桂東南典型流域表層沉積物重金屬分布特征、來源及風險評價

摘要：研究桂東南流域表層沉積物重金屬分布特征和來源，評價其潛在風險，為西南地區礦區流域水體重金屬污染防控與治理提供科學指導。以西江流域支流——義昌河流域為研究對象，采集不同季節流域干支流表層沉積物樣品，分析7種重金屬（Cu、Pb、Zn、Ni、Mn、Cr、Cd）含量的時空分布特征和來源，采用地累積指數法和潛在生態風險指數法協同評估重金屬積累的潛在風險。結果表明，沉積物重金屬平均含量，Cu、Pb、Ni、Cr在秋季最高，Cd、Zn在夏季最高，Mn在春季最高；Pb、Zn、Cd含量上游gt;下游gt;中游，而Cu、Cr、Mn含量下游 gt; 中游gt;上游。相關性分析表明，Pb、Zn、Cd之間以及Cu、Ni之間具有相同來源，受地質背景和人類活動影響較大。地累積指數評價表明，Cd為中度污染，Mn為偏中度污染，其余重金屬為輕度或無污染；潛在生態風險指數評價進一步表明，Cd是最主要的生態風險貢獻因子，危害程度為高風險，其余重金屬危害程度均為輕微。

關鍵詞：表層沉積物；重金屬；分布特征；風險評價；桂東南流域

中圖分類號：X522" " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）02-0160-11

水體中重金屬污染，尤其是有毒重金屬污染，是我國當前備受關注的焦點環境問題，因其污染范圍廣、毒害性大而備受重視（朱愛萍等，2015；何世季等，2023）。礦區是水體重金屬的重要來源，在開采、洗選、冶煉和加工過程中產生大量尾礦（李海東等，2015）。受降雨影響，尾礦中富集的重金屬會在水土流失驅動下遷移，通過徑流和泥沙進入礦區周邊流域水體（周凌峰等，2019）。流域內土壤重金屬遷移以泥沙結合態為主，進入水體后主要積累在表層沉積物中（Truchet et al，2021）。由于沉積物-水界面環境條件變化及生物作用等因素，重金屬會再度釋放。因而沉積物是水環境中重金屬的二次來源和匯（Pejman et al，2015），其中的重金屬含量與種類是水環境質量的重要指標，對表層沉積物中重金屬污染的研究顯得尤為重要（王嵐等，2012；鄭煌等，2016）。近年來，關于水環境中沉積物重金屬來源分析的研究證實，尾礦開采和水土流失會導致流域尺度下土壤重金屬從坡面遷移至河流水體，致使重金屬污染范圍擴大（朱先芳等，2010；陳三雄等，2019）。然而，這些研究大多僅從時間或空間尺度探討河流沉積物重金屬的分布特征及污染風險，較少結合流域土壤、水文氣候因子系統分析河流水體中沉積物重金屬的時空變化特征及其主要驅動因素（寧增平等，2017；盧洪斌等，2024；韓雙寶等，2024）。而流域水文因素和土壤自身理化性質對重金屬的含量分布也有著重要影響。例如，有研究表明沉積物中重金屬濃度與河流水深以及流速之間存在正相關關系（Ali et al，2016；Proshad et al，2019），沉積物粒度、pH值、有機質含量等會影響沉積物重金屬的遷移及分布（Mohamed et al，2010；Kang et al，2017；Wang et al，2021）。

義昌河是西江流域水系的二級支流，橫跨廣東、廣西兩省區，是梧州市最重要的水源地和工農業用水地。此外，該流域是全國最大的花崗巖生產基地之一，沿岸分布著稀土礦、鉛鋅礦等礦區。前期學者對西江流域不同相態（溶解態、沉積物）重金屬的濃度、來源和風險進行了初步調查，結果表明流域表層沉積物中的重金屬分布受到了一定程度的人類活動影響（寧增平等，2017；黃宏偉等，2021）。目前圍繞西江流域水系重金屬的相關研究主要集中在空間分布特征及污染評價上，但由于河流系統沉積物重金屬受水文氣候、人類活動影響較大，單次采樣結果往往缺乏代表性和典型性。尚缺乏時空尺度的系統分析，這將阻礙對流域重金屬動態分布趨勢的系統剖析以及防控風險措施的精準制定。

