邕江南宁市区段表层沉积物重金属污染评价

李平阳，姜白杨，莫创荣，王英辉，喻泽斌，黎大荣

（广西大学环境学院，广西 南宁 530004）

随着南宁市工业生产的迅速发展，含有重金属元素的工业废水大量排放，造成城市水体重金属污染严重。重金属污染具有潜在的和长期的危害性［1］。水体沉积物是重金属元素在环境中迁移转化的主要载体、归宿地和积蓄库，是水环境重金属污染的指示剂［2］。沉积物中的重金属通过再悬浮等过程可重新进入上覆水，使上覆水中溶解态重金属的浓度大幅提高，造成二次污染［3］。邕江是南宁市最重要的饮用水源水体，其水质直接关系广大市民的身体健康，因此研究邕江水体沉积物中重金属的污染现状具有重要的现实意义［4—5］。但目前关于邕江水体沉积物中重金属污染的研究尚无报道，鉴于此，本文以邕江表层沉积物为研究对象，对表层沉积物中重金属的浓度水平和分布特征进行了研究，并采用地质累积指数法和潜在生态危害指数法对其污染状况进行了评价，以期为南宁市邕江水体沉积物中重金属的污染预防及整治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

邕江，位于我国广西壮族自治区南部，是珠江流域西江水系的支流，流经广西首府南宁市市区，其上游分别是右江（发源于云南省广南县境内）和左江（发源于越南境内），下游汇入郁江，直下广东、港澳而入海。邕江是南宁市的主要河流，也是南宁市重要饮用水水源，其上起江西乡宋村的左、右江汇合点，下止邕宁区与横县交界的六景乡道庄村，全长133.8km，上游总集水面积为73 728km2，年均流量为1 292m3／s。

1.2 样品采集与处理

本研究于2011年6月在邕江南宁市区段布设了10个采样点（从上游至下游依次为S1～S10，见图1），采用抓斗式污泥采集器采集邕江河底0～10cm表层沉积物样品，用聚乙烯密封袋分装并贴上标签，放在塑料桶内保存。运回实验室后将沉积物样品在室温下自然风干，研磨粉碎，过100目塑料尼龙筛后储存于洁净的聚乙烯密封袋中，待测。

使用WX-4000温压双控密闭微波消解仪对采集的沉积物样品进行HNO3-HF-H2O2酸式消解，然后采用ICP-OES仪（型号Optima 5300DV 美国珀金埃尔默公司生产）测定Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb和Hg 7种重金属的含量。其中Hg未被检出，因此本文在此不做讨论。所用测试软件为WinLab32 for ICP，版本为3.0.0.0103。

图1 采样点分布图Fig.1 Location map of sampling sites

1.3 评价方法

依据重金属性质及其环境行为特点，前人提出了多种重金属污染评价方法，但单一的评价方法很难准确地反映沉积物的污染状况及程度［6］。因此，本文选用常见的地质累积指数法、潜在生态危害指数法对邕江表层沉积物中重金属的污染水平进行综合评价。

1.3.1 地质累积指数法

地质累积指数法［7］由德国海德堡大学沉积物研究所的Muller于1969年提出，是一种研究水体沉积物中重金属污染的定量指标，被广泛应用于评价水体沉积物中重金属的污染程度，其计算公式如下：

式中：Igeo为地质累积指数；Ci为元素i 在沉积物中的实测值；Bi为沉积岩（即普通页岩）中元素i的地球化学背景值；1.5为考虑各地岩石差异可能会引起的背景值的变动而取的系数。

本文采用魏复盛等［8］提出的中国土壤元素环境背景值（见表1）作为地球化学背景值对邕江表层沉积物中重金属污染进行评价。Igeo值与重金属污染程度的分级详见表2。

表1 中国土壤元素环境背景值（mg／kg）Table 1 Environmental background values of some soil elements in China

表2 地质累积指数（Igeo）与重金属污染程度的分级［7］Table 2 Grading standards of geoaccumulation index（Igeo）and heavy metal pollution extent

1.3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法［9］是瑞典学者Häkanson于l980年建立的一套应用沉积学原理评价重金属污染程度及其生态危害的方法。该方法考虑了重金属的毒性及其在沉积物中的迁移转化规律、评价区域对重金属污染的敏感性以及重金属区域背景值的差异，从而消除了区域差异和异源污染的影响［10］，给出了潜在生态危害程度的定量划分方法，目前已成为国内外沉积物重金属污染评价中应用最为广泛的方法之一［11—12］，其计算公式为

Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn 6种重金属元素的毒性系数值分别为30、10、5、5、2、1［9，10，13］，重金属生态危害程度的划分标准见表3。

