延河底泥的重金屬分布特征和生態風險評價

王理明,崔雙虎,邵瑞華,劉成國,侯 康

(1.西安工程大學 環境與化學工程學院,陜西 西安 710048;2.延安市生態環境局,陜西 延安 715700;3.中化學城市投資有限公司,陜西 西安 710054)

0 引 言

河流底泥是河流生態系統的重要組成部分,在氣候調節和維持生態平衡方面起著至關重要的作用[1]。隨著城鎮化、工業化的快速推進,污染物排放量增大,導致河流生態系統被破壞,河流底泥中重金屬污染是造成河流污染的主要因素之一[2-4]。重金屬污染具有富集性、潛在性、持續性和生物毒性,是環境科學和生態毒理學關注的焦點,也是環境治理的工作重點[5-7]。重金屬進入河流后富集于河流底泥中,成為河流二次污染的“源”和“匯”[8]。同時,重金屬通過水體底棲生物的代謝活動進入食物鏈,進而威脅人民的生命健康[9]。河流底泥重金屬污染評價方法主要有潛在生態風險指數法和地累積指數法[10-11],潛在生態風險指數法側重于重金屬的毒性和生態效應,既能反映某一種重金屬元素潛在的生態風險,又能反映某個采樣點整體的重金屬潛在生態風險,地累積指數法更加側重于地質背景的影響,而未考慮重金屬污染對生物的毒害性,將2種方法結合可準確地分析延河底泥重金屬的生態風險。

延安是中國革命圣地,延河屬于黃河流域陜西段的重要一級支流,承擔了延安防洪、排澇和納污等功能[12]。目前對延河底泥重金屬污染特征和生態風險評價方面的研究較少,為了落實黃河流域生態保護和高質量發展的國家重大戰略,助力延安“一河一策”的攻堅戰的勝利,本文分析延河9個采樣點的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As等8種重金屬含量的分布特征和和生態風險。

1 樣品采集與評價方法

1.1 樣品采集

2020年8—9月,根據延河地理位置特點和城市規劃,設置馬鞍橋(S1)、安塞(S2)、上李家灣(S3)、石窯村(S4)、朱家溝(S5)、甘谷驛(S6)、楊家灣(S7)、譚家河(S8)、閻家灘(S9)等9個采樣點。在各采樣點(2 m×2 m)的不同位置采集3個平行樣品,現場將3個平行樣品充分混勻為1個樣品,底泥樣品采集利用抓斗式采樣器采集表層0～10 cm的底泥,隔絕空氣密封于預清洗過的自封袋,低溫儲存運回實驗室。

1.2 樣品處理及測試

待底泥樣品完全風干后,利用瑪瑙研缽在振動研磨儀中磨碎,過100目尼龍篩。底泥樣品重金屬的測定方法見文獻[13],Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As在HCl-HNO3-HF-HClO4消解系統中消解,此過程保證了底泥樣品完全消解,并得到澄清的溶液。消解過程中采用GBW07304a水系沉積物和空白對照實驗進行質量控制,標樣測定結果均在標準值的誤差范圍內。使用ICAPQ-MS型電感耦合等離子體發射光譜(美國 Thermo Fisher Scientific 公司)測定樣品中重金屬含量。

1.3 評價方法

1.3.1 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法,由瑞典地球化學家Hakanson提出[14],引入潛在生態風險指數(IR)評價重金屬的污染情況。IR計算公式:

(1)

表1 Ei、IR與底泥中重金屬污染程度的關系

1.3.2 地累積指數法

地累積指數法是一種定量研究水環境中重金屬污染的評價方法[17],引入地累積指數(Igeo)評價底泥中的重金屬污染程度。Igeo計算公式:

Igeo=log2(Ci/kBi)

(2)

式中:Ci為底泥中第i中重金屬的含量,mg/kg;Bi為第i中重金屬的地球環境背景值;k為用于校正研究區域背景值差異,一般取1.5。Igeo與底泥中重金屬污染等級的關系見表2。