本文以桂東南（梧州）西江流域二級支流——義昌河為研究對象，通過在不同季節和空間位置對河流表層沉積物進行系統采集，分析沉積物中重金屬的濃度、時空分布特征及影響重金屬含量變化的因素，并采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對沉積物重金屬污染進行風險評估，以期為西江水環境保護研究和污染防控提供科學依據和必要的數據支撐。

1" "材料與方法

1.1" "研究區概況

義昌河是北流河的一級支流，該流域以東南云開大山北麓為界并與廣東羅定市嘉益鎮源頭相接，東北部與廣西蒼梧縣相鄰；一源發端于岑溪市境大隆鎮旺坡村上石龜，另一源發端于廣東羅定市嘉益鎮塘面頂。干、支流總長329 km，河網密度0.185 km/km2。流域地勢東南向西北傾斜。流域屬南亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫約21.3 ℃。流域年降水量受地貌影響變化較大，由東南向西北遞減，以降暴雨、大暴雨為主。全流域多年平均降水量1 451.4 mm。流域的土壤母質有花崗巖、砂頁巖、紫色砂頁巖、第四紀紅土、河流沖積物、洪積物6種，其中由花崗巖風化形成的土壤占較大比重。受水文地質背景和人類活動影響，義昌河流域地質結構差，質地松散，山高坡陡，暴雨時易造成大量水土流失，進而導致流域內大量土壤隨徑流向河道遷移并沉積。流域內主要礦區、工業區分布如圖1。礦區種類主要有稀土礦、鉛鋅礦、鐵礦、鈦礦等；工業產業以紡織、化工、金屬加工、肥料制造為主。

1.2" "樣品采集與保存

2023年3月和4月采集了流域內草地、礦區、林地、建設用地、工業用地、農田和耕地7種土地利用類型下的土壤樣品，對其理化性質和重金屬含量進行了檢測：研究區土壤pH為4.21～6.65，呈酸性；不同土地利用類型下的土壤含水率為15.15%～49.80%；陽離子交換量為4.17～10.60 cmol/kg。農田、耕地、草地的土壤粒徑組成以粉粒、砂粒為主，建設用地、工業園區、礦區以及林地的土壤粒徑組成以黏粒、粉粒為主。不同土地利用類型下的重金屬含量有所差異，其中以耕地的富集程度最高，農田次之，所有地類中均存在不同程度的重金屬污染，且以Cd污染最為嚴重。

于2023年春（3月）、夏（6月）、秋（9月）、冬（12月）4個季節進行表層沉積物樣品采集。根據流域水文站點設置、工業農業區、重金屬礦區等分布特點，沿義昌河上游到下游共設置5個采樣點，以GPS記錄樣品采集的位置和坐標，具體采樣點位如圖1。S1為義昌河上游，S2、S3為中游，S4、S5為下游，S1、S3位于義昌河支流，S2、S4為支流匯入點，流域上游到中游有較多工礦企業，下游以耕地和住宅用地為主。使用塑料鏟采集河流表層（0～10 cm）沉積物樣品，采集過程盡量避免砂質混入，每個樣點采集3份（1～2 kg）。采集后裝入聚乙烯樣品袋中，密封袋口，置于存有冰塊的恒溫箱中保存，運回實驗室后立即進行相應的預處理和后續的指標測試。

1.3" "樣品分析

沉積物樣品經過自然風干后去除雜質，取出一部分過10目篩用于沉積物pH、粒徑等理化性質的測定；其余樣品研磨過100目篩用于沉積物重金屬的測定。pH采用HI 3221 pH計測定（土∶水=1 g∶2.5 mL），粒徑組成采用激光粒度分析儀（MS 3000）測定，陽離子交換量（CEC）采用超聲浸提-分光光度法測定，有機質含量（OM）采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定。沉積物經過四酸法（HNO3+HF+HClO4+HCl）消解后，采用電感耦合等離子體法對Cu、Pb、Zn、Ni、Mn、Cr的含量進行測定；采用火焰原子吸收分光光度法進行Cd含量的測定。實驗前后將所用的消解管在酸缸中浸泡24 h，實驗過程中的質量控制顯示，各元素的回收率為88%～110%。所有樣品均做3次平行測試，最后結果取平均值，3次分析結果的誤差范圍lt;10%。

