試用。河流沉積物樣品中As和Hg質量分數用原子熒光分光光度計(AFS-230E)測定，Cr、Cu、Pb和Zn質量分數采用X-熒光光譜儀(TW2440)測定，Cd質量分數用帶石墨爐的原子吸收分光光度計(M6)測定。分析時所用水均為超純水，所用試劑均為優級純。采用國家標準物質進行分析質量控制，所測重金屬元素的分析結果均符合質量控制要求。

2 結果與討論

2.1 沉積物中重金屬質量分數特征

表1顯示了二道松花江流域各河流沉積物中重金屬元素的質量分數統計特征。可以看出：As質量分數為(0.78～16.06)×10-6，平均值為4.47×10-6，在頭道白河和古洞河沉積物中質量分數相對較高；Cd質量分數為(0.057～0.355)×10-6，平均值為0.158 ×10-6，在頭道白河和三道白河沉積物中質量分數相對較高；Cr質量分數為(3.40～101.00)×10-6，平均值為35.81×10-6，在古洞河和金銀別河沉積物中質量分數相對較高；Cu質量分數為(3.60～45.50)×10-6，平均值為10.57×10-6，在干流沉積物中質量分數最高； Hg質量分數為(0.014～0.286)×10-6，平均值為0.040×10-6，在金銀別河沉積物中質量分數最高；Pb質量分數為(17.40～27.40)×10-6，平均值為22.63×10-6，在頭道白河、四道白河和金銀別河沉積物中質量分數相對較高；Zn質量分數為(43.90～190.00)×10-6，平均值為98.12×10-6，在干流、頭道白河、三道白河、五道白河及金銀別河沉積物中質量分數較高。從質量分數平均值來看，二道松花江流域河流沉積物中各種重金屬元素質量分數均低于第二松花江中下游沉積物中對應的重金屬質量分數[8]。與第二松花江沉積物重金屬背景值[9]相比：二道松花江干流及其各支流沉積物中Cd和Cu質量分數較低，As、Cr和Zn除分別在個別支流(As在頭道白河、Cr在古洞河、Zn在三道白河)沉積物中質量分數超過背景值外，質量分數總體上是低于背景值的；Pb在二道松花江流域各河流沉積物質量分數均高于背景值；Hg在四道白河、古洞河和金銀別河沉積物中質量分數超過背景值，在干流和其他支流中則低于(頭道白河中等于)背景值。這說明盡管二道松花江沉積物重金屬質量分數總體上處于相對較低的水平，但一些支流的個別重金屬元素仍在一定程度上呈現富集趨勢。另外與國內幾大主要水系相比，二道松花江流域各河流沉積物As、Cr、Cu、Cd(僅高于遼河)、Hg(僅高于黃河)和Pb(僅高于遼河)質量分數均比較低，而Zn(僅低于海河和珠江)則相對較高。

圖1 二道松花江流域河流沉積物采樣點分布示意圖Fig.1 Sampling locations of river sediments in Erdaosonghua River

2.2 重金屬污染程度

目前我國還沒有發布河流沉積物質量標準，在進行河流沉積物重金屬污染程度評價時參考海洋沉積物質量標準[16]。但國外已有一些國家制定了底泥質量標準[17]，并應用到底泥監測、修復方案評價以及疏浚底泥的研究中[18-19]。對比可發現，二道松花江流域各河流沉積物、二道松花江干流及各支流中Cd和Pb質量分數均小于我國海洋沉積物第一類質量標準[16]、美國底泥質量標準的風險評價低值(ERL值)[17]和加拿大底泥質量標準低污染下的臨界效應質量分數值(TEL值)[17]；Hg除只在支流金銀別河沉積物中質量分數略高于上述標準外，流域內其他支流和干流沉積物中質量分數均低于上述標準；除少部分樣點外，Cr、Cu和Zn流域內大多數樣點沉積物中質量分數也均低于上述各對應指標值；As除在頭道白河沉積物中質量分數略高于ERL值和TEL值外，在流域內其余樣點沉積物中質量分數均低于上述標準。需要說明的是，個別樣品點沉積物中某種重金屬元素質量分數盡管超過其對應的ERL值和TEL值，但均遠遠小于其對應的風險評價中值(ERM值)和高污染下的風險較大值(PEL值)。這表明總體而言該流域內重金屬污染程度相對較低。

