東苕溪沉積物重金屬生態風險評價和源解析

施亞盛, 李光耀, 吳愛靜, 倪臣浩, 朱晨陽, 金贊芳

東苕溪沉積物重金屬生態風險評價和源解析

施亞盛, 李光耀, 吳愛靜, 倪臣浩, 朱晨陽, 金贊芳*

浙江工業大學環境學院, 杭州 310032

由于重金屬毒性大, 且易在食物鏈中富集, 沉積物中的重金屬會對水體生態環境造成嚴重污染, 因此對東苕溪23個采樣點表層沉積物中主要的重金屬As、Cd、Co、Cr、Cu、Pb、Zn、Mn和Ni含量及分布特征進行研究, 分析各種重金屬來源, 并對重金屬污染狀況進行生態風險評價。結果表明: 東苕溪沉積物重金屬平均濃度Mn>Pb> Zn> Cr> As> Cu> Ni> Co> Cd, As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均濃度均高于它們的環境背景值。多元統計分析結果表明沉積物中Cd、Co、Cr、Mn和Ni可能來源于自然環境, Cu、Pb 和Zn可能來源于生活污水和工業廢水的排放, Pb還源于交通工具尾氣和柴油機械排放的廢棄物, As主要來源于農業活動, 例如化肥和農藥的使用。地積累指數法和潛在生態危害評價法的結果表明, 東苕溪沉積物中的重金屬整體上呈現中等的潛在生態危害, 東苕溪沉積物中的主要污染物為As和Cd, 由于東苕溪流域散布著大量的農田和一些工業園區, 農田中使用的肥料農藥和工業活動中排放的廢棄物是造成As和Cd含量高的原因。

沉積物; 重金屬; 生態風險評價; 來源分析; 東苕溪

0 前言

人類活動, 特別是快速城市化和工業化進程會造成大量的有毒有害物質進入水體中。相比其他污染物, 重金屬污染物活性強, 易遷移轉化, 能在環境中廣泛分布, 但最終會被水體中的懸浮微粒吸附固定在沉積物中, 從而在環境中持久穩固[1-2]。重金屬作為一種持久性有毒污染物質[3], 由于其本身不能被生物降解, 一旦進入環境便會長期存在, 不斷的進行累積, 對土壤環境造成污染。因此, 研究沉積物中的重金屬污染程度對于探尋重金屬的污染現狀和來源解析具有極其重要的意義。

東苕溪是杭州市民的水源地之一。東苕溪流域的經濟比較發達、城鄉統籌一體化的發展也較為快速。但在日益劇烈的人類活動影響下, 區域環境系統已經表現出不同于自然規律條件下的演變規律。該地區農業面源污染很重, 同時快速城市化進程中含鉛燃料燃燒, 農藥、化肥過量施用及工廠廢物排放等帶來的重金屬均會通過各種途徑在沉積物中累積, 對人體健康構成威脅。

因此本文根據東苕溪流域不同的土地利用類型分布(生活區、城區、工業用地、農業用地和林地)在各個區域布點采樣, 對東苕溪沉積物重金屬污染的現狀特征進行研究, 通過地積累指數法[4-5]和潛在生態危害評價法[6-7]反映出不同用途土地污染的差異性, 并利用相關性分析、聚類分析和主成分分析[8]科學地評價沉積物重金屬污染, 分析其污染來源, 并且為開展沉積物的污染控制以及進行生態修復, 保護相應的水生生態系統提供數據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概括

東苕溪流經位于杭嘉湖平原的杭州市西北部和湖州市東部, 為匯入太湖最大的一條河流, 由上游至下分別有南苕溪、中苕溪和北苕溪三條支流[9], 干流長度為143 km, 其中流經杭州市內的長度為96 km。東苕溪流域(杭州段)存在5種不同利用方式的土地類型, 分別為林地、農田、居民區、城區和工業區。林地位于東苕溪流域的天目山, 農田分布于東苕溪沿岸, 其中農田區域中分散著民居, 城區主要位于青山湖邊和東苕溪下游, 工業區則位于青山湖和城區附近。