表3 重金属污染指数值与污染程度的分级［9］Table 3 Grading standards of the pollution indexes and pollution extent of heavy metals

2 结果与分析

2.1 邕江表层沉积物中重金属的含量特征

邕江表层沉积物中6种重金属含量的测定结果见表4。由表4可以看出：6种重金属元素的平均含量依次为Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Cd；与《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中的标准值［14］相比，As和Cd的平均含量高于《土壤环境质量标准》的二级标准值，分别为标准值的1.2倍和3.85倍，其他4种重金属元素的平均含量均低于《土壤环境质量标准》的二级标准值；除Cr和Pb两种重金属元素外，Cu、As、Cd和Zn的平均含量均高于广西土壤元素背景值，分别为背景值的2.6倍、1.2倍、8.7倍和1.7倍。

为了使评价分析更全面，本文引用加拿大淡水沉积物重金属质量基准［15］：临界效应浓度值（Threshold Effect Level，TEL）和必然效应浓度值（Probable Effect Level，PEL），来说明沉积物中重金属的污染水平。由表4可见：As平均含量已超过PEL，其污染较严重；Cu、Cd 和Zn 平均含量介于TEL和PEL之间，污染较轻；而Cr、Pb平均含量略小于TEL，污染程度最轻。相对标准差是标准差与平均值的比值，它可以反映各重金属含量的离散程度。由表4可见：Cu的相对标准差最大，其分布最不均匀；其他5种重金属元素的相对标准差较小，分布较为均匀。此外，从超标率来看，Cd的超标率为100%，As的超标率为60%，Cu的超标率为10%，其他重金属元素未超标。综上分析可见，邕江表层沉积物主要受到重金属元素Cd和As的污染。

表4 邕江表层沉积物中6种重金属元素的含量（mg／kg）Table 4 Contents of heavy metals in the surface sediments of the Yongjiang River

2.2 重金属污染的来源解析

不同重金属的主要来源各不相同：Cu被广泛应用于电器制造、化学、制糖、酿酒等工业，这些工业产生的废水可能造成Cu污染，此外养殖场使用的添加了大量Cu元素的饲料也是其重要来源之一，禽畜排泄物排入水体可直接导致沉积物受到Cu 污染［16］；As的可能来源包括锅炉、焚化炉、玻璃加工及采矿冶炼的废水排放；Cr污染主要来自电池、玻璃、瓷器、合成染料、制革、纺织等行业；Pb污染的来源广泛，包括蓄电池工业、玻璃制造业、涂料、颜料、医药、化妆品、农药和化肥等；Cd的污染源主要包括磷肥的施用以及电镀、电池、颜料等工业；Zn污染的来源主要包括镀锌、干电池、印刷、电子、制革、纺织、医药、陶瓷等工业。

由表4还可见，6种重金属含量最高点的分布情况如下：Cu元素含量最高点为S3（西明江），其含量为358.74mg／kg；As元素含量最高点为S6（心圩江），其含量为36.01mg／kg；Cr、Pb、Cd和Zn元素含量最高点为S9（朝阳溪），其含量分别为36.78 mg／kg、35.64 mg／kg、2.74 mg／kg 和209.92 mg／kg。分析其原因是：采样点S3（西明江）附近分布着较多的养猪场，其沉积物中高含量的Cu元素很可能来源于养猪厂所使用的猪饲料；采样点S6（心圩江）为心圩江与邕江干流交汇处，而心圩江流经南宁主要工业园区，沿岸的工业排污是该处重金属污染的主要原因；采样点S9（朝阳溪）为朝阳溪与邕江干流交汇处，而朝阳溪流经南宁市中心，其重金属污染的可能来源包括沿岸分布的印刷厂、涂料厂和医院排放的废水，以及废旧电池等电子垃圾。

2.3 地质累积指数法评价结果分析

邕江表层沉积物中重金属污染的地质累积指数法评价结果见表5。由表5可以看出：6种重金属污染Igeo值的平均值大小依次为Cd＞As＞Cu＞Zn＞Pb＞Cr。其中Cd是污染风险最高的重金属，多数采样点已达到强—极强污染程度，应作为风险决策管理的重点对象；As和Cu次之，属于中度污染，应引起相关部门的注意；其他3种重金属为无—中度污染。采样点S9（朝阳溪）和S3（西明江）为各重金属污染风险较高的地段。总体上看，邕江表层沉积物中重金属污染等级为中度污染。

表5 邕江表层沉积物中重金属地质累积指数与污染程度分级Table 5 Grading standards of geo-accumulation index（Igeo）and heavy metal pollution level in the surface sediments of the Yongjiang River

