黑河重金屬空間分布及與大型底棲動物的關系

王 昱,李寶龍,馮 起,王之君,劉 蔚,張昕雨,孔德星,左一鋒（.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅 蘭州 730050；.中國科學院西北生態環境資源研究院,內陸河流域生態水文重點實驗室,甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室,甘肅 蘭州 730050）

近年來,隨著區域經濟快速增長,通過污水排放、水文循環等方式使大量重金屬污染物進入河流,歷經絮凝沉降、吸附解析等過程最終蓄積在河流底部沉積物中[1-2].雖然河流可通過理化和生物作用對重金屬等污染物進行吸收、固定和轉化,但當污染物濃度超出水生態系統的承載力,且泥-水界面理化性質發生改變時,沉積物中的重金屬會重新釋放到上覆水體,使得重金屬在沉積物、上覆水體之間進行二次遷移轉化,并通過生物富集和食物鏈的放大作用而影響人體健康[3-4].大型底棲動物具有分布廣、移動能力差、活動范圍小,以表層沉積物為直接生境,其群落結構及物種多樣性能有效反映河流重金屬污染狀況[5-7].大量研究表明,河流重金屬含量較高的區域,大型底棲動物的種類及多樣性顯著降低,耐污性物種逐漸占據優勢,且不同物種對重金屬污染具有很好的指示性[8-11].但上述研究多集中在湖泊、長江、黃河等河流及其支流上,對生態環境脆弱的內陸河流域水體及表層沉積物重金屬的分布及生態風險方面的研究相對較少.因此探究大型底棲動物對河流水體及表層沉積物重金屬空間分布潛在指示性和相關性關系,對有效治理和預防河流重金屬污染具有重要實踐意義.

黑河流域作為我國第二大內陸河,是河西走廊綠洲賴以生存和經濟社會持續發展的重要水源基地[12].長期以來,受技術、經濟條件、人們意識觀念的制約,對祁連山成礦帶的過度開采,以及歷史遺留的尾礦及礦渣肆意堆放,長期暴露在環境中,易被雨水淋洗或土壤滲流直接進入河流[13],導致了黑河水體及表層沉積物一定程度的重金屬污染.此外,上游干流梯級水壩對重金屬具有明顯攔截效應,水體中重金屬經吸附、沉淀和生物吸附等作用易富集在庫區底泥中.中游工業廢水、農業及生活污水的排放等也會使進入水體中的重金屬在沉積物中沉積,加劇了河流重金屬的富集程度,對河流水環境中的水生生物造成潛在危害[14].以往關于黑河重金屬的研究多集中在土壤或水體單一方面,忽略了重金屬進入水體后絕大部分會累積在表層沉積物中,并未從大型底棲動物對河流水體及表層沉積物重金屬的相關關系來分析重金屬的潛在危害[13,15].

為此,本文以黑河上、中游為研究區域,采集和測定水體、表層沉積物及底棲動物樣品,采用主成分分析法識別重金屬污染的來源,并通過綜合污染指數、潛在生態風險指數等評價河流水體及沉積物重金屬的污染狀況;同時對大型底棲動物與水體及表層沉積物重金屬進行相關性分析,確定重金屬污染的潛在指示生物,為生態脆弱的西北內陸河流域重金屬污染有效治理和科學管理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況及采樣點布設

黑河發源于祁連山北麓的青海省祁連縣,流域范圍為 96°42'～102°04'E,37°45'～42°40'N,是我國第二大內陸河.流域橫跨了祁連山地、走廊平原和阿拉善高原3種不同的地貌單元,總面積達1.3×105km2,黃藏寺-鶯落峽河段為上游干流,鶯落峽-正義峽為中游.上游祁連縣-天峻縣煤銅鉛鋅規劃區是青藏高原圈定的22個重點礦產資源勘查規劃區之一,分布有鐵、鉻、鉛、鋅和銅等重金屬元素,并有煤礦、鈾礦等礦山企業和建材等非金屬礦[13].上游干流水能資源豐富,相繼開發了 8座梯級電站.中游灌溉農業發達,沿途城市群密集,是鐵、銅、鉬等礦產原料集中區,煤炭、造紙、焦化、有色金屬加工等企業均有一定的規模和歷史[16].本文于2019年8月在黑河上、中游各典型區域布設13個采樣點,其中大型底棲動物與水樣共有樣點為上游支流（H1～H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H8～H10、H13）;大型底棲動物與表層沉積物共有樣點為上游（H1、H3、H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H9、H11～H13）,各采樣點設置如圖 1所示.