1.2 樣品的采集與處理

根據國家環保總局“土壤環境監測技術規范(HJ/T166—2004)”, 于2016年1月, 在東苕溪流域采集實驗所需的沉積物樣品。在東苕溪流域均勻布設23個采樣點(圖1)。使用抓斗式采泥器, 在瀝干水份、去除與采樣器接觸部分、除去其中的碎石, 草木等雜物后, 裝入塑料袋中帶回實驗室, 之后將沉積物樣品進行風干、研磨, 再過100目尼龍篩, 得到經過前處理后的樣品, 用封口袋包裝, 待進行后續的分析測定。

1.3 沉積物重金屬測定方法

精準稱取經前處理后的沉積物樣品0.15 g(精確至0.0001 g), 之后放入聚四氟乙烯消解罐中, 分別加入6 mL HNO3(優級純)、2 mL H2O2(優級純)和2 mL HF(優級純), 密封放進微波消解爐中進行消解。待消解結束后取出消解罐, 稍冷后, 將消解罐置于電熱板上進行趕酸, 電熱板溫度設定為145 ℃, 當消解罐中的樣品被蒸發至呈現出淡黃色膠體狀時, 取下消解罐, 待稍冷后, 加入5 mL 1% HNO3, 繼續置于電熱板上10—15分鐘, 溫熱溶解可溶性殘渣。取下消解罐, 冷卻至室溫后用超純水定容至50 mL, 靜置沉淀, 取上清液用0.45 μm微孔濾膜進行過濾, 最后使用電感耦合等離子體質譜( ICP-MS, Agilent 7500 A型) 測定進行測定。

1.4 風險評價方法

常用的重金屬污染風險評價方法有很多種[10], 本研究中, 選用了地積累指數評價法(Igeo)和潛在生態危害評價法(PERI)[11-15], 對東苕溪沉積物重金屬污染狀況進行評估并且確定主要污染因子及污染風險水平。本研究中選取浙江土壤環境背景值作為參考[13],為校正系數, 取1.5。毒性系數采用: As=10; Cd=30; Co=5; Cr=2; Cu=5; Pb=5; Zn=1; Ni=5; Mn=1。

1.5 數據處理

使用Microsoft Excel 2016和Origin9.0軟件對數據進行處理和繪圖, 使用SPSS 19.0統計分析軟件對數據進行了相關性分析、聚類分析與主成分分析。

2 結果與討論

2.1 沉積物重金屬含量及分布特征

東苕溪沉積物的重金屬含量的統計值以及背景值見表1, 各重金屬平均濃度從高到低依次為Mn> Zn>Cr>As>Cu>Ni>Pb>Co>Cd。其中Cr和Ni的平均濃度低于它們在環境中的背景值, 而As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均濃度高于它們的環境背景值。從統計結果可以發現, 東苕溪沉積物中的重金屬總體含量較高, 造成這一現象的原因可能是東苕溪流域散布著大量的農業區, 而其中使用的化肥和農藥會造成典型的重金屬面源污染, 同時東苕溪流域還存在著一些工業園區, 來自其中的廢水排放則是典型的重金屬點源污染源。

圖1 東苕溪采樣點分布圖

Figure 1 Sample sites distribution in East Tiaoxi River

東苕溪沉積物中各重金屬空間分布如圖2所示, As含量的變化比較顯著, 最大值點T3含量為121.53 mg·kg-1是最小值點T5含量23.79 mg·kg-1的5.1倍, 并且所有位點的含量均高于浙江省土壤背景值。因此As污染應當引起重視。Cd的污染極為嚴重, 所有位點含量不僅全部高于浙江省土壤背景值, 且最大值點T9是浙江省土壤背景值的15.5倍。Co含量未出現顯著變化, 但都高于浙江省土壤背景值。Cu的含量出現顯著變化, 在T5出現最大值113.13 mg·kg-1, 最低值處T6、T7這兩個點的Cu均未檢出, 其余位點含量基本相當, 略高于浙江省土壤背景值。Ni和Cr大部分位點的含量都低于浙江省土壤背景值, 表明Ni和Cr的污染程度不大。Pb含量也呈現比較顯著的變化, 且所有位點皆高于浙江省土壤背景值, 在T22呈現最大值105.4 mg·kg-1是浙江省土壤背景值的5.5倍。Zn含量在所有位點皆高于浙江省土壤背景值, 在T21出現最大值。Mn含量呈現比較顯著的變化。最大值點T3含量為1826.67 mg·kg-1是最小值點T7含量為298.47 mg·kg-1的6.1倍。除T1、T5、T6、T7位點外, 其余各點均高于浙江省土壤背景值。