表1二道松花江流域和國內主要河流沉積物中重金屬元素質量分數及部分國家重金屬質量標準

Table1StatisticalcharacteristicsofheavymetalsedimentininErdaosonghuaRiveranddomesticallymainriversandqualitystandardsintheworld

10-6

注：( )內數字為樣品數。空白為未檢測項。ERL.風險評價低值；TEL.臨界效應質量分數；ERM.風險評價中值；PEL.高污染下的風險較大值。

2.3 潛在生態風險評價

河流沉積物重金屬元素污染的潛在生態風險評價常采用瑞典學者H?kanson[20]提出的潛在生態風險指數法。該方法不僅反映了某一特定環境中每種污染物對環境的影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響，并且用定量的方法劃分潛在生態風險的程度。本次評價二道松花江沉積物重金屬潛在生態風險評價時選擇了H?kanson建議的Hg、Cd、Pb、Cu、Zn五種元素，又增加了其他學者普遍認為毒性較強的Cr和As[21]。沉積物多種重金屬元素潛在生態風險指數(IR)計算公式為：

IR=∑IE=∑IT×(Ci/Cn)。

式中：IE為單個重金屬元素的潛在生態風險系數；Ci為河流沉積物重金屬元素質量分數實測值；Cn為背景參比值；IT為各重金屬元素的毒性響應系數, 反映了重金屬元素的毒性水平及水體對重金屬元素污染的敏感程度。Cn一般采用工業化前全球沉積物As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn背景值[22]，分別為15×10-6、1×10-6、90×10-6、50×10-6、0.25×10-6、70×10-6、175×10-6。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的毒性響應系數值分別采用10、30、2、5、40、5、1[18，23]。根據重金屬元素潛在生態風險系數和潛在生態風險指數劃分水體污染程度的標準[17]見表2。表3為采用工業化前全球沉積物重金屬元素背景值作為參比值計算的二道松花江沉積物重金屬元素潛在生態風險系數和潛在生態風險指數。從表3可看出，采用工業化前沉積物中重金屬含量為參比值計算時，單元素潛在生態風險系數除了Hg在金銀別河中為45.70外，其余重金屬元素潛在生態風險系數在整個流域內均小于40.00，而且潛在生態風險指數在整個流域內最大不超過58.00；說明二道松花江沉積物重金屬污染基本上全部處于輕微生態危害程度(表2)，即對應低潛在生態風險。但這不符合前面用我國海洋沉積物第一類質量標準值、美國ERL值和TEL值評價的該流域重金屬污染程度的實際情況。

滕彥國等[24]在研究某地區沉積物重金屬污染時指出，應以該區沉積物自身背景值作為計算有關參數的地球化學背景值。郭軍輝等[25]在研究膠州灣表層沉積物重金屬生態風險時也是采用研究區重金屬背景值，得到的結果符合科學常理。因此，為了使計算的參數符合該區實際，本次研究采用第二松花江沉積物重金屬元素背景值[9](表1)作為參比值對二道松花江沉積物重金屬元素潛在生態風險系數和潛在生態風險指數進行了計算，結果列入表4。

表2 重金屬元素潛在生態風險系數、潛在生態風險指數與污染程度的關系

表3以工業化前全球沉積物重金屬質量分數為參比值計算的沉積物重金屬元素潛在生態風險系數和潛在生態風險指數

Table3EcologicalriskfactorandpotentialecologicalriskindexofheavymetalsinsedimentsinErdaosonghuaRiver,basedoncontentofthepre-industrialglobalsediment

