湘江岳陽段沉積物重金屬污染特征及其初步生態(tài)風(fēng)險評估

曾祥英, 王 晨,2, 于志強*, 秦延文, 張 雷,盛國英, 傅家謨

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湘江岳陽段沉積物重金屬污染特征及其初步生態(tài)風(fēng)險評估

曾祥英1, 王 晨1,2, 于志強1*, 秦延文3, 張 雷3,盛國英1, 傅家謨1

(1. 有機地球化學(xué)國家重點實驗室, 廣東省環(huán)境資源利用與保護重點實驗室, 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 廣東 廣州 510640; 2.中國科學(xué)院 研究生院, 北京 100049; 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院 河流與海岸帶環(huán)境創(chuàng)新基地, 北京 100012)

分析了湘江岳陽段表層沉積物樣品中10種典型重金屬元素(Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Tl、V、Mn、Co和Ni)的含量水平和分布規(guī)律, 并采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法, 初步評價了沉積物中重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險。研究結(jié)果表明: (1)湘江岳陽段沉積物中重金屬Cd、Zn、Mn和Cu等污染較為嚴(yán)重, 其含量范圍分別為8.56~19.4 mg/kg、250~367 mg/kg、1489~2258 mg/kg和40.5~64.7 mg/kg; (2)研究區(qū)域中多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)()為369~698, 表明研究區(qū)域沉積物重金屬污染導(dǎo)致的潛在生態(tài)風(fēng)險高, 且主要風(fēng)險污染物為Cd和Tl; (3)湘江岳陽段沉積物呈現(xiàn)出以Cd為主的多種重金屬復(fù)合污染特征。

重金屬; 沉積物; 湘江岳陽段; 地累積指數(shù); 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

0 引 言

湘江是長江中游的重要支流之一, 發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)靈川縣, 流經(jīng)廣西和湖南兩省區(qū)后, 從岳陽市湘陰縣入洞庭湖。湘江干流全長856 km, 其中湖南省境內(nèi)干流長670 km, 流域面積為85383 km2,沿途接納大小支流1300多條。湖南省是我國著名的“有色金屬之鄉(xiāng)”, 大部分有色金屬的開采和冶煉均集中在湘江流域。作為納污水體, 湘江接納了沿岸大量的工業(yè)廢水, 廢水中有毒重金屬Cu、Hg、Cd和Pb等超標(biāo)異常嚴(yán)重[1]。自20世紀(jì)70年代起湘江已經(jīng)成為我國重金屬污染嚴(yán)重的河流之一。值得注意的是, 湘江同時也是流域內(nèi)居民主要的飲用水源以及工農(nóng)業(yè)用水水源, 因此多年以來湘江流域重金屬污染一直備受關(guān)注[2]。已有研究表明, 湘江衡陽段及其主要支流沉積物、周圍土壤中Cu、Cd和Pb等重金屬嚴(yán)重超標(biāo), 其綜合污染指數(shù)顯示出重度污染[3–6]。受到株洲清水塘工業(yè)區(qū)內(nèi)企業(yè)廢水超標(biāo)排放的影響, 湘江霞灣段沉積物中Cd和Pb污染十分嚴(yán)重[7–8]。截至目前, 針對湘江干流重金屬污染的研究較多, 但是關(guān)于湘江入湖口(洞庭湖)沉積物中重金屬污染現(xiàn)狀研究的報道并不多見。尹春艷等[9]通過對湘江河口三角洲沉積柱芯的研究發(fā)現(xiàn), 河口沉積物中重金屬污染嚴(yán)重, 并通過主成分分析初步探討了沉積物中重金屬的污染來源。

為了解湘江入湖口(岳陽段)表層沉積物重金屬污染現(xiàn)狀, 探討湘江中上游礦山開采、冶煉等活動對入湖口沉積物質(zhì)量的影響, 本研究選擇湘江入湖河段湘陰和屈原農(nóng)場兩地作為研究對象。本研究區(qū)域較為特殊, 豐水期為洞庭湖的一部分, 而枯水期部分河床裸露呈現(xiàn)河流形態(tài)。在研究區(qū)域設(shè)定監(jiān)測斷面6個, 在各監(jiān)測斷面的中部, 分別采集一份表層沉積物樣品。本研究擬通過研究10種典型重金屬的含量水平及其分布規(guī)律, 初步探討沉積物中重金屬的主要來源; 同時采用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法, 初步評價岳陽段沉積物中重金屬的污染水平和潛在的生態(tài)風(fēng)險危害。

