南四湖典型入湖河流沉積物重金屬污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

李越, 楊麗原, *, 張游, 趙婷婷

南四湖典型入湖河流沉積物重金屬污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

李越1, 楊麗原1, *, 張游2, 3, 趙婷婷2, 3

1. 濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院, 濟(jì)南 250022 2. 水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 濟(jì)南 250100 3. 山東省湖泊流域管理信息化工程技術(shù)研發(fā)中心, 濟(jì)南 250100

以南四湖兩條典型入湖河流為研究對(duì)象, 分別對(duì)湖東的泗河及湖西的東魚(yú)河沉積物中9種重金屬(Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Hg、Cd、As、Mn)含量進(jìn)行分析, 最后采用多種方法解析重金屬的來(lái)源并對(duì)其污染特征和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明, 兩條河流沉積物中重金屬均存在一定程度的富集, 尤其是Hg、Zn、Cd富集最嚴(yán)重。泗河沉積物中大部分重金屬在中游兗州段含量升高, 尤其是Hg、Cd含量分別是山東省水系背景值的3.1、3.7倍, 分析表明重金屬主要來(lái)源為周邊區(qū)域煤礦及其伴生產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的“工業(yè)三廢”, 同時(shí)說(shuō)明了重金屬高值區(qū)與煤礦分布密切相關(guān)。東魚(yú)河沉積物中Hg、Cd含量在中游較高, 其余重金屬含量在上、下游較高, 分析結(jié)果表明中游Hg、Cd含量較高主要與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)中農(nóng)藥及化肥的施用有關(guān), 上、下游重金屬含量較高原因?yàn)橐S河水或南四湖水灌溉。

沉積物; 重金屬; 空間分布; 相關(guān)性; 污染評(píng)價(jià)

0 前言

河流沉積物作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的物質(zhì)存儲(chǔ)庫(kù), 富集了重金屬等大量污染物, 重金屬具有難降解, 易沉淀、生物毒性顯著等污染特征[1], 且在水體中遷移速度更快、影響范圍更廣, 因此河流重金屬污染成為人們較為關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一[2]。進(jìn)入水體的重金屬大部分會(huì)被吸附在有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物、硫化物中并在沉積物表層富集, 從而導(dǎo)致沉積物中重金屬含量超出水體許多倍, 并呈現(xiàn)明顯的空間分布規(guī)律[3–4]; 當(dāng)水環(huán)境條件改變時(shí), 富集在沉積物中的重金屬會(huì)被重新分配到水相中, 對(duì)水環(huán)境造成二次污染[5], 并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體危害人類健康, 所以沉積物既是重金屬的匯, 也是重金屬的源[6]。沉積物中的重金屬污染通常為復(fù)合污染, 特別是Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Hg、Cd、As、Mn等生物毒性較強(qiáng)的重金屬, 研究河流沉積物重金屬的空間分布規(guī)律, 對(duì)該流域的重金屬污染防治具有重要意義。

南四湖位于山東省西南部, 由南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、昭陽(yáng)湖和微山湖組成, 二級(jí)壩將其分為上下級(jí)湖, 上級(jí)湖注入河流共29條, 入湖污染物主要匯集在此[7]。泗河流經(jīng)的湖東地區(qū)煤炭資源較為豐富, 工礦企業(yè)較多[8]; 東魚(yú)河流經(jīng)的湖西地區(qū)處于黃泛平原, 當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)達(dá), 農(nóng)藥化肥的施用也會(huì)對(duì)沉積物中重金屬含量產(chǎn)生影響[9]。本文選取處于南四湖湖東地區(qū)的泗河與處于湖西地區(qū)的東魚(yú)河為研究對(duì)象, 采用相關(guān)性分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法, 結(jié)合河流水系沉積物理化性質(zhì), 對(duì)沉積物中9種重金屬元素的污染進(jìn)行評(píng)價(jià), 探討湖東、湖西水系沉積物中重金屬的可能污染來(lái)源, 以期為河流沉積物重金屬污染防治提供可行的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和處理

