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  农业资源与环境学报  2015, Vol. 32 Issue (1): 60-65

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张坤, 杨霞, 吴雅霁, 吴蓓娟, 匡晓亮
ZHANG Kun, YANG Xia, WU Ya-ji, WU Bei-juan, KUANG Xiao-liang
湘江株洲-湘潭-长沙段河床沉积物重金属污染特征及生态风险评价
Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Surface Sediments in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Reach, Xiang Jiang River, China
农业资源与环境学报, 2015, 32(1): 60-65
Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(6): 513-520
http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0230

文章历史

收稿日期:2014-09-16
湘江株洲-湘潭-长沙段河床沉积物重金属污染特征及生态风险评价
张坤1,2, 杨霞1, 吴雅霁1, 吴蓓娟1, 匡晓亮1    
1. 湖南农业大学资源环境学院, 湖南长沙410128;
2. 湖南师范大学资源环境科学学院, 湖南长沙410006
摘要:在湘江株洲-湘潭-长沙(长株潭)河段三地12 处采集河流沉积柱芯12 个,获得沉积物样本384 个,采用地累积指数、潜在生态危害指数等评价方法,系统分析样本中Mn、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni等6 种重金属元素含量水平及分布变化特征,对湘江株洲-湘潭-长沙段重金属污染程度及生态风险进行评价。结果表明:湘江长株潭河流沉积物重金属变动趋势变动较大,Cu、Pb、Zn 分布有明显地域规律,Cr、Ni、Mn 分布无明显地域规律。地累积指数显示,除Ni 和Cr 外,长株潭三地都存在Pb、Cu、Zn、Mn污染,其中株洲霞湾段(ZX5-10)Pb 和Zn 达严重污染程度,Mn、Cu 等达到中度或轻度污染程度;湘潭与长沙两地湘江沉积物Pb、Zn 达到中度污染,其余重金属为轻度或偏中度污染水平。潜在生态风险指数显示,株洲段为强生态危害,湘潭段为中等生态危害,长沙段为轻微生态危害。株洲霞湾段湘江沉积物的重金属潜在生态危害应引起有关部门重视。
关键词重金属     污染评价     沉积物     湘江     长株潭    
Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Surface Sediments in Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Reach, Xiang Jiang River, China
ZHANG Kun1,2, YANG Xia1, WU Ya-ji1, WU Bei-juan1, KUANG Xiao-liang1    
1. College of Resources& Environment of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
2. College of Resources and Environment Science of Hunan Normal University, Changsha 410006, China
Abstract:The concentration and distribution characteristics of six heavy metals(Mn, Zn, Pb, Cu, Cr, Ni)were analyzed in 384 surface sedi-ments samples fromXiang Jiang River(Zhuzhou-Xiangtan-Changsha Reach, hereinafter referred to as Chang-Zhu-Tan Reach). Heavy metal pollution in the sediments from those areas were analyzed and evaluated by using geo-accumulation index method and potential ecological risk index method. The results indicated that the concentrations of heavy metals in the sediments from Chang-Zhu-Tan Reach which had dif-ferent variation trends, the distribution of 3 heavy metals(Cu, Pb and Zn)was contacted with regular geographic changes, the distribution of the other 3 heavy metals(Cr, Ni and Mn)was contacted with irregular geographic changes. According to the results by using geo-accumula-tion index, there were potentially heavy metals pollutions in Chang-Zhu-Tan Reach, and 4 kinds of metals(Pb, Cu, Zn, Mn)were arrived different degree of contaminations. There were serious pollution of Pb and Zn, mild or moderate pollution of Mn and Cu in Xiawan, Zhuzhou Reach(ZX5-10). In Xiangtan and Changsha Reach, there existed moderate pollution of Pb and Zn, mild or moderate pollution of Cu, Mn, Ni and Cr. The potential ecological risk index indicated that the degree of heavy metal pollution in the surface sediments from Zhuzhou Reach represented high ecological hazard, Xiangtan Reach represented moderate ecological hazard, Changsha Reach represented slight ecological hazard. The results suggested that attention should be paid to the potential ecological risk of Xiawan, Zhuzhou Reach(ZX5-10).
Key words: heavy metals     pollution assessment     sediment     Xiang Jiang River     Chang-Zhu-Tan Reach    

