广西大厂矿区沉积物重金属污染及风险评价❋

李雪华,徐 鹏,李俊青,曹若愚,范 航,高媛媛

(1.北京林业大学 林学院,北京 100083;2.北京林业大学 理学院,北京 100083)

重金属是有潜在危害的重要污染物,其在生物体内富集,成为持久性污染物,会造成严重的环境问题.经各种方式进入环境中的重金属污染物不易溶解,通过各种方式在生态系统中迁移循环,最终可能进入人体中,产生严重危害.沉积物是水环境中重金属的源或汇,是水环境重金属污染的指示剂,通过各种途径进入水体的重金属绝大部分可以迅速地由水相转入固相,结合到悬浮物和沉积物中.因此,河流沉积物中微量重金属元素的含量常能提供自然环境中重金属转移的信息,这对环境保护有着重要的意义[1-2].

广西壮族自治区西北部南丹县境内矿产资源丰富,且主要集中在南丹县大厂镇与车河镇一带,是我国有色金属的重要生产基地[3].区内矿山活动频繁,采矿选矿及冶炼所产生的废石矿渣等长期自然堆放,已经对矿区河流环境造成了一定的影响.

值得注意的是,在矿区的下游就是人类的聚居区,如何评价矿区的生产活动对周边居民的影响是摆在科技工作者面前的一个重要问题.鉴于此,本研究以矿区下游河流中沉积物为研究对象,采用潜在生态风险指数法(Potential Ecological Risk Index,PERI)[4],定量计算出沉积物中重金属污染潜在生态风险值,对河水系表层沉积物中重金属的污染程度进行评价,旨在得到单一污染物的环境影响和多种污染物的综合效应的评价结果,为该地区沉积物的重金属污染防治和决策管理提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 采样点布置及样品采集

作者于 2011年 8月实地考察了广西大厂矿区下游河流,采集到表层沉积物样品共14个.

1.2 样品处理及分析

沉积物样品经冷冻干燥机干燥后,压散并剔除杂质.采用四分法取其 1/4作为实验样品,经玛瑙研钵研细,过 75μ m(200目)尼龙筛后,储存于聚乙烯瓶中待测.处理好的样品在 HNO3/HCl/HF介质中微波消解.沉积物样中 Pb,Cd,Cu,Zn,Cr和 Ni含量用 PekinElmerAA700原子吸收光谱仪测定,As含量用 AFS-3100型原子荧光光度计测定.所测样品均设置两个平行样,相对标准偏差均保持在 10% 以内,所有分析结果均以沉积物干重计.

1.3 潜在生态风险评价方法

1980年,瑞典科学家 Hakanson提出了用潜在生态风险指数法对重金属进行潜在生态风险评价[4-5].根据此法,某一区域沉积物中第i种重金属的潜在生态危害系数 Eir及沉积物中多种重金属的潜在生态危害指数 RI可分别表示为

2 结果与讨论

2.1 河流层沉积物中重金属污染特征

研究表明：在受重金属污染水体中,沉积物中重金属含量可达水溶液中数百倍至数十万倍,分析和评价沉积物中污染物是环境调查评价中重要的内容之一[8-9].本研究中河流中表层沉积物中各金属含量详见图 1.

2.1.1 沉积物中 Cu污染现状

图1表明：与《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)[10]相比,所有样品中的 Cu含量平均值为204 mg◦kg-1,达到土壤环境质量三级标准.全部 14个样品中 Cu含量均超过土壤环境质量一级标准,21.4%的样点 Cu含量达到土壤环境质量二级标准,71.4% 的样点 Cu含量达到土壤环境质量三级标准,其中最高值达 465 mg◦ kg-1,超过土壤环境质量三级标准.与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Cu的平均含量与府河-白洋淀水系沉积物中的平均含量大致相当[11],高于巢湖[12]、 成都市 河流[13]、 丹 河[14]、 洪 泽湖[15]、 泮河[16]、长江中下游的太白湖、龙感湖、巢湖和西氵久[17]、渭河西安段[18]水体沉积物中 Cu含量,低于大宝山矿区河流[19]、滇东南矿区河流[20]、珠江(广州河段)[21]水系沉积物中的 Cu含量.

图1 沉积物中重金属含量Fig.1 Concentrations of heavy metals in sediments

2.1.2 沉积物中 Cd污染现状

图1结果表明：全部 14个样品中 Cd含量均超过土壤环境质量二级标准,平均值为10.9 mg◦ kg-1,最大值为 18.7 mg◦ kg-1,最小值为 4.41 mg◦kg-1,即使是最小值也是国家土壤环境质量二级标准的7倍,可见本研究区域内沉积物中 Cd存在严重的污染.与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Cd的平均含量高于巢湖[12]、成都市河流[13]、丹河[14]、泮河[16]、珠江(广州河段)[21]沉积物中 Cd含量的平均值,但是低于滇东南矿区河流[20]、府河-白洋淀水系[11]、洪泽湖[15]沉积物中 Cd的平均含量.

