廣西大廠礦區(qū)沉積物重金屬污染及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)?

李雪華,徐 鵬,李俊青,曹若愚,范 航,高媛媛

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,北京 100083;2.北京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,北京 100083)

重金屬是有潛在危害的重要污染物,其在生物體內(nèi)富集,成為持久性污染物,會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題.經(jīng)各種方式進(jìn)入環(huán)境中的重金屬污染物不易溶解,通過(guò)各種方式在生態(tài)系統(tǒng)中遷移循環(huán),最終可能進(jìn)入人體中,產(chǎn)生嚴(yán)重危害.沉積物是水環(huán)境中重金屬的源或匯,是水環(huán)境重金屬污染的指示劑,通過(guò)各種途徑進(jìn)入水體的重金屬絕大部分可以迅速地由水相轉(zhuǎn)入固相,結(jié)合到懸浮物和沉積物中.因此,河流沉積物中微量重金屬元素的含量常能提供自然環(huán)境中重金屬轉(zhuǎn)移的信息,這對(duì)環(huán)境保護(hù)有著重要的意義[1-2].

廣西壯族自治區(qū)西北部南丹縣境內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,且主要集中在南丹縣大廠鎮(zhèn)與車(chē)河鎮(zhèn)一帶,是我國(guó)有色金屬的重要生產(chǎn)基地[3].區(qū)內(nèi)礦山活動(dòng)頻繁,采礦選礦及冶煉所產(chǎn)生的廢石礦渣等長(zhǎng)期自然堆放,已經(jīng)對(duì)礦區(qū)河流環(huán)境造成了一定的影響.

值得注意的是,在礦區(qū)的下游就是人類(lèi)的聚居區(qū),如何評(píng)價(jià)礦區(qū)的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)周邊居民的影響是擺在科技工作者面前的一個(gè)重要問(wèn)題.鑒于此,本研究以礦區(qū)下游河流中沉積物為研究對(duì)象,采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(Potential Ecological Risk Index,PERI)[4],定量計(jì)算出沉積物中重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值,對(duì)河水系表層沉積物中重金屬的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià),旨在得到單一污染物的環(huán)境影響和多種污染物的綜合效應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果,為該地區(qū)沉積物的重金屬污染防治和決策管理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布置及樣品采集

作者于 2011年 8月實(shí)地考察了廣西大廠礦區(qū)下游河流,采集到表層沉積物樣品共14個(gè).

1.2 樣品處理及分析

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥機(jī)干燥后,壓散并剔除雜質(zhì).采用四分法取其 1/4作為實(shí)驗(yàn)樣品,經(jīng)瑪瑙研缽研細(xì),過(guò) 75μ m(200目)尼龍篩后,儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中待測(cè).處理好的樣品在 HNO3/HCl/HF介質(zhì)中微波消解.沉積物樣中 Pb,Cd,Cu,Zn,Cr和 Ni含量用 PekinElmerAA700原子吸收光譜儀測(cè)定,As含量用 AFS-3100型原子熒光光度計(jì)測(cè)定.所測(cè)樣品均設(shè)置兩個(gè)平行樣,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均保持在 10% 以?xún)?nèi),所有分析結(jié)果均以沉積物干重計(jì).

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1980年,瑞典科學(xué)家 Hakanson提出了用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4-5].根據(jù)此法,某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù) Eir及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù) RI可分別表示為

2 結(jié)果與討論

2.1 河流層沉積物中重金屬污染特征

研究表明：在受重金屬污染水體中,沉積物中重金屬含量可達(dá)水溶液中數(shù)百倍至數(shù)十萬(wàn)倍,分析和評(píng)價(jià)沉積物中污染物是環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)中重要的內(nèi)容之一[8-9].本研究中河流中表層沉積物中各金屬含量詳見(jiàn)圖 1.

