魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬分布特征與風險評價

熊鑫玉，楊麗原，劉友春，曹利軍

(1. 濟南大學 水利與環境學院，山東 濟南 250022；2. 水發規劃設計有限公司, 山東 濟南 250100)

重金屬作為不可降解、易積累性污染物，具有明顯的生物毒性和持久性[1]，水體沉積物是水生態環境中重金屬重要的源和匯。重金屬會在懸浮顆粒物的作用下積累在沉積物中，通過生物富集和食物鏈放大等過程[2]，對生態環境和人類健康構成潛在危害[3]，因此，水體沉積物重金屬污染引起學術界的廣泛關注[4-5]。

魯西北是指山東省內黃河以北的地區，流域內城鎮密集，經濟增長速度較快，人類活動對河流水生態環境的影響日益凸顯。目前對魯西北流域的研究主要集中在河流水質評價，相關文獻表明，徒駭河-馬頰河水系水質劣于Ⅲ類水，其中馬頰河污染最為嚴重，呈現耗氧類有機污染、營養鹽類污染等問題[6-7]，并且缺乏對入海河流表層沉積物中重金屬的空間分布特征、來源及風險評價的研究。

本文中以魯西北典型入海河流表層沉積物為研究對象，測定表層沉積物中重金屬汞(Hg)、鎘(Cd)、砷(As)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)和鉛(Pb)含量，分析重金屬含量的空間分布特征；使用多元統計手段，判別表層沉積物中重金屬的來源，并對重金屬的污染程度及生態風險水平進行評價，以期為魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬污染嚴重河段的排放整治提供基礎數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省西北部平原是我國重要的商品糧生產基地和能源基地之一，工業以石油化工、建材、造紙、電子及通信產品、有機化工和食品加工等企業為主。徒駭河、德惠新河與馬頰河是魯西北3條典型獨立入海的平原河流，流域總面積約為2.72×104km2，多年平均降水量為550～680 mm。

1.2 樣品點和采樣方法

1.2.1 樣品采樣與處理

山東省地圖從國家標準地圖網站下載，地圖審批編號為GS(2019)3266號(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=“4o28b0625501ad13015501ad2bfc0211”)，經過ArcMap 10.3數字化處理得到。

1.2.2 沉積物樣品分析

沉積物樣品中的Hg組分采用硫酸-硝酸-重鉻酸鉀法消解，用冷原子熒光測汞儀(AFS-230E型，北京海光儀器公司)測定。樣品中的Cr、Ni、Zn、Cu、As、Pb、Cd組分采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸法消解[8]，通過原子吸收光譜儀(PE-AA600型，美國PerkinElmer公司)測定。樣品中總有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析；總氮(TN)采用高氯酸-硫酸消化法處理后，使用凱氏定氮儀測定；總磷(TP)采用磷鉬藍分光光度法測定。為了保證分析結果的準確性，實驗測定過程中采用平行樣和樣品重復測定，所有樣品分析誤差均小于10%。

1.3 重金屬污染及風險評價方法

利用惰性元素鋁(Al)、鐵(Fe)作為參比元素，采用富集指數(EF)區分重金屬的自然來源與人為來源并定量評價其污染程度。當EF為0.5～1.5時表明沉積物中重金屬完全源自地殼和巖石圈自然風化，EF大于1.5則表明重金屬來自于人為輸入源[9]。

