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

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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

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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

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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

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湘江长株潭三地湘江表层沉积物重金属I_geo和指 数分级见图 3，在采样点中，ZX（株洲霞湾段）Pb、Zn 的I_geo均大于5，属于极重污染程度；三地Cr 的I_geo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

图选项

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E_rⁱ 和RI，结果见表 3。对照RI评价标准可以看出，Cr、Ni 的 E_rⁱ 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E_rⁱ和RI结果 Table 3 Potential ecological risk coefficient（E_rⁱ）and risk indices（RI）of heavy metals in surface sediments from Chang-Zhu-Tan Reach,Xiang Jiang River

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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。