表2 Igeo和污染程度的關系

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2016進行數據預處理,通過Origin 2018軟件分析延河底泥中8種重金屬含量的分布特征和潛在生態風險,并通過IBM SPSS Statistics 26軟件分析延河底泥各重金屬元素含量之間的Pearson相關性,揭示各重金屬元素之間來源的相似性。

2 結果與討論

2.1 重金屬含量分布特征

延河底泥樣品重金屬含量的最大值、最小值、平均值和變異系數(CV)見表3。

表3 延河底泥樣品中重金屬含量的描述性統計

延河底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg等8種重金屬的含量全部低于GB 15618—2018農用地土壤污染風險管控中pH在6.5～7.5區間的農用地土壤篩選值,視為安全。延河底泥中重金屬Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd和Hg平均含量分別為124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,與陜西省土壤環境背景值相比,Ni、As、Zn的平均含量低于土壤環境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr和Cd等5種重金屬的平均含量分別高于環境背景值5.8、4.4、3.2、1.8和1.4倍,說明延河中的5種重金屬存在不同程度的污染。

變異系數可以用于衡量數據的離散程度[18],變異系數值越大,表示數據變異程度越高,當變異系數值大于0.20,表明人類活動是影響重金屬變化的關鍵驅動因素。延河底泥中Zn、Pb、Cd和Cr的變異系數均小于0.20,說明9個采樣點的Zn、Pb、Cd和Cr空間分布相對均勻;而Hg、As、Cu、Ni的變異系數大于0.20,說明這4種重金屬在延河中分布差異較大,可能與水動力條件和人為活動等因素有關[19]。

延河底泥的Cr、Ni、Pb、Cu、Cd、Zn、Hg和As含量分布特征如圖1所示。

(a) Cu、Zn含量變化 (b) Ni、As含量變化

從圖1可以看出,延河底泥的8種重金屬含量分布特征不同。其中Pb、Cr和Cu、Ni在空間分布上呈現相似規律,均出現了2個峰值;Cd含量較高,但總體變化規律較小;Zn含量在空間分布上表現出上游到中游遞增,下游波動較小的特征;As和Hg的含量總體上變化較大,無明顯規律?？傮w來看,延河底泥的8種重金屬分布特征呈現差異性,主要變化發生在河道“拐彎處”,因為“拐彎處”水動力減弱,重金屬沉積于底泥[20]。

2.2 潛在生態風險指數污染評價

延河底泥中重金屬的生態風險系數Ei如圖2所示。

圖2 延河底泥中重金屬(Ei)

從圖2可以看出,延河底泥Ei從大到小為Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As。其中EHg在100～400之間, S1和S5為很強的潛在生態風險, S8為極強潛在生態風險。這是因為3個采樣點居住人口較少,S1和S5采樣點水土流失現象嚴重,S8為延河下游河床暴露,土壤母質化學過程中釋放Hg元素。其次是ECd在20～60之間, S1、S3和S4為低污染風險,其余6個采樣點為中等潛在生態風險,該區域主要以居民和工業為主,采礦業和生活污水排放不合理。EPb在20～50之間,S6為中等污染等級,其余8個采樣點均為低污染。除EHg、ECd和EPb,延河底泥中Cu、Ni、Cr、Zn和As的Ei值均介于0～40之間,屬于低污染等級。

延河底泥中重金屬的潛在IR如圖3所示。

圖3 延河底泥中重金屬的潛在IR

從圖3可以看出,延河9個采樣點的IR介于206.67～434.87之間,平均值為303.14,中等生態風險和強生態風險分別占11.1%和88.9%。IR從高到低為S8>S1>S5>S7>S2>S3>S6>S9>S4。其中Hg對各采樣點的IR貢獻為44%～79%, Cd為9%～19%,Pb為6%～17%。從河流流向看,IR從上游到中游呈下降趨勢;中游到下游出現了2個峰值,在S8采樣點IR達到最大值434.87,接近很強的潛在生態危害。

