海河流域典型區(qū)域重金屬沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究

張昀保，吳勁

(1.河北省水利科學(xué)研究院,石家莊 050051；2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，流域生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了巨大變化，水庫(kù)作為人類社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，在流域生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用[1-3]。據(jù)報(bào)道，我國(guó)現(xiàn)有9萬(wàn)余座水庫(kù)，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、防洪和發(fā)電，在我國(guó)社會(huì)中發(fā)揮著重要作用[4]。然而，水庫(kù)正面臨著生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。Zhang等[5]調(diào)查了海河流域山區(qū)城市帶河流沉積物中的3種重金屬，發(fā)現(xiàn)近30年礦山開(kāi)采，城鎮(zhèn)化水平會(huì)導(dǎo)致城市河流沉積物中因采礦造成的Cr和Zn污染加劇。海河北部水庫(kù)作為流域上重要的匯水與儲(chǔ)水工程，需要高度關(guān)注重金屬污染，同時(shí)迫切需要對(duì)水庫(kù)重金屬污染可能造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)。

沉積物既是重金屬的接收端，又是重金屬的釋放端，被認(rèn)為是一種判別水體污染現(xiàn)狀的重要指標(biāo)[6-7]。一般情況下，重金屬通過(guò)河流輸送進(jìn)入水庫(kù)，并通過(guò)絮凝或沉淀的方式進(jìn)入沉積物中[8-9]。研究[10]顯示，進(jìn)入水生態(tài)系統(tǒng)的85%以上的重金屬以不同形式儲(chǔ)存在沉積物中。Fu等[11]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域沉積物中的重金屬污染物具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)存在不利影響。因此，充分分析重金屬沉積物在不同區(qū)域環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，精確描述重金屬沉積物可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)水平，是當(dāng)下生態(tài)安全管理的重要需求。

物種敏感性分布法于20世紀(jì)70年代被提出，是用于描述環(huán)境中不同生物對(duì)污染物敏感性的方法。結(jié)合環(huán)境暴露的分布情況，建立聯(lián)合概率曲線，以更好地描述暴露概率和效應(yīng)超越概率，用于整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[12-13]。與以往的確定性生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法不同，物種敏感性分析在基于概率描述環(huán)境暴露與生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系方面更加科學(xué)[14]。利用物種敏感性分布法將污染物的污染現(xiàn)狀與水環(huán)境中的生物聯(lián)系起來(lái)，能得出更精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，在水庫(kù)生態(tài)安全管理中發(fā)揮重要作用。目前，基于物種敏感性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是在淡水河流中進(jìn)行，而在水庫(kù)環(huán)境系統(tǒng)中很少進(jìn)行。

因此，本研究的主要目的是:估算海河流域北部水庫(kù)沉積物中微量金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征；通過(guò)地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和物種敏感性分布，對(duì)沉積物中的微量金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以及重金屬沉積物可能危害生物比例進(jìn)行定量分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

海河流域北部是中國(guó)人口最密集、用水需求最大的區(qū)域之一。位于北緯41°35 ′N～38°52 ′N和東經(jīng)118°44E～112°10E，區(qū)域總面積83 900 km2。屬東亞季風(fēng)氣候溫帶，年平均氣溫19 ℃，年平均降雨量490 mm左右，最高氣溫33 ℃出現(xiàn)在7月，最低-6 ℃出現(xiàn)在1月[15]。為保證區(qū)域生產(chǎn)生活用水，海河流域北部有4座大(1)型水庫(kù)、2座大(2)型水庫(kù)和5座中型水庫(kù)。密云水庫(kù)、于橋水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)和沙河水庫(kù)是海河流域北部4座典型水庫(kù)。