2017年, 在南四湖2條入湖河流中采用重力采樣器采集了11個(gè)沉積物(0—20 cm)樣品, 采樣點(diǎn)分布如圖1所示, 其中泗河采樣點(diǎn)5個(gè)(S1—S5), 東魚(yú)河采樣點(diǎn)6個(gè)(D1—D6)。為保證樣品的代表性, 采樣點(diǎn)選在河道開(kāi)闊、水流平穩(wěn)處。將樣品用聚乙烯密封袋密封保存, 統(tǒng)一編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。

沉積物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干, 剔除貝殼、砂礫及動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì), 研磨過(guò)100 目(0.15 mm)尼龍篩并保存在干燥潔凈的自封袋中備用。將前期處理好的沉積物樣品用分析天平稱取0.2500 g, 樣品中的Hg采用H2SO4-HNO3-K2CrO7法消解, 采用冷原子熒光測(cè)汞儀測(cè)定[10]。樣品中有機(jī)碳(OC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析。樣品中的Cr、Ni、Zn、Cu、As、Pb、Cd、Mn采用HNO3-HF-HClO4法消解, 用原子吸收光譜儀測(cè)定。取5 g沉積物樣品放入干燥箱烘干2 h, 冷卻后用樣品勺將樣品放入塑料壓片環(huán)中, 撥平后用壓力機(jī)壓成平整結(jié)實(shí)的圓形薄片, 直接放入X熒光光譜儀(賽默飛ARL 9900 xp)測(cè)定氧化物。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性, 設(shè)置5個(gè)密碼樣, 將測(cè)量偏差控制在10%。樣品中所有元素的分析測(cè)定均是在中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局完成。

分析項(xiàng)目包括金屬元素(Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、Hg、Cd、As、Mn)、有機(jī)碳(OC)及氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O)。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS 18.0、Excel 2010、Origin 2017和ArcMap 10.3軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 評(píng)價(jià)方法

本研究采用地累積指數(shù)法(Igeo)[11–12]對(duì)南四湖2條典型河流沉積物中重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。本文選擇山東省水系沉積物背景值[10]作為參比值, 分別為(單位: mg·kg–1): As=9.3、Cr=66、Cu=24、Hg=0.019、Ni=25.8、Pb=25.8、Zn=63.5、Cd=0.084。該方法將得到的Igeo共分為7個(gè)等級(jí)。

本研究采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[13]對(duì)兩條典型河流水系沉積物中的重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。重金屬毒性系數(shù)采用Hakanson數(shù)值, 毒性大小排序?yàn)? Hg>Cd>As>Cu=Ni=Pb>Cr>Zn, 毒性響應(yīng)系數(shù)值分別為: As=10、Cr=2、Cu=Ni=Pb=5、Hg=40、Zn=1、Cd=30。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布示意

Figure 1 Sample point distribution in the study area

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)沉積物理化性質(zhì)參數(shù)含量統(tǒng)計(jì)

土壤理化性質(zhì)包括土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)等, 其中土壤質(zhì)地主要受SiO2、Al2O3、Fe2O3等影響[14]。南四湖湖東、湖西2條典型入湖河流水系沉積物中有機(jī)碳(OC)及氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O)含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。OC在這2條河流水系沉積物中的含量范圍為0.25%—3.49%, 平均值分別為1.77%、0.84%, 湖東泗河OC值明顯高于湖西東魚(yú)河, 兩條河流OC的變異系數(shù)均大于60%, 屬高度變異, 說(shuō)明OC在這2條河流中空間分布不均勻。

湖東地區(qū)泗河水系沉積物中6種氧化物的變異系數(shù)只有CaO超過(guò)60%, 屬于高度變異, 其余氧化物變異系數(shù)均低于20%。與山東省水系沉積物背景值[15]相比, CaO平均含量是背景值的5.5倍, SiO2含量低于背景值, 其余氧化物含量均與背景值相當(dāng)。CaO的遷移轉(zhuǎn)化主要受環(huán)境影響, 一般與巖石風(fēng)化、淋溶、遷移、沉積等因素有關(guān)[16], 泗河地處低山丘陵地帶, 含有大量CaO的碳酸鹽類巖層是泗河沉積物的主要來(lái)源, 也是導(dǎo)致該流域CaO含量偏高的主要原因。

