基于介形類生態(tài)特征評(píng)價(jià)湖南某鈾礦山地表水放射性環(huán)境

陳 亮，夏良樹，劉 江，劉 珊，黃 偉，王正慶，謝焱石，唐振平,*

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.衡陽市核燃料循環(huán)地質(zhì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001；3.南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 博士后流動(dòng)站，湖南 衡陽 421001)

鈾礦開采與選冶所產(chǎn)生的環(huán)境影響尤其是輻射環(huán)境影響一直受到國(guó)際組織、各國(guó)政府及廣大科研人員的高度重視[1-3]。鈾礦開采是導(dǎo)致鈾礦冶地域地表水放射性污染的重要因素[4-6]。湖南某鈾礦是我國(guó)重要鈾資源生產(chǎn)基地之一，為我國(guó)國(guó)防與核電事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)該鈾礦冶地域生態(tài)環(huán)境不可避免地遭受了一定程度的放射性污染，亟需保護(hù)與治理。

目前，地表水環(huán)境污染評(píng)價(jià)方法主要有兩種：理化評(píng)價(jià)和生物評(píng)價(jià)。生物評(píng)價(jià)較理化評(píng)價(jià)具有全面、直接、科學(xué)、簡(jiǎn)單及經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)[7-9]，故日益受到重視。介形類是生存于各類水體中的一類底棲小型甲殼動(dòng)物[10-11]，是一重要微體生物，其分布廣、物種豐富[12]、數(shù)量眾多[13]、易于收集，作為水生生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，其生物多樣性能敏感地反映水環(huán)境的健康狀況[14-16]。

目前，對(duì)湖南某鈾礦冶地域地表水放射性污染評(píng)價(jià)僅采用理化方法，未采用生物方法，故其評(píng)價(jià)結(jié)果可能存在不夠全面客觀的問題。為此，本文在分析該礦冶地域介形類分布與生態(tài)特征基礎(chǔ)上，利用該生物評(píng)價(jià)本區(qū)地表水放射性污染，為該鈾礦冶地域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

2018年5月在湖南某鈾礦周邊共采集15個(gè)介形類樣本，其中3個(gè)溪流樣本，12個(gè)河流樣本(圖1)。3個(gè)溪流樣本取樣點(diǎn)大致為等間距分布。12個(gè)河流樣本中，距鈾礦較近河段取樣點(diǎn)分布較密集，距鈾礦較遠(yuǎn)河段取樣點(diǎn)分布相對(duì)稀疏。利用抓斗采泥器采集400 cm2表層沉積物，取其最上層1 cm 作為介形類樣品。取50 cm3濕樣用于介形類分析，先用75 μm 篩子濕篩，在60 ℃下烘干24～48 h后再用125 μm篩子干篩，取長(zhǎng)度大于125 μm的介形類進(jìn)行分析。介形類挑樣在體視顯微鏡下完成，因?yàn)闃悠分薪樾晤愗S度相對(duì)不高，故每個(gè)個(gè)體均挑出。絕大部分介形類的殼體為單瓣殼，很少有雙瓣殼。在介形類豐度統(tǒng)計(jì)中，每個(gè)單瓣殼或雙瓣殼作為1個(gè)介形類[12,17-18]。

圖1 鈾礦區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling point distribution of uranium mine

采集1 L地表水用于物化分析。水溫、溶氧量、pH值及電導(dǎo)率均為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，鈾、釷含量采用ICP-MS測(cè)試。

生物多樣性指數(shù)計(jì)算方法如下：

H=-∑pilnpi

(1)

E=exp(H)/S

(2)

其中：H為Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)；pi為第i個(gè)屬種的相對(duì)豐度，i的取值范圍為大于等于2的自然數(shù)；E為均勻度指數(shù)；S為屬種數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溪流樣本介形類分布與水環(huán)境參數(shù)

研究區(qū)地表水體物化參數(shù)、介形類豐度及生物指數(shù)的空間分布特征列于表1。溪流水體與河流水體相比，具有如下明顯特征：低pH值(6.31～7.63)、高電導(dǎo)率(370～430 μS/cm)、高U(11.350～49.780 μg/L)及高Th(0.193～2.859 μg/L)含量。溪流中介形類總豐度低((2～6)/50 cm3)，且僅有Cypridopsisvidua。對(duì)應(yīng)的河流水體數(shù)據(jù)如下：pH值，7.69～8.62；電導(dǎo)率，44～80 μS/cm；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。河流中介形類總豐度為(4～46)/50 cm3，包含Cypridopsisvidua(C.v)與Helerocyprisincongruens(H.i) 2種介形類。該鈾礦在采冶過程中廣泛使用硫酸，故其產(chǎn)生的廢水pH值較低。礦山酸性廢水中礦物質(zhì)含量一般偏高，電導(dǎo)率也相應(yīng)較高。溪流水體距鈾礦近，水流量小，稀釋作用相對(duì)較小，因此，具有低pH值、高電導(dǎo)率、高U及高Th含量的特征。溪流水體U及Th含量隨與礦冶區(qū)距離的增加明顯降低，對(duì)應(yīng)沉積物中介形類豐度則有所增大。

表1 鈾礦周邊地區(qū)地表水體物化參數(shù)、介形類豐度及生物指數(shù)的空間分布特征Table 1 Spatial distribution characteristics of physical and chemical parameter of surface water and abundance and bio-index of ostracode from surrounding area of uranium mine

2.2 河流樣本介形類分布與水環(huán)境參數(shù)