采用地累積指數Igeo法來評價人為活動富集的重金屬污染程度[10]，采用山東省土壤重金屬環境背景值[11]作為參比值(見表1)。該方法將重金屬污染程度分成7個等級，分別為：Igeo<0，無污染；0≤Igeo<1，輕度污染；1≤Igeo<2，偏中污染；2≤Igeo<3，中度污染；3≤Igeo<4，偏重污染；4≤Igeo<5，重度污染；Igeo≥5，嚴重污染[10]。沉積物質量基準和潛在生態風險指數法是目前常用的沉積物重金屬潛在生態風險評價方法。MacDonald等[12]提出淡水水體沉積物質量基準(SQGS)對于每一種致污物包括2個閾值，即閾值效應濃度(TEC)和可能效應濃度(PEC)。如果沉積物中重金屬的含量低于TEC，表明該金屬處于未污染水平，不會對底棲生物產生毒性效應；如果重金屬含量高于PEC，表明該金屬處于嚴重污染水平，會對底棲生物產生毒性；如果重金屬含量介于TEC與PEC之間，則表明該金屬處于中等污染水平，可能會產生毒性效應。

表1 魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬含量統計及與相關河流對比

潛在生態風險指數法包括單因子潛在生態風險系數Er和潛在生態風險指數(RI)。重金屬毒性響應系數參考Hakanson提出的標準[13]。由于本文中僅對RI標準中涉及的7種元素進行分析，采用原有的RI標準可能會低估重金屬的生態風險，因此采用加權平均法對RI風險閾值τRI進行修定：τRI<108，為低生態風險；108≤τRI<216，為中等生態風險；216≤τRI<432，為重生態風險；τRI≥432，為嚴重生態風險[14]。實驗數據采用統計產品與服務解決方案軟件SPSS 18.0以及Excel 2010、Origin 2018、ArcMap10.3軟件進行統計分析及繪圖。

2 結果與討論

2.1 表層沉積物中重金屬含量與分布特征

魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬含量統計及與海河、黃河等相關河流對比見表1。由表可知，表層沉積物中各重金屬平均含量分別是各背景值的1.24、0.99、1.02、0.90、0.79、1.03、1.87、3.68倍；Cd在所有采樣點的含量均超過了背景值，Hg在超過90%采樣點的含量均高于背景值，Zn、As、Ni、Cr、Cu和Pb含量超過其相應背景值的采樣點比例分別為81.8%、72.7%、36.4%、27.3%和9.1%。從變異系數來看，Cr、Ni和Pb的變異系數低于20%，Cu、Zn、As和Cd的變異系數為20%～40%，Hg超過了170%，表明重金屬Hg空間分布極不均勻。變異系數大于20%，說明沉積物重金屬含量存在顯著的空間異質性，主要與頻繁的人類活動有關[15]。

魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬空間分布狀況如圖2所示。由圖可以看出，Hg、Cu、Zn、As和Cd空間分布差異較大，呈現出不均勻分布狀態。As的含量高值部分主要出現在流域下游，而Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的含量則在流域中游相對較高，其中Cu和Ni的含量在空間分布上具有一定的相似性，這2種重金屬含量的最高值均出現在T3采樣點，最低值均出現在M2采樣點。將魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬的含量與相關河流進行對比，結果表明：除Cr以外，其他重金屬的平均含量均比海河流域中南部河流的低，Cr的平均含量為海河流域中南部河流的1.04倍；Hg、Cd、As和Cu的平均含量比黃河水系的低，但Cr、Zn、Pb的平均含量分別為黃河水系的2.18、1.79、1.07倍；除Pb以外，其他重金屬的平均含量均比全國水系的高，Hg、Cd、As、Cr、Cu、Zn、Ni的平均含量分布為全國水系的1.67、1.12、1.05、1.72、0.80、1.16、1.09倍。整體來看，魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬污染情況不容忽視。