2.1.3 沉积物中 Ni污染现状

图1结果表明：全部 14个样品中 Ni含量的平均值为 247 mg◦ kg-1,已超过国家土壤环境质量三级标准 200 mg◦kg-1的规定.值得注意的是,样品中 Ni的最高含量已达 350 mg◦ kg-1,超过国家土壤环境质量三级标准近 1倍.在 14个样品中仅有 2个含量在 200 mg◦ kg-1以下,属于三级标准.与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Cd的平均含量远高于长江中下游的太白湖、龙感湖、巢湖和西氵久[17]和渭河西安段[18]沉积物中 Ni的平均含量.

2.1.4 沉积物中 Pb污染现状

图1表明,全部 14个样品中 Pb含量的平均值为 44.0 mg◦kg-1,已超过国家土壤环境质量一级标准,属于二级标准.在 14个样品中有42.9% 的样品中 Pb含量低于国家土壤环境质量一级标准,属于一级标准.其余样品中 Pb的最高含量为 108 mg◦kg-1,未超过国家土壤环境质量二级标准.总之,所研究地区沉积物中铅元素含量污染现象并不严重.与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Pb的平均含量与泮河[16]、长江中下游的太白湖、龙感湖、巢湖[17]沉积物中 Pb平均含量大致相当,高于巢湖[12]、丹河水系[14]、洪泽湖[15]、渭河西安段[18]沉积物中 Cu含量的平均值,低于成都市河流[13]、大宝山矿区河流[19]、滇东南矿区河流[20]、府河-白洋淀水系[11]、珠江(广州河段)[21]沉积物中 Pb的平均含量.

2.1.5 沉积物中 Cr污染现状

图1表明,全部 14个样品中 Cr含量的平均值为 101 mg◦ kg-1,已超过国家土壤环境质量一级标准,属于二级标准.在 14个样品中有 6个样品中 Pb含量低于国家土壤环境质量一级标准,属于一级标准.其余样品中 Pb的最高含量为108 mg◦kg-1,未超过国家土壤环境质量二级标准.

与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Pb的平均含量与珠江(广州河段)[21]和渭河西安段[18]沉积物中 Cr含量大致相当,高于巢湖[12]、大宝山矿区河流[19]、丹河[14]、洪泽湖[15]、长江中下游的太白湖、龙感湖、巢湖和西氵久[17]沉积物中 Cu含量的平均值,低于泮河[16]沉积物中 Pb的平均含量.

2.1.6 沉积物中 Zn污染现状

图1表明,全部 14个样品中 Zn含量的最小值为 1329 mg◦kg-1,最大值和最小值分别为1950 mg◦ kg-1和 755 mg◦ kg-1,均已超过国家土壤环境质量三级标准,说明沉积物受到较为严重的 Zn污染.

与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 Pb的平均含量高于巢湖[12]、大宝山矿区河流[19]、丹河[14]、滇东 南矿 区河流[20]、 洪 泽湖[15]、 泮河[16]、珠江(广州河段)[21]、长江中下游的太白湖、龙感湖、巢湖和西氵久[17]、渭河西安段[18]沉积物中 Zn含量的平均值,与府河-白洋淀水系沉积物中 Zn含量大致相当[11].

2.1.7 沉积物中 As污染现状

图1表明：全部 14个样品中 As含量的最小值为 19.3 mg◦kg-1,未超过国家土壤环境质量二级标准.但是,研究发现有 28.6% 的样品中As元素含量超过国家土壤环境质量一级标准,属于二级标准,其中最大值达 48.2 mg◦ kg-1.总体而言,本研究中 As的含量并不高,约 30% 左右的样品中存在砷含量较高的现象.

与其他研究结果相比,本研究中沉积物中 As的平均含量与丹河[14]沉积物中 As的平均含量大致相当,高于成都市河流[13]和渭河西安段[18]沉积物中 Cu含量的平均值,低于大宝山矿区河流[19]、滇东南矿区河流[20]、洪泽湖[15]、珠江(广州河段)[21]沉积物中 Pb的平均含量.

综合测定结果来看(表 1),7种重金属在沉积物中的平均含量顺序为 Zn(1329 mg◦ kg-1)＞Ni(247 mg◦ kg-1)＞ Cu(204 mg◦ kg-1)＞ Cr(101 mg◦kg-1)＞ Pb(44.0 mg◦kg-1)＞ As(19.3 mg◦ kg-1)＞ Cd(10.9 mg◦ kg-1). 由污染现状可见,各样品中主要是 Cu,Cd,Ni和 Pb的超标污染,并且这 4种金属分布特征基本相似,高值区与低值区也大致吻合,最高值均位于 4#点位置.