2.2 基于多元統計分析沉積物中重金屬的來源

2.2.1 相關性分析

對實驗數據進行相關性分析, 結果見表2, 沉積物中Cd、Co、Cr、Mn和Ni在<0.01水平上互相呈現出顯著正相關, 相關系數分別為Co–Cd (0.660)、Cr–Cd (0.661)、Mn–Cd (0.637)、Ni–Cd (0.702)、Cr–Co (0.694)、Mn–Co(0.708)、Ni–Co(0.780)、Mn–Cr(0.836)、Ni–Cr (0.849)和Ni–Mn (0.803)。Cu和Zn在<0.01水平上呈現出顯著正相關。As與其他8種元素都不顯著相關。重金屬之間呈現出顯著正相關說明它們存在較為一致的變化趨勢, 即協同作用, 其在來源, 環境地球化學行為方面相同或相近[16]。因此, 由重金屬之間的相關性分析結果可以發現, Cd、Co、Cr、Mn和Ni具有相似的來源, 可能主要來源于自然環境。東苕溪流域(杭州段)附近居民人口數約有78萬人, 原先污水直接排入河道, 于2014年開始實行截污納管, 但長年累積的污染物仍存在于土壤沉積物中, 以及東苕溪上游的青山工業園區, 不同程度的存在生產、使用化工原輔材料的情況, 所以環境中Cu和Zn可能來源于生活污水和工業廢水的排放, 除此之外, 過磷酸鈣肥料中也包含了高含量的Cu和Zn雜質。因此, Cu和Zn可能來源于生活污水、工業廢水和肥料, As和Pb的來源與其他六種金屬有較大的差異。

表1 東苕溪沉積物重金屬統計值(mg·kg-1)

注：背景值來源于文獻[13]。

圖2 東苕溪沉積物中9種重金屬的空間分布圖

Figure 2 Spatial distributions of As (a), Cd (b), Co (c), Cu (d), Pb (e), Mn (f), Ni (g), Cr (h) and Zn (i) in surface sediments of East Tiaoxi River

2.2.2 聚類分析

聚類分析的主要目的是根據研究對象間的各種共同特征將它們分成不同的類別, 使每一類別之中的對象都具有相似性, 以便辨別不同對象間的關系。對東苕溪沉積物中重金屬進行聚類分析, 結果見圖3, 重金屬元素被分為了二個顯著的類別。第一類包括了Ni、Cr、Mn、Co、Cd, 認為主要來源于礦物巖石的風化和大氣沉降。第二類包括Cu、Pb和Zn。生活污水和工業廢水的排放通常被認為是造成環境中Cu、Pb和Zn富集的主要原因, 除此之外, 過磷酸鈣肥料中也包含了高含量的Cu和Zn雜質。2018年杭州市社會機動車輛保有量上漲到288.1萬輛, 因此Pb還可能來源于交通工具排放的尾氣和建筑工地中使用的大型柴油機械。第三類是重金屬元素As, 東苕溪流域是杭州市主要農業區, 長期以來的農業活動中使用的化肥和含砷農藥是As的主要來源。

表2 沉積物中重金屬相關性分析結果

注：*表示在0.05水平上(雙側)呈顯著相關，**表示在0.01水平上(雙側)呈顯著相關。

2.2.3 主成分分析

主成分分析可以通過比較各變量之間的相互聯系, 從而把它們組合成較少的因子, 使得同一類因子之間具有較強相關性, 從而減少原始變量提取出主要的影響因子。在本研究中, 通過主成分分析可以提取出具有代表性的重金屬元素, 然后判斷出重金屬污染的主要來源。