IEAsCdCrCuHgPbZnIR二道松花江流域(34)最小值0．521．710．080．362．221．240．2511．70最大值10．7110．662．244．5545．701．961．0957．79平均值2．984．730．801．066．431．620．5618．17標準差2．352．340．610．768．200．200．219．39二道松花江干流(8)平均值2．184．780．831．454．401．520．6415．79頭道白河(3)平均值5．336．900．781．255．351．730．6621．99三道白河(6)平均值1．437．420．280．693．331．500．8115．46四道白河(2)平均值2．193．920．700．776．591．860．4416．47五道白河(3)平均值2．115．320．731．123．921．650．6615．51古洞河(11)平均值4．142．661．080．946．961．650．3317．77金銀別河(1)平均值3．154．410．941．1745．701．830．5857．79

注：( )內數字為樣品數。

表4以第二松花江沉積物重金屬背景值為參比值計算的沉積物重金屬元素潛在生態風險系數和潛在生態風險指數

Table4EcologicalriskfactorandpotentialecologicalriskindexofheavymetalsinsedimentsinErdaosonghuaRiver,basedonsedimentbackgroundintheSecondSonghuaRiver

IEAsCdCrCuHgPbZnIR二道松花江流域(34)最小值1．214．400．150．7816．8210．240．3752．01最大值25．0627．324．499．89346．2516．121．60385．27平均值6．9812．141．592．3048．6813．310．8285．82標準差5．515．991．221．6662．111．650．3164．44二道松花江干流(8)平均值5．0912．251．663．1633．3612．480．9468．94頭道白河(3)平均值12．4617．691．562．7140．5214．220．9790．14三道白河(6)平均值3．3519．030．561．5025．2312．331．1963．19四道白河(2)平均值5．1310．061．391．6749．9215．290．6584．12五道白河(3)平均值4．9313．651．472．4329．6613．590．9766．71古洞河(11)平均值9．686．822．152．0552．7413．610．4987．56金銀別河(1)平均值7．3811．301．882．54346．2515．060．86385．27

注：( )內數字為樣品數。

從表4結合前文可以看出：由于二道松花江沉積物中質量分數較高的重金屬元素Zn、Cr的毒性響應系數較低，Cu、Pb的質量分數和毒性響應系數都不高，而毒性響應系數較高的As、Cd質量分數較低，所以這些重金屬元素的生態風險系數均比較低；但是由于毒性響應系數較高的Hg具有一定含量，因此整個流域沉積物潛在生態風險系數為48.68，達到中等生態危害程度，同時Hg在頭道白河、四道白河和古洞河沉積物中的潛在生態風險系數均超過40.00，達到中等生態危害程度，在金銀別河沉積物中甚至達到極強生態危害程度。這也使得盡管二道松花江流域沉積物總體上處于輕微生態危害程度，但在金銀別河處于強生態危害程度。整個流域內沉積物重金屬的生態危害程度由強至弱為：Hg、Pb、Cd、As、Cu、Cr、Zn。

3 結語

1)二道松花江流域各河流沉積物中重金屬元素質量分數水平低于第二松花江中下游沉積物中重金屬元素質量分數；二道松花江流域各河流沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Zn質量分數總體低于第二松花江沉積物背景值，而Hg和Pb質量分數總體上略高于第二松花江沉積物背景值。與國內幾大主要水系相比，二道松花江流域河流沉積物重金屬中僅Hg和Zn相對較高。

2)通過與國內外有關底泥質量標準對比發現，二道松花江流域內河流沉積物重金屬污染程度相對較低。

3)沉積物潛在生態風險指數評價結果表明，二道松花江流域內河流沉積物重金屬總體上處于輕微生態危害程度，但在金銀別河為極強生態危害程度，以Hg的生態風險為主。

[1] Kaushik A, Kansal A, Santosh, et al. Heavy Metal Contamination of River Yamuna, Haryana, India: Assessment by Metal Enrichment Factor of the Sediment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 164(1):265-270.

[2] 趙建如，初鳳友，金路，等. 珠江口西部海域表層沉積物重金屬元素多尺度空間變化特征[J]. 吉林大學學報(地球科學版)，2015，45(6)：1772-1780.