表1 研究區(qū)沉積物的基本理化性質(zhì)參數(shù)含量統(tǒng)計(jì)(%)

湖西地區(qū)東魚(yú)河水系沉積物中6種氧化物的變異系數(shù)均低于20%, 表明他們?cè)谒党练e物中含量相對(duì)穩(wěn)定, 空間分布較為均勻。與山東省水系沉積物背景值比較, 東魚(yú)河中除MgO、CaO外, 其余氧化物含量均低于背景值, 其中CaO含量是背景值的5.6倍。湖西地區(qū)位于黃泛平原, 東魚(yú)河沉積物主要為黃土、黃泛沉積物和黃河沖積物在物理風(fēng)化為主的風(fēng)化條件下形成的[17], 在當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懴? 黃土成土作用較弱, 質(zhì)地偏砂質(zhì), 土壤容量小, 含有10%—15%的Ca元素, 故CaO含量偏高。

上述分析發(fā)現(xiàn), 泗河和東魚(yú)河CaO含量均較高, 但二者來(lái)源存在差異: 泗河沉積物母質(zhì)為碳酸鹽類巖層風(fēng)化所形成, 是CaO的主要來(lái)源; 東魚(yú)河CaO主要來(lái)源與黃土及黃泛沉積物等有關(guān)。

2.2 研究區(qū)沉積物重金屬含量分布特征

從表2可知, 湖東泗河沉積物中5個(gè)采樣點(diǎn)重金屬的平均含量順序大小為: Mn>Zn>Cr>Ni>Cu> Pb>As>Cd>Hg。其中, As、Cr、Mn和Pb平均含量均低于山東省水系沉積物背景值[10], Cu、Ni平均含量略高于背景值, Hg、Zn、Cd平均含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)背景值, 分別是背景值1.6、1.8、2.0倍。Hg、Zn、Cd元素的變異系數(shù)均大于50%, 分別為52.47%、61.87%、55.92%, 屬于高度變異, 表明Hg、Zn、Cd在泗河的空間分布差異較顯著。結(jié)合圖2可看出, Hg的最大值位于S5(0.059 mg·kg–1), 是背景值的3.1倍; Zn的最大值位于S3(234.90 mg·kg–1), 是背景值的3.7倍; Cd的最大值位于S2(0.31 mg·kg–1), 是背景值的3.7倍。從圖2還可看出, 兗州段(S2、S3)重金屬含量波動(dòng)較大, 尤其是重金屬Zn、Cd的含量激增。

表2 研究區(qū)沉積物重金屬的含量統(tǒng)計(jì)(mg·kg–1)

注: 變異系數(shù)%。

Figure 2 Spatial variation characteristics of heavy metals content in sediments of Sihe River

湖西東魚(yú)河沉積物中6個(gè)采樣點(diǎn)重金屬的平均含量順序大小為: Mn>Zn>Cr>Ni>Cu>Pb>As>Cd> Hg。與山東省水系沉積物背景值相比, Hg和Cd的含量有明顯超標(biāo), 分別是背景值的1.4、2.1倍, 這表明他們的來(lái)源可能受人類活動(dòng)影響。9種重金屬元素的變異系數(shù)在9%—30%之間, Cr的變異系數(shù)最小(9.86%), As的變異系數(shù)最大(30.53%)。結(jié)合圖3可看出, Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、As、Mn含量變化趨勢(shì)基本相同, 在D3下降, D6升高, 整體波動(dòng)較小; 但Hg和Cd含量整體變化波動(dòng)較大, 無(wú)明顯分布規(guī)律, Hg的最大值出現(xiàn)在D6(0.032 mg·kg–1), 是背景值的1.7倍, Cd的最大值出現(xiàn)在D4(0.25 mg·kg–1), 是背景值的3.0倍。

