白龜山濕地重金屬元素分布特征及其來(lái)源分析

毛政利

摘要：指出了白龜山濕地沉積物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等重金屬元素含量相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)在0.9左右，相關(guān)性高的達(dá)到0.96，說(shuō)明了它們具有同源性；Mn和Ni元素與其它重金屬元素之間基本沒(méi)有相關(guān)性，說(shuō)明這兩種重金屬元素的來(lái)源具有自己的獨(dú)立性。各元素的空間分布特征表明：Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等5種重金屬元素的含量分布人為影響較大，主要的污染源是魯山污水處理廠，其次是姚孟電廠；Ni的空間分布特征指示了在澎河上游可能存在Ni的污染源；而Mn元素基本上沒(méi)有人為因素的影響。

關(guān)鍵詞：沉積物；重金屬；空間分布；白龜山濕地

中圖分類號(hào)：X52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0028-04

1 引言

濕地是地球，特別是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它與海洋和森林稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)具有不可替代的綜合調(diào)節(jié)功能，濕地研究已成為當(dāng)前環(huán)境研究方面的熱點(diǎn)之一。濕地不僅可以有效的緩解洪水壓力，更重要的是具有凈化空氣、凈化環(huán)境的功能，濕地對(duì)人類生存環(huán)境的優(yōu)化具有重要意義。同時(shí)濕地又是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，大量的底棲生物、魚(yú)類、水生和部分陸生植物在此繁殖，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的食物鏈。重金屬污染是當(dāng)今環(huán)境污染的重要形式之一[1，2]，近幾年我國(guó)重金屬污染事故出現(xiàn)較多，大多數(shù)與河流濕地有關(guān)。濕地相對(duì)水域較寬闊、水流速度較慢，一般是河流的匯聚場(chǎng)所，是河水中顆粒物的沉積場(chǎng)所，也是河水中所攜帶的一些離子的地球化學(xué)障，大多數(shù)顆粒沉積物和化學(xué)元素都會(huì)在此得以富集。而重金屬元素富集到一定程度就會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，它可以通過(guò)復(fù)雜的濕地食物鏈，以及有機(jī)質(zhì)的絡(luò)合物、氧化還原反應(yīng)等過(guò)程進(jìn)入上覆水[3]等影響人們的健康，威脅濕地生態(tài)系統(tǒng)。而且重金屬一旦進(jìn)入濕地，它潛在的威脅將是長(zhǎng)期的，因此濕地重金屬污染問(wèn)題以及成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[4～7]。

重金屬元素空間分布是研究重金屬污染及其來(lái)源的重要基礎(chǔ)，也是重金屬污染評(píng)價(jià)的依據(jù)，歷來(lái)是重金屬污染研究的前沿和熱點(diǎn)。常用的研究方法主要集中在地統(tǒng)計(jì)[8，9]、基于GIS的空間插值[10，11]和非線性理論[12，13]等，從重金屬元素的空間分布特征探討重金屬污染的來(lái)源，以及進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)。白龜山濕地水環(huán)境研究前人做了一定的工作，和書坤等[14]研究認(rèn)為白龜山濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化程度已經(jīng)達(dá)到中等偏上水平；于長(zhǎng)立等[15 ]利用有機(jī)污染指標(biāo)、氮磷和 pH等數(shù)據(jù)，分析了白龜山濕地水環(huán)境現(xiàn)狀及水環(huán)境污染的原因。成剛等[16]根據(jù)白龜山濕地及其入庫(kù)河流水體和沉積物中重金屬元素的含量及分布特征，利用地積累指數(shù)法和 HANKANSON生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)沉積物重金屬的累積效應(yīng)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文利用白龜山濕地周圍入庫(kù)河流和濕地中沉積物樣品的主要重金屬含量，分析該地區(qū)重金屬空間分布特征，并結(jié)合實(shí)際情況探討該區(qū)重金屬元素的來(lái)源及其分異富集規(guī)律，為白龜山濕地的環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

2 白龜山濕地概況

白龜山濕地的中心是白龜山水庫(kù)，白龜山水庫(kù)位于淮河流域沙潁河水系沙河本干上，大壩位于平頂山市新城區(qū)南部。因其攔河壩和順河壩相接處有一白龜山而得名。水庫(kù)始建于1958年，1966年8月竣工。東西長(zhǎng)15.5 km，南北寬4.2 km，占地近70 km2，庫(kù)容量6.49億m3。上游有昭平臺(tái)水庫(kù)，下游有泥沙洼滯洪區(qū)，左臨潁河上有白沙水庫(kù)，是一座淮河流域上游重要的防洪水庫(kù)，也是綜合治理沙潁河的水利樞紐工程。

