烏江渡水庫底泥中Cr、Cu和Pb元素分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

楊 飛 田 樓 楊 陽 陳 晨 楊華強(qiáng) 徐 韜*

(1.貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；2.貴州師范大學(xué)貴州應(yīng)急管理學(xué)院，貴陽 550025)

重金屬的生物毒性和生物富集能力導(dǎo)致其環(huán)境危害持續(xù)時(shí)間較長，能夠在土壤和水體沉積物中聚集，因此具有較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性[1]。此外，重金屬還能夠通過飲用水或者水體中的動(dòng)植物進(jìn)入人體內(nèi)[2]，造成潛在的人類健康風(fēng)險(xiǎn)[3]。淡水生態(tài)系統(tǒng)(湖泊和水庫)的沉積物是重金屬的蓄積庫。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，大量污染物被排入水體環(huán)境中，尤其是重金屬污染物，進(jìn)入水體沉降后聚集在沉積物中，當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，這些重金屬能夠重新釋放到上覆水中，成為污染源，反復(fù)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，了解水體沉積物中的重金屬水平對水體環(huán)境安全評價(jià)和后續(xù)環(huán)境治理有重要的指導(dǎo)作用。

烏江是西南地區(qū)重要的水系之一，烏江渡水庫是烏江干流上梯級電站的第六級。該水庫底泥中的重金屬主要來源于上游的煤礦開發(fā)，生活污水和工業(yè)廢水的排放。采礦是大多數(shù)重金屬污染的重要來源之一。采礦活動(dòng)和礦物加工過程對礦山周圍環(huán)境會(huì)造成不同程度的影響, 甚至嚴(yán)重危害人們的身體健康[4]。烏江渡水庫上游的煤礦開采，在一定程度上引起了礦區(qū)及其周圍環(huán)境的污染, 尾礦、廢棄礦渣等經(jīng)過長期的日曬雨淋，發(fā)生了一系列物理、化學(xué)和生物化學(xué)變化，進(jìn)而對周邊大氣、土壤及水體等造成嚴(yán)重污染。大量的重金屬如Hg、As、Cd、Pb、Sb等重金屬元素伴隨著其他有害化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入周邊自然環(huán)境，污染土壤和水體。

此外，烏江渡水庫流域面積內(nèi)人口數(shù)量眾多，下游有網(wǎng)箱養(yǎng)魚的歷史。偏巖河及息烽河是烏江渡水庫上兩條重要的一級支流，有不同的工廠分布在該區(qū)域內(nèi)，來自城鎮(zhèn)中的生活污水和工業(yè)廢水向河道排放，最終流向?yàn)踅伤畮焖w和底泥中，造成污染物和重金屬的聚集，存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)[5]。由于貴州地處地球汞帶區(qū)域，有許多研究集中在烏江流域汞含量和形態(tài)的分布和特征方面[6-7]，對于烏江流域重金屬分布和特征的綜合性研究仍然不足。

因此，本研究通過對烏江渡水庫5個(gè)不同地理位置沉積物中重金屬(Cr、Cu和Pb)含量的調(diào)查，采用地累積指數(shù)(Igeo)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)評價(jià)烏江渡水庫沉積物重金屬污染現(xiàn)狀，并進(jìn)行重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評估，旨在了解烏江渡水庫沉積物中重金屬污染水平，并分析其主要來源，為金屬污染治理和風(fēng)險(xiǎn)管理提供前期的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水庫概況

烏江渡水庫位于遵義、息烽和金沙3縣交界的烏江干流上，壩址以上控制流域面積為27 790 km2，壩址多年平均流量為483 m3/s，水庫總庫容為23.0億m3，有效庫容為13.5億m3，壩前最大水深達(dá)150 m，壩址前多年平均流量為502 m3/s，屬于典型的峽谷型大型深水水庫[8]。

1.2 采樣點(diǎn)分布及樣品采集

采樣時(shí)間和樣點(diǎn)設(shè)置：于2021年5月對烏江渡水庫各采樣點(diǎn)進(jìn)行兩次采樣調(diào)查，依照烏江渡水庫的環(huán)境特征，共設(shè)置 5個(gè)采樣點(diǎn)分別為：1號點(diǎn)：江口；2號點(diǎn)：團(tuán)林；3號點(diǎn)：漩塘；4號點(diǎn)：息烽河；5號點(diǎn)：偏巖河(圖1)。取樣點(diǎn)設(shè)在水庫主干流與水庫河道交匯處，以及一處庫灣(漩塘)，避免死水和回水，且交匯處接收各地匯入水庫中的生活污水和工業(yè)廢水。各個(gè)點(diǎn)處均有生活污水和工業(yè)廢水的流入，沿河流分布有息峰重鈣廠等企業(yè)。其中漩塘位于河流主干道上，是主干流上的庫灣區(qū)。