Zhao Jianru, Chu Fengyou, Jin Lu, et al. Spatial Multi-Scale Variability of Heavy Metals in Surface Sediments of Western Pearl River Estuary[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2015, 45(6):1772-1780.

[3]Islam M S, Ahmed M K, Raknuzzaman M，et al. Heavy Metal Pollution in Surface Water and Sediment: A Preliminary Assessment of an Urban River in a Developing Country[J]. Ecological Indicators, 2015, 48:282-291.

[4] 楊秉賡.第二松花江源頭區水文特征[J].吉林師范大學學報(自然科學版)，1979 (1): 130-146.

Yang Binggeng. The Hydrological Characteristics of the Source Area of the Erdaosonghua River[J]. Journal of Jilin Normal University(Natural Science Edition), 1979 (1): 130-146.

[5] 劉國中.二道松花江河源區地表水資源現狀分析[J]. 科學技術創新，2012 (5): 92.

Liu Guozhong.Analysis on the Surface Water Resources in the Source Area of the Erdaosonghua River[J]. Science and Technology Innovation, 2012 (5): 92.

[6] 郭海華,孫建.二道松花江“10.7”暴雨洪水分析[J].東北水利水電，2011 (10): 38.

Guo Haihua, Sun Jian. Analysis on the Storm Flood in October 7th of the Erdaosonghua River[J]. Water Resources & Hydropower of Northeast China, 2011 (10): 38.

[7] 許曉鴻,劉明義,孫傳生,等.第二松花江源頭區生態可持續發展對策研究[J].水土保持研究, 2007, 14(3): 55-56.

Xu Xiaohong, Liu Mingyi, Sun Chuansheng, et al. Research on Countermeasures of Ecological Sustainable Development in the Source Area of the Erdaosonghua River[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(3): 55-56.

[8] 陸繼龍,郝立波,趙玉巖,等.第二松花江中下游水體重金屬特征及潛在生態風險[J].環境科學與技術, 2009, 32(5): 168-172.

Lu Jilong, Hao Libo, Zhao Yuyan, et al. The Characteristics of Heavy Metal and Potential Ecological Risks in the Middle and Lower Reaches of Erdaosonghua River[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 32(5): 168-172.

[9] 佘中盛,王曉君,劉玉青,等.松花江水系沉積物中重金屬元素背景值[C]//中國科學院長春分院松花江流域環境問題研究編輯委員會.松花江流域環境問題研究.北京:科學出版社, 1992: 67-74.

She Zhongsheng, Wang Xiaojun, Liu Yuqing, et al.Background Value of Heavy Metal Elements in Sediments of Songhua River[C]// Editorial Board of the Changchun Branch of the Chinese Academy of Sciences. Study on Environmental Problems of Songhua River Basin. Beijing: Science Press, 1992: 67-74.

[10] 李任偉，李禾，李原，等. 黃河三角洲沉積物重金屬、氮和磷污染研究[J]. 沉積學報，2001，19(4)：622-629.

Li Renwei, Li He, Li Yuan, et al. Study of the Heavy Metals, Nitrogen and Phosphorus Contaminants in the Sediments of the Yellow River Delta[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2001，19(4): 622-629.

[11] 王曉軍，潘恒健，楊麗原，等. 南四湖表層沉積物重金屬元素的污染分析[J]. 海洋湖沼通報，2005 (2):22-28.

Wang Xiaojun, Pan Hengjian, Yang Liyuan, et al. Analysis of Heavy Metal Concentrations in Surfaces Sediments of Nansihu Lake [J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2005 (2):22-28.

[12] 羅斌，劉玲，張金良，等. 淮河干流沉積物中重金屬含量及分布特征[J]. 環境與健康雜志，2010，27(12)：1122-1127.

Luo Bin, Liu Ling, Zhang Jinliang, et al. Levels and Distribution Characteristics of Heavy Metals in Sediments in Main Stream of Huaihe River[J]. Journal of Environment and Health, 2010，27(12)：1122-1127

[13] 吳光紅，蘇睿先，李萬慶，等. 天津主要水體表層沉積物中重金屬污染特征[J]. 中國礦業大學學報，2008，37(2):259-264.