河流沉积物作为环境介质,一方面通过吸附、共 沉淀、离子交换等物理化学过程,使河水中重金属发 生转移,对水体重金属污染具有缓冲作用,其自身因 积聚重金属而形成环境污染,成为重金属积聚库;另 一方面,由于水环境物理化学环境的变化,积聚重金 属的沉积物又可释放其中的重金属,使其转入水体等 环境介质,对水环境质量产生影响,而成为可能的重 金属污染源。因此,对河流沉积物重金属污染进行评 价和分析,具有重要的理论意义和实际价值。

湘江作为我国重金属污染最严重的河流之一[1], 其重金属污染问题一直备受关注。对其沉积物重金属 污染的分析研究也一直没有间断。已有研究从重金属 区域分布[2, 3, 4]、重金属活化迁移[5]、重金属赋存特征[6, 7]、 重金属污染源[8, 9, 10]、污染程度评价及环境效应[11, 12, 13]等方 面进行了较深入的分析,取得了重要的研究成果。但 有关湘江河床沉积物重金属污染的特征及其生态风 险等一些问题,目前并未取得明确的认识。特别是,以 往的研究中,研究大多集中于某一个区域,且背景值 的采用尚未结合湖南地质矿藏特点形成统一标准。如 曾北危等[3]评价了湘江沉积物重金属污染,结果表明 湘江长沙河段沉积物中相对富集重金属Cd、Hg、Pb、 As、Cr、Cu、Zn,对该地区生态环境构成潜在威胁。童 霆[1]、王晓丽[10]从区域地质背景的角度,对湘江河口表 层沉积物的重金属元素也进行了大量的分析,得到湘 江流域本身即位于多种金属元素的高背景区内。彭 利等[11]仅对长沙段表层沉积物中重金属进行了监测 和分析,采用潜在生态危害指数法对各种重金属的生 态风险进行评价。结果表明:按当地最高背景值为参 比值计算,湘江长沙段表层沉积物中各种重金属潜在 生态危害系数大小排序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Cr>Zn, 多种重金属的潜在生态风险综合指数为560.8,表明 湘江长沙段沉积物重金属污染属于强生态危害[8]。另 一方面,部分研究对河床沉积物并未进行系统的取样 分析,因而得到的结果具有一定的局限性。本次工作 对湘江株洲、湘潭、长沙河段河床沉积物进行系统的 取样分析,试图在认识沉积物重金属污染特征及其空 间变化规律的基础上,探讨河床沉积物重金属污染的 生态风险危害等问题,为流域重金属的基础研究和污 染防治提供科学参考。 1 材料与方法 1.1 药品与溶液配制

质量分数为65%的浓硝酸;质量分数约为40%~ 42%的氢氟酸;质量分数为37%的稀盐酸;浓度为 1 000 μg·L-1 的Rh 内标溶液;蒸馏水等级Ⅰ(ISO 3696—1995)。 1.2 仪器设备

自制65 mm有机玻璃管(使用前用稀盐酸洗净), MDJ2000双目金相显微镜,筛网(60 目筛、200目筛), 玛瑙研钵,Teflon 密封容器,超声波振荡器DL-800D, 电热板C-MAGHP10,Perkin-ElmerElan6000型(ICPMS) 等离子质谱仪。 1.3 样品采集与处理

样品采集点根据湘江流域特征,从上游至下游, 选取株洲、湘潭、长沙三段河段进行沉积物柱芯采样 (采样点位置见图 1),分别在株洲段(株洲ZH1、石峰 大桥北ZF2、石峰大桥东ZF1、霞湾ZX)、湘潭段(竹 埠港ZB、醴潭高速XT、鹤山岭锰矿XM、昭山ZS)、长 沙段(猴子石大桥HZ、橘洲大桥JZ、三汊矶大桥SG、 霞凝XW)12 处河床获得沉积柱芯12个。沉积柱芯采 用有机玻璃管(管长120 cm,内径65 mm,外径75 mm, 配有橡胶活塞及密封盖),现场取样进行观察、记录后 对12 个沉积柱芯按2 cm 间隔切割后获得384 份样 品(由于本文不进行随地质年代变化的重金属特征分 析,故采集的不同长度、不同岩性的沉积柱芯及切割 后样品适合用于沉积物重金属元素特征的分析与研 究),记录归类后分别装入塑料密封袋,送入实验室做 后续处理。沉积物样品在实验室经自然风干后,在双 目镜下进行矿物成分分析。