2.3 研究區(qū)沉積物重金屬相關(guān)性分析

從上文圖2、圖3典型入湖河流重金屬含量的空間分布可看出: 湖東、湖西2條河流沉積物中重金屬有較大的空間異質(zhì)性。為進(jìn)一步辨識(shí)這些重金屬之間的聯(lián)系和來(lái)源, 應(yīng)用SPSS 18.0軟件分別對(duì)湖東(泗河)、湖西(東魚(yú)河)2條河流沉積物中9種重金屬元素進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析, 分析結(jié)果如下。

2.3.1 泗河沉積物重金屬相關(guān)性

泗河沉積物重金屬相關(guān)性系數(shù)如表3所示。As-Cr在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān), 負(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.965; Cu-Ni、Pb-Cd在0.01水平上呈顯著正相關(guān), 相關(guān)性系數(shù)分別為0.978、0.973, 表明Cu和Ni之間、Pb和Cd之間可能有相同的來(lái)源及相似的遷移路徑, 可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)合污染。Hg、Mn呈顯著負(fù)相關(guān)性, 負(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.923, 二者與其他重金屬均無(wú)明顯相關(guān)性。As、Mn只在彼此間具有正相關(guān)性, 與其他重金屬均呈負(fù)相關(guān); 其中As與Cu、Ni在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān), 與Cr在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān), 說(shuō)明As的主要來(lái)源不同于其他重金屬。

Figure 3 Spatial variation characteristics of heavy metals content in sediments of Dongyu River

2.3.2 東魚(yú)河沉積物重金屬相關(guān)性

東魚(yú)河沉積物重金屬相關(guān)性系數(shù)如表4所示。可看出, 除Hg、Cd外, 大部分重金屬之間有較好的相關(guān)性, 其中As-Mn、As-Ni、Cr-Cu、Cu-Zn、Mn-Zn、Pb-Zn在0.01水平上呈顯著正相關(guān), 相關(guān)性系數(shù)分別為: 0.966、0.942、0.981、0.930、0.931、0.974。Ni只與As、Mn存在相關(guān)性, 且三者之間相關(guān)性較顯著, 尤其是As-Mn、As-Ni在0.01水平上呈顯著正相關(guān), 說(shuō)明三者之間有著明顯的共變關(guān)系, 從表3看出As、Mn和Ni均與山東省水系沉積物背景值相當(dāng), 說(shuō)明三者受人類活動(dòng)影響較小, 主要來(lái)源可能是土壤母質(zhì)。

表3 泗河沉積物重金屬相關(guān)性系數(shù)

注: *表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); **表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表4 東魚(yú)河沉積物重金屬相關(guān)性系數(shù)

注: *表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); **表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.4 研究區(qū)沉積物重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.4.1 重金屬污染評(píng)價(jià)

由表5單個(gè)重金屬的Igeo平均值可見(jiàn), 泗河沉積物中重金屬的Igeo平均值排序?yàn)?>Cd>Zn>Hg>0> Ni>Cu>Cr>Pb>As。Hg、Zn、Cd在采樣點(diǎn)S2、S3、S5中Igeo值介于0—2之間, 表明這3處采樣點(diǎn)沉積物中多種重金屬富集程度較高, 尤其是S2的Cd、S3的Zn、S5的Hg都已達(dá)到Ⅱ級(jí)偏中度污染; 其余重金屬元素在所有采樣點(diǎn)的污染等級(jí)均為0, 表現(xiàn)為無(wú)污染。泗河中As、Cr、Cu、Ni、Pb元素的地累積指數(shù)變化幅度較小, Hg、Zn、Cd元素的地累積指數(shù)變化幅度較大, 大部分采樣點(diǎn)的的污染等級(jí)大于等于Ⅰ, 由上文可知三者的變異系數(shù)均大于50%, 說(shuō)明他們空間分布較不均勻, 區(qū)域之間差異性顯著, 除去自然來(lái)源外, 還有可能受到人類活動(dòng)的干擾。

