嘉陵江下游表層沉積物重金屬污染評價

張 拓,陳芯怡,王浩然,張 逸,王 焱

(1.西華師范大學 環境科學與工程學院,四川 南充 637009;2.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所/農業農村部農業環境重點實驗室,北京 100081)

嘉陵江是長江支流中流域面積最大,長度及流量都較大的河流。嘉陵江下游流域因地形結構復雜、氣候類型多樣、人類活動等因素的影響導致水土流失現象十分嚴重[1]。嘉陵江流域泥沙含量大,水土流失使得泥沙在水中形成大量沉積物,同時將土壤中重金屬污染物攜帶進入水系,水體中的重金屬也以各種形態被顆粒物吸附緩慢沉降至沉積物中,最終被沉積物吸附儲存[2-4]。重金屬在土壤和沉積物中具有殘留時間長、隱蔽性強、毒性大、自凈能力差、風險積累時間長[5]以及不能被微生物降解等特點[6],易在底棲動植物體內富集,通過食物鏈轉移進入捕食者或人體內,最終危害人體健康[7]。

賈英等[8]評估了蘇州河、黃浦江(上海段)沉積物中重金屬的污染等級,指出其污染來源主要包括工業廢水的排放、農藥化肥的生產和使用以及交通污染等。嘉陵江中上游地區有大量重金屬(Zn、Cu、Pb、Cd)礦區,廣泛分布在陜西漢中和四川廣元境內[9]。在開采過程中,大量的重金屬由地表向嘉陵江水體中遷移并在沉積物中呈現出累積的趨勢[10]。薛喜成和劉剛[11]在研究中指出,嘉陵江上游重金屬污染達中等級別,中游重金屬污染達強污染。中上游的重金屬會大量在沉積物中累積,并隨著表層沉積物和江水移動逐漸向下游遷移,近年來對嘉陵江中下游流域也產生了一定的影響。

目前關于嘉陵江完整的下游沉積物中重金屬累積現狀的調查和風險評價工作仍然較少,且南充到重慶段的下游區域最終在重慶匯流入長江,此段流域水質狀況將會直接影響長江干流流域生態環境安全。本研究通過采集嘉陵江下游流域南充—重慶段表層沉積物樣品,分析研究區重金屬在沉積物中的含量及分布特征,對表層沉積物進行污染風險評價,并對重金屬的污染來源進行分析,以期為長江干流流域水體中重金屬污染的風險管控和修復治理提供一定的理論依據,有利于保障長江流域地區的生態平衡。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本次研究區域為嘉陵江南充—重慶段,主要流經南充市、廣安市及重慶市。該流域屬亞熱帶季風性氣候,年均降雨量超過1 000 mm,在該段下游區域有西河、渠江和涪江等多條支流匯入。南充市和重慶市均是川渝地區人口規模較大的城市,人口較為密集,近年來沿岸居民區和工礦地區的聚集,在一定程度上影響了嘉陵江下游地區的生態環境。

1.2 樣品采集

先在衛星地圖上選取采樣點位并且用ArcGIS繪圖,共設8個點位,包括小型村莊、無人居住原始生態區域、金屬冶煉廠附近及支流匯流處的人口密集地區。大約在干流中每隔10～15 km設1個采樣點,以丁家溝為起點(S1),沿嘉陵江向下游采集沉積物,依次為巖口灣(S2)、涼亭子(S3)、鄧家寨(S4)、鏨壩(S5)、犁頭村(S6)、牛頸村(S7),直至劉文學墓園附近(S8),點位如圖1所示。采樣時間為2021年1月,使用抓斗式重力采泥器采集表層沉積物樣品,采取深度為0～5 cm表層沉積物,其中每個采樣點間隔50 m設置3個平行采樣點,采集表層沉積物進行混合后,編號裝入聚乙烯自封袋內并密封好后帶回實驗室。

1.3 樣品處理與分析方法

將樣品放置到培養皿中,烘箱40 ℃烘干后取出,將其壓散,剔除沉積物中的礫石、動植物殘體等雜質,研磨后過100目篩,裝于聚乙烯自封袋中,在陰涼干燥處密封保存備用[12]。通過王水消解法浸提沉積物中重金屬,定容后使用電感耦合質譜儀(Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS)對Zn、Cu、Pb和Cd元素進行測定,利用原子熒光光譜儀(Atomic Fluorescence Spectrometer,AFS)對Hg元素進行測定。

1.3.1 地累積指數法

表1 重金屬污染級別

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環境質量指數[16],其表達式如下:

式中,ci為該位點重金屬含量;Si為地球化學背景下重金屬含量,根據Pn值可將污染分為安全(≤0.7)、警戒(0.73.0)共5個等級。

1.4 數據處理

利用Excel 2016進行數據統計與分析,運用ArcGIS繪制采樣點的分布圖,采用SPSS 23.0進行相關性分析及Origin 2020繪圖。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量及其空間分布特征