密云水庫(kù)、于橋水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)和沙河水庫(kù)沉積物重金屬數(shù)據(jù)來(lái)自三大網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)(Web of Science、Science Direct和中國(guó)知網(wǎng))2002年和2019年的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)中重金屬的測(cè)定方法為國(guó)家推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法或按標(biāo)準(zhǔn)修訂的方法。物種毒理學(xué)數(shù)據(jù)于2020年10月獲取自美國(guó)環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含全球范圍內(nèi)化學(xué)品的急性和慢性毒性數(shù)據(jù)，包含了不同生態(tài)系統(tǒng)下不同物種，并不斷更新，為物種敏感性分布模型構(gòu)建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于不同國(guó)家相似物種對(duì)相同污染物的耐受性不同，同一物種試驗(yàn)環(huán)境和自然環(huán)境中的耐受性也不同[16]。所以在篩選數(shù)據(jù)時(shí)，同一物種選擇相同的環(huán)境、相同暴露時(shí)間和處理方法獲得的數(shù)據(jù)。選取As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在淡水介質(zhì)中暴露10 d以內(nèi)的半致死濃度(LC50)或半效應(yīng)濃度(EC50)的毒理學(xué)數(shù)據(jù)。選擇無(wú)脊椎生物、軟體生物、蠕蟲(chóng)、底棲生物、甲殼類、節(jié)肢生物作為主要評(píng)價(jià)對(duì)象。當(dāng)同一物種擁有多個(gè)毒理學(xué)數(shù)據(jù)值時(shí)，使用數(shù)據(jù)的幾何平均值作為物種的毒理學(xué)數(shù)據(jù)[17]。

1.2 研究方法

1.2.1地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法是一種廣泛用于評(píng)價(jià)水體沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法[18-19]，該方法有效避免了自然沉積的對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的影響，能更好地反映重金屬污染現(xiàn)狀。

(1)

式中:Igeo為地累積指數(shù)；Cn為沉積物中重金屬實(shí)測(cè)濃度;Bn為沉積物背景參考值;1.5為背景矩陣校正系數(shù)。Igeo<1為優(yōu)；1≤Igeo<3為良；3≤Igeo<5為較差；5≤Igeo為差。

1.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是1989被提出的一種簡(jiǎn)易快速的水體沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。該方法通過(guò)分析水體沉積物污染現(xiàn)狀，反映沉積物中的重金屬對(duì)環(huán)境的影響[20-21]。

(2)

Er，i=Tr，i×Cf，i

(3)

(4)

式中：Cf，i為給定重金屬的污染指數(shù)；CR，i為沉積物中重金屬的背景值；CD，i為重金屬的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Er，i為重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子；Tr，i為單一重金屬污染的毒性因子；RI為重金屬總潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。沉積物背景值的參考值為中國(guó)土壤背景值。Cd、Cu、Pb、Cr、Zn、Hg和Ni的背景值分別為0.07、20.00、23.60、53.90、67.70、0.04和24.90 mg/kg[22]。RI<150時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)水平較低；150≤RI<300，風(fēng)險(xiǎn)水平中等；300≤RI<600，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高；RI≥600，風(fēng)險(xiǎn)水平非常高。

1.2.3物種敏感性分布法

選用Burr Ⅲ分布對(duì)累積暴露濃度曲線擬合，Burr Ⅲ分布的偏度和峰度覆蓋范圍更大，可以使其更靈活地?cái)M合參數(shù)。HC5是物種敏感性分布曲線上對(duì)應(yīng)于 5%影響物種的累積濃度。HC5越小，其對(duì)應(yīng)重金屬的毒性越強(qiáng)[23-25]。Burr Ⅲ分布參數(shù)的函數(shù)方程為

(5)

(6)

(7)

式中：q是相應(yīng)的保護(hù)級(jí)別；PAF是對(duì)應(yīng)于物種敏感性分布曲線上測(cè)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的有害物種的比例；x是實(shí)測(cè)的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；b、c、k為函數(shù)的3個(gè)不同參數(shù)；msPAF是多種污染物引起的危害物種的比例，進(jìn)而反映水中多種污染物引起的綜合污染水平。