2.3 地累積指數污染評價

底泥單一重金屬污染的Igeo如圖4所示。

圖4 底泥單一重金屬Igeo

從圖4可以看出,延河8種重金屬的Igeo順序為Pb>Hg>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As。根據Igeo分級標準:Ni、Zn和As的Igeo均小于0,屬于無污染;Cd的Igeo在-0.37～0.11之間,屬于無-輕度污染;Cr的Igeo為0.28,屬于輕度污染;Pb、Cu和Hg的Igeo分別為1.94、1.46、1.08,屬于偏中度污染。重金屬Hg的Igeo最大,整體為偏中度生態污染,其中S1和S8達到了中度生態污染狀態。重金屬Cu在不同采樣點的差異性較大,以輕-偏中度污染為主,在S3達到了中度污染。重金屬Pb在不同采樣點主要處于偏中度和中度污染水平。

2.4 重金屬含量相關性分析

通過分析底泥重金屬含量之間的相關系數,可以判斷不同金屬之間的來源,有顯著正相關性的重金屬則有相似的污染來源[21]。延河底泥中重金屬含量的Pearson相關性分析結果見表4。

表4 延河底泥中重金屬含量相關性分析

從表4可以看出,延河底泥重金屬Cr-Cd、Zn-Cr、Hg-Cd、Hg-Ni、Hg-Pb、Hg-Cu、Hg-Cr和Hg-Zn之間無顯著相關,說明這些重金屬元素兩兩之間來源不同;Cd-Ni的相關系數是0.767(p<0.05),呈顯著相關,說明Cd-Ni存在部分相似的來源。Ni-Cu相關系數為0.972(p<0.01),呈極顯著相關,說明Ni-Cu有高度相似的來源,且Ni、Cd、Cu之間存在相關性,即這3種重金屬具有一定的同源性或相同的地球化學過程。

由上可知,延河底泥主要存在Cd、Pb、Cu、Cr和Hg等5種重金屬污染。因為延河范圍內存在石料場、較密集的石油開采企業、熱力和水泥制造等行業,該類工業導致延河流域工業“三廢”的增加。轄區內的工業企業大部分排水處理后進入延河,造成延河底泥重金屬Cd、 Cr和Cu的污染;同時,延河也是延安市的主要交通要道,汽車尾氣的排放、汽車輪胎和引擎的磨損、化石燃料燃燒和潤滑油的泄露都會導致重金屬Pb的積累,最后通過降雨匯集于河道,導致底泥重金屬Pb污染。重金屬Hg在S1和S8污染等級高,主要流域內受表層土壤在暴雨徑流時的侵蝕、沖刷和石油行業污染[22]。因此,延河底泥重金屬污染主要來源于工業生產、道路交通和地質活動等。

3 結 論

1) 延河9個控制斷面底泥中Cr、Pb、Cu、Zn、Ni、As、Cd、Hg的平均含量分別為124.56、98.21、66.00、46.20、22.64、4.45、0.14、0.11 mg·kg-1,其中Ni、As和Zn低于陜西省環境背景值,Pb、Hg、Cu、Cr、Cd分別超過陜西省環境背景值4.4、3.2、1.8、1.4倍,整體處于較高污染水平。

2)IR結果表明,延河8種重金屬的Ei由大到小為Hg>Cd>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn>As;IR值介于206.67～434.87之間,平均值為303.14,中等生態風險和強生態風險分別為11.1%和88.9%。

3)Igeo結果表明,延河底泥重金屬的污染程度為Pb>Hg>Cu >Cr>Cd>Ni>Zn>As。其中Ni、Zn和As的Igeo均小于0,屬于無污染,Cd的Igeo在-0.37～0.11之間,屬于無-輕度污染,Cr的Igeo為0.28,屬于輕度污染,Hg、Cu和Pb的Igeo分別為1.46、1.08和1.94,屬于偏中度污染,說明延河底泥8種重金屬存在不同程度的污染。