湘江岳阳段沉积物重金属污染特征及其初步生态风险评估

曾祥英, 王 晨,2, 于志强*, 秦延文, 张 雷,盛国英, 傅家谟



湘江岳阳段沉积物重金属污染特征及其初步生态风险评估

曾祥英1, 王 晨1,2, 于志强1*, 秦延文3, 张 雷3,盛国英1, 傅家谟1

(1. 有机地球化学国家重点实验室, 广东省环境资源利用与保护重点实验室, 中国科学院 广州地球化学研究所, 广东 广州 510640; 2.中国科学院 研究生院, 北京 100049; 3.中国环境科学研究院 河流与海岸带环境创新基地, 北京 100012)

分析了湘江岳阳段表层沉积物样品中10种典型重金属元素(Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Tl、V、Mn、Co和Ni)的含量水平和分布规律, 并采用地累积指数法和潜在生态风险指数法, 初步评价了沉积物中重金属污染状况和潜在生态风险。研究结果表明: (1)湘江岳阳段沉积物中重金属Cd、Zn、Mn和Cu等污染较为严重, 其含量范围分别为8.56~19.4 mg/kg、250~367 mg/kg、1489~2258 mg/kg和40.5~64.7 mg/kg; (2)研究区域中多种重金属潜在生态风险指数()为369~698, 表明研究区域沉积物重金属污染导致的潜在生态风险高, 且主要风险污染物为Cd和Tl; (3)湘江岳阳段沉积物呈现出以Cd为主的多种重金属复合污染特征。

重金属; 沉积物; 湘江岳阳段; 地累积指数; 潜在生态风险指数法

0 引 言

湘江是长江中游的重要支流之一, 发源于广西壮族自治区灵川县, 流经广西和湖南两省区后, 从岳阳市湘阴县入洞庭湖。湘江干流全长856 km, 其中湖南省境内干流长670 km, 流域面积为85383 km2,沿途接纳大小支流1300多条。湖南省是我国著名的“有色金属之乡”, 大部分有色金属的开采和冶炼均集中在湘江流域。作为纳污水体, 湘江接纳了沿岸大量的工业废水, 废水中有毒重金属Cu、Hg、Cd和Pb等超标异常严重[1]。自20世纪70年代起湘江已经成为我国重金属污染严重的河流之一。值得注意的是, 湘江同时也是流域内居民主要的饮用水源以及工农业用水水源, 因此多年以来湘江流域重金属污染一直备受关注[2]。已有研究表明, 湘江衡阳段及其主要支流沉积物、周围土壤中Cu、Cd和Pb等重金属严重超标, 其综合污染指数显示出重度污染[3–6]。受到株洲清水塘工业区内企业废水超标排放的影响, 湘江霞湾段沉积物中Cd和Pb污染十分严重[7–8]。截至目前, 针对湘江干流重金属污染的研究较多, 但是关于湘江入湖口(洞庭湖)沉积物中重金属污染现状研究的报道并不多见。尹春艳等[9]通过对湘江河口三角洲沉积柱芯的研究发现, 河口沉积物中重金属污染严重, 并通过主成分分析初步探讨了沉积物中重金属的污染来源。

为了解湘江入湖口(岳阳段)表层沉积物重金属污染现状, 探讨湘江中上游矿山开采、冶炼等活动对入湖口沉积物质量的影响, 本研究选择湘江入湖河段湘阴和屈原农场两地作为研究对象。本研究区域较为特殊, 丰水期为洞庭湖的一部分, 而枯水期部分河床裸露呈现河流形态。在研究区域设定监测断面6个, 在各监测断面的中部, 分别采集一份表层沉积物样品。本研究拟通过研究10种典型重金属的含量水平及其分布规律, 初步探讨沉积物中重金属的主要来源; 同时采用地积累指数和潜在生态风险指数法, 初步评价岳阳段沉积物中重金属的污染水平和潜在的生态风险危害。

1 材料与方法

1.1 试 剂

实验用水由Milli-Q高纯水发生器制得(>18.2MΩ/cm)。实验用HCl由优级纯HCl等温吸收纯化得到, HNO3由优级纯HNO3经石英蒸馏器亚沸蒸馏得到。标准物质GBW07129、GBW07309、GBW07103、GBW07104、GBW07105和GBW07123从国家地质实验测试中心购得, W-2a和AGV-2从美国地质调查局购得。

1.2 样品的采集、处理和定性定量分析

2010年4月, 在湘江入湖河段(岳阳段)设定6个监测断面, 其中屈原农场4个(QY1－QY4), 湘阴2个(XY1－XY2), 用抓斗式采泥器分别采集沉积物样品, 采样点如图1所示。沉积物样品经冷冻干燥除去水分, 并用玛瑙研钵研磨达到测试要求。所有化学处理过程均在中国科学院广州地球化学研究所同位素超净化学实验室(100级)进行。沉积物中重金属的定性定量分析参照刘颖等人报道的方法进行[10]。