3 結(jié)果與討論

3.1 重金屬的分布特征

密云水庫(kù)、于橋水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)和沙河水庫(kù)沉積物中重金屬含量現(xiàn)狀見(jiàn)表1。從表1可以看出，各重金屬的含量變化較大，Zn和Cr的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為158.66 mg/kg和118.65 mg/kg，是水庫(kù)沉積物中主要的重金屬。水庫(kù)沉積物中Ni的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.32 mg/kg，在6種重金屬中最低。4座典型水庫(kù)沉積物中重金屬的分布有一定的相似性，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近。Zhang等[5]在調(diào)查海河流域沉積物時(shí)發(fā)現(xiàn)，沉積物中Zn、Cu的質(zhì)量比受人類活動(dòng)影響較大。分析結(jié)果表明，海河流域北部4座典型水庫(kù)沉積物重金屬質(zhì)量比已經(jīng)超出區(qū)域背景值，水庫(kù)沉積物重金屬質(zhì)量比已受到當(dāng)?shù)毓I(yè)化發(fā)展的影響。

表1 海河北部4座典型水庫(kù)沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Heavy metal mass fraction in sediments of typical reservoirs in Haihe River basin and typical reservoirs in China 單位：mg/kg

由于4座典型水庫(kù)具有相似的地理特征，通過(guò)相關(guān)性分析方法對(duì)4座水庫(kù)沉積物中重金屬的來(lái)源進(jìn)行初步分析。分析發(fā)現(xiàn)，Ni-Cr(相關(guān)系數(shù)為-0.778)、Zn-Cr(相關(guān)系數(shù)為-0.887)和Zn-Ni(相關(guān)系數(shù)為0.867)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，Pb-As(相關(guān)系數(shù)為0.852)顯著相關(guān)，見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)比分析，Zn、Ni、Cr存在明顯的相關(guān)關(guān)系，Pb和As也存在一定的相關(guān)關(guān)系。官?gòu)d水庫(kù)上游為工業(yè)聚集區(qū)、有色金屬冶煉和原料制造企業(yè)眾多，年工業(yè)污水排放量達(dá)到12.07億m3[33]。程麟鈞等[34]對(duì)官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)重金屬研究顯示官?gòu)d水庫(kù)的As在枯水期和豐水期含量差異較大，豐水期質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為枯水期的6倍。沙河水庫(kù)上游溫榆河共有污水出水口793個(gè)，日污水排放量可達(dá)90萬(wàn)t。溫榆河重金屬富集明顯，As積累較嚴(yán)重[35]。密云水庫(kù)上游有豐富的礦產(chǎn)資源，礦石采選業(yè)和廢棄尾礦庫(kù)已經(jīng)對(duì)上游水質(zhì)產(chǎn)生了影響。潘麗波等[36]研究發(fā)現(xiàn),密云水庫(kù)上游礦區(qū)重金屬富集嚴(yán)重，沉積物Cu、Pb和Cd超標(biāo)，重金屬和固體懸浮物存在向下游遷移的現(xiàn)象。重金屬的開(kāi)采也是水庫(kù)上游的主要污染源，侯迎迎等[37]發(fā)現(xiàn)，Cd主要受人為源的影響，As和Pb以自然源為主，也受人為源的影響。采動(dòng)產(chǎn)生的重金屬也是于橋水庫(kù)上游的主要污染來(lái)源。

圖1 沉積物重金屬相關(guān)性Fig.1 Correlation of heavy metals in reservoir sediments

3.2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

3.2.1重金屬的分布特征

4座水庫(kù)沉積物重金屬地累積指數(shù)見(jiàn)圖2 (a)。對(duì)于沉積物中的As，除官?gòu)d水庫(kù)外，其余水庫(kù)的地累積指數(shù)均小于1，未受污染，范圍為0.02 ～1.18。其他重金屬的地累積指數(shù)均小于1，表明水庫(kù)沉積物未受到重金屬的嚴(yán)重污染。4座典型水庫(kù)沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)圖2(b)。沙河水庫(kù)、密云水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)和于橋水庫(kù)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為90.68、91.92、275.69和47.69。官?gòu)d水庫(kù)重金屬沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為良，其他3個(gè)水庫(kù)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為優(yōu)，這與李捷等[38]的結(jié)果相似。通過(guò)地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的分析可以發(fā)現(xiàn)，As是4座水庫(kù)的主要污染物。As在水生態(tài)系統(tǒng)和土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有遷移、轉(zhuǎn)化和沉積的能力。As也容易被植物吸收，進(jìn)入食物鏈和生物累積。沉積物中的重金屬主要來(lái)自水庫(kù)周?chē)さV企業(yè)的生產(chǎn)和大量未經(jīng)處理廢水的排放[26-32]。總體而言，As是4座水庫(kù)沉積物中污染最嚴(yán)重的重金屬，對(duì)官?gòu)d水庫(kù)重金屬沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為良。As應(yīng)列為水庫(kù)生態(tài)管理的重點(diǎn)污染物。