圖3 沉積物中重金屬聚類分析樹狀圖

Figure 3 Dendrogram of the elemental concentrations in surface sediments

東苕溪沉積物中重金屬的主成分分析結果見表3, 全部9種重金屬被提取為了二個主成分, 解釋了全部變量的71.124%。第一主成分(PC1)的特征值為4.991, 貢獻率為總變量的55.457%, Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb表現出了高的正載荷, 載荷系數分別為0.808、0.885、0.864、0.670、0.507、0.725、0.813和0.908。第二主成分(PC2)的特征值為1.410, 貢獻率為總變量的15.667%, As表現出高的正載荷, 載荷系數為0.695。第一主成分中包括了Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb, 這些重金屬污染物擁有相似的空間分布, 青山湖西南面的采樣點(T5、T8、T9、T10)處的濃度相對較高。這些采樣點附近主要分布著居民區和農業區, 而位于其他區域的采樣點中Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb的濃度是與環境背景值相接近的。這表明這一成分中包括的重金屬元素可能同時來源于自然環境和人為活動, 包括生活污水、工業廢水、化肥農藥和交通運輸等。

第二主成分為重金屬元素As。東苕溪流域中有著大量的農業用地, 這些農田廣泛分布在東苕溪沿岸, 并且有大量的化學肥料和含砷農藥在農田之中使用, 這就造成了東苕溪沉積物中出現高濃度的As。因此, 可以推測出沉積物中As的主要來源是農業活動, 例如使用化肥和農藥等。

2.3 沉積物重金屬污染風險評價

2.3.1 地積累指數法

東苕溪沉積物重金屬地積累指數評價結果如表4所示, 其中重金屬Cr、Cu、Mn及Ni的地積累指數污染等級為0, 處于清潔狀態, Co、Pb及Zn的地積累指數污染等級為1, 達到輕度污染的程度, As的地積累指數污染等級為2, 達到偏中度污染的程度, 而Cd的地積累指數污染等級為3, 達到了中度污染的程度。東苕溪沉積物中各個重金屬的平均污染程度由大到小排序是: Cd> As> Pb> Zn> Co> Cu> Mn> Cr>Ni。

表3 沉積物重金屬主成分分析結果

注：加粗數據表示載荷較高。

表4 東苕溪沉積物中重金屬的地積累指數值

2.3.2 潛在生態危害評價法

東苕溪沉積物重金屬潛在生態危害評價結果如表5所示, 其中各個重金屬的平均污染程度由大到小排序是: Cd> As>Pb> Co> Cu>Mn> Zn> Cr> Ni。Co、Cr、Cu、Pb、Zn、Mn和Ni表現出輕微的潛在生態危害。As整體上表現出中等的潛在生態危害, 但是T1、T3、T4、T13、T16和T19采樣點表現出了強的潛在生態危害。Cd整體上表現出很強的潛在生態危害, 這與重金屬濃度超出背景值倍數最多的是Cd相一致。且在T9采樣點表現出了極強的潛在生態危害。有研究表明, 工礦企業生產使用的原料、添加物、廢物和大型車輛產生的尾氣, 以及肥料中都含有一定的Cd, 導致Cd富集程度較高[17]。綜合潛在生態危害評價指數的結果表明東苕溪沉積物重金屬污染物整體上表現出中等潛在生態危害, 但在T3、T8、T9、T11、T13、T16、T19采樣點呈現出強潛在生態危害。盡管東苕溪沉積物重金屬中, Ni、Cu、Zn、Mn均超過浙江省土壤背景值, 但生態危害較低, 不是主要的影響因子, 所以得出結論, Cd和As是東苕溪沉積物重金屬中主要的貢獻因子。

表5 東苕溪沉積物中重金屬的潛在生態危害指數值

3 結論

(1)東苕溪沉積物中重金屬As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均濃度高于它們的環境背景值, 其中As、Cd、Co、Pb和Zn的濃度甚至在所有采樣點都是超過了背景值, 這說明東苕溪沉積物中As、Cd、Co、Pb和Zn受到的人為影響很嚴重。總體上來看, 東苕溪沉積物中的重金屬含量較高, 造成這一現象的原因可能是東苕溪流域散布著農業區、居民區和工業區, 而其中使用的化肥和農藥、生活污水以及工業廢水排放都是重金屬的外來輸入源。