图 1 湘江长株潭三地及入湖口表层沉积物采样点 Figure 1 Sampling sites of surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River
1.4 样品分析与测试

样品在40 ℃条件下烘干后,过60 目筛,再称取 5.0 g样品用玛瑙研钵研磨,过200 目筛(<75 μm),得 到粉末样品备分析之用。40.0 mg粉末样品置于Teflon 密封容器中,加入0.3 mL浓硝酸,氢氟酸1.0 mL 超声 波震荡后于电热板上蒸干,然后再加入0.3 mL 浓硝 酸,氢氟酸1.0 L密封加热(100 ℃)7 d。样品蒸干后再 加2.0 mL浓硝酸恒温24 h 后再蒸干,加2.0 mL 浓硝 酸溶解盐类,后用1%的硝酸将样品转移至50 mL 容 量瓶中,加入Rh 内标溶液,以1%硝酸稀释至40 g备 测,采用中国科学院广州地球化学研究所同位素地球 化学重点实验室Perkin-Elmer Elan 6000型(ICP-MS)等离子质谱仪对所有沉积物样品进行Pb、Zn、Cu、 Mn、Ni、Cr 6种重金属元素含量分析,分析数据均为7 次平行分析的平均值,检测极限为10<10-9,分析精度 高于5%。 1.5 沉积物重金属生态风险评价方法

鉴于我国在水体沉积物环境质量评价还没有统 一标准,故采用地累积指数法、变异系数法、潜在生态 危害指数法,来评价湘江株洲、湘潭及长沙三段区域 水体沉积物环境质量状况。使用变异系数CV(Coefficient of variance)法[14]来统计和衡量三段沉积物重金 属各观测值变异程度;使用地累积指数法[15]分析三段 沉积物重金属富集情况;使用沉积物重金属潜在危害 指数(RI)评价方法[16]对三段沉积物重金属潜在生态 危害进行评价。 1.6 数据分析

采用SPSS 11.0 软件进行数据分析和处理。利用 独立样本t检测评价株洲、湘潭、长沙三地湘江表层 沉积物重金属含量差异,用Pearson 相关系数进行相 关分析,显著性水平设置为0.05。 2 结果与分析 2.1 沉积物中重金属含量及污染水平

湘江株洲、湘潭、长沙三地重金属平均含量见表 1。总体来看(图 2),在6 种重金属含量分析当中,变 化幅度依次为Pb>Zn>Cu>Mn>Ni>Cr,其中,湘江长株 潭三地Pb 含量变化较大,株洲段Pb、Zn、Cu 含量最 高。其中,株洲霞湾(ZX 采样点)Pb含量达到1 299.05 mg·kg-1、Zn 含量为3 781.01 mg·kg-1、Cu含量为291.50 mg·kg-1。观测的6 种重金属元素中,Pb、Zn、Cu含量最 高,这可能与位于该地的株洲市清水塘工业区有关。该 地重金属含量与中国土壤背景值Mn(450 mg·kg-1)、 Zn(76 mg·kg-1)、Pb(22 mg·kg-1)、Cu(20 mg·kg-1)、Cr (44 mg·kg-1)、Ni(21.2 mg·kg-1)相比,分别高出5.35、 49.75、59.05、14.58、2.39、2.79倍[17]

表 1 湘江株洲、湘潭、长沙三地及入湖口表层沉积物重金属含量 Table 1 Heavy metals concentration in surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River

图 2 湘江长株潭三地表层沉积物6种重金属含量变化 Figure 2 The contents change of 6 kinds of heavy metals concentration in surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River

从各重金属含量的空间变异参数可以看出,长株 潭三地湘江沉积物中株洲段Pb 含量的变幅最大,其 变异系数为1.07,Cu 和Zn 变异系数都大于0.5;湘 潭段Ni的变幅较大,其变异系数为0.51;长沙段所有 被测重金属元素的变异系数均小于0.50,这说明该地 6 种重金属的含量空间分布较均匀,波动程度不大, 离散性较小。 2.2 沉积物中重金属元素相关性分析