水庫(kù)控制流域面積2740 km2，其中昭平臺(tái)、白龜山水庫(kù)間流域面積1310 km2，水庫(kù)年平均降雨量900 mm，年平均徑流量4.23億m3。水庫(kù)工程按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，千年一遇洪水校核，1998年10月進(jìn)行了除險(xiǎn)加固工程，達(dá)到兩千年一遇洪水校核，總庫(kù)容達(dá)到9.22億m3，目前已成為一座以防洪為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市供水綜合利用的大型調(diào)節(jié)半平原水庫(kù)，是平頂山市新老城區(qū)生活用水的來(lái)源地。同時(shí)，近幾年平頂山市在白龜山水庫(kù)周邊進(jìn)行了大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè)，現(xiàn)已建成為一個(gè)環(huán)境優(yōu)美、空氣清新的環(huán)湖濕地公園，是平頂山市市民休閑健身的主要場(chǎng)所。

3 白龜山濕地重金屬元素空間分布特征

成剛等[16]以白龜山水庫(kù)為中心，在白龜山水庫(kù)庫(kù)底及其上游河段進(jìn)行了較為系統(tǒng)的沉積物取樣分析，樣品點(diǎn)的分布如圖1，沉積物樣品的Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素的含量見(jiàn)表1。

表2是各重金屬元素在沉積物中含量的相關(guān)系數(shù)矩陣，從表中可以看出，元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素相互之間的相關(guān)系數(shù)較大，特別是Cd和Pb、Cd和Cr以及Zn和Cu之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，而Mn和Ni元素和其它重金屬元素含量之間幾乎沒(méi)有相關(guān)性。這可能反映出，在白龜山濕地，重金屬元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等來(lái)源于同一個(gè)污染源，而且它們的遷移聚集具有相同或相似的機(jī)制和過(guò)程；而Mn和Ni元素的來(lái)源具有各自的獨(dú)立性，和其它元素沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)。這進(jìn)一步說(shuō)明了，在白龜山濕地，重金屬污染來(lái)源不是單一的，而是具有多來(lái)源的特點(diǎn)。

圖2是白龜山濕地沉積物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素含量的空間分布圖。從圖中可以看出以下分布。

（1）Cd、Pb、Cr三種重金屬含量分布圖相似程度較高，具有相似的空間分布特征，它們含量在空間上的變化趨勢(shì)也基本相同。含量的高值區(qū)在取樣點(diǎn)C，越往下游含量呈遞減趨勢(shì)，在取樣點(diǎn)E出現(xiàn)最低值；在水庫(kù)的下游，取樣點(diǎn)H附近含量再一次升高。

（2）重金屬元素Cu和Zn的分布圖相似程度相對(duì)來(lái)說(shuō)最高，這與Cu和Zn之間的相關(guān)系數(shù)最高相一致。其含量在空間上的分布總體與Cd、Pb、Cr相似，都呈現(xiàn)在取樣點(diǎn)C處含量高，往下游有遞減的趨勢(shì)，在取樣點(diǎn)H附近含量升高。不同的是，這兩種重金屬元素含量是在取樣點(diǎn)F處出現(xiàn)最低值，樣品點(diǎn)E出的含量值也比較高。

（3）Mn元素的分布特征比較特殊，在取樣點(diǎn)A和G兩個(gè)點(diǎn)上有高值區(qū)，其中A點(diǎn)含量最高，取樣點(diǎn)C處含量卻不是很高，含量最低點(diǎn)為F點(diǎn)，在H點(diǎn)也沒(méi)出現(xiàn)含量升高的趨勢(shì)，G點(diǎn)可以認(rèn)為是Mn元素的一個(gè)聚集中心。

（4）元素Ni的高值區(qū)在E點(diǎn)，其次是A點(diǎn)和G點(diǎn)，取樣點(diǎn)C處的含量相對(duì)較低，在取樣點(diǎn)H處有升高的趨勢(shì)。E點(diǎn)和G點(diǎn)以及G點(diǎn)和H點(diǎn)之間含量差別相對(duì)較低，而E點(diǎn)和H點(diǎn)含量差別相對(duì)小得多。

4 討論

土壤或巖石中化學(xué)元素的含量、空間分布和分配，是地質(zhì)歷史長(zhǎng)期演化的結(jié)果，在地球表層的風(fēng)化巖石和土壤中，其含量和空間分布受第四紀(jì)地質(zhì)作用的影響較深，同時(shí)與人類活動(dòng)關(guān)系密切。因此，現(xiàn)今土壤中的重金屬元素含量的空間分布特征，不僅保留了原始的在地質(zhì)作用過(guò)程中形成的重金屬元素含量分布特點(diǎn)，也記錄著人類活動(dòng)在重金屬元素分異聚集過(guò)程中的作用。研究重金屬元素空間分布規(guī)律，是研究重金屬元素演化分異機(jī)制的基礎(chǔ)，也可以揭示重金屬元素空間分布與重金屬元素的污染源、地形、氣候等因素的關(guān)系，以及重金屬元素的遷移疊加機(jī)制。