1 材料與方法

1.1 試 劑

實驗用水由Milli-Q高純水發(fā)生器制得(>18.2MΩ/cm)。實驗用HCl由優(yōu)級純HCl等溫吸收純化得到, HNO3由優(yōu)級純HNO3經(jīng)石英蒸餾器亞沸蒸餾得到。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07129、GBW07309、GBW07103、GBW07104、GBW07105和GBW07123從國家地質(zhì)實驗測試中心購得, W-2a和AGV-2從美國地質(zhì)調(diào)查局購得。

1.2 樣品的采集、處理和定性定量分析

2010年4月, 在湘江入湖河段(岳陽段)設(shè)定6個監(jiān)測斷面, 其中屈原農(nóng)場4個(QY1－QY4), 湘陰2個(XY1－XY2), 用抓斗式采泥器分別采集沉積物樣品, 采樣點如圖1所示。沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥除去水分, 并用瑪瑙研缽研磨達到測試要求。所有化學(xué)處理過程均在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素超凈化學(xué)實驗室(100級)進行。沉積物中重金屬的定性定量分析參照劉穎等人報道的方法進行[10]。

1.3 沉積物重金屬污染現(xiàn)狀評價和潛在生態(tài)風(fēng)險評估

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(index of geoaccumulationgeo)是德國科學(xué)家Müller提出的研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)[11], 其計算公式為:

geo= log2[C/(K×B)]

式中:C是元素在沉積物中的實測含量,B為該元素在普通頁巖中的地球化學(xué)背景值, 本研究中采用中國土壤平均值(CAS); 考慮到各地巖石差異可能會引起背景值的變動,取值為1.5。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法()可以定量評估單一污染物的污染程度(單因子污染風(fēng)險程度), 也可以綜合評估多種污染物復(fù)合污染所致的潛在生態(tài)危害[12]。本研究綜合考慮了10種典型重金屬的濃度以及毒性水平等因素影響, 初步評估它們的潛在生態(tài)風(fēng)險程度。計算公式如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 湘江岳陽段沉積物中重金屬含量水平與分布特征

表2中列出了湘江岳陽段沉積物中10種重金屬含量水平及均值, 同時列出了遼河、大遼河、珠江水系北江支流和長江沉積物中幾種典型重金屬的平均含量, 以及遼寧二道坊河沉積物中Tl含量水平[16,18–20]。

2.1.1 5種常見毒害重金屬污染水平及分布規(guī)律

從表2中可以看出, 研究區(qū)域沉積物中Cd含量變化較為顯著(8.56~19.4 mg/kg), 其平均含量(13.8 mg/kg)與北江(16.7 mg/kg)相當(dāng), 遠遠高于遼河(0.11 mg/kg)與大遼河(0.72 mg/kg)的均值; Cr含量為60.5~83.1 mg/kg, 其均值(74.9 mg/kg)遠低于北江均值(206 mg/kg), 也低于大遼河均值(113 mg/kg), 與長江(73.3 mg/kg)平均水平相當(dāng); 研究區(qū)域沉積物中Cu含量變化為40.5~64.7 mg/kg, 其均值53.9mg/kg遠低于北江污染水平, 而與大遼河均值(50.9mg/kg)水平相當(dāng); 沉積物中Pb含量為26.8~38.1 mg/kg, 其均值32.1 mg/kg 遠低于珠江水系北江污染水平(213 mg/kg), 而與大遼河和長江含量水平大致相當(dāng)。研究區(qū)域中Zn的含量(223~367 mg/kg, 均值299 mg/kg)僅次于北江(619 mg/kg)、遠高于長江(31.6 mg/kg)。