圖1 黑河流域采樣點分布示意Fig.1 Distribution sampling sites in Heihe River basin

1.2 樣品采集與測定

使用彼得遜采泥器采集0～5cm河床表層沉積物樣品,每個采樣點采集 3個平行樣,現場混勻,裝入聚乙烯封口袋并進行標記,低溫 4℃保存.沉積物樣品帶回實驗室,經冷凍干燥,剔除雜質,用研缽研磨后過100目尼龍篩保存.取4g表層沉積物待測樣品,采用 HNO3-HF-HCLO4法進行消解,重金屬元素鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、砷（As）、錳（Mn）采用電感耦合質譜儀測定;同時采集 1L水樣固定后置于 4℃保溫箱帶回實驗室保存.水樣中 8種重金屬密度（ρ）采用電感耦合質譜儀測定.實驗所用試劑均為優級純,實驗用水為超純水.

使用 1/16m2彼得遜采泥器在各采樣點斷面多處采集大型底棲動物樣品16次,折合成1m2的采樣面積;現場用鑷子挑出活體放入樣本瓶,用 4%的福爾馬林溶液固定,運回實驗室在顯微鏡下進行觀察,計數后稱重,并根據采樣面積換算成密度（ind./m2）和生物量（g/m2）[17].

1.3 研究方法

1.3.1 綜合污染指數評價法 綜合污染指數法是將同一樣點重金屬看成一個整體,主要來反映各種重金屬元素相互作用情況下對水環境的影響[18],其計算公式為:

式中:Ai為重金屬元素i的污染指數;Ci為重金屬元素i的實測含量;Csi為重金屬i對應的水質標準,Ni元素采用集中式生活飲用水地表水源地特定項目標準限值;WQI為河流水體中重金屬的水質綜合污染指數,其分級標準為:WQI≤1,為無污染,1＜WQI≤2,為低污染,2＜WQI≤3,為中度污染,WQI＞3,為重度污染.潛在生態風險指數法是 Hakanson根據沉積學原理評價重金屬污染及生態風險的方法,是目前國內外沉積物及水域污染程度評價中應用最廣泛的方法之一[19],其公式為:

表1 單項及綜合潛在生態風險評價指數及分級標準Table 1 Individual and general indices and grades of potential ecological risk assessment

1.3.2 大型底棲動物多樣性指數計算 本研究采用Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Margalef豐富度指數3項生物指標來評價各采樣點大型底棲動物攝食功能群多樣性[21-23].具體計算公式如下:

式中:S為群落中物種數目;N為樣方中觀察到的個體總數;ni為第i種物種的個數.

1.3.3 大型底棲動物群落特征與重金屬的相關分析 對大型底棲動物的密度、生物多樣性指數（H′、J、dM）、綜合污染程度及潛在生態風險指數進行Pearson相關性分析,計算其相關系數.

1.4 數據處理方法

為提高試驗結果精確度和減小實驗誤差,所有樣品分析均重復 3次,實驗數據處理和統計分析采用Origin9.0、SPSS24.0、Arc GIS10.6軟件.