據(jù)成剛等[16]研究，白龜山濕地表層水體中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素含量均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）一七類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而且各種重金屬元素在各取樣點(diǎn)地表水體中的含量基本相同。這可能說(shuō)明了，在白龜山濕地，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素在水體中的遷移形式主要以機(jī)械搬運(yùn)沉積作用為主，化學(xué)搬運(yùn)作用很少或沒(méi)有。

再?gòu)陌斏綕竦爻练e物中各重金屬元素的相關(guān)關(guān)系來(lái)看，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素相互之間的相關(guān)性較強(qiáng)，這可能指示了這五種重金屬元素具有相同的來(lái)源，而Mn和Ni元素的獨(dú)立性較強(qiáng)，暗示著Mn和Ni元素的來(lái)源與Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等不一致。

根據(jù)沉積物中各重金屬元素含量的空間分布特征可以認(rèn)為，Cd、Pb、Cr三種重金屬元素的污染源主要為取樣點(diǎn)C處，該處為魯山縣的一個(gè)污水處理廠出口，這三種重金屬遷移擴(kuò)散途徑主要以地表水的機(jī)械搬運(yùn)為主，而且搬運(yùn)距離不遠(yuǎn)；H點(diǎn)的含量升高可能與H點(diǎn)接近姚孟火電廠有關(guān)。Cu和Zn之間的相關(guān)性較強(qiáng)，空間分特征與Cd、Pb、Cr等略有差別，它們?cè)谌狱c(diǎn)F出現(xiàn)最低值，E點(diǎn)含量也不高，可能說(shuō)明了Cu和Zn的移動(dòng)性比Cd、Pb、Cr等三種元素強(qiáng)，它們的遷移影響了沙河以及白龜山水庫(kù)，在H點(diǎn)這兩種重金屬元素含量也有一定程度的升高。Mn的分布整體來(lái)看相對(duì)比較均衡，不同的取樣點(diǎn)有一些差別，但是差別不是很大，在A點(diǎn)，也就是蕩澤河在昭平臺(tái)水庫(kù)的出口處含量相對(duì)較高，另外在G點(diǎn)，即白龜山水庫(kù)中間，Mn的含量呈現(xiàn)出一定的富集趨勢(shì)，在H點(diǎn)升高的趨勢(shì)不是很明顯，這可能指示了，Mn元素主要來(lái)源于本地區(qū)原始巖石，可能本區(qū)西部的Mn元素含量相對(duì)較高。Ni元素的分布規(guī)律基本和Mn相似，在A點(diǎn)和G點(diǎn)含量相對(duì)較高，各取樣點(diǎn)差異性較Mn元素大，所不同的是，Ni的含量最高值在E點(diǎn)，即澎河在白龜山水庫(kù)出口處，而且E點(diǎn)含量比A點(diǎn)高出很多，這可能也說(shuō)明了Ni元素的來(lái)源有本地區(qū)的巖石，在澎河上游也可能存在Ni元素富集的地質(zhì)體或Ni元素人為污染源。

5 結(jié)論

綜合上述對(duì)白龜山濕地重金屬元素含量的相關(guān)性分析和空間分布特征的討論，可以得出以下的初步結(jié)論。

（1）白龜山濕地重金屬元素分布受天然的原始巖石含量和后期的人為因素污染兩種因素的影響，多數(shù)重金屬元素含量受認(rèn)為因素污染較為嚴(yán)重，少數(shù)重金屬元素人為影響作用不明顯。

（2）Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素含量相互之間的相關(guān)性較強(qiáng)，說(shuō)明它們的來(lái)源具有同一性；根據(jù)它們的空間分布特征，可以認(rèn)為，這五種重金屬元素來(lái)源貢獻(xiàn)最大的是魯山污水處理廠，即取樣點(diǎn)C處，同時(shí)，姚孟電廠對(duì)本區(qū)這五種重金屬元素的含量也有明顯的影響。

（3）Mn元素的空間分布相對(duì)較為均衡，與其它重金屬含量之間也沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明Mn元素含量主要與本區(qū)背景值有關(guān)，人為污染不明顯。

（4）Ni元素的空間分布高值區(qū)在澎河口，說(shuō)明在澎河的上游可能存在Ni的污染源或含Ni高的地質(zhì)體，這也是本區(qū)下一步重金屬元素污染調(diào)查的重點(diǎn)。

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