1.4" "沉積物重金屬污染評價

1.4.1" "地累積指數法" "地累積指數是研究重金屬污染程度的定量指標，是沉積物污染評價中廣泛使用的一種方法，主要考慮重金屬污染的人為因素、環境的地球化學背景值和自然成巖引起背景值變化的因素（Müller，1969），能直觀反映外源性重金屬在土壤或沉積物中的富集程度。其計算方法如下：

[Igeo=log2Cik×Bi]" " " " " ①

式中：[Ci]為被測重金屬i的含量（mg/kg）；[Bi]為被測重金屬i的環境背景值（mg/kg），本研究中采用廣西土壤環境背景值（中國環境監測總站，1990）作為參考值；k為考慮到成巖作用可能會引起重金屬背景值的變動而取的系數，一般取1.5。地累積指數法Igeo的污染級別劃分標準見表1。

1.4.2" "潛在生態風險指數法" "潛在生態風險指數（risk index，RI）法是評估沉積物重金屬風險常用的方法之一。該方法既能評價沉積物中的污染狀況，又能將生態環境效應與毒理學相結合，對單一金屬污染風險和多金屬復合污染風險的評估都能夠適用（Hakanson，1980）。其計算公式如下：

[RI=i=1mEir=i=1mTir×Cir=i=1mTir×Ci0Bin]" " "②

式中：RI為多因子綜合潛在生態風險；[Eir]為單一金屬的潛在生態風險；[Tir]為給定重金屬的毒性響應系數，Cu、Pb、Zn、Ni、Mn、Cr、Cd的毒性響應系數分別為5、5、1、5、1、2、30；[Cir]為重金屬i的污染參數；[Ci0]為重金屬i的實測含量；[Bin]為重金屬i的的環境背景值，本研究采用廣西土壤各元素背景值（中國環境監測總站，1990）作為參考值。潛在生態風險指數劃分標準見表2。

1.5" "數據分析

使用ArcGIS 10.2制作研究區域采樣點分布圖。針對研究區沉積物中重金屬的時空分布特征，采用Excel 2016進行數據統計分析，用Origin pro 2021作圖，采用單因素方差分析（ANOVA）檢驗沉積物重金屬和理化因子之間的差異顯著性。采用SPSS 26.0進行Pearson相關性分析和系統聚類分析，以探究義昌河流域表層沉積物重金屬的相關性和可能來源。

2" "結果與分析

2.1" "表層沉積物重金屬時空分布特征

義昌河4個季節表層沉積物含量統計見表3。沉積物中重金屬含量均值和背景值相比，超標倍數由高到低依次為Cdgt;Mngt;Pbgt;Zngt;Nigt;Cugt;Cr。其中Zn、Pb、Mn、Ni、Cd平均值均超過廣西土壤環境背景值，Cu在秋季和冬季平均值超過背景值，Cr在夏季、秋季和冬季平均值略超過背景值。全年均值以Mn和Zn的含量較高，平均值分別為807.11 mg/kg和148.37 mg/kg，為廣西背景值的3.7和2.9倍。Cd以夏季含量最高，為背景值的9.8倍；Pb以秋季含量最高，為背景值的3.3倍。根據變異系數值，以冬季Cd的變異系數最大，達到了0.64；Pb在4個季度下均保持較高的變異系數，為0.41～0.53。與其他河流相比，義昌河的Pb、Cr、Ni含量均處于較高水平，Cu含量處于較低水平（表4）。

各點位沉積物重金屬元素空間分布特征見圖2。Pb、Zn、Cd的空間分布特征較為相似，從S1到S5呈“U”形分布，其含量平均值均在S1點位獲得最大值，分別為109.89、162.24、0.93 mg/kg。Cu和Cr的空間分布特征較為相似，在S1點位含量相對較低，其余點位的含量差異不大，在小范圍內波動。與其他重金屬在S3的含量較低不同，Mn在S3點位含量較高，在S2點位含量最低。Ni的含量在各點位間差異不大（Pgt;0.05）。