嘉陵江下游流域表層沉積物5種重金屬元素含量如表2所示,8個點位中5種重金屬元素的含量平均值均超過背景值,其中Cd含量平均值達到背景值6.5倍,Hg和Zn含量平均值分別是背景值2和1.57倍。所有采樣點位的Cd、Hg、Zn元素均超過背景值,僅S3與S6點位的Pb元素未超過背景值,Cu元素超過沉積物背景值點位有4個。綜合來看,嘉陵江下游采樣點位的Cd元素嚴重超標,Zn、Hg、Pb污染情況較為明顯,與張伯鎮等[17]對重慶主城區的19條河流表層沉積物重金屬研究中得出的Cd元素可能是嘉陵江下游的主要重金屬污染物結果較為一致。

表2 各點位沉積物重金屬含量

變異系數根據區域重金屬分布的變異程度來判斷人類活動對沉積物中重金屬的擾動情況[18]。表2中所有重金屬的變異系數范圍為0.19～0.39,屬于中等程度變異,空間分布較為均勻,離散性較小。其中Hg的變異系數較大,說明Hg元素受到人為活動干擾可能性較大。

Pearson相關性分析可以探討各種金屬元素之間是否具有相同來源或存在相同沉積分布特征[19]。相關性結果如表3所示:Zn與Hg、Cd呈極顯著正相關(P<0.01),Pb與Hg呈極顯著正相關(P<0.01),Cu與Zn、Zn與Pb、Cd與Hg呈顯著相關(P<0.05)。

表3 Pearson相關性分析結果

上述結果表明,嘉陵江下游Cd和Cu的來源可能與Zn礦的開采有關,而Pb礦的開采可能是Hg元素進入沉積物形成伴隨污染的主要原因。采樣區域存在諸多人為活動區域,且由于嘉陵江上游位于秦嶺北麓鳳縣,該地蘊含儲量豐富的鉛鋅礦,且鉛鋅礦為多金屬礦床,共生、伴生礦床多,因此礦石中還伴有Cu、Cd、Hg、Cr等重金屬元素。近幾年來,鳳縣一帶采礦場分布增多,所以隨著嘉陵江上游采礦活動頻繁,冶煉廠排放煙塵的過程中產生大量的Pb、Cd、Zn[20],沉積在土壤和水體中,導致下游水域受到相應污染影響。因此,下游流域除去本身的重金屬輸入外,近年來可能也受到了上游礦區開采的影響,Hg和Cd在沉積物中逐漸累積,最終遷移至下游地區,在下游形成富集。

2.2 地累積指數法評價

地累積指數結果如表4所示:采樣點沉積物重金屬的污染程度依次為Cd>Hg>Zn>Pb>Cu。其中Cd的Igeo范圍為1.60～2.85,屬于中度-重度污染水平,Hg、Zn的Igeo平均值均小于1,屬未污染-中度污染。劉杰和陳少波[21]對漢中嘉陵江流域的幾種重金屬污染程度的評價結果顯示,Cd存在極強的潛在生態風險,Pb在橫現河斷面達到中等潛在風險。羅財紅等[22]對嘉陵江下游重慶地區沉積物中的重金屬含量利用地累積指數法分析發現,Hg和Cd是風險值最高的兩種重金屬污染物,這與本研究結果基本保持一致,結合含量及相關性分析結果進一步說明研究區域沉積物的重金屬污染受到人類活動的影響,對環境產生危害風險。因此,應當重視并加強對區域環境Cd污染的監測,對于已污染地區,采取針對Cd污染的治理措施,控制污染范圍,并對中度污染地區加強保護,避免污染加重。

2.3 內梅羅綜合污染指數法評價

內梅羅綜合污染指數法評價結果如表5所示:研究區沉積物重金屬污染等級與地累積指數法評估結果完全一致,依次為Cd>Hg>Zn>Pb>Cu。不同重金屬在不同點位的濃度含量雖不同,但總體看Cd是研究區域污染最為嚴重的重金屬,Hg和Zn的污染等級達到中度。該結果與上游某鉛鋅冶煉區土壤重金屬污染的內梅羅綜合污染指數法分析的結果基本一致[23]。我國煤層中Cd含量常常較高[24],在南充和重慶兩市的主要能源來源于煤炭,且在南充段上游的廣元市有大量的煤礦開采區。本研究中Hg與Cd呈現出極顯著的關系,這表明煤礦開采和燃煤過程中常伴隨著大量的Hg和Cd等元素向環境中同步釋放,通過大氣沉降和地表徑流進入流域,使得沉積物中Cd和Hg含量升高[25]。因此,當地有關部門需要高度重視,應加強對于工業污水和農村生活污水向嘉陵江流域排放的管控。

3 結 語

本研究利用了地累積指數法、內梅羅綜合污染指數法及相關性分析對嘉陵江下游流域沉積物中重金屬污染風險和可能產生的環境危害進行評價,結果表明Cd和Hg是此段流域中具有較高風險的重金屬元素,考慮到不同評價方法在沉積物中重金屬評價可能存在的片面性,接下來對于該流域的研究將結合微觀層面揭示重金屬的重點污染區域,對于垂直剖面重金屬分布進行進一步風險評價,進而研究其在沉積物種中遷移釋放的規律,揭示重金屬元素在沉積物中二次釋放機理及其控制因素。本研究為重金屬二次污染及治理提供一定的理論支撐,對于保護嘉陵江流域生態系統及水資源安全具有重要現實意義。