2 結果與分析

2.1 黑河上、中游水體及表層沉積物重金屬的分布及空間變異性

如圖 2所示,水體中重金屬的含量整體較低,其中Mn的含量最高,其次為Zn、Ni、Cu、Pb和Cr,As和Cd最小.從空間變化來看,Mn、Zn、Ni的含量變化范圍較大（表 2）,分別為 0～1.660mg/L,0.004～0.195mg/L,0.003～0.072mg/L;As沿程逐漸增加,但其含量相對較低;Cu、Cd含量均表現出中游＞上游支流＞上游干流;而Cr僅在H9和H13點檢出.河流表層沉積物重金屬含量分布特征與表層水差異較大,8種重金屬元素含量大小依次為 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd.其中 Mn的含量顯著高于其他元素,上游干流Zn、Cr的含量明顯高于其他區域,而Cd的含量在上游干流和中游明顯低于上游支流,表明 Cd與其他兩種元素來源不同.As的含量沿河流呈現出逐漸增加的趨勢,且在 H12點達到最高,為 24.40mg/kg,其他元素的含量均在中游最大.總體來看,水體重金屬含量在空間上變化不顯著,而表層沉積物重金屬含量表現出明顯的空間區域性差異.

圖2 河流水體及表層沉積物中重金屬空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in river water and sediment of river

研究區表層沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量的均值分別為14.22,0.29,130.64,37.14,761.80,60.01,26.61,151.71mg/kg（表 2）,8 種重金屬元素的平均值均超出甘肅省土壤背景值,尤其是Cd、Cr、Zn、Ni的含量均值是土壤背景值的3.33、2.66、2.26、2.10倍,表明這4種元素在表層沉積物中存在顯著的富集.8種重金屬元素的變異系數依次為 Cd＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Mn,其中強變異性占 75%,說明 8種重金屬空間分布極不均勻.Cd、Zn的變異系數明顯大于其他元素,說明這兩種元素受人為因素主導而產生的異常值,Mn、Pb的變異系數分別為 0.25和 0.35,均屬中等變異.從偏度變化來看,Cd偏度最大,其次為Zn、Ni、Mn、Pb、Cu、Cr,As 偏度最小,Cd、Zn、Ni、Mn 的偏度較其他元素高,說明這 4種元素受人為干擾和脅迫而產生的正偏度[24].

表2 黑河上中游水體及表層沉積物中重金屬元素含量變化Table 2 Changes of heavy metal elements in surface water and sediments of upper and middle reaches of Heihe River

2.2 表層沉積物重金屬的相關性分析和主成分分析

相關性分析表明（表3）,表層沉積物中8種重金屬之間的相關關系較復雜,Cu-As、Mn-Cd、Pb-Cd、Pb-Cu為顯著相關（P＜0.05）,Ni-Cr和Zn-Pb為極顯著相關,表明每組元素之間可能存在相同的人和自然污染源,此外,Pb和Cd、Cu、Zn存在顯著相關,但Cd、Cu、Zn之間不相關,說明這3種元素來源各不相同;Cu,As,Pb均有顯著相關性,但As和Pb不相關,說明Cu來源不同.

表3 黑河上中游表層沉積物相關關系矩陣Table 3 Correlation matrix of heavy metals of upper and middle reaches of Heihe River

為進一步探究表層沉積物中重金屬來源,將 8種重金屬進行主成分分析,結果如表 4所示,前 3個主成分共解釋了總變量的82.20%,可以代表8種重金屬元素數據的大部分信息（表 4）.旋轉后的成分矩陣顯示,第一主成分（PC1）方差貢獻率為39.50%,Cu、Cr、Ni為主要成分,因子載荷分別為 0.912、0.849和 0.789;第二主成分（PC2）方差貢獻率為 29.10%,Cd、Pb、Mn為主要成分,因子載荷分別為0.805,0.755,-0.664;第三主成分（PC3）方差貢獻率為13.60%,As、Zn為主要成分,因子載荷分別為0.803,-0.487.