圖2 地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估結(jié)果Fig.2 Geoaccumulation index and potential ecological risk index of heavy metal in sediment

3.2.2基于物種敏感性分析的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

Burr Ⅲ和Weibull是最常見(jiàn)的最優(yōu)物種敏感性分布曲線。考慮到物種敏感性分布的通用性、便捷性和可比性，大多數(shù)研究者傾向于使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和對(duì)數(shù)邏輯分布。然而，這些模型在本研究中的表現(xiàn)并不優(yōu)于Burr Ⅲ和Weibull模型。如圖3所示，6種重金屬對(duì)淡水底棲生物有不同的影響。6種重金屬HC5值的降序排列為As(0.210 mg/kg)>Ni(0.071 mg/kg)>Cr (0.052 mg/kg)>Zn(0.050 mg/kg)>Cu(0.006 mg/kg)>Pb(0.005 mg/kg)，說(shuō)明在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)狀態(tài)下，Pb對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響最為顯著。

圖3 6種重金屬敏感性分布曲線Fig.3 Distribution curve of species sensitivity of heavy metals to all species

4座典型水庫(kù)沉積物中重金屬的平均PAF由高到低依次為Zn(97.5%)>Cu(97.1%)>Cr(96.6%)>Zn(92.2%)>Pb(91.8%)>Ni(90.8%)，見(jiàn)圖4。4座水庫(kù)中6種重金屬的平均PAF均在90%以上。雖然物種敏感性分布曲線受到物種代表性、數(shù)據(jù)數(shù)量等因素的影響，但從結(jié)果來(lái)看沉積物對(duì)底棲生物的影響應(yīng)受到高度關(guān)注。不同物種對(duì)6種重金屬的耐受能力各不相相同，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重金屬沉積物可能會(huì)對(duì)物種豐度造成影響，江文淵等[31]發(fā)現(xiàn)于橋水庫(kù)底棲動(dòng)物的分布與沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。沉積物中鉛的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)底棲動(dòng)物的多樣性和豐度有一定的影響，容易導(dǎo)致底棲動(dòng)物的單一性。水庫(kù)沉積物中有豐富的底棲生物，底棲生物獨(dú)特的進(jìn)食模式和生物調(diào)節(jié)機(jī)制在使其體內(nèi)積累了微量金屬。沉積物中的重金屬在底棲生物中積累，并通過(guò)食物鏈影響水生環(huán)境中的其他生物。與此同時(shí)，底棲生物的生命活動(dòng)會(huì)對(duì)沉積物造成干擾，增加重金屬的暴露風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 4座典型水庫(kù)重金屬潛在影響的物種比例Fig.4 Potential affected fraction of four typical reservoirs

4 結(jié) 論

本研究從地累積指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和物種敏感性分布3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)了水庫(kù)沉積物中重金屬的危害。地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯示4座典型水庫(kù)重金屬沉積物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于優(yōu)良水平。物種敏感性分布結(jié)果顯示6種重金屬的平均PAF均在90%以上，重金屬沉積物對(duì)底棲生物的影響應(yīng)引起高度重視。運(yùn)用3種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法從水生生物的角度，分析了水庫(kù)重金屬沉積物與水庫(kù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，評(píng)價(jià)了水庫(kù)重金屬沉積物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。與此同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段水庫(kù)沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平較好，但沉積物中重金屬對(duì)水庫(kù)底棲生物的影響不可忽視。本研究的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表明，為降低水庫(kù)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，重金屬沉積物應(yīng)是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理關(guān)注的重要指標(biāo)。