研究水体表层沉积物中重金属含量的相关性可 以判断重金属的来源是否相同。如果重金属含量之间 显著相关,则说明它们出自同一来源的可能性较大。 为探讨长株潭三地湘江沉积物各种重金属之间的相 关状况,利用SPSS 统计软件计算各重金属含量之间 的Pearson 相关系数(表 2)。被测各重金属含量除Zn 和Cu,Pb 和Cu,Pb 和Zn 呈显著相关外,其他重金属 含量之间的相关性都比较弱,其中Pb 和Zn相关性达 到了1.0,说明长株潭三地湘江沉积物Pb 和Zn 重金 属元素来源相同。

表 2 长株潭三地湘江沉积物重金属含量的相关分析 Table 2 The correlation analysis of the heavy metal contents from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River
2.3 沉积物中重金属的污染评价 2.3.1 地累积指数法

湘江长株潭三地湘江表层沉积物重金属Igeo和指 数分级见图 3,在采样点中,ZX(株洲霞湾段)Pb、Zn 的Igeo均大于5,属于极重污染程度;三地Cr 的Igeo均 处于[0, 1]之间,属于轻度污染;三地除株洲外,湘潭与 长沙各重金属元素均处于[0, 3]范围内,属于中度污 染。综上,各种重金属污染长株潭三地湘江沉积物强 弱顺序为Pb>Zn>Cu>Mn>Ni>Cr。

图 3 长株潭三地湘江沉积物Eri和RI结果 Figure 3 Potential ecological risk coefficient(Eri)and risk indices(RI)of heavy metals in surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River
2.3.2 潜在生态风险指数(RI)法

根据Hakanson 潜在生态风险指数法,计算湘江 长株潭三地湘江表层沉积物6 种主要重金属Eri 和RI,结果见表 3。对照RI评价标准可以看出,Cr、Ni 的 Eri 均小于40,处于轻微的生态风险等级,无潜在生态 风险影响;Mn 在2Q5 采样点达到40.94,达到中等生态危害;Zn 在采样点ZU4-7 和ZX5-10 分别达到 48.31 和61.86,达到中等生态危害;Cu 在采样点XS2 处达到87.81,属于强生态危害;Pb 和Cu 在采样点 ZU4-7和ZX5-10 均达到中等或很强的生态危害。株 洲段湘江沉积物重金属潜在生态危害指数为强生态 危害,湘潭段湘江沉积物重金属潜在生态危害指数为 中等生态危害,长沙段湘江沉积物重金属潜在生态危 害指数为轻微生态危害。

表 3 长株潭三地湘江沉积物EriRI结果 Table 3 Potential ecological risk coefficient(Eri)and risk indices(RI)of heavy metals in surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River
2.4 评价方法比较与分析

采用地累积指数、潜在生态危害指数评价法对湘 江株洲-湘潭-长沙河段河床沉积物重金属污染进行 分析和评价,2 种方法评价结果基本相同,都发现株 洲段河床沉积物存在较严重的重金属污染,湘潭段和 长沙段重金属污染有递减趋势,6种重金属中Pb、Zn、和Cu 都呈现出较强相关性,证明株洲-湘潭-长沙河 段河床沉积物中Pb、Zn 和Cu 重金属来源基本相同。 株洲霞湾港(采样点ZX5-10)Cu、Pb、Zn 含量都达到 了最大值,处于严重污染水平。 3 结论

(1)湘江长株潭河流沉积物重金属变动趋势变动 较大,顺序依次为Pb>Zn>Cu>Mn>Ni>Cr。

(2)地累积指数显示,除Ni 和Cr 外,长株潭三地 都存在Pb、Cu、Zn、Mn 污染,其中株洲霞湾段(ZX5- 10)Pb、Zn 达严重污染程度,Mn 和Cu 达到中度或轻 度污染程度;湘潭与长沙两地湘江沉积物Pb、Zn 达到 中度污染,其余重金属为轻度或偏中度污染水平。

(3)潜在生态风险指数显示,株洲段湘江沉积物 重金属潜在生态危害指数为强生态危害,湘潭段湘江 沉积物重金属潜在生态危害指数为中等生态危害,长沙段湘江沉积物重金属潜在生态危害指数为轻微生 态危害。株洲霞湾段湘江沉积物的重金属潜在生态危 害应引起有关部门重视。

同时,研究表明湘江长株潭流域中重金属污染是 有关联性的,只有从株洲段着手重金属治理,才能从 较大程度上缓解当前长株潭城市群环境中存在的重 金属污染问题。

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