表4 研究區表層沉積物重金屬元素因子載荷Table 4 Factors matrix of heavy metals in surface sediments in the study area

2.3 河流水體及表層沉積物重金屬污染評價

分析結果表明各采樣點的WQI值均小于1（表2）,表明黑河上中游水體未受到重金屬污染;同時對比地表水Ⅲ水質標準發現[25]（Ni除外）,僅Mn元素超過Ⅲ水質標準,但Mn的毒性系數較小;Ni含量未超出集中式生活飲用水地表水源地特定項目標準限值（0.02）,總體來看水體重金屬含量對水環境影響較小.由表5可知,黑河上中游表層沉積物重金屬綜合污染程度的平均值為 16.15,整體處于較高污染水平;其中H1點綜合污染程度遠大于其他樣點,為高污染水平,H2、H6和H13處于中等污染水平,其余各點處于較高污染水平,總體為上游支流＞上游干流＞中游.從單項污染系數來看,各重金屬元素單項污染系數平均值依次為 Cd＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞As＞Pb＞Mn,8 種重金屬元素中 Cd污染系數最高（3.33）,達到較高污染水平,僅Mn為低污染水平,其他均為中等污染水平.

表5 表層沉積物重金屬元素的單項污染系數和綜合污染程度Table 5 Single pollution coefficient and multtiple pollution coefficient of heavy metals in surface sediments

由表 6可知,黑河上中游表層沉積物潛在生態風險指數的變化范圍為 24.37～69.68,平均值為 48.03,處于低度風險水平;各采樣點表層沉積物潛在生態風險指數的平均值在H2點最高（69.68）,其次為H6、H13、H4、H11、H3、H12、H5,H9和H1最小;就整個研究區而言,RI的平均值為上游干流＞上游支流＞中游.從單項潛在生態風險系數看,各金屬元素單項潛在生態風險系數平均值介于 0.62～17.20,大小依次為 Mn＞Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn;其中 Mn、Cd 為中度風險水平,其他元素均為低度風險水平.綜合兩種評價結果表明黑河上中游表層沉積物重金屬污染基本處于較高污染程度,但大多為低度風險水平,個別點處于高污染、高風險水平;此外不同區域表層沉積物綜合污染程度為上游支流＞上游干流＞中游,而潛在生態風險指數在上游干流最大,中游最小.因此黑河上中游表層沉積物重金屬污染表現出明顯的空間差異性.

表6 表層沉積物重金屬元素的單項潛在生態風險系數和潛在生態風險指數RITable 6 Single potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in sediments

2.4 大型底棲動物的分布特征

大型底棲動物密度和生物量的變化情況如圖3所示,其平均密度和生物量分別為 83.14ind./m2和3.78g/m2.從空間變化來看,上游支流物種組成簡單,密度變化范圍為 12～206ind./m2,變化幅度較大,H3點達到最高（206ind./m2）;生物量變化范圍為0.03～ 0.50g/m2之間,H3點達到最大值（0.50g/m2）.上游干流底棲動物密度和生物變化幅度較小,分別為 7～105ind./m2和0.026～0.45g/m2.中游底棲動物組成復雜,密度和生物量顯著高于其他區域,密度介于15～357ind./m2;生物量介于0.61～23.85g/m2,且各樣點的密度和生物量均維持在較高水平（除 H9、H10外）.總體上來看大型底棲動物在不同區域分布差異較大,各典型區域密度和生物量的變化趨勢均為:中游＞上游干流＞上游支流.

圖3 黑河上中游大型底棲動物的分布Fig.3 Distribution of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.5 大型底棲動物的物種多樣性

黑河上中游共采集到底棲動物 38種,隸屬于 3門7綱15目27科,節肢動物29種,占76.32%,軟體動物8種,占21.05%,環節動物1種,占2.63%.上游支流 18種（47.37%）,上游干流 13種（占 34.21%）,中游30種（占 78.95%）;其中節肢動物在區域均占絕對優勢,軟體動物以中游居多,上游干流次之,上游支流最少,僅在上游干流H6和中游H9點采集到環節動物.不同區域大型底棲動物的多樣性指數變化如圖4所示,Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數和 Pielou均勻度指數沿程變化趨勢較一致,整體上呈不斷上升的趨勢,這與該流域不同大型底棲動物的分布特征相一致.上游支流底棲動物多樣性指數增加趨勢明顯,但多樣性指數值相對其他區域較低;上游干流Shannon-Wiener多樣性指數顯著高于Margalef豐富度指數和Pielou均勻度指數,變化趨勢較小,而 Margalef豐富度指數和Pielou均勻度指數起伏變化較大,特別是H5和H6受物種現存量的影響,豐富度和均勻度較低.中游各樣點底棲動物的物種多樣性較高,整體呈一定的增長趨勢.