圖1 烏江渡水庫沉積物采樣點(diǎn)分布圖

于采樣點(diǎn)用繩子將抓斗采泥器降到水庫底面，采集底泥，收集未經(jīng)擾動(dòng)的表層沉積物樣品置于無菌自封袋封裝,貼好標(biāo)簽后低溫避光保存，迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。待樣品自然風(fēng)干后用搟面杖碾碎至粉末狀，過200目尼龍篩，過篩樣品置于自封袋中常溫保存直至測量分析。

1.3 沉積物重金屬的測定

樣品用密封高壓消解罐濕法消解，準(zhǔn)確稱取0.3 g樣品(稱取0.3000～0.3050 g之間即可)試樣于微波消解罐中，用少量水潤濕后加入具有強(qiáng)氧化性的有機(jī)酸(10 mL濃硝酸、5 mL氫氟酸、2 mL雙氧水)，同時(shí)做樣品空白，消解5 h，加熱破壞土壤樣品中的有機(jī)物，將目標(biāo)產(chǎn)物無機(jī)成分充分釋放出來，進(jìn)而形成較為穩(wěn)定的無機(jī)化合物；再取出冷卻至室溫后，將其放在電熱板上，于140℃下進(jìn)行揮酸，驅(qū)趕白酸并蒸至粘稠剩最后一滴，加0.5 mL超純水，繼續(xù)揮酸剩最后一滴，將其取下，加入1 mL硝酸溶液，溫?zé)崛芙饪扇苄詺堅(jiān)D(zhuǎn)移至離心管中進(jìn)行離心，過0.45 μm濾膜后，全量轉(zhuǎn)移至比色管中，冷卻后定容至50 ml，搖勻，留待原子吸收測定(溶液中的土壤重金屬含量用WFX-210原子吸收分光光度計(jì)(北京北分瑞利公司)測定)，同時(shí)對國標(biāo)土進(jìn)行上述測定，國標(biāo)GSS-8平行3組求平均值，計(jì)算其回收率。

每種形態(tài)設(shè)置3個(gè)空白對照組，3個(gè)平行試樣，3次求取平均值，并進(jìn)行對比，土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品與樣品和空白樣相同的工作條件和測試條件。本次實(shí)驗(yàn)對5種重金屬(Zn、Cr、Cu、Mn、Pb)進(jìn)行測定，同時(shí)用國標(biāo)土進(jìn)行回收率的計(jì)算(回收率在75%～125%之間為有效測定)。通過計(jì)算，國標(biāo)土中Zn、Cr、Cu、Mn、Pb的回收率為65%、79%、86%、59%和100%。其中Zn、Mn回收率低于75%，因此只對土壤樣品中Cr、Cu、Pb的測定結(jié)果進(jìn)行分析評價(jià)。

1.4 重金屬污染水平評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法不僅考慮人為污染因素和地球化學(xué)背景值,而且將自然成巖作用引起的背景值變動(dòng)等因素綜合考慮在內(nèi)[9]，計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：Ci為土壤中重金屬元素 i的含量(mg/kg)，Bi是 重金屬元素 i 的土壤元素背景值(mg/kg)，常數(shù)1.5為修正系數(shù)，根據(jù)Igeo值的大小，可將底泥重金屬污染程度劃分為7個(gè)等級[7]。本文選取中國土壤元素背景值作為地累積指數(shù)評價(jià)參比值，Cr、Cu、Pb的背景值分別為95.9、32.0、35.2mg/kg。重金屬的地累積指數(shù)污染分級和污染程度標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地累積指數(shù)分級重金屬污染程度

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

Hankson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(RI)[10],該方法結(jié)合了環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物毒理學(xué)等多學(xué)科理論,引入毒性響應(yīng)系數(shù),可定量計(jì)算每種重金屬元素的潛在危害程度，考慮了重金屬的生物毒性效應(yīng),使風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果更為全面，RI的計(jì)算過程可表示如下:

(2)

(3)

(4)

式(4)中：RI為土中多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)可將土壤重金屬污染分級(表2)，從而獲取水庫不同土壤重金屬污染狀況。

表2 土壤重金屬污染分級

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

方差分析(ANOVA)用于檢測各個(gè)重金屬元素在不同采樣點(diǎn)之間含量的差異，從而判斷該種元素是否存在空間異質(zhì)性分布。主成分分析(PCA)用來分析三種重金屬含量的相互關(guān)系，此外，Spearman相關(guān)性分析用于判斷不同金屬元素之間是否存在顯著相關(guān)。方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析均在R軟件中完成。