2.2" "表層沉積物重金屬來源解析

2.2.1" "重金屬及其與理化因子的相關性" "通過Pearson相關性分析對沉積物重金屬含量變化的影響因素分析發現（圖3），OM和重金屬Cu、Cr、Zn均表現出中度的相關性（r=0.51～0.61）。大部分重金屬與砂粒、黏粒呈現負相關性，與粉粒呈現正相關性，而Mn與黏粒之間表現出正相關（r=0.58），Cd與粒徑組成的相關性均不明顯。CEC也和重金屬存在正相關，CEC和Cu、Pb、Zn、Mn、Cr的相關性為0.37～0.5，說明其在一定程度上也能夠促進沉積物重金屬的富集。

7種重金屬元素之間相關性存在差異，其中Ni與Cu之間呈顯著正相關（Plt;0.01，r=0.731），Zn、Cd和Pb在P=0.01水平上存在顯著相關性，說明這些元素可能在運輸-積累機制和來源上相似。Cu、Ni、Cr和Cd之間呈現負相關關系，說明Cu、Ni、Cr和Cd不太可能具有相同來源。

2.2.2" "層次聚類" "采用層次聚類分析進一步解析義昌河沉積物中重金屬來源，結果見圖4。可以將重金屬分為3類，第1類是Cu、Ni、Cr，第2類是Zn、Pb、Cd，第3類是Mn。再進一步細分，Cu和Ni是一組，Zn和Cd是一組，與上文中Pearson相關性分析的研究結果一致。

2.3" "表層沉積物重金屬生態風險評價

2.3.1" "地累積指數法評價" "義昌河沉積物重金屬地累積指數如圖5、圖6。地累積指數平均值由大到小依次為：Cdgt;Mngt;Zngt;Pbgt;Nigt;Cugt;Cr。從季節尺度看，Cd在不同季節均處于中度污染，污染程度最高，Mn在四季均處于偏中度污染，Cu僅在秋季有輕度污染，Cr在4個季節下均沒有污染。整體而言，秋季的重金屬污染程度是最高的，這與重金屬含量均值在秋季最高的結果一致。從空間尺度看，義昌河沉積物重金屬上游污染水平高于下游和中游。Cd在S1、S2、S4、S5均屬于中度污染，在S3中處于偏中度污染。Mn在S2處于輕度污染，在S1、S3、S4、S5處于偏中度污染。Zn在S1、S2、S3處于輕度污染，在S4、S5處于偏中度污染。Pb在S3、S4、S5屬于輕度污染，在S1處于偏中度污染。Ni在S1、S2為輕度污染，而Cu和Cr在所有點位均沒有污染。

2.3.2" "潛在生態風險指數法評價" "重金屬潛在生態風險指數見圖7。從季節尺度來看，綜合潛在生態風險程度表現為春季和夏季（高風險）要高于秋季和冬季（中風險），以夏季最高。義昌河表層沉積物中7種重金屬的[Eir]平均值順序為：Cdgt;Pbgt;Nigt;Cugt;Mngt;Zngt;Cr，Cd的[Eir]平均值為246～297，在不同季節條件下，其單項潛在生態風險指數均為高度風險，以夏季最高。其余重金屬的[Eir]平均值均小于40，具有輕度潛在生態風險。綜合生態風險指數表明，Cd是最主要的生態風險貢獻因子，貢獻了生態風險指數的72.33%～94.40%。從空間尺度來看，S1綜合生態風險等級最高，其次是S2。Cd、Pb在S1的[Eir]顯著高于其他點位，且都在S3獲得最低的[Eir]，其余元素的[Eir]在各采樣點相差不大。從不同時期不同采樣點的重金屬污染風險情況來看，Cd是義昌河沉積物潛在風險指數的主要貢獻重金屬元素，且流域上游污染最為嚴重。