圖4 黑河上中游各采樣點大型底棲動物多樣性指數Fig.4 Diversity index of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.6 大型底棲動物與重金屬的相關性分析

根據黑河上中游水體重金屬含量與大型底棲動物特征進行相關性分析結果可知（表 7）,蜘蛛目密度與As、Cr、Mn呈極顯著正相關關系,與Pb呈正相關關系;基眼目密度與 As呈正相關,生物指數和其他類群與水體重金屬未表現出相關性.表層沉積物重金屬含量及其污染指數與大型底棲動物特征的相關性分析結果可知（表 8）,大型底棲動物多樣性指數與Pb呈顯著負相關;均勻度指數與Cd、Pb均呈顯著負相關;豐富度指數與Cu、Ni呈顯著負相關,與Cr呈極顯著負相關.鞘翅目密度與Zn呈現顯著正相關關系;半翅目密度與 Cd、Cu呈顯著正相關;基眼目密度與 Cd呈現極顯著正相關系,與綜合污染程度呈顯著正相關.此外,其他大型底棲動物密度與重金屬元素含量、綜合污染程度和潛在生態風險指數未表現出相關性（P＞0.05）.可見重金屬含量對大型底棲動物的多樣性指數及個別類群的密度影響較大.

表7 河流水體重金屬含量與大型底棲動物特征相關性Tble 7 Correlation between heavy metal content in river water and characteristics of macrobenthos

表8 表層沉積物重金屬含量、潛在生態風險指數與大型底棲動物特征相關性Table 8 Correlation between heavy metal content,potential ecological risk index and characteristics of macrobenthos in surface sediments

3 討論

3.1 水體及表層沉積物重金屬分布特征及來源解析

河流水體及表層沉積物重金屬的分布受區域成土母質等自然因素及人類活動的雙重制約[26-27],致使河流水體及表層沉積物重金屬污染呈現出一定的空間分異[28].黑河上中游水體重金屬中 Mn的含量最高,其次為 Zn、Ni、Cu、Pb和 Cr,As和 Cd最小.造成這種現象的原因一方面是黑河上中游頁巖、泥巖等及錳鐵礦、鉛鋅礦、銅礦等礦業分布廣泛,其主要元素是Mn、Cu、Zn、Ni等金屬元素[13];另一方面上中游分布有工礦企業、農業等產生的污染物均使水體中Zn、Cu、Cd有一定的積累.而Zn、Cu、Cd的含量在上游干流較少,可能是庫壩區相對河流有較長的水力滯留時間和較高的沉積速率,水體重金屬易被懸浮有機顆粒吸附、絮凝、沉淀于庫底,導致上部水體重金屬含量較少[29].Cr的含量較低,分布范圍小,主要是其賦存形態主要為氧化態和殘渣態,易與有機質形成絡合物而沉淀[30].此外,水體中Mn、Zn、Ni等金屬含量與表層沉積物沿程分布特征較為一致,且表層沉積物重金屬含量＞水體,說明重金屬有從沉積物中二次釋放的可能,尤其是庫區水體中溶解氧含量較低時Mn、Zn、Ni等元素會大量釋放到水體,造成二次污染[31].

