美舍河沉积物重金属地球化学特征及其环境意义

2014-12-23朱敏捷何雨琪张乐安曹瑞赵志忠

海南师范大学学报（自然科学版） 2014年3期

朱敏捷，何雨琪，张乐安，曹瑞，赵志忠

（海南师范大学地理与旅游学院，海南海口571158）

近年来，环境问题日益突出，河流沉积物重金属污染已成为当今社会的重要环境问题之一.河流沉积物重金属污染是随着城镇化的进程加快和人类活动而加剧，城市工业废水、居民生活污水逐渐增多并排入河流，导致河流污染物质增多，沉积物重金属元素不断累积，使得污染越来越严重.沉积物重金属不仅能影响到水生环境，还能间接危害到人类的健康和发展[1-6].沉积物既能在研究环境中重金属污染现状及分布规律或是在追踪可能的重金属污染源方面都有着非常重要的理论研究价值和现实意义，又能追溯和反映该区域重金属污染主要的历史依据[7].而且，沉积物中重金属的分布情况可以反映出所在流域的污染状况，对其进行分析和评价使水质分析更具有代表性，分析测试也更为简单、可靠[8].

本文在此基础上，对美舍河的重金属的污染特征进行分析，分析城区居民生产、生活与河流重金属污染的相关关系，探讨城区居民生产、生活对河流重金属污染的影响，并为该污染区域开展河流环境治理和保护提供切实可行的措施和科学依据[9-10].

1 研究区概况

美舍河发源于海口市沙坡水库地区，呈圆弧状途经永兴、城西、府城、白龙等4个乡镇及街道，在和平北路桥东侧流入海甸溪，最终从新港码头归入琼州海峡.美舍河是贯穿海口东部中心市区的一条重要河流，是海南母亲河南渡江的重要支流之一，由于流经府城地区较大，所以也被称为海口府城地区的母亲河.

美舍河地处低纬度地区，接近热带北缘，其所在区域是热带季风气候，海洋性气流影响较大.流域内年平均气温为24.2 ℃，夏季高温多雨多台风暴雨，冬季干旱时有冷空气侵袭带有阵寒；年平均降水量为1664 mm，每年4—10 月降水较多，为美舍河的丰水期，河流流量较大，水位较高；11 月到次年3 月为美舍河的枯水期，河流流量较小，水位较低.美舍河全长约23.9 km，流域面积约为50.2 km2，是纵贯海口市南北的一条主要河流.由于美舍河大部分流经海口市中心区，与周围居民的生产和生活密切相关，尤其影响到周围居民的健康和周围生态环境，因此美舍河的环境治理和保护也成为海口市城市生态环境建设的重要内容.

海口市作为海南省的省会城市，城镇化得以高速发展，但城市污水处理及排污能力有所欠缺，导致周边大量工业废水及生活污水进入美舍河，在美舍河周边随处可见排污口，沿岸多生活垃圾等现象，从中可以看出美舍河受周边人类活动的影响较大.由于水污染，美舍河的水质一直较差，处于Ⅳ—Ⅴ级之间，并发出恶臭，河水污染变色严重影响到海口市的城市面容，因此，对美舍河的治理与保护也成为海口市城市生态环境建设的重要组成部分.

研究美舍河可以借鉴国内外沉积物重金属的背景值，探讨沉积物重金属的分布规律及其影响的主要因素，并采用多种生物、化学方法分析了沉积物中重金属的形态赋存特征，在上述研究的基础上，开展沉积物重金属的污染评价，为污染区域的重金属污染治理与控制提供科学参考.

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

由于美舍河纵贯海口市南北，主要流经人口稠密区，所以本次研究主要针对美舍河城区段河底沉积物进行研究分析，在采样之前，研究小组通过实地考察并结合地图将美舍河划分出20个采样点（见图1）.

图1 研究区及采样点分布图Fig.1 The study area and sampling point distribution

每个样点呈较均匀分布，并采集样品3～4个，使各样品成为等边三角形或等边四边形.于2013 年8月中旬采样，共采集61 个样品，20 个样点沿河段均匀分布，可信度较好.在采样时，采样器具在每次采样前后均经过严格清洗，并将所采集到的样品放置于密封的乙烯封口袋中，带回实验室.

2.2 实验方法

在室内将采到的河底沉积物样品经自然晾干及烘干，剔除样品中的植物残根、侵入体和新生体[11]后用玛瑙研钵磨碎，过150目尼龙筛，供重金属元素含量测定使用.对经研磨后的样品选取适量用于Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等7 种重金属元素的的含量测定.并采用ICP-MS方法对美舍河沉积物重金属元素成分进行分析测定.