圖1 湘江岳陽段沉積物采樣點示意圖

表1 和RI值對應(yīng)的污染程度以及潛在生態(tài)風(fēng)險程度

表2 湘江(岳陽段)沉積物中10種重金屬含量(mg/kg)

研究區(qū)域沉積物中Cr和Pb的均值均未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(GB 15618-1995)中的一級標(biāo)準(zhǔn)(為保護區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境, 維護自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量限制值); Cu和Zn均值則超過了一級標(biāo)準(zhǔn), 但低于三級標(biāo)準(zhǔn)閾值(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值)。值得注意的是, 研究區(qū)域沉積物中Cd含量超過三級標(biāo)準(zhǔn)8~20倍。與現(xiàn)代工業(yè)化前全球沉積物中重金屬最高背景值對比[15], 發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域中Cd富集非常顯著, 形成了湘江岳陽段以Cd為主的多種重金屬復(fù)合污染的特征, 與前文報道的湘江衡陽段重金屬分布特征較為一致[3,21], 表明岳陽段沉積物重金屬污染可能主要受到上游湘江水的影響, 尹春艷等通過主成分分析也證實湘江河口沉積物中Cd、Pb主要源于湘江水的輸入[9]。

2.1.2 4種中等毒性重金屬污染水平及分布規(guī)律

研究區(qū)域沉積物中V含量為71.9~115mg/kg (均值101 mg/kg), 高于北江平均水平(61.8 mg/kg); 值得注意的是, 研究區(qū)域中Mn的含量(1471~2258 mg/kg, 均值1774 mg/kg)幾乎是北江(860 mg/kg)和長江(753 mg/kg)含量的2倍。從表中可以看出, 研究區(qū)域中Co(19.2 mg/kg)和Ni(40.1 mg/kg)的均值與另外幾條河流沉積物中污染水平大致相當(dāng)。

從其空間分布來看, 研究區(qū)域內(nèi)6個采樣點10種重金屬污染沒有顯著區(qū)別。湘江岳陽段已經(jīng)臨近入湖口, 該區(qū)域采礦冶煉工業(yè)并不發(fā)達, 初步推斷出其沉積物中重金屬污染主要受湘江上游水輸入的影響[9]。

2.1.3 沉積物中Tl污染現(xiàn)狀

岳陽段沉積物中Tl的含量范圍為0.99~ 1.27 mg/kg(均值為1.13 mg/kg), 高于我國大陸沉積物中Tl的含量(0.55 mg/kg)以及中國土壤Tl的背景值(0.58 mg/kg)[14]。同時, 研究還發(fā)現(xiàn), 6個沉積物樣品中Tl的含量沒有明顯差異, 表明在研究區(qū)域沒有明顯的點源污染排放。目前關(guān)于沉積物中Tl污染的研究較少, 張淑香等[20]研究發(fā)現(xiàn), 由于受研究區(qū)域高背景值的影響, 遼寧草河口地區(qū)二道坊河沉積物中Tl含量也較高, 為0.44~1.12 mg/kg(均值為0.74 mg/kg)。受到電子垃圾處理的廢液廢渣排放的影響以及礦山開采和金屬冶煉行業(yè)工業(yè)廢水的影響, 珠江水系北江干流沉積物中富集了較高含量的Tl (0.92~2.32 mg/kg), 韶關(guān)冶煉廠附近的沉積物中Tl含量則高達7.78 mg/kg, 顯示了極高的Tl生態(tài)風(fēng)險[14]。

2.2 沉積物重金屬的污染現(xiàn)狀評價和生態(tài)風(fēng)險程度評價

2.2.1 地累積指數(shù)法

表3中列出了10種重金屬的geo值。本文參照尹春艷等[9]沉積物重金屬污染等級分類標(biāo)準(zhǔn)來評估岳陽段沉積物中重金屬污染等級。從表3中可以看出, 所有沉積物樣品中Cd的geo>5, 揭示出岳陽段沉積物中Cd嚴(yán)重污染; 沉積物樣品中Zn的geo范圍1.00~1.72, 呈現(xiàn)出偏中度污染; 對Mn而言, QY1(0.77)和XY2(0.75)為輕度Mn污染, 其余4個采樣點均為偏中度污染; 相對而言, 湘江岳陽段面臨輕度的Cu污染和Tl污染(0