研究區(qū)河流樣本介形類豐度、生物指數(shù)及其與地表水體物化參數(shù)的相關(guān)系數(shù)列于表2。由于溪流樣本與河流樣本在生物豐度、生物指數(shù)、U及Th含量、電導(dǎo)率與pH值方面存在明顯差異，故相關(guān)性分析時(shí)河流樣本與溪流樣本分別進(jìn)行計(jì)算，考慮溪流樣本數(shù)量很少(僅3個(gè))，進(jìn)行相關(guān)性分析的意義不大，因而，只對(duì)河流樣本進(jìn)行了相關(guān)性分析。

介形類豐度及其生物指數(shù)受水體鈾濃度的影響十分明顯，其相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均不低于0.82，均為負(fù)相關(guān)，其余物化參數(shù)影響不明顯。C.v豐度、H.i豐度、總豐度、H與E，這五者互相間均顯著相關(guān)，C.v與H及E的相關(guān)性相對(duì)較低(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值分別為0.68與0.69)，H與E的相關(guān)性最高(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值為1)。pH值與水溫和電導(dǎo)率呈顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均為0.62)，U及Th含量受水環(huán)境參數(shù)影響不明顯。

研究區(qū)鈾與介形類豐度及相關(guān)生物指數(shù)的空間分布特征示于圖2。由于僅鈾濃度對(duì)介形類的影響十分顯著，故圖2中物化參數(shù)僅顯示該參數(shù)。E與H變化趨勢(shì)完全一致，因而圖2僅顯示H的波動(dòng)趨勢(shì)。

表2 河流樣本介形類豐度、生物指數(shù)及其與地表水體物化參數(shù)的相關(guān)系數(shù) Table 2 Correlation between abundance and bio-indexes of ostracod and physical and chemical parameter from surface water of river sample

圖2 鈾含量與介形類豐度及相關(guān)生物指數(shù)的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution feature of uranium and abudance and bio-index of the ostracod

R01樣點(diǎn)位于溪流與河流交匯點(diǎn)的上游，該點(diǎn)受鈾礦的影響不大，其鈾濃度明顯低于與之緊鄰的河流樣本。在溪流與河流交匯點(diǎn)的下游，除R05取樣點(diǎn)為水體鈾含量峰值外，其他取樣點(diǎn)鈾含量隨與礦區(qū)距離的增大總體下降。距交匯點(diǎn)較近的樣本(R02～R07)，鈾濃度隨與礦區(qū)距離的增大下降幅度較大，遠(yuǎn)離交匯點(diǎn)的樣本(R08～R12)下降幅度較小。

2.3 介形類分布與生態(tài)特征

C.v和H.i均為全球分布種，均具有較強(qiáng)的抗污能力[12,17,19-20]。C.v在所有樣本中均有分布，豐度變化于(2～26)/50 cm3，其分布水域的理化參數(shù)如下：pH值，6.31～8.62；電導(dǎo)率，44～430 μS/cm；溶解氧濃度，5.37～8.38 mg/L；水溫，18.6～23.3 ℃；U含量，0.384～49.780 μg/L；Th含量，0.120～2.859 μg/L。H.i僅在河流樣本中分布，溪流樣本未發(fā)現(xiàn)，豐度變化于(1～21)/50 cm3，其分布水域的理化參數(shù)如下：pH值，7.69～8.62；電導(dǎo)率，44～80 μS/cm；溶解氧，7.10～8.30 mg/L；水溫，18.6～20.6 ℃；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。

2.4 利用介形類評(píng)價(jià)地表水鈾污染

介形類各屬種豐度及總豐度均與水體鈾濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖2)，說明可利用C.v與H.i豐度及總豐度變化指示水體鈾濃度的變化，豐度越小，鈾含量越大，反之亦然。鈾兼具重金屬毒性與放射性危害，易導(dǎo)致介形類豐度與其濃度呈負(fù)相關(guān)，如C.v豐度與水體Ni、Cd濃度均顯著負(fù)相關(guān)，Herpetocyprischevreuxi豐度與水體Cr濃度明顯負(fù)相關(guān)[21]；Chrissiahalyi豐度隨水體Pb濃度升高而降低[22]。C.v與H.i豐度均不高，前者最高為26/50 cm3，后者不超過21/50 cm3，說明研究區(qū)地表水鈾污染對(duì)生物界產(chǎn)生了較明顯的影響。一般情況下，生物多樣性指數(shù)隨屬種數(shù)的增加而增大，其大小與水體污染程度呈反比[21,23]。本文H與水體鈾濃度呈明顯負(fù)相關(guān)，與該結(jié)論一致。其值變化于0.562～0.693之間，明顯偏低，說明研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量需要改善。

3 結(jié)論

溪流水體與河流水體相比，具有低pH值、高電導(dǎo)率、高U及高Th含量的特征。溪流與河流水體鈾含量隨與礦區(qū)距離的增大總體下降。U及Th含量受水環(huán)境參數(shù)影響不明顯。C.v在溪流與河流中均有分布，分布區(qū)U含量為0.384～49.780 μg/L，Th含量為0.120～2.859 μg/L。H.i僅發(fā)現(xiàn)于河流，分布區(qū)U含量為0.384～2.941 μg/L，Th含量為0.120～0.471 μg/L。利用C.v與H.i豐度及總豐度變化可指示水體鈾濃度的變化，豐度越小，鈾含量越大，反之亦然。H與水體鈾濃度呈明顯負(fù)相關(guān)，表明也可利用該生物指數(shù)指示水體鈾濃度。H明顯偏低，說明該區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量需要改善，放射性污染應(yīng)引起足夠重視。