3 沉积物重金属元素分布特征

对美舍河沉积物采样点的重金属元素含量进行统计见表1.从表1 可以得出，研究区内重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb分布存在如下特点：

1）在美舍河重点研究河段内，这7 种沉积物重金属元素中Cr，As和Cd的含量最小值都明显高于海南土壤背景值、中国南方砖红壤平均值及中国土壤平均值.其中重金属元素Cr 含量的范围为94.71～147.74mg/kg，其平均值126.64 mg/kg 达到了海南土壤平均值的8.31 倍，也分别到达中国南方砖红壤平均值和中国土壤平均值的1.96 倍和2.08 倍.Cr 主要来源于生活垃圾，Cr 渗入土壤而后在雨水冲刷作用下进入河流，从而导致沉积物中Cr 元素在河流流入城区后含量有明显升高.

2）重金属元素As含量的范围为11.29～18.11 mg/kg，其平均值15.85 mg/kg 达到了海南土壤背景值的13.9 倍，且分别达到中国南方砖红壤平均值和中国土壤平均值的2.37 倍和1.42 倍.As 主要是人类对生活污水以及工业废水的处理不完善，从而导致沉积物重金属As的含量逐渐累积后造成污染.

3）重金属元素Cd 含量的范围为0.099～0.956 mg/kg，其平均值0.403 mg/kg，达到海南土壤背景值的8.06 倍，并分别达到中国南方砖红壤平均值和中国土壤平均值的6.95 倍和4.15 倍.美舍河上游河段分布着多家家具加工制造厂，废品回收处理厂，工厂的污水随着河流流入城区段，加上城市化进程加快，人类活动加剧，且部分居民在河流沿岸开垦种地等多种因素导致河流沉积物重金属Cd 元素的含量富集.

4）重金属元素Ni的含量范围为16.83～30.52 mg/kg，平均值为20.45 mg/kg，元素Cu 的含量范围为4.19～12.1 mg/kg，平均值为7.27 mg/kg，元素Ni 和Cu的平均值明显低于中国南方砖红壤与中国土壤平均值，但高于海南土壤平均值，分别达到了海南土壤平均值的4.96倍和1.47倍.

5）元素Zn 含量范围为14.86～25.36 mg/kg，平均值为16.78 mg/kg，元素Pb 的含量范围为9.18～14.94 mg/kg，平均值为12.56 mg/kg，这两种元素含量的平均值均低于海南土壤平均值、中国南方砖红壤平均值与中国土壤平均值.

6）对于整个美舍河而言，各重金属元素的含量除Cd以外变异系数均较小，说明这些重金属元素的含量分布较均匀，离散性相对较小[11]，而元素Cd的含量变异系数较大，说明元素Cd 的含量分布不均匀，离散性相对较大.

表1 美舍河沉积物重金属元素含量统计Tab.1 The statistics of heavy metal elements content in Meishe River (mg·kg-1)

4 沉积物重金属元素的污染评价

通过前面对美舍河沉积物重金属的研究，发现沉积物重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd 和Pb 的含量有一定程度富集，尤其是重金属元素Cr，As 和Cd的富集程度较高，这将对该区域周围居民的生产和生活产生极大影响，并通过食物链威胁到人类健康，为了进一步了解重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn 、As、Cd和Pb在该区域的生态危害，选择重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb作为研究对象，对这些重金属元素进行环境质量评价分析，为该区域今后污染治理、环境保护提供科学的依据.

根据本次的研究内容，选用地质累积指数法和潜在生态危害指数法对美舍河河底沉积物进行污染分析.

4.1 基于地质累积指数法的评价

地质累计指数法是1969年德国学者Muller提出的定量评价重金属元素污染的参数，目前在重金属评价中得到了比较广泛的应用[14]，其计算公式为：

式中：Igeo代表地质累积指数；Cn代表实测元素n在沉积物中的实测含量；Bn为该元素的区域背景值，这里为海南省土壤背景值；k为成岩作用可能引起背景值的变动而设定的常数，一般取k=1.5.根据Igeo的大小，将沉积物污染程度划分为几个等级，如Forstner等将其分为7级.

当Igeo≤0 时，处于无污染，0 级别；当0＜Igeo≤1 时，处于无污染到轻污染水平，为级别1；当1＜Igeo≤2 时，处于轻污染水平，为级别2；当2＜Igeo≤3 时，处于轻污染到重污染水平，为级别3；当3＜Igeo≤4 时，处于重污染水平，为级别4；当4＜Igeo≤5 时，处于重污染到高污染水平，为级别5；当Igeo＞5时，处于高污染水平，为级别6.计算研究区沉积物中各重金属元素的地质累积指数，由表2可知：就平均水平而言，重金属元素Cu、Zn和Pb的Igeo＜0，属于无污染水平，但重金属元素Cu的Igeo接近0，即接近无污染到轻污染水平；重金属元素Ni的Igeo处于1～2之间，属于轻污染水平；重金属元素Cr和Cd的Igeo处于2～3之间，属于轻污染到重污染水平；重金属元素As 的Igeo处于3～4 之间，属于重污染水平.整个美舍河内重金属元素的污染程度顺序为：Zn＜Pb＜Cu＜Ni＜Cd＜Cr＜As.