1.3 沉积物重金属污染现状评价和潜在生态风险评估

1.3.1 地累积指数法

地累积指数(index of geoaccumulationgeo)是德国科学家Müller提出的研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标[11], 其计算公式为:

geo= log2[C/(K×B)]

式中:C是元素在沉积物中的实测含量,B为该元素在普通页岩中的地球化学背景值, 本研究中采用中国土壤平均值(CAS); 考虑到各地岩石差异可能会引起背景值的变动,取值为1.5。

1.3.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法()可以定量评估单一污染物的污染程度(单因子污染风险程度), 也可以综合评估多种污染物复合污染所致的潜在生态危害[12]。本研究综合考虑了10种典型重金属的浓度以及毒性水平等因素影响, 初步评估它们的潜在生态风险程度。计算公式如下:

2 结果与讨论

2.1 湘江岳阳段沉积物中重金属含量水平与分布特征

表2中列出了湘江岳阳段沉积物中10种重金属含量水平及均值, 同时列出了辽河、大辽河、珠江水系北江支流和长江沉积物中几种典型重金属的平均含量, 以及辽宁二道坊河沉积物中Tl含量水平[16,18–20]。

2.1.1 5种常见毒害重金属污染水平及分布规律

从表2中可以看出, 研究区域沉积物中Cd含量变化较为显著(8.56~19.4 mg/kg), 其平均含量(13.8 mg/kg)与北江(16.7 mg/kg)相当, 远远高于辽河(0.11 mg/kg)与大辽河(0.72 mg/kg)的均值; Cr含量为60.5~83.1 mg/kg, 其均值(74.9 mg/kg)远低于北江均值(206 mg/kg), 也低于大辽河均值(113 mg/kg), 与长江(73.3 mg/kg)平均水平相当; 研究区域沉积物中Cu含量变化为40.5~64.7 mg/kg, 其均值53.9mg/kg远低于北江污染水平, 而与大辽河均值(50.9mg/kg)水平相当; 沉积物中Pb含量为26.8~38.1 mg/kg, 其均值32.1 mg/kg 远低于珠江水系北江污染水平(213 mg/kg), 而与大辽河和长江含量水平大致相当。研究区域中Zn的含量(223~367 mg/kg, 均值299 mg/kg)仅次于北江(619 mg/kg)、远高于长江(31.6 mg/kg)。

图1 湘江岳阳段沉积物采样点示意图

表1 和RI值对应的污染程度以及潜在生态风险程度

表2 湘江(岳阳段)沉积物中10种重金属含量(mg/kg)

研究区域沉积物中Cr和Pb的均值均未超过国家土壤环境质量标准值(GB 15618-1995)中的一级标准(为保护区域自然生态环境, 维护自然背景的土壤环境质量限制值); Cu和Zn均值则超过了一级标准, 但低于三级标准阈值(为保障农业生产和植物正常生长的土壤临界值)。值得注意的是, 研究区域沉积物中Cd含量超过三级标准8~20倍。与现代工业化前全球沉积物中重金属最高背景值对比[15], 发现研究区域中Cd富集非常显著, 形成了湘江岳阳段以Cd为主的多种重金属复合污染的特征, 与前文报道的湘江衡阳段重金属分布特征较为一致[3,21], 表明岳阳段沉积物重金属污染可能主要受到上游湘江水的影响, 尹春艳等通过主成分分析也证实湘江河口沉积物中Cd、Pb主要源于湘江水的输入[9]。

2.1.2 4种中等毒性重金属污染水平及分布规律

研究区域沉积物中V含量为71.9~115mg/kg (均值101 mg/kg), 高于北江平均水平(61.8 mg/kg); 值得注意的是, 研究区域中Mn的含量(1471~2258 mg/kg, 均值1774 mg/kg)几乎是北江(860 mg/kg)和长江(753 mg/kg)含量的2倍。从表中可以看出, 研究区域中Co(19.2 mg/kg)和Ni(40.1 mg/kg)的均值与另外几条河流沉积物中污染水平大致相当。

从其空间分布来看, 研究区域内6个采样点10种重金属污染没有显著区别。湘江岳阳段已经临近入湖口, 该区域采矿冶炼工业并不发达, 初步推断出其沉积物中重金属污染主要受湘江上游水输入的影响[9]。

2.1.3 沉积物中Tl污染现状

岳阳段沉积物中Tl的含量范围为0.99~ 1.27 mg/kg(均值为1.13 mg/kg), 高于我国大陆沉积物中Tl的含量(0.55 mg/kg)以及中国土壤Tl的背景值(0.58 mg/kg)[14]。同时, 研究还发现, 6个沉积物样品中Tl的含量没有明显差异, 表明在研究区域没有明显的点源污染排放。目前关于沉积物中Tl污染的研究较少, 张淑香等[20]研究发现, 由于受研究区域高背景值的影响, 辽宁草河口地区二道坊河沉积物中Tl含量也较高, 为0.44~1.12 mg/kg(均值为0.74 mg/kg)。受到电子垃圾处理的废液废渣排放的影响以及矿山开采和金属冶炼行业工业废水的影响, 珠江水系北江干流沉积物中富集了较高含量的Tl (0.92~2.32 mg/kg), 韶关冶炼厂附近的沉积物中Tl含量则高达7.78 mg/kg, 显示了极高的Tl生态风险[14]。