東魚(yú)河沉積物中重金屬I(mǎi)geo平均值排序?yàn)? 1>Cd>0>Hg>Zn>As>Ni>Cr>Cu>Pb, 只有Cd的污染等級(jí)為Ⅰ級(jí)。As、Cr、Cu、Ni、Pb在東魚(yú)河6個(gè)采樣點(diǎn)的Igeo值均低于0, 污染等級(jí)為無(wú)污染; D4處Hg和D6處Hg、Zn的Igeo值介于0—1之間, 屬于輕度污染; 整體來(lái)看, Cd在東魚(yú)河中有5個(gè)采樣點(diǎn)均表現(xiàn)為Ⅰ級(jí)輕度污染, 是該河流污染較為嚴(yán)重的重金屬。

2.4.2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

泗河的評(píng)價(jià)指數(shù)如表6所示, 從單種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看, Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb>Cr>Zn, 潛在生態(tài)危害較大的金屬以Hg和Cd為主, 與孔令昊[11]的研究結(jié)果一致, Hg元素單個(gè)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大值(Ei)出現(xiàn)在S5(123.68), Cd元素最大值出現(xiàn)在S2(111.20), 二者均達(dá)到了較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。綜合來(lái)看, S2和S5的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值(RI)介于200—230, 屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 其中S5處RI值高達(dá)220.54, 其中Hg和Cd對(duì)其貢獻(xiàn)率分別為56.0%和32.6%, 是泗河中污染較為嚴(yán)重的地區(qū)。

表5 研究區(qū)沉積物重金屬地累積指數(shù)和劃分等級(jí)

表6 研究區(qū)沉積物重金屬生態(tài)危害評(píng)價(jià)指數(shù)

東魚(yú)河重金屬單個(gè)重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值從大到小順序?yàn)? Cd>Hg>As>Ni>Cu>Pb>Cr>Zn, Hg和Cd在大部分采樣點(diǎn)的Ei值均高于40, 屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及以上, 且D4點(diǎn)Hg的Ei值超過(guò)80, 達(dá)到了較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 對(duì)該點(diǎn)RI的貢獻(xiàn)率為49.0%; 其余采樣點(diǎn)中其他重金屬的Ei值均為中等及以下水平。采樣點(diǎn)D1、D4、D6的RI值介于150—180, 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn); 在采樣點(diǎn)D6達(dá)到最大值176.30, Hg和Cd對(duì)其總貢獻(xiàn)率為78.0%。

3 討論

總體來(lái)看, 泗河和東魚(yú)河部分河段均存在不同程度的重金屬污染, 尤其是兩條河流中Hg、Zn和Cd污染都較為嚴(yán)重。泗河位于南四湖湖東丘陵地帶, 東魚(yú)河位于湖西黃泛平原, 因兩者的自然地理?xiàng)l件不同導(dǎo)致區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有所差異, 進(jìn)而導(dǎo)致兩條河流中重金屬污染類別雖然相近但來(lái)源卻存在一定差別。

3.1 泗河重金屬來(lái)源探討

從圖2可看出泗河中除As、Mn外的7種重金屬在S1含量整體偏低, 在S2處升高, 結(jié)合地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)又可看出泗河S2處重金屬Cd的污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)分析可發(fā)現(xiàn), 采樣點(diǎn)S2流經(jīng)兗州地區(qū), 該地是山東省內(nèi)最大的煤礦聚集地, 煤礦開(kāi)采過(guò)程中的廢水、廢渣、廢氣含有大量的重金屬等污染物, 而且煤礦伴生的化工、紡織、冶金、電鍍等在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重金屬也會(huì)隨“工業(yè)三廢”進(jìn)入周圍環(huán)境, 勢(shì)必會(huì)造成周圍土壤及水體的污染, 使得周圍環(huán)境重金屬超標(biāo), 尤其是Cd污染[18–19]。研究表明, Cd是生物毒性較為顯著的元素, 含量的升高表明流域周圍居民生活環(huán)境的惡化[20], 綜合上述分析可得S2處Cd污染可能與兗州當(dāng)?shù)孛旱V開(kāi)采及周圍工礦業(yè)發(fā)展有關(guān)。與2013年[10]泗河沉積物重金屬含量對(duì)比可發(fā)現(xiàn), 泗河兗州段水系沉積物中重金屬含量相對(duì)于2013年有明顯的降低, 根據(jù)2016年煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃所述, 對(duì)煤礦產(chǎn)生的廢水及固體廢棄物的排放要求越來(lái)越高, 這可能是泗河重金屬含量相對(duì)于2013年降低的主要原因。