河流表層沉積物重金屬的分布呈空間區域性分布,8種重金屬元素濃度大小依次為 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd,這與補建偉等[13]對黑河源區土壤重金屬含量的分布特征較為一致.結合相關性分析和主成分分析結果表明,Cu、Cr、Ni受人類活動影響較大,且有可能來自不同人為源.Lv等[32]研究表明,化肥和農藥是 Cu等重金屬元素的主要來源;黑河中游綠洲農業發達,農藥、化肥中含有大量的 Cu等重金屬隨農藥的施用進入土壤,并在土壤中累積,最終經水文過程流入河流,增加了表層沉積物重金屬污染程度;一般來說Cr和Ni是土壤中含量相對較低的元素[32],但本次調查發現其濃度較高,這可能是區域周邊分布的有色金屬加工業和造紙、化工及農副產品加工等所排放的涉重廢水中含有較多 Cr和Ni有關.Pb在不同主成分上均有一定的正載荷值,可以認為其既有自然來源,也有外部污染源的影響,如采礦業、鋼鐵冶煉等可能是其主要外部輸入源[33];而Cd和Mn的變異系數較小,但均值都超過了土壤環境背景值.其中 Mn的較高值主要分布在中游,且為負載荷因子,表明其受自然作用較弱,極大程度來源于錳礦等采礦業;Cd常源于農業活動、生活污水、礦渣及尾礦滲濾液[26,34];其高值主要分布在上游支流,該區域農業活動少,采礦等工業大多處于關?；驈U棄狀態,加之該區域土壤中Cd含量極小,自然源的可能極小;故 Cd有可能來自礦渣及其滲濾液.As的較高值主要分布在中游,該區域分布有張掖、高臺等重要城鎮,生活污水排放可能是導致As含量較高的原因之一;另外梨園河為集中礦產開發區,鋼鐵冶煉、焦化產業、煤炭燃燒等也被認作是產生 As和Zn的主要因素[18,35].

3.2 黑河上中游水環境重金屬污染評價

綜合污染指數和潛在生態風險指數評價結果表明:黑河上中游表層沉積物重金屬污染水平表現出明顯的空間差異,潛在生態風險以低度風險為主,個別點處于高污染、高風險水平.其中綜合污染程度主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起,這主要是上游位于祁連山成礦帶,礦產資源豐富,歷史時期大量的開采剝離了表層土壤和基巖,加速巖石風化,使得其成土過程中含有較多Cd、Zn等元素;加之中游工農業發達,人類活動強烈,增加了Cr、Ni等元素污染.黑河上中游主要生態風險來自Mn和Cd,且表現為上游干流＞上游支流＞中游.這主要是 Mn在上中游表層沉積物中分布較廣,其濃度遠高于其他元素,增加了 Mn的風險指數.Cd在上游分布差異較大,濃度相對較低,可能與 Cd生態風險指數（達到 3.33）和污染系數高于其他元素,且毒性響應系數最高有關.另外上游干流風險較高主要是隨著梯級電站運行年限的增加,庫區表層沉積物將具有較高的重金屬背景值,且重金屬含量會有上升的趨勢[36-37],在一定程度上增加該區域重金屬的潛在生態風險.上游支流風險較中游較高主要是該區域Cd的含量明顯大于其他元素,且其毒性系數較高,潛在的生態風險也相應增加.中游重金屬元素分布較多,但生態風險較小,可能與該區域分布的Mn、Zn、Cr等元素的毒性系數較小及相關部門對重金屬污染的有效控制有關.因此,在對黑河上中游重金屬污染治理應重點考慮 Mn和 Cd的生態威脅,控制Cr、Zn、Ni的外源輸入;同時將庫壩區重金屬污染作為重金屬污染防治的重點區域,實時監測其生態風險水平;上游支流應著重對廢棄礦井集中整治,消除其對水環境的潛在危害;中游表層沉積物重金屬來源廣泛,人為干擾較強,應當加強監管工農業及生活污水排放.

3.3 黑河上中游重金屬含量及其污染指數與大型底棲動物特征的關系

河流重金屬的分布會對不同類群大型底棲動物產生不同的影響,且大型底棲動物對河流重金屬污染具有一定的指示作用[9,38].黑河上中游水體重金屬含量與大型底棲動物的相關性分析結果可知:蜘蛛目密度與As、Cr、Mn的含量呈極顯著正相關關系,與Pb的含量呈正相關關系;基眼目密度與As的含量呈正相關,生物指數和其他類群與重金屬未表現出相關性.由于黑河上中游蜘蛛目均為水蜘蛛,常生活在水氣交界處或近岸邊,為較清潔物種,故As、Cr、Mn和Pb對蜘蛛目產生不利影響.基眼目均為螺類,螺類具有較強的耐污性,對As比較耐污,其可以作為黑河上中游水體重金屬污染的潛在指示生物.