表2 研究区沉积物中各重金属地质累积指数Tab.2 Geoaccumulation Index of heavy metal in latosol

各元素在不同河段的地质累积指数的对比：

重金属元素Zn 和Pb 在不同河段都处于无污染水平，整体清洁状况较好；重金属元素Cu 在美舍河的上中游为无污染水平，但是在接近入海口的下游，元素Cu 污染程度加深，处于无污染到轻污染水平；重金属元素Ni 在不同河段基本上处于轻污染水平，只有在MS-16 和MS-17 处于了轻污染到重污染水平，可能在这一段河流上，人们排放的生产、生活废水含元素Ni较高，受周围人类活动的影响较大；重金属元素Cd的污染程度在美舍河的上中游较不稳定，大部分处于轻污染水平和轻污染到重污染水平，但在下游较为稳定，处于或接近重污染水平，随着河流入海，重金属污染程度加深；重金属元素Cr的污染程度较为稳定，但都处于轻污染到重污染水平；重金属元素As 在MS-01 到MS-03 这三个样点所在的上中游河段处于轻污染到重污染水平，其余为重污染.

4.2 基于潜在生态危害指数法的评价

对美舍河沉积物重金属污染所造成的生态环境效应，采用瑞典知名地球化学家Hakanson[15]的潜在生态风险指数法进行分析[16-18].虽然对重金属的评价，国内外学者从不同的角度提出了许多评价方法，也从沉积学角度提出了多种重金属的综合评价方法[19]，但潜在生态风险指数法是目前最常用的评价重金属污染程度的方法之一[20-21].该方法不但考虑了沉积物重金属的含量特征，而且将重金属所产生的环境效应、生态效应与毒理学特征联系到一起，据此划分了重金属的潜在风险水平[19].

表3 重金属的参考值和毒性响应系数Tab.3 and of the heavy metals

1 80 2 60 5 40 5 25 5 30 10 15 30 0.5 Tit Cin（mg/kg）CrNiCuZnAsCdPb金属元素

为了对重金属潜在生态危害系数E和重金属潜在生态风险指数RI的污染程度进行确定，把重金属潜在生态危害系数划分为五个等级，把重金属潜在生态风险指数RI划分为四个等级，其标准见表4.

表4 重金属潜在生态风险系数和风险指数与污染程度的关系Tab.4 Relationship between potential ecological risk coefficients,risk indices of heavy metals and pollution level

依据潜在生态危害指数法，根据河底沉积物重金属含量特征和公式计算出海口市美舍河河流沉积物重金属单因子污染系数及综合污染指数见表5.

表5 美舍河沉积物中重金属污染单因子污染系数及综合污染指数CdTab.5 Single factor and integrated pollution index of heavy metal pollution in sediment of Meishe River

MS-01 MS-02 MS-03 MS-04 MS-05 MS-06 MS-07 MS-08 MS-09 MS-10 MS-11 MS-12 MS-13 MS-14 MS-15 MS-16 MS-17 MS-18 MS-19 MS-20平均值1.73 1.58 1.95 2.09 2.02 2.15 1.98 2.18 2.05 2.20 2.35 1.70 2.03 2.40 2.29 2.11 2.26 2.46 2.41 2.27 2.11 0.43 0.48 0.55 0.52 0.57 0.48 0.47 0.42 0.43 0.42 0.47 0.43 0.57 0.46 0.46 0.76 0.76 0.59 0.48 0.46 0.51 0.18 0.18 0.23 0.25 0.31 0.19 0.17 0.27 0.21 0.27 0.27 0.19 0.24 0.28 0.41 0.43 0.41 0.42 0.42 0.48 0.29 0.17 0.13 0.21 0.19 0.25 0.28 0.16 0.06 0.26 0.07 0.19 0.13 0.19 0.26 0.27 0.31 0.22 0.28 0.27 0.32 0.21 0.73 0.77 0.75 1.08 1.21 1.12 1.00 1.04 1.09 1.09 1.12 1.13 1.10 1.14 1.17 1.08 1.11 1.13 1.14 1.13 1.06 0.37 0.79 0.75 0.96 0.49 0.89 0.39 0.62 0.36 0.66 0.79 0.49 0.22 0.52 0.20 1.09 1.33 1.78 1.51 1.91 0.81 0.38 0.41 0.36 0.38 0.37 0.46 0.37 0.42 0.43 0.43 0.44 0.31 0.36 0.42 0.45 0.49 0.45 0.46 0.48 0.50 0.42 CrNiCuZnAsCdPbCd 4.00 4.34 4.79 5.48 5.21 5.58 4.55 5.01 4.83 5.13 5.62 4.38 4.71 5.47 5.25 6.27 6.54 7.12 6.70 7.08 5.40低污染低污染低污染中污染中污染中污染低污染中污染低污染中污染中污染低污染低污染中污染中污染中污染中污染中污染中污染中污染中污染污染程度样点Ci t