2.4 潜在生态危害指数法评价结果分析

邕江表层沉积物中重金属污染的潜在生态危害指数法评价结果见表6。由表6可以看出：从单个重金属的潜在生态危害系数来看，6种重金属污染值的平均值大小依次为Cd＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn，这与地质累积指数法评价结果相似。其中Cd元素污染值的平均值达到171.68，达到较重生态危害程度；As元素污染的平均值为40.59，为中等生态危害程度；其他4种重金属元素的污染均为低等生态危害程度。此外，从6种重金属污染的总体潜在生态危害指数RI 来看，位于邕江上游的采样点S1的值较低，为低度潜在生态危害，其他9个采样点均达到中度潜在生态危害。其中采样点S3（西明江）的RI值最高，超过了200，采样点S9（朝阳溪）次之，为195.21。因此，邕江表层沉积物中重金属污染总体上属于中等潜在生态危害程度，其中Cd元素污染达到较重生态危害程度，As元素污染达到中等生态危害程度，应将Cd和As污染视为该区的重点预防和整治对象。

表6 邕江表层沉积物中重金属的潜在生态危害指数与危害程度分级Table 6 RI，and grading standards of heavy-metal hazardous effect in the surface sediments of the Yongjiang River

表6 邕江表层沉积物中重金属的潜在生态危害指数与危害程度分级Table 6 RI，and grading standards of heavy-metal hazardous effect in the surface sediments of the Yongjiang River

3 结论

（1）邕江表层沉积物中6种重金属元素的平均含量大小顺序依次为：Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb＞Cd。沉积物主要受到Cd和As元素的污染，这两种重金属元素的平均含量均高于《土壤环境质量标准》的二级标准值。

（2）地质累积指数法评价结果表明，邕江表层沉积物中重金属属于中度污染，其中Cd污染最为严重，为强—极强污染，Cu、As和Zn为无—中等污染，Pb和Cr为无污染。潜在生态危害法评价结果表明，邕江表层沉积物中重金属总体上属于中等潜在生态危害程度，其中Cd元素污染达到较重生态危害程度，As元素污染达到中等生态危害程度。因此，应将Cd和As污染作为邕江南宁市区段表层沉积物重金属污染的重点预防和整治对象。

［1］庞金华.污泥对区域生态环境的影响［J］.热带亚热带土壤科学，1994，3（3）：132-137.

［2］夏鹏，臧家业，王湘芹.连云港近岸海域表层沉积物中重金属的地球化学特征及其源解析［J］.海洋环境科学，2011，30（4）：520-524.

［3］李桂海，蓝东兆，曹志敏，等.厦门海域沉积物中的重金属及其潜在生态风险［J］.海洋通报，2007，26（1）：67-72.

［4］王丽萍，周晓蔚，郑丙辉，等.长江口及毗邻海域沉积物生态环境质量评价［J］.生态学报，2008，28（5）：2191-2198.

［5］Singh，K.P.，D.Mohan，V.K.Singh，et al.Studies on distribution and fractionation of heavy metals in Gomti River sediments—A tributary of the Ganges，India［J］.Journal of Hydrology，2005，312（1-4）：14-27.

［6］Caeiro，S.，M.H.Costa，T.B.Ramos，et al.Assessing heavy metal contamination in Sado Estuary sediment：An index analysis approach［J］.Ecological Indicators，2005，5（2）：151-169.

［7］Muller，G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River［J］.Geojournal，1969，2（3）：108-118.

［8］魏复盛，杨国治，蒋德珍，等.中国土壤元素背景值基本统计量及其特征［J］.中国环境监测，1991（1）：1-6.

［9］Häkanson，L.An ecological risk index for aquatic pollution control：A sediment to logical approach［J］.Water Research，1980，14（8）：975-1001.

［10］冯慕华，龙江平，喻龙，等.辽东湾东部浅水区沉积物中汞潜在生态评价［J］.海洋科学，2003，27（3）：52-56.

［11］Femandes，H.M.Heavy metal distribution in sediments and ecological risk assessment：The role of diagenetic processes in reducing metal toxicity in bottom sediments［J］.Environment Pollution，1997，97（3）：317-325.

［12］甘居利，贾晓平，林钦，等.近岸海域底质重金属生态风险评价初步研究［J］.水产学报，2000，24（6）：533-538.

［13］陈静生，周家义.中国水环境重金属研究［M］.北京：中国环境科学出版社，1992.

［14］GB 15618—1995 土壤环境质量标准［S］.

［15］田林锋，胡继伟，罗桂林，等.贵州百花湖沉积物重金属稳定性及潜在生态风险性研究［J］.环境科学学报，2012，32（4）：885-894.

［16］黄玉溢，陈桂芬，刘斌，等.畜禽粪便中重金属含量、形态及转化的研究进展［J］.广西农业科学，2010，41（8）：807-809.