2.2 沉积物重金属的污染现状评价和生态风险程度评价

2.2.1 地累积指数法

表3中列出了10种重金属的geo值。本文参照尹春艳等[9]沉积物重金属污染等级分类标准来评估岳阳段沉积物中重金属污染等级。从表3中可以看出, 所有沉积物样品中Cd的geo>5, 揭示出岳阳段沉积物中Cd严重污染; 沉积物样品中Zn的geo范围1.00~1.72, 呈现出偏中度污染; 对Mn而言, QY1(0.77)和XY2(0.75)为轻度Mn污染, 其余4个采样点均为偏中度污染; 相对而言, 湘江岳阳段面临轻度的Cu污染和Tl污染(0

以10种重金属geo的均值排序, 湘江沉积物中不同重金属元素的污染程度从大到小的排序依次为: Cd > Zn > Mn > Cu > Tl > Ni > Co > Pb > Cr > V。

2.2.2 潜在生态风险指数

3 结 论

(1) 湘江岳阳段沉积物中重金属污染严重, 其中Cd富集严重。根据地累积指数评估结果看, 不同重金属元素的污染程度按geo从大到小的排序依次为: Cd＞Zn＞Mn＞Cu＞Tl＞Ni＞Co＞Pb＞Cr＞V; 按生态风险危害指数大小分, 各重金属生态风险危害顺序为Cd＞Tl＞Ni＞Co＞Mn＞Cu＞V＞Pb＞Zn＞Cr。依据不同的评价方法, 评价结果出现一定的差异。主要原因在于, 潜在生态风险指数法综合考虑了各重金属的毒理效应。研究结果表明, 岳阳段沉积物呈现出以Cd为主的多种重金属复合污染的特征。

表3 湘江沉积物地累积指数Igeo值

表4 湘江岳阳段沉积物重金属潜在生态危害评价结果

(2) 本研究区域中, 所有采样点均面临着很高的生态风险。鉴于研究区域已是入湖口, 丰水期与洞庭湖连成一片, 沉积物中富集的重金属对洞庭湖水质的影响以及湖中水生态系统的影响, 还需要开展进一步的研究。

(3) 以往针对湘江流域重金属污染的研究多集中在Cd等常见高毒性重金属污染, 而忽视了沉积物中Tl的赋存及其潜在生态风险。从本文研究结果看, 湘江流域Tl的潜在生态风险值得高度关注。

本研究得到国家科技重大专项(2009ZX07528- 002)和国家重点基础研究发展计划项目(2008CB418205)经费的支持, 在此致谢。

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The occurrence, distribution and preliminary risk assessment of heavy metals in sediments from Xiangjiang River (Yueyang Section)

ZENG Xiang-ying1, WANG Chen1,2, YU Zhi-qiang1*, QIN Yan-wen3, ZHANG Lei3, SHENG Guo-ying1and FU Jia-mo1

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangdong Key Laboratory of Environment and Resources, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. River and Coastal Environmental Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

The occurrence and distribution of 10 heavy metals, Cd, Cu, Pb, Zn, Cr, Tl, V, Mn, Co and Ni in sediments collected from Xiangjiang River (Yueyang section) were analyzed. Meanwhile the potential ecological risks of these heavy metals were calculated and assessed using Index of geoaccumulation (geo)as well as Lars Hanson method based on concentrations measured in this study. The results indicated that (1) Xiangjiang River (Yueyang section) was heavily polluted by Cd, Zn, Mn and Cu, with concentrations ranging from 8.56−19.4 mg/kg, 250−367 mg/kg, 1489−2258 mg/kg and 40.5−64.7 mg/kg, respectively; (2)values in this area varied from 369 to 698, implying high ecological risks in most of the sampling sites in the studied area, which were mainly from Cd and Tl; (3) The pollution characteristic of multi-metals in this section was mainly related to Cd.

heavy metal; sediment, Xiangjiang River (Yueyang Section), index of geoaccumulation, lars hanson method

P595; P593

A

0379-1726(2012)01-0063-07

2011-10-10;

2011-11-08;

2011-11-09

国家科技重大专项(2009ZX07528-002)；国家重点基础研究发展计划项目(2008CB418205)

曾祥英(1968−), 女, 博士、副研究员, 主要研究方向为环境毒害污染物研究与风险评估研究。E-mail:zengxy@gig.ac.cn

YU Zhi-qiang, E-mail: zhiqiang@gig.ac.cn; Tel: +86-20-85292391