(2)重金屬的多元統計分析結果表明Cd、Co、Cr、Mn和Ni可能主要來源于自然環境, Cu、Pb和Zn可能來源于生活污水和工業廢水。Pb還可能來源于交通工具排放的尾氣和建筑工地中使用的大型柴油機械。As主要來源于農業活動中, 例如化肥和農藥的使用。

(3)地積累指數法的結果表明，東苕溪沉積物中Co、Pb和Zn呈現出輕度污染程度, As呈現出偏中度污染程度, 而Cd呈現出中度污染程度。潛在生態危害法的結果表明, 東苕溪沉積物中As整體上呈現出中等潛在生態危害, Cd整體上呈現出很強的潛在生態危害, 綜合潛在生態危害評價指數表明東苕溪整體上呈現出中等潛在生態危害, 但在T3、T8、T9、T11、T13、T16、T19采樣點處呈現出了強潛在生態危害。綜合來看東苕溪沉積物中重金屬污染物整體上呈現中等潛在生態危害, 東苕溪沉積物中主要污染物是As與Cd, 由于東苕溪流域散布著大量的農田和一些工業園區, 農田中使用的肥料農藥和工業活動中排放的廢棄物是造成As和Cd含量高的原因。那些表現出中度及以上污染狀況和風險水平的采樣點附近的區域應被確定為環境監測和管理的優先區位。

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Ecological risk assessment and source identification of heavy metals in surface sediments of East Tiaoxi River

SHI Yasheng, LI Guangyao, WU Aijing, NI Chenhao, ZHU Chenyang, JIN Zanfang*

College of Environment, Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032, China

Because heavy metals are highly toxic and easy to accumulate in the food chain, heavy metals in the sediment will cause serious pollution to the water environment. Surface sediment samples were collected from 23 sites in East Tiaoxi River to investigate the distribution and sources of heavy metals (As, Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Zn, Mn and Ni), and to assess their ecological risk. The total heavy metal concentrations of East Tiaoxi River followed the order: Mn> Pb> Zn> Cr> As> Cu> Ni> Co> Cd, and the average concentrations of As, Cd, Co, Cu, Pb, Zn and Mn were higher than their corresponding background values. Multivariate statistical analyses showed that Cd, Co, Cr, Mn and Ni might originate from natural sources. Cu, Pb and Zn were derived from domestic wastewater and industrial wastewater. Pb was also from the discharge of pollutants from transportations and diesel-powered machines. As mainly came from agricultural sources, such as chemical fertilizer and arsenical pesticide. Based on the results of index of geo-accumulation method and potential ecological risk assessment method, East Tiaoxi River posed a moderate ecological risk, As and Cd were identified as the major heavy metal pollutants in surface sediments of East Tiaoxi River. Due to the large number of agricultural and industrial areas in East Tiaoxi River Basin, the chemical fertilizers and pesticides and industrial wastewater were the main sources for the high contents of As and Cd in sediments of East Tiaoxi River.

sediment; heavy metal; ecological risk assessment; source identification; East Tiaoxi River

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.008

X53

A

1008-8873(2021)06-067-08

施亞盛, 李光耀, 吳愛靜, 等. 東苕溪沉積物重金屬生態風險評價和源解析[J]. 生態科學, 2021, 40(6): 67–74.

SHI Yasheng, LI Guangyao, WU Aijing, et al. Ecological risk assessment and source identification of heavy metals in surface sediments of East Tiaoxi river[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 67–74.

2020-01-12;

2020-03-02基金項目:國家自然科學基金項目(41673097,41373122)

施亞盛(1994—), 女, 浙江寧波, 博士研究生, 主要研究方向是區域氮循環, E-mail: 1111927008@zjut.edu.cn

通信作者:金贊芳, 女, 博士, 教授, 主要研究方向為流域水污染溯源和區域氮循環, E-mail: jinzanfang@zjut.edu.cn