表層沉積物重金屬含量及其污染指數與大型底棲動物特征的相關性分析結果表明:重金屬含量對大型底棲動物的多樣性指數及個別類群的密度影響較大.其中大型底棲動物多樣性指數與Pb呈顯著負相關;均勻度指數與 Cd、Pb均呈顯著負相關;豐富度指數與Cu、Ni呈顯著負相關,與Cr呈極顯著負相關.表明Pb、Cd、Cu、Ni和Cr的含量對底棲動物的群落結構和生物指數均有一定的影響,尤其是敏感型物種,如四節蜉等蜉游目、石蠅等襀翅目、大蚊等雙翅目和秀麗白蝦等長臂蝦屬對重金屬的耐受性差,易導致物種單一化.這種關聯性也體現在空間變化上,多樣性指數較高的中游表層沉積物重金屬綜合污染程度和潛在生態風險指數均較小,而多樣性指數較低的上游支流表層沉積物重金屬 Cd的RI值相對較高,究其原因是不同類群對重金屬的耐受能力不同,耐污型物種（搖蚊科,耳蘿卜螺等螺類,水絲蚓）對重金屬污染適應性強,并逐漸占據優勢,而敏感物種逐漸消亡或逃離,從而導致大型底棲動物的多樣性在不同區域表現出明顯的差異,這與淀山湖和于橋水庫的研究結果較為一致[11,39].除此之外,鞘翅目密度與Zn呈現顯著正相關關系;半翅目密度與Cd、Cu呈顯著正相關;基眼目密度與Cd呈現極顯著正相關系,與綜合污染程度呈顯著正相關.這說明重金屬含量較高的區域,分布有較多的鞘翅目、半翅目和基眼目,不利于其他類群生存.由于鞘翅目和半翅目均為耐污類群為主,對Zn、Cd、Cu含量變化的適應性較強;基眼目以耐污性高的螺類為主,對Cd含量變化和綜合污染指數具有較強指示作用.因此鞘翅目、半翅目和基眼目可以作為黑河上中游表層沉積物重金屬污染的潛在指示生物.

4 結論

4.1 黑河上中游水體重金屬含量整體較低,空間上變化不顯著.表層沉積物中 w（Mn）,w（Zn）,w（Cr）,w（Ni）,w（Cu）,w（Pb）,w（As）,w（Cd）均高于水體和土壤背景值,其均值分別為背景值的 1.36,2.26,2.66,2.10,1.98,1.85,1.89和3.33倍.8種重金屬元素中強變異性占 75%,表明黑河上中游表層沉積物重金屬空間差異較大.

4.2 相關性和主成分分析表明:表層沉積物中Cu、Cr、Ni可能來源于農藥、化肥和有色金屬加工等工業廢水排放;Cd、Pb、Mn可能來源于礦渣及其滲濾液和自然背景的疊加影響,As、Zn可能與生活及工業污水排放有關.

4.3 綜合污染指數分析表明,黑河上中游水體重金屬污染水平極低,且不會對水環境產生毒害作用.表層沉積物重金屬污染主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起;變化趨勢為上游支流＞上游干流＞中游.表層沉積物中Mn和Cd的RI值分別為17.20和12.30,屬高風險水平,其他元素均為低度風險水平.

4.4 黑河上、中游大型底棲動物的現存量及多樣性的變化趨勢為中游＞上游干流＞上游支流;基眼目與水體中As呈正相關;鞘翅目、半翅目和基眼目的密度及3種多樣性指數均與表層沉積物重金屬含量呈顯著性相關;可以作為黑河水體和表層沉積物的潛在指示生物.