2.1.1 沉積物中 Cu污染現(xiàn)狀

圖1表明：與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)[10]相比,所有樣品中的 Cu含量平均值為204 mg?kg-1,達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).全部 14個(gè)樣品中 Cu含量均超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),21.4%的樣點(diǎn) Cu含量達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),71.4% 的樣點(diǎn) Cu含量達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其中最高值達(dá) 465 mg? kg-1,超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Cu的平均含量與府河-白洋淀水系沉積物中的平均含量大致相當(dāng)[11],高于巢湖[12]、 成都市 河流[13]、 丹 河[14]、 洪 澤湖[15]、 泮河[16]、長(zhǎng)江中下游的太白湖、龍感湖、巢湖和西氵久[17]、渭河西安段[18]水體沉積物中 Cu含量,低于大寶山礦區(qū)河流[19]、滇東南礦區(qū)河流[20]、珠江(廣州河段)[21]水系沉積物中的 Cu含量.

圖1 沉積物中重金屬含量Fig.1 Concentrations of heavy metals in sediments

2.1.2 沉積物中 Cd污染現(xiàn)狀

圖1結(jié)果表明：全部 14個(gè)樣品中 Cd含量均超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),平均值為10.9 mg? kg-1,最大值為 18.7 mg? kg-1,最小值為 4.41 mg?kg-1,即使是最小值也是國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的7倍,可見(jiàn)本研究區(qū)域內(nèi)沉積物中 Cd存在嚴(yán)重的污染.與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Cd的平均含量高于巢湖[12]、成都市河流[13]、丹河[14]、泮河[16]、珠江(廣州河段)[21]沉積物中 Cd含量的平均值,但是低于滇東南礦區(qū)河流[20]、府河-白洋淀水系[11]、洪澤湖[15]沉積物中 Cd的平均含量.

2.1.3 沉積物中 Ni污染現(xiàn)狀

圖1結(jié)果表明：全部 14個(gè)樣品中 Ni含量的平均值為 247 mg? kg-1,已超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 200 mg?kg-1的規(guī)定.值得注意的是,樣品中 Ni的最高含量已達(dá) 350 mg? kg-1,超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)近 1倍.在 14個(gè)樣品中僅有 2個(gè)含量在 200 mg? kg-1以下,屬于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Cd的平均含量遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江中下游的太白湖、龍感湖、巢湖和西氵久[17]和渭河西安段[18]沉積物中 Ni的平均含量.

2.1.4 沉積物中 Pb污染現(xiàn)狀

圖1表明,全部 14個(gè)樣品中 Pb含量的平均值為 44.0 mg?kg-1,已超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).在 14個(gè)樣品中有42.9% 的樣品中 Pb含量低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).其余樣品中 Pb的最高含量為 108 mg?kg-1,未超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).總之,所研究地區(qū)沉積物中鉛元素含量污染現(xiàn)象并不嚴(yán)重.與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Pb的平均含量與泮河[16]、長(zhǎng)江中下游的太白湖、龍感湖、巢湖[17]沉積物中 Pb平均含量大致相當(dāng),高于巢湖[12]、丹河水系[14]、洪澤湖[15]、渭河西安段[18]沉積物中 Cu含量的平均值,低于成都市河流[13]、大寶山礦區(qū)河流[19]、滇東南礦區(qū)河流[20]、府河-白洋淀水系[11]、珠江(廣州河段)[21]沉積物中 Pb的平均含量.

2.1.5 沉積物中 Cr污染現(xiàn)狀

圖1表明,全部 14個(gè)樣品中 Cr含量的平均值為 101 mg? kg-1,已超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).在 14個(gè)樣品中有 6個(gè)樣品中 Pb含量低于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).其余樣品中 Pb的最高含量為108 mg?kg-1,未超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Pb的平均含量與珠江(廣州河段)[21]和渭河西安段[18]沉積物中 Cr含量大致相當(dāng),高于巢湖[12]、大寶山礦區(qū)河流[19]、丹河[14]、洪澤湖[15]、長(zhǎng)江中下游的太白湖、龍感湖、巢湖和西氵久[17]沉積物中 Cu含量的平均值,低于泮河[16]沉積物中 Pb的平均含量.