相關(guān)性分析結(jié)果表明泗河中重金屬As、Mn只在彼此間存在正相關(guān)性, 由圖2也可看出他們有相似的空間變化趨勢(shì), 且二者平均含量均低于山東省環(huán)境背景值, 表明他們來(lái)源相同且為自然來(lái)源, 泗河發(fā)源于丘陵地帶, 屬于碳酸鹽分布區(qū), 沉積物主要來(lái)源于上游巖石風(fēng)化及雨水沖刷[21], 故As、Mn主要來(lái)自于成巖礦物。Hg與Mn呈顯著負(fù)相關(guān)表明Hg的來(lái)源與Mn不同, 分析發(fā)現(xiàn)主要與人類活動(dòng)有關(guān), 如兗州煤礦等污染較重的工業(yè)等。

3.2 東魚(yú)河重金屬來(lái)源探討

從圖3可以看出, 重金屬在東魚(yú)河源頭含量整體偏高, 東魚(yú)河地處黃泛平原, 沉積物大部分來(lái)源黃河, 黃河中含有大量泥沙, 由于來(lái)自于黃土高原的泥沙相對(duì)較細(xì), 對(duì)污染物較有很強(qiáng)的吸附作用, 在遷移過(guò)程中更容易受到污染, 尤其是重金屬污染[22],故當(dāng)?shù)鼐用褚S河水灌溉及來(lái)自黃河的沉積物母質(zhì), 可能是導(dǎo)致東魚(yú)河源頭重金屬含量整體偏高的主要原因。

東魚(yú)河中游重金屬Cr、Ni、Zn、Cu、Pb、As、Mn含量偏低, Hg和Cd含量升高但無(wú)明顯分布規(guī)律, 二者含量均超過(guò)山東省水系沉積物背景值, 表明他們來(lái)源主要與人類活動(dòng)有關(guān)。結(jié)合相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn), Hg、Cd與其他重金屬均無(wú)明顯相關(guān)性, 但二者之間的相關(guān)性系數(shù)為0.395, 這表明他們的來(lái)源有一定的相似但存在較大差別。該地區(qū)屬于黃泛沖積平原, 地勢(shì)平緩, 農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對(duì)較多, 含Cd化肥及高Hg農(nóng)藥的施用使得該地區(qū)重金屬污染較為嚴(yán)重。磷肥的主要組成磷礦石中含有相當(dāng)高含量的Cd, 所以Cd一般可作為農(nóng)藥及化肥等農(nóng)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)識(shí)[23], 磷肥的施用導(dǎo)致該地區(qū)Cd含量明顯偏高, 農(nóng)藥殘留物隨地表徑流最終匯入河流, 對(duì)東魚(yú)河造成一定的污染, 所以D3、D4處Cd污染的加劇可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān), 一些研究也發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動(dòng)中高重金屬農(nóng)藥的施用已經(jīng)成為河流、湖泊等地表和地下水體的主要污染源[24]。Hg的來(lái)源較為廣泛, 當(dāng)?shù)毓I(yè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的含Hg廢氣, 隨著大氣沉降落到地表[25], 從Hg-Cd的相關(guān)性系數(shù)0.395可看出也有一部分Hg可能與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān), 當(dāng)?shù)馗逪g農(nóng)藥的施用使得東魚(yú)河Hg的含量增加, 以上分析表明Hg的來(lái)源較為復(fù)雜, Hg的生物毒性顯著, 對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大, 所以應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。

從圖3發(fā)現(xiàn), 重金屬靠近南四湖含量逐漸增加, 尤其是D6處含量升高顯著。引南四湖湖水灌溉導(dǎo)致湖水中重金屬遷移到周圍土壤中, 并由湖心向西呈階梯狀分布, 隨著離湖心距離的增加, 重金屬含量呈下降趨勢(shì), 與本研究中重金屬的空間分布類似; 東魚(yú)河下游重金屬含量升高的另一原因可能是靠近入湖口, 河道變寬, 水流變緩, 河水中吸附了重金屬的懸浮顆粒物逐漸沉降下來(lái), 導(dǎo)致入湖口重金屬含量相對(duì)上游明顯增加。