2.2 表層沉積物中重金屬源解析和污染程度分析

2.2.1 重金屬源解析

魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬EF見圖3。由圖可知：Hg、Cd、As、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的EF值分別為0.97～23.67、1.39～3.45、0.53～1.61、1.01～1.21、0.80～1.38、1.04～1.77、1.00～1.34、0.77～1.08，其中，As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的平均EF均小于1.5，表明As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb主要來自土壤和巖石圈自然風化；Hg和Cd的平均EF分別為3.89和2.04，遠大于1.5，表明沉積物Hg和Cd積累較嚴重，受到了明顯的人為輸入源影響。從空間分布上看，D1、T2和T3采樣點Zn的EF均大于1.5，表明流域中游受到了人為輸入的影響，D3采樣點As的EF大于1.5，表明流域下游受到了人為輸入的影響；T1、T2、T3、M1、M3、M4、D1和D2采樣點的Hg均存在不同程度富集，表明流域上游、中游和下游均受到了人為輸入源影響，特別是流域中游富集較嚴重。除M4采樣點以外，Cd的EF均大于1.5，表明流域上游、中游和下游均受到了人為輸入源影響。Hg與Cd的EF最大的河段均是流域中游徒駭河段，主要原因是徒駭河兩岸大量的農業退水和縣城的生活污水、工業廢水的進入，對河流水質造成了污染，導致重金屬在沉積物中富集情況[16]。

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魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬元素與化合物理化特征的相關性結果見表2。當沉積物中不同種物質來源相同或相似時，不同種重金屬元素之間或者重金屬元素與營養元素之間存在顯著相關性。由表2可以看出，Hg、Cd、As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb之間均呈現正相關關系，其中Cd與Cr、Cu、Zn、Pb，Cr與Cu、Ni、Pb，Cu與Zn、Ni、Pb，Ni與Zn、Pb，Pb與Zn在顯著性水平為0.01時呈顯著正相關，相關性系數分別為0.880、0.879、0.817、0.902、0.841、0.793、0.844、0.793、0.942、0.965、0.739、0.935、0.885，表明這些重金屬元素的輸入來源相似，并且相互影響彼此的分布。重金屬元素與TOC表現出正相關關系，尤其TOC與重金屬Cd、Zn和Pb元素呈現顯著正相關；除Hg、As和Ni外，重金屬元素與TN呈現顯著正相關；除As外，重金屬元素與TP呈現正相關關系。結果表明，營養元素的存在對重金屬富集具有增強作用。

表2 魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬元素與化合物理化特征的相關性

主成分分析結果見表3。由表可見，8種重金屬元素提取出2個主成分，第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的方差貢獻率分別為71.068%和14.723%，累積達到85.791%。結合重金屬主成分分析的載荷圖(見圖4)可以看出，PC1主要包括Cd、Cr、Cu、Ni和Pb，Pearson相關分析也表明Cd、Cr、Cu、Ni和Pb之間相關性顯著，具有相似的污染來源。Cr、Cu和Pb的含量均低于山東省土壤背景值，且EF小于1.5，說明Cr、Cu和Pb在沉積物中還未產生較高含量的積累，可能主要來源于地球化學活動或土壤母質。Cd、As、Zn和Ni的含量高于山東省土壤背景值，其中Cd、Ni和Zn主要來源于金屬冶煉、電鍍及輪胎磨損中所含的粉塵[4,18]；As不僅多出現在農藥化肥中，也多出現在工業廢水和生活污水中[4]。Ni的EF小于1.5，表明Ni可能主要來源于土壤和巖石圈自然風化；Cd、Zn和As的平均EF大于1.5，并且富集嚴重的采樣點主要分布在城鎮建筑群、道路以及高效集約化的農業生產區。由此可見，PC1主要代表城鎮工業園區排放的工業廢水和居民生活區域排放的生活污水污染源、車輛運行過程中釋放的交通污染源及農田灌溉使用過剩的農藥化肥污染源。從PC2來看，Hg具有較高的載荷值，其主要來源于工業生產中的原煤和原油產品的燃燒[16]。Hg的含量顯著高于山東省土壤背景值，且平均EF大于1.5，其中，位于茌平縣T2采樣點Hg含量遠遠超標。茌平縣經濟發展迅速，連續多年進入全國工業百強縣(市)，行業主要以鋁電產業為主，在其生產過程中需要大量原煤進行火力發電。由此可見，PC2可能主要代表了原煤和石油產品的燃燒排放源。