2.1.6 沉積物中 Zn污染現(xiàn)狀

圖1表明,全部 14個(gè)樣品中 Zn含量的最小值為 1329 mg?kg-1,最大值和最小值分別為1950 mg? kg-1和 755 mg? kg-1,均已超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明沉積物受到較為嚴(yán)重的 Zn污染.

與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 Pb的平均含量高于巢湖[12]、大寶山礦區(qū)河流[19]、丹河[14]、滇東 南礦 區(qū)河流[20]、 洪 澤湖[15]、 泮河[16]、珠江(廣州河段)[21]、長(zhǎng)江中下游的太白湖、龍感湖、巢湖和西氵久[17]、渭河西安段[18]沉積物中 Zn含量的平均值,與府河-白洋淀水系沉積物中 Zn含量大致相當(dāng)[11].

2.1.7 沉積物中 As污染現(xiàn)狀

圖1表明：全部 14個(gè)樣品中 As含量的最小值為 19.3 mg?kg-1,未超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).但是,研究發(fā)現(xiàn)有 28.6% 的樣品中As元素含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),屬于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其中最大值達(dá) 48.2 mg? kg-1.總體而言,本研究中 As的含量并不高,約 30% 左右的樣品中存在砷含量較高的現(xiàn)象.

與其他研究結(jié)果相比,本研究中沉積物中 As的平均含量與丹河[14]沉積物中 As的平均含量大致相當(dāng),高于成都市河流[13]和渭河西安段[18]沉積物中 Cu含量的平均值,低于大寶山礦區(qū)河流[19]、滇東南礦區(qū)河流[20]、洪澤湖[15]、珠江(廣州河段)[21]沉積物中 Pb的平均含量.

綜合測(cè)定結(jié)果來(lái)看(表 1),7種重金屬在沉積物中的平均含量順序?yàn)?Zn(1329 mg? kg-1)＞Ni(247 mg? kg-1)＞ Cu(204 mg? kg-1)＞ Cr(101 mg?kg-1)＞ Pb(44.0 mg?kg-1)＞ As(19.3 mg? kg-1)＞ Cd(10.9 mg? kg-1). 由污染現(xiàn)狀可見(jiàn),各樣品中主要是 Cu,Cd,Ni和 Pb的超標(biāo)污染,并且這 4種金屬分布特征基本相似,高值區(qū)與低值區(qū)也大致吻合,最高值均位于 4#點(diǎn)位置.

需要說(shuō)明的是,這4種金屬的最大值與平均值相差通常在 2～ 3倍左右,表明此地區(qū)主要受到上游地區(qū)污染源的影響,區(qū)域內(nèi)存在大污染源的可能性較小.

表1 沉積物中重金屬統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.1 Statistical results of heav y metals in the stream sediment

2.2 重金屬元素含量相關(guān)性

廣西大廠礦區(qū)下游河流沉積物中不同重金屬含量間相關(guān)性分析結(jié)果表明(表 2)：Cu～ Cd,Cu～ Pb,Ni～Zn間有很高的相關(guān)性,表明它們同源性很高,尤其 Ni～ Zn之間相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.92,呈極顯著相關(guān),說(shuō)明沉積物中這些元素污染源可能相同,來(lái)自周?chē)髽I(yè)排放的工業(yè)廢水和居民生活污水[22].

表2 沉積物中各金屬含量的相關(guān)矩陣Tab.2 Relativ e matrix between metals in surface sediment

2.3 重金屬污染評(píng)價(jià)

將沉積物中 Pb,Cd,Cu,Zn,Ni和 As含量分別代入式(1)和(2),結(jié)合沉積物中重金屬的背景參考值和毒性系數(shù)(表 3),可計(jì)算出潛在生態(tài)危害系數(shù) Ei

r和潛在生態(tài)危害指數(shù) RI,根據(jù)生態(tài)危害系數(shù)Ei

r和潛在生態(tài)危害指數(shù) RI與生態(tài)危害程度的關(guān)系(表 4),評(píng)價(jià)所調(diào)查區(qū)域內(nèi)沉積物單個(gè)污染物的潛在生態(tài)危害程度和總的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖 2.