2 結(jié)果

2.1 烏江渡水庫底泥重金屬總量特征

烏江渡水庫底泥重金屬總量特征見圖2。在所有采樣點(diǎn)土壤中，Cr含量均在土壤背景值以下，而Cu和Pb的含量均超過土壤背景值。江口、團(tuán)林、漩塘、息烽、偏巖底泥中Cu的含量分別是土壤背景值的1.67、1.21、1.12、1.09和1.58倍；5個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中Cr的含量分別是土壤背景值的0.76、0.74、0.84、0.61、0.83倍；其中Pb的含量分別是土壤背景值的2.02、1.52、1.74、2.09和2.06倍(圖2)。方差分析(ANOVA)結(jié)果顯示Cr在5個(gè)采樣點(diǎn)中含量差異不顯著(p=0.11)。Cu含量差異顯著(p<0.001)，表現(xiàn)為息烽河口和偏巖河口處較高。而Pb含量在不同采樣點(diǎn)間差異弱顯著(p=0.08)，江口和偏巖河口較高。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，Cr, Cu和Pb之間均為正相關(guān)(圖3a)，此外，根據(jù)主成分分析結(jié)果顯示Cr與Pb直接相關(guān)性較弱(圖3b)。

圖2 烏江渡水庫中5個(gè)采樣點(diǎn)Cr、Cu和Pb的含量(虛線為對應(yīng)元素中國土壤背景值)

圖3 烏江渡水庫沉積物Cr、Cu和Pb的含量相關(guān)性(a)以及主成分分析(PCA)圖(b)

2.2 烏江渡水庫底泥重金屬地累積指數(shù)法評價(jià)

運(yùn)用地累積指數(shù)法對5個(gè)采樣點(diǎn)的重金屬水平進(jìn)行分析評價(jià)，結(jié)果如表3。其中Cr在5個(gè)采樣點(diǎn)的含量均為無污染。Cu在江口和偏巖河口處為輕度污染，其他位置無污染。Pb在5個(gè)采樣點(diǎn)均為輕度污染。

表3 地累積指數(shù)法分析評價(jià)表

2.3 烏江渡水庫底泥重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(RI)評價(jià)烏江渡水庫5個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中重金屬污染狀況(表4)。三種重金屬5個(gè)采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均為輕度污染，整體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平偏低，與表中的重金屬含量平均值結(jié)果相一致。江口、團(tuán)林、漩塘、息烽和偏巖的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI分別為19.98、15.15、16.01、17.14、19.85，均為輕度污染。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評價(jià)表

3 討論

烏江渡水庫沉積物中Cr含量低于土壤背景值，為無污染。Cu和Pb含量高于土壤背景值，為輕度污染水平。在烏江渡水庫5個(gè)不同位置采樣點(diǎn)中，Cu和Pb的分布存在一定程度空間異質(zhì)性，即在烏江渡水庫的不同地理位置存在差異。而Cr未發(fā)現(xiàn)有空間異質(zhì)性。

地累積指數(shù)顯示Cr在烏江渡水庫的五個(gè)采樣點(diǎn)的污染程度均為無污染；Cu在息烽處為無污染，在江口、團(tuán)林、漩塘、偏巖4個(gè)采樣點(diǎn)為輕度污染；Pb在五個(gè)采樣點(diǎn)處均為輕度污染。向燕等[11]發(fā)現(xiàn)，在烏江流域中下游干流支流表層水中5種重金屬含量沒有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，不同季節(jié)各調(diào)查位點(diǎn)As、Pb、Hg含量均達(dá)到I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這與水體中重金屬的來源和特性有關(guān)。息烽河和偏巖河周圍人類活動(dòng)較為頻繁，為潛在的點(diǎn)源或面源污染，從而導(dǎo)致這些位置的污染程度較高。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，Cr、Cu和Pb存在正相關(guān)，暗示著這3種重金屬的來源一致，結(jié)合烏江渡水庫沿岸情況分析，這3種重金屬主要來自于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的污染。有研究表明Cr和Pb等污染主要來源于電鍍、制造皮革、印染和金屬加工等行業(yè)[12]，烏江沿岸存在許多重要的有色金屬礦區(qū)，因此，可能受到礦山廢水的影響。Cu一般可作為使用農(nóng)藥和化肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)志元素[13]，烏江渡水庫采樣區(qū)域受到不同程度的農(nóng)業(yè)面源污染。此外，水體富營養(yǎng)化與重金屬污染之間還可能存在耦合機(jī)理，流域面積內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類活動(dòng)造成的點(diǎn)源和面源營養(yǎng)鹽的差異也會(huì)影響不同重金屬的污染程度[14]。

4 結(jié)論

根據(jù)地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，烏江渡水庫沉積物中Cr、Cu和Pb這三種重金屬在該水庫的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平偏低，為輕度污染。