表3 前3個主成分的特征值、方差及累積方差

圖4 魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬主成分分析的載荷圖

2.2.2 重金屬污染程度分析

魯西北河流表層沉積物中重金屬Igeo如圖5所示。Hg、Cd、As、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的Igeo分別為-0.83～3.94、-0.35～1.20、-1.65～0.06、-0.74～-0.31、-1.16～-0.12、-0.68～0.20、-0.82～-0.17和-1.17～-0.48。各重金屬Igeo污染評價排序為-1

圖5 魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬地累積指數Igeo

2.3 表層沉積物中重金屬生態風險評價

魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬生態風險(RI)如圖6所示。從圖可看出，魯西北河流表層沉積物中各重金屬元素Er的平均值由大到小的順序為Hg(147.08)、Cd(56.14)、As(10.25)、Ni(5.08)、Cu(4.52)、Pb(3.95)、Cr(1.98)、Zn(1.24)，其中Hg污染最嚴重，除德惠新河的D4采樣點外，其余采樣點Er值都大于40，屬于強生態風險等級；Cd的Er值為40～80，屬于中等生態風險等級,其他6種重金屬Er值均遠小于40，屬于輕微生態風險等級。魯西北河流重金屬RI平均值為230.24，表明流域整體處于中風險水平。從空間分布上看，流域中游表層沉積物中重金屬處于重生態風險，上游和下游處于中等生態風險水平。從重金屬貢獻率上看，Hg對魯西北河流重金屬RI貢獻率達到了63.88%，表明Hg是流域表層沉積物中最主要生態風險因子，主要原因可能是該區域城鎮密集，工業發達，尤其是化工、冶金、電子和醫藥等行業廢棄物和工業廢水排放進入該流域。其次Cd對RI貢獻率為24.38%，其余6種重金屬對RI合計貢獻率為11.74%。

(a)RI

將重金屬含量與沉積物質量基準進行比較，分析魯西北河流表層沉積物中重金屬的污染狀況。結果顯示：表層沉積物中Cd、Zn和Pb的含量均低于相應的TEC閾值，表明Cd、Zn和Pb處于未污染水平，目前尚不會對水生生物產生毒害作用；Cr的含量介于相應的TEC和PEC閾值之間，表明該重金屬處于中等污染水平。部分采樣點Hg、As、Cu、Ni含量介于TEC和PEC之間，比例分別是9.09%、54.55%、9.09%、81.82%。通過進一步分析發現，Hg除了在T2采樣點的潛在生物毒性較大外，在其他采樣點的潛在生物毒性較小，可能不會發生明顯的負面生物效應；Cu除了在T3采樣點的潛在生物毒性較大外，在其他采樣點的潛在生物毒性較小，也不會發生明顯的負面生物效應；Ni除了在M2、M4采樣點的潛在生物毒性較小外，在其他采樣點的潛在生物毒性相對較大，負面生物效應將頻繁發生或偶爾發生。

3 結論

1)魯西北典型入海河流表層沉積物中Hg、Cd、As、Zn和Ni的平均含量均高于山東省土壤元素背景值，Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni和Pb的含量在空間分布上呈現流域中游較高，As含量則呈現流域下游較高。

2)魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬Cr、Cu、Ni和Pb富集程度整體較低，Hg、Cd、As和Zn在流域中游富集較嚴重。

3)Hg主要來源于原煤和石油產品的燃燒，Cd和Zn主要來源于金屬冶煉和交通污染源，As主要來自于農藥和工業廢水排放，Ni主要來源于自然分解和工業排廢，Cr、Cu和Pb主要來源于自然源。

4)在Igeo評價中，Hg和Cd處于低污染狀態，其余重金屬均處于無污染狀態；Hg和Cd的潛在生態危害程度最大，其余重金屬均處于輕微生態風險。魯西北典型入海河流表層沉積物中重金屬RI的平均值為230.24，整體處于中等風險等級。