表3 沉積物中重金屬的背景參考值和毒性系數(shù)Tab.3 Toxicity coefficients and background reference of heav y metals in stream sediment

表4 重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù) Eir,潛在生態(tài)危害指數(shù)RI與生態(tài)危害程度的關(guān)系Tab.4 Potential ecological risk facto r(Eir)and potential ecological risk index(RI)about pollution lev el

由圖 2可見(jiàn),以單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)評(píng)價(jià),所調(diào)查地區(qū)的表層沉積物中主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子是元素 Cd,各采樣點(diǎn)平均 Eir值為 326,已具極強(qiáng)的生態(tài)危害.樣品中有 7個(gè) Eir值大于 325,占樣品總數(shù)的 50%,其中最高值為 561.69.

所有樣品中僅有 1個(gè)樣品的 Cu的潛在生態(tài)危害系數(shù)最高值超過(guò) 40,達(dá)到 47,表明此點(diǎn)具有中等生態(tài)危害;但 14個(gè)樣品的 Cu的潛在生態(tài)危害系數(shù)的平均值為 20,總體而言 Cu僅具有輕微的生態(tài)危害.其余 6種元素 Eir值均小于 40,都屬于輕微生態(tài)危害,均不為主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子,各重金屬對(duì)所調(diào)查地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響程度由高到低依次為：Cd＞ Cu＞ Ni＞ As＞ Zn＞ Pb＞ Cr.

圖2 各種點(diǎn)重金屬生態(tài)危害系數(shù)Fig.2 Potential ecological risk factor(Eir)of heavy metals

以多個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)(圖 3),14個(gè)采樣點(diǎn)平均 RI值為 385,遠(yuǎn)超過(guò) 220,說(shuō)明所研究區(qū)域內(nèi)表層沉積物已具極強(qiáng)生態(tài)危害,其中 10個(gè)采樣點(diǎn)的多個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)超過(guò) 220,最大值為 656.

無(wú)論是從上述對(duì)諸河口表層底泥中重金屬含量的分析,還是對(duì)多個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià),廣西大廠礦區(qū)下游河流都應(yīng)引起環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境治理部門(mén)的關(guān)注.

圖3 各樣點(diǎn)重金屬生態(tài)危害指數(shù)Fig.3 Po tential ecological risk index(RI)of heav y metals

3 結(jié) 論

1)7種重金屬在沉積物中的平均含量順序?yàn)閆n(1329 mg? kg-1)＞ Ni(247 mg? kg-1)＞ Cu(204 mg? kg-1)＞ Cr(101 mg? kg-1)＞ Pb(44.0 mg? kg-1)＞ As(19.3 mg? kg-1)＞ Cd(10.9 mg? kg-1).沉積物中 Cu,Cd,Ni和 Zn的平均含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其余 3種金屬在沉積物中的平均含量符合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

2)由污染現(xiàn)狀可見(jiàn),各樣品中主要是 Cu,Cd,Ni和 Pb的超標(biāo)污染,并且這 4種金屬分布特征基本相似,高值區(qū)與低值區(qū)也大致吻合,同時(shí)這 4種金屬的最大值與平均值相差通常在 2～ 3倍左右,表明此地區(qū)主要受到上游地區(qū)污染源的影響,區(qū)域內(nèi)存在大污染源的可能性較小.

3)相關(guān)性分析結(jié)果表明：沉積物中 Cu～ Cd,Cu～ Pb,Ni～Zn污染源可能相同,主要來(lái)自上游礦區(qū)排放的工業(yè)廢水.

4)各重金屬對(duì)所調(diào)查地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響程度由高到低依次為 Cd＞ Cu＞ Ni＞ As＞ Zn＞ Pb＞Cr.所調(diào)查地區(qū)的表層沉積物中主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子是元素 Cd,已具極強(qiáng)的生態(tài)危害.其余 6種金屬元素對(duì)生態(tài)的危害不大.

5)以多個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,所研究區(qū)域內(nèi)表層沉積物已具極強(qiáng)生態(tài)危害.

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