需要说明的是,这4种金属的最大值与平均值相差通常在 2～ 3倍左右,表明此地区主要受到上游地区污染源的影响,区域内存在大污染源的可能性较小.

表1 沉积物中重金属统计分析结果Tab.1 Statistical results of heav y metals in the stream sediment

2.2 重金属元素含量相关性

广西大厂矿区下游河流沉积物中不同重金属含量间相关性分析结果表明(表 2)：Cu～ Cd,Cu～ Pb,Ni～Zn间有很高的相关性,表明它们同源性很高,尤其 Ni～ Zn之间相关系数达 0.92,呈极显著相关,说明沉积物中这些元素污染源可能相同,来自周围企业排放的工业废水和居民生活污水[22].

表2 沉积物中各金属含量的相关矩阵Tab.2 Relativ e matrix between metals in surface sediment

2.3 重金属污染评价

将沉积物中 Pb,Cd,Cu,Zn,Ni和 As含量分别代入式(1)和(2),结合沉积物中重金属的背景参考值和毒性系数(表 3),可计算出潜在生态危害系数 Ei

r和潜在生态危害指数 RI,根据生态危害系数Ei

r和潜在生态危害指数 RI与生态危害程度的关系(表 4),评价所调查区域内沉积物单个污染物的潜在生态危害程度和总的生态风险程度,评价结果见图 2.

表3 沉积物中重金属的背景参考值和毒性系数Tab.3 Toxicity coefficients and background reference of heav y metals in stream sediment

表4 重金属潜在生态危害系数 Eir,潜在生态危害指数RI与生态危害程度的关系Tab.4 Potential ecological risk facto r(Eir)and potential ecological risk index(RI)about pollution lev el

由图 2可见,以单个重金属潜在生态危害系数评价,所调查地区的表层沉积物中主要生态风险因子是元素 Cd,各采样点平均 Eir值为 326,已具极强的生态危害.样品中有 7个 Eir值大于 325,占样品总数的 50%,其中最高值为 561.69.

所有样品中仅有 1个样品的 Cu的潜在生态危害系数最高值超过 40,达到 47,表明此点具有中等生态危害;但 14个样品的 Cu的潜在生态危害系数的平均值为 20,总体而言 Cu仅具有轻微的生态危害.其余 6种元素 Eir值均小于 40,都属于轻微生态危害,均不为主要生态风险因子,各重金属对所调查地区生态风险影响程度由高到低依次为：Cd＞ Cu＞ Ni＞ As＞ Zn＞ Pb＞ Cr.

图2 各种点重金属生态危害系数Fig.2 Potential ecological risk factor(Eir)of heavy metals

以多个重金属潜在生态危害指数评价(图 3),14个采样点平均 RI值为 385,远超过 220,说明所研究区域内表层沉积物已具极强生态危害,其中 10个采样点的多个重金属潜在生态危害指数超过 220,最大值为 656.

无论是从上述对诸河口表层底泥中重金属含量的分析,还是对多个重金属的潜在生态危害评价,广西大厂矿区下游河流都应引起环境监测和环境治理部门的关注.

图3 各样点重金属生态危害指数Fig.3 Po tential ecological risk index(RI)of heav y metals

3 结 论

1)7种重金属在沉积物中的平均含量顺序为Zn(1329 mg◦ kg-1)＞ Ni(247 mg◦ kg-1)＞ Cu(204 mg◦ kg-1)＞ Cr(101 mg◦ kg-1)＞ Pb(44.0 mg◦ kg-1)＞ As(19.3 mg◦ kg-1)＞ Cd(10.9 mg◦ kg-1).沉积物中 Cu,Cd,Ni和 Zn的平均含量超过国家土壤环境质量三级标准,其余 3种金属在沉积物中的平均含量符合国家土壤环境质量的二级标准.

2)由污染现状可见,各样品中主要是 Cu,Cd,Ni和 Pb的超标污染,并且这 4种金属分布特征基本相似,高值区与低值区也大致吻合,同时这 4种金属的最大值与平均值相差通常在 2～ 3倍左右,表明此地区主要受到上游地区污染源的影响,区域内存在大污染源的可能性较小.

3)相关性分析结果表明：沉积物中 Cu～ Cd,Cu～ Pb,Ni～Zn污染源可能相同,主要来自上游矿区排放的工业废水.

4)各重金属对所调查地区生态风险影响程度由高到低依次为 Cd＞ Cu＞ Ni＞ As＞ Zn＞ Pb＞Cr.所调查地区的表层沉积物中主要生态风险因子是元素 Cd,已具极强的生态危害.其余 6种金属元素对生态的危害不大.

5)以多个重金属潜在生态危害指数评价结果表明,所研究区域内表层沉积物已具极强生态危害.

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