以10種重金屬geo的均值排序, 湘江沉積物中不同重金屬元素的污染程度從大到小的排序依次為: Cd > Zn > Mn > Cu > Tl > Ni > Co > Pb > Cr > V。

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 湘江岳陽段沉積物中重金屬污染嚴(yán)重, 其中Cd富集嚴(yán)重。根據(jù)地累積指數(shù)評估結(jié)果看, 不同重金屬元素的污染程度按geo從大到小的排序依次為: Cd＞Zn＞Mn＞Cu＞Tl＞Ni＞Co＞Pb＞Cr＞V; 按生態(tài)風(fēng)險危害指數(shù)大小分, 各重金屬生態(tài)風(fēng)險危害順序為Cd＞Tl＞Ni＞Co＞Mn＞Cu＞V＞Pb＞Zn＞Cr。依據(jù)不同的評價方法, 評價結(jié)果出現(xiàn)一定的差異。主要原因在于, 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法綜合考慮了各重金屬的毒理效應(yīng)。研究結(jié)果表明, 岳陽段沉積物呈現(xiàn)出以Cd為主的多種重金屬復(fù)合污染的特征。

表3 湘江沉積物地累積指數(shù)Igeo值

表4 湘江岳陽段沉積物重金屬潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

(2) 本研究區(qū)域中, 所有采樣點均面臨著很高的生態(tài)風(fēng)險。鑒于研究區(qū)域已是入湖口, 豐水期與洞庭湖連成一片, 沉積物中富集的重金屬對洞庭湖水質(zhì)的影響以及湖中水生態(tài)系統(tǒng)的影響, 還需要開展進一步的研究。

(3) 以往針對湘江流域重金屬污染的研究多集中在Cd等常見高毒性重金屬污染, 而忽視了沉積物中Tl的賦存及其潛在生態(tài)風(fēng)險。從本文研究結(jié)果看, 湘江流域Tl的潛在生態(tài)風(fēng)險值得高度關(guān)注。

本研究得到國家科技重大專項(2009ZX07528- 002)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2008CB418205)經(jīng)費的支持, 在此致謝。

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The occurrence, distribution and preliminary risk assessment of heavy metals in sediments from Xiangjiang River (Yueyang Section)

ZENG Xiang-ying1, WANG Chen1,2, YU Zhi-qiang1*, QIN Yan-wen3, ZHANG Lei3, SHENG Guo-ying1and FU Jia-mo1

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangdong Key Laboratory of Environment and Resources, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. River and Coastal Environmental Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

The occurrence and distribution of 10 heavy metals, Cd, Cu, Pb, Zn, Cr, Tl, V, Mn, Co and Ni in sediments collected from Xiangjiang River (Yueyang section) were analyzed. Meanwhile the potential ecological risks of these heavy metals were calculated and assessed using Index of geoaccumulation (geo)as well as Lars Hanson method based on concentrations measured in this study. The results indicated that (1) Xiangjiang River (Yueyang section) was heavily polluted by Cd, Zn, Mn and Cu, with concentrations ranging from 8.56?19.4 mg/kg, 250?367 mg/kg, 1489?2258 mg/kg and 40.5?64.7 mg/kg, respectively; (2)values in this area varied from 369 to 698, implying high ecological risks in most of the sampling sites in the studied area, which were mainly from Cd and Tl; (3) The pollution characteristic of multi-metals in this section was mainly related to Cd.

heavy metal; sediment, Xiangjiang River (Yueyang Section), index of geoaccumulation, lars hanson method

P595; P593

A

0379-1726(2012)01-0063-07

2011-10-10;

2011-11-08;

2011-11-09

國家科技重大專項(2009ZX07528-002)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2008CB418205)

曾祥英(1968?), 女, 博士、副研究員, 主要研究方向為環(huán)境毒害污染物研究與風(fēng)險評估研究。E-mail:zengxy@gig.ac.cn

YU Zhi-qiang, E-mail: zhiqiang@gig.ac.cn; Tel: +86-20-85292391