3" "討論

3.1" "表層沉積物重金屬分布來源解析

空間分布上看，義昌河沉積物重金屬Zn、Pb、Cd的含量在S1最高，且Pb、Cd擁有較高的變異系數。這可能是由于S1附近分布著較多的金屬礦山，有色金屬礦山大多以鉛鋅礦為主。礦山開采過程中產生的礦渣、粉塵和廢水含有大量Pb、Zn元素，而Cd作為鉛鋅礦開采的主要伴生物（王學禮等，2010），未經妥善治理的尾礦會因水土流失進入水體和周邊土壤，致使Zn、Pb、Cd在S1處含量較高（張蒙等，2022）。Zn、Cd和Pb之間存在較高的相關性，表明人類活動對沉積物中重金屬的影響較大（王喬林等，2021）。Cu和Cr的含量在S2最高，這與S2位于城鎮中心，生活生產活動密集有較大關聯。有研究表明，工業生產、農業活動等是Cu、Cr等重金屬的重要來源（Xia et al，2018；Rezapour et al，2022）。Mn在下游的含量也比較高，這或許與S3下游附近分布有鐵礦有關，因為鐵礦床作為大宗金屬礦產會伴生錳元素，鐵礦的開采導致錳遷移進入流域下游，進而使其在表層沉積物中的含量升高（楊志爽等，2024），這也印證了前文聚類分析的結果，表明Mn具有單獨來源。Ni的變異系數不高，且具有較低的潛在生態風險，推測可能起源于地質背景母質來源（楊清可等，2024）。相關性分析表明，Cu與Ni具有相同來源，這說明Cu的一部分來源代表自然背景因素。

從時間上看，除Mn以外，其余重金屬在夏、秋兩季的含量高于春、冬兩季，推測與夏、秋季農業活動頻繁有關。研究區7種土地利用方式下土壤重金屬含量測定的結果表明，農田和耕地中顯著富集重金屬Cd、Cr、Pb、Zn、Cu等，這是因為施用的肥料、農藥中含有這些重金屬元素，隨著農業生產的持續推進，農田和耕地中重金屬污染加劇（陳雅麗等，2019）。而流域夏、秋季多發暴雨，暴雨易沖刷土壤，導致水土流失嚴重，原本富集在土壤中的重金屬隨降雨遷移擴散至流域水體中，最終使得表層沉積物中重金屬濃度顯著升高。河流流量、流速與沉積物重金屬濃度之間存在正相關關系（Rezapour et al，2022；Ali et al，2016），本研究中秋季流量顯著大于其他季節（Plt;0.05），流速也比較大，說明在較大的徑流作用下，沿岸懸浮泥沙及污染物隨之被帶入河道，使得表層沉積物重金屬快速富集。

3.2" "沉積物理化性質對重金屬含量的影響

河流表層沉積物重金屬的含量變化不僅受自然、人為因素影響，還和自身理化性質密切相關（Suresh et al，2015）。粒徑是影響顆粒態重金屬元素含量的重要因素之一，大部分重金屬與砂粒、黏粒呈現負相關性，與粉粒呈現正相關性。這可能是因為在一定的粒徑范圍內，粒度變細，沉積物顆粒的總表面積隨之增加，對重金屬的吸附作用增強。超過這個范圍后，顆粒間的凝聚力增大，吸附作用減弱（陳忠等，2002）。OM和重金屬之間的正相關性，說明義昌河表層沉積物有機質含量在一定程度上能反映沉積物中重金屬含量的多少。有機質可以通過吸附、離子交換、絡合等作用與重金屬發生一系列化學反應，進而對重金屬的遷移能力產生影響（唐文忠等，2015）。而pH和重金屬之間的相關性不顯著，這可能是因為表層沉積物重金屬的人為來源影響了重金屬元素和pH之間的內在關系，使得兩者之間的相關性不明顯（王洪濤等，2016）。

3.3" "沉積物重金屬污染影響及治理對策

義昌河流域表層沉積物重金屬污染以Cd元素最突出，潛在生態風險也最為嚴重。一方面，早期的礦業活動對其有著顯著的影響；另一方面，Cd作為工業和農業活動的主要金屬，廣泛存在于工業廢水、燃料燃燒、交通排放、化肥及農藥中。加之流域土壤pH偏酸性，土壤Cd的遷移能力較強，導致其在表層沉積物中大量累積（汪鵬等，2018；Rani et al，2021）。因此對于義昌河流域Cd污染問題，可以通過在Cd污染土壤種植富集Cd的植物、添加鈍化劑（如生物炭、石灰等）進行修復（韋朝陽和陳同斌，2001；李劍睿等，2014）；農業活動中銨態氮肥的長期過量施用會導致土壤酸化，應科學合理施用肥料，減少含Cd肥料的施用（汪鵬等，2018）。另外，對于污染嚴重的上游區域，應加強對工業園區污水排放口的監測，同時關注流域其他工業、企業的排污問題，確保水環境管理的常態化、系統化，進而保障水生生態系統的健康和城市的可持續發展。