Wu Guanghong, Su Ruixian, Li Wanqing, et al. Pollution Characteristics of Heavy Metals in Surface Sediments in Tianjin [J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008，37(2):259-264.

[14] 張婧，王淑秋，謝琰，等. 遼河水系表層沉積物中重金屬分布及污染特征研究[J].環境科學，2008，29(9):2413-2418.

Zhang Jing, Wang Shuqiu, Xie Yan, et al. Distribution and Pollution Character of Heavy Metals in the Surface Sediments of Liao River[J]. Environmental Science, 2008,29(9):2413-2418.

[15] 劉寶林，張鴻，謝劉偉，等. 珠江干流表層沉積物重金屬污染特征及潛在生態風險[J]. 東北師范大學學報(自然科學版)，2015，47(2)：141-147.

Liu Baolin, Zhang Hong,Xie Liuwei, et al. Pollution Characteristics and Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Surface Sediments from the Pearl River Artery[J]. Journal of Northeast Normal University(Natural Science), 2015, 47(2): 141-147.

[16] GB18668-2002 中華人民共和國海洋沉積物質量[S]. 北京:中國標準出版社, 2002.

GB18668-2002 Marine Sediment Quality in People’s Republic of China[S]. Beijing: Standards Press of China, 2002.

[17] Burton G J. Sediment Quality Criteria in Use Around the World[J]. Limnology, 2002, 3: 65-75.

[18] MacDonald D, Ingersoll C G, Berger T A. Develo-pment and Evaluation of Consensus-Based Sediment Quality Guidelines Freshwater Ecosystems [J]. Arch Environ Contam Toxicol, 2000, 39: 20-31.

[19]Wang S R, Jin X C, Zhao H C, et al. Effect of Organic Matter on the Sorption of Dissolved Organic and Inorganic Phosphorus in Lake Sediments[J]. Colloids and Surfaces: A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2007, 297(1/2/3): 154-162.

[20] H?kanson L. An Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control: A Sediment Logical Approach [J]. Water Research, 1980, 14: 975-1001.

[21] 陳靜生,王忠,劉玉機.水體金屬污染潛在危害應用沉積學方法評價[J].環境科技, 1989, 9(1): 16-25.

Chen Jingsheng, Wang Zhong, Liu Yuji. Evaluation of Sedimentological Method in Potential Hazards of Water Metal Pollution[J]. Environmental Science and Technology, 1989, 9(1): 16-25.

[22] Laane R W, Sonneveldt H L, Vander Weyden A J, et al. Trends in the Spatial and Temporal Distribution of Metals (Cd, Cu, Zn and Pb) and Organic Compounds (PCBs and PAHs) in Dutch Coastal Zone Sediments from 1981 to 1996: A Model Case Study for Cd and PCBs [J] . Journal of Sea Research, 1999, 41: 1-17.

[23] Zhu Y L, Zayed A M, Qian J H, et a1. Phytoa-ccumulation of Trace Elements by Wetland Plants: I: Water Hyacinth[J]. Environmental Quality, 1999, 28:339-344.

[24] 滕彥國,庹先國,倪師軍,等.應用地質累積指數評價沉積物中重金屬污染：選擇地球化學背景的影響[J].環境科學與技術, 2002, 25(2): 7-9.

Teng Yanguo, Tuo Xianguo, Ni Shijun, et al.Evaluation of Heavy Metal Pollution in Sediments by Geoaccumulation Index: The Influence of Geochemical Background [J]. Environmental Science & Technology, 2002, 25(2): 7-9.

[25] 郭軍輝，殷月芬，陳發榮，等. 膠州灣表層沉積物重金屬污染分布特征及其生態風險評價[J].環境污染與防治, 2012, 34(3): 13-21.

Guo Junhui, Yin Yuefen, Chen Farong, et al.The Distribution of Heavy Metal Pollution in the Surface Sediments of Jiaozhou Bay and Its Ecological Risk Assessment[J]. Environmental Pollution & Control, 2012, 34(3): 13-21.