4 結(jié)論

(1)泗河水系沉積物中9種重金屬元素具有較大空間異質(zhì)性, 且彼此之間相關(guān)性較差, 除As、Mn外其余重金屬在中游兗州地區(qū)(S2、S3)含量均有顯著升高, 其中Hg、Cd的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到了中或高風(fēng)險(xiǎn), 說(shuō)明該處重金屬受人為污染程度較高, 研究發(fā)現(xiàn)主要來(lái)源可能是湖東地區(qū)煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的的廢水、廢渣、廢氣等污染物。

(2)東魚(yú)河水系沉積物中重金屬空間分布具有一定規(guī)律性, 且大部分重金屬之間相關(guān)性較好, 并表現(xiàn)出相似的空間變化趨勢(shì), 可能為同源污染。除Hg、Cd外其余重金屬在上游和下游含量明顯較高, 中游含量整體較低, 分析發(fā)現(xiàn)主要來(lái)源為引黃河水和南四湖湖水灌溉; 中游D3、D4采樣點(diǎn)處重金屬Hg、Cd污染最嚴(yán)重, 當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)中高Hg農(nóng)藥及含Cd化肥的施用是二者含量升高的主要原因。

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Pollution characteristics and risk assessment of heavy metals in sediments of typical inflow rivers of Nansi Lake

LI Yue1, YANG Liyuan1,*, ZHANG You2,3, ZHAO Tingting2,3

1. School of Water Conservancy and Environment, University of Jinan, Jinan 250022,China 2. Shuifa Planning and Design Co. Ltd, Jinan 250100, China 3. Shandong Lake Basin Management Information Technology Research Center, Jinan 250100, China

The contents of nine heavy metals (Cr, Ni, Zn, Cu, Pb, Hg, Cd, As, Mn) in the sediments of Sihe River, a east inflow river of Nansi Lake, and Dongyu River, a west inflow river of Nansi Lake, were analyzed. Finally, the sources of heavy metals were analyzed by various methods, then the pollution characteristics and ecological risks were evaluated. The results indicated that heavy metals were enriched to a certain extent in the sediments of the two rivers, especially Hg, Zn and Cd were the most concentrated. The content of most heavy metals in the sediments increased in Yanzhou section of the middle reaches of Sihe River, especially the contents of Hg and Cd at this point were 3.1 and 3.7 times of the background values of water system in Shandong Province. The analysis indicated that the main source of heavy metals was their associated industries and the "three industrial wastes" generated by the coal mines in the surrounding areas. At the same time, it also showed that the high value area of heavy metals was closely related to the distribution of coal mines. The contents of Hg and Cd in the sediments of Dongyu River were higher in the middle reaches, and the contents of other heavy metals were higher in the upper and lower reaches. The analysis results showed that the high contents of Hg and Cd in the middle reaches were mainly related to the application of pesticides and chemical fertilizers in local agricultural activities, and the higher heavy metal content in the upper and lower reaches was due to the irrigation from the Yellow River or the Nansi Lake.

sediments; heavy metal; spatial distribution; correlation; pollution assessment

李越, 楊麗原, 張游,等. 南四湖典型入湖河流沉積物重金屬污染特征與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(1): 71–81.

LI Yue, YANG Liyuan, ZHANG You, et al. Pollution characteristics and risk assessment of heavy metals in sediments of typical inflow rivers of Nansi Lake[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 71–81.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.010

X522

A

1008-8873(2021)01-071-11

2020-03-04;

2020-04-01

山東省2019年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(公益項(xiàng)目)(2019GSF110016); 山東省自然科學(xué)基金(ZR2016DM10)

李越(1995—), 女, 山東煙臺(tái)人, 碩士研究生, 主要從事水生態(tài)與水環(huán)境研究, E-mail: 1033026216@qq.com

楊麗原, 男, 博士, 教授, 主要從事水生態(tài)與水環(huán)境研究, E-mail: youngliyuan@126.com