4" "結論

（1） 義昌河表層沉積物7種重金屬中，除Cu、Cr外，其余重金屬的含量平均值在4個季度下均超過了廣西土壤背景值；大部分重金屬在夏、秋季含量高于春、冬季，空間整體呈現為上游gt;下游gt;中游的特征。

（2） 地累積指數法評價顯示Cd為中度污染，Mn為偏中度污染，其余重金屬為無污染或輕度污染。潛在生態風險指數法評價顯示生態風險程度夏季gt;春季gt;冬季=秋季，主要環境風險因子是Cd，其次是Pb。

（3） 義昌河流域表層沉積物以重金屬Cd污染為主，且受氣候變化和采礦冶煉工業、工農業活動等人類活動影響較大。

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（責任編輯" "鄭金秀）

Spatio-temporal Distribution， Sources and Risk of Heavy Metals in the Surface Sediments of Typical Watersheds in Southeastern Guangxi Province

LI Ping1， LIU Chun2， ZHANG Lijie3， LIU Zhaoling4， ZHANG Yuheng2，FAN Guanghui3， ZHU Yingjie4， ZUO Yue4

（1. School of Environment and Climate， Jinan University， Guangzhou" "510632， P.R. China;

2. School of Life Science and Technology， Jinan University， Guangzhou" "510632， P.R. China;

3. School of Mechanical and Resource Engineering， Wuzhou University， Wuzhou" "543002， P.R. China;

4. Wuzhou Hydrological Center， Wuzhou" "543000， P.R. China）

Abstract：Soil and water losses in mining areas result in the migration of heavy metals to neighboring soils and water bodies， expanding the scope of heavy metal pollution. In this study， the Yichang River， a tributary of Xijiang River in southeastern" （Wuzhou City） Guangxi Province， was selected for research， and we analyzed" the spatial and temporal distribution of seven heavy metals （Cu， Pb， Zn， Ni， Mn， Cr， and Cd） in surface sediments of the Yichang River. We then assessed the potential risk of heavy metal accumulation using the geo-accumulation index and the potential ecological risk index. Seasonal surface sediment samples were collected for determination of the seven heavy metals in March， June， September and December of 2023， at five sampling sites along the Yichang River （S1： upstream of the Yichang River; S2-S3， middle of the Yichang River; S4-S5， downstream of the Yichang River）. The mean heavy metal concentrations exceeded soil background values except for Cu and Cr. The mean sediment concentrations of Cu， Pb， Ni and Cr were highest in autumn， those of Cd and Zn in summer， and that of Mn in spring. Spatially， the sediment concentrations of Pb， Zn and Cd were in the order of upstream gt; downstream gt; midstream， while those of Cu， Cr and Mn were downstream gt; midstream gt; upstream. Correlation analysis indicates that Pb， Zn and Cd had the same sources as Cu and Ni， influenced by geological background and human activities. The geo-accumulation index shows that Cd pollution was moderate in all seasons， Mn pollution was near-moderate in all seasons， and pollutant levels for the remaining heavy metals were either mild or not polluted. Spatially， heavy metal pollution was higher upstream than that in the lower and middle reaches. The potential ecological risk indices indicate that Cd posed the highest ecological risk， with an ecological risk index of 246-297 and contributing 72.33%-94.40% of the total ecological risk. The risk posed by the remaining heavy metals was slight. This study provides scientific guidance for the prevention， control and management of heavy metal pollution in the mining watersheds of southwest China.

Key words：surface sediments; heavy metals; pollutant distribution; risk evaluation; southeastern Guangxi Province

基金項目：廣西自然科學基金（2022GXNSFDA080009）；國家自然科學基金（42007049）。

作者簡介：李萍，1999年生，女，碩士研究生，主要從事河流水文過程與重金屬遷移轉化研究。E-mail：20230420@stu2022.jnu.edu.cn

通信作者：劉春，1987年生，男，博士，副教授，主要從事水土過程與物質循環研究。E-mail：cliu87@jnu.edu.cn