由此可见，海口市美舍河河底沉积物中Cr和As达到了中污染水平，其余重金属元素均为低污染水平.就综合污染指数来看，美舍河的上游处于低污染水平，而下游处于中污染水平，主要是受人类生产、生活的影响，如采样点MS-04～MS-06 处于府城周围，密集的人口导致人类活动增多，美舍河沉积物重金属的污染较重，如不加强管理和保护，有可能加重污染程度，以致反过来对周边居民生产、生活，尤其是健康产生重大危害.

进一步根据潜在生态危害指数法的公式计算，结合表4 中各重金属污染系数和表2 中各重金属的毒性响应系数可得到美舍河河底沉积物中不同重金属的潜在生态危害系数和各部位的整体潜在生态风险指数（见表5）.由表6 可看出：不同重金属元素的潜在生态危害系数大小顺序为：Zn＜Cu＜Pb＜Ni＜Cr＜As＜Cd.7种重金属元素的潜在生态危害系数平均值均小于40，潜在生态风险指数为45.28，远小于150，属于轻微生态危害.说明研究区内7 种重金属元素的潜在生态危害系数和潜在生态风险指数均处于低污染水平，反映美舍河沉积物重金属污染属于轻微污染.

表6 美舍河沉积物中各重金属的潜在生态危害系数和风险指数(RI)Tab.6 Potential ecological risk coefficients and risk indices of heavy metal in sediment of Meishe River

MS-01 MS-02 MS-03 MS-04 MS-05 MS-06 MS-07 MS-08 MS-09 MS-10 MS-11 MS-12 MS-13 MS-14 MS-15 MS-16 MS-17 MS-18 MS-19 MS-20平均值3.46 3.16 3.91 4.19 4.04 4.31 3.97 4.36 4.10 4.39 4.70 3.41 4.07 4.79 4.57 4.23 4.51 4.92 4.81 4.54 4.22 2.16 2.41 2.73 2.62 2.87 2.42 2.36 2.10 2.17 2.11 2.34 2.17 2.84 2.29 2.30 3.81 3.80 2.94 2.38 2.32 2.56 0.92 0.89 1.13 1.27 1.55 0.94 0.84 1.37 1.04 1.35 1.34 0.96 1.21 1.41 2.06 2.16 2.05 2.08 2.11 2.42 1.45 0.17 0.13 0.21 0.19 0.25 0.28 0.16 0.06 0.26 0.07 0.19 0.13 0.19 0.26 0.27 0.31 0.22 0.28 0.27 0.32 0.21 7.33 7.70 7.53 10.76 12.08 11.22 10.03 10.36 10.90 10.94 11.16 11.26 10.98 11.44 11.74 10.84 11.07 11.32 11.36 11.34 10.57 11.15 23.76 22.42 28.72 14.57 26.64 11.82 18.47 10.92 19.83 23.60 14.80 6.45 15.60 5.94 32.63 40.00 53.52 45.41 57.35 24.18 1.91 2.07 1.78 1.90 1.85 2.31 1.84 2.12 2.17 2.13 2.22 1.53 1.80 2.10 2.25 2.44 2.27 2.31 2.38 2.49 2.09 CrNiCuZnAsCdPbRI 27.10 40.11 39.70 49.65 37.20 48.12 31.02 38.85 31.55 40.81 45.54 34.26 27.54 37.88 29.13 56.40 63.92 77.37 68.71 80.76 45.28低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染低污染污染程度样点Ei t

5 结论

通过以上分析得出以下几点结论：

1）以海南土壤背景值、中国南方砖红壤平均值及中国土壤平均值进行对比，元素Cr，As 和Cd 的含量明显过高，富集程度高；元素Zn和Pb含量比较低，富集较少.元素Cd 的含量变异系数较大，说明元素Cd的含量分布不均匀，离散性相对较大.

2）研究区各重金属元素的地质累积指数结果显示：重金属元素Cu、Zn 和Pb 属于无污染水平，其中元素Cu接近无污染到轻污染水平；重金属元素Ni属于轻污染水平；重金属元素Cr和Cd属于轻污染到重污染水平；重金属元素As 属于重污染水平.整个美舍河内重金属元素的污染程度顺序为：Zn＜Pb＜Cu＜Ni＜Cd＜Cr＜As.

3）单一重金属污染指数显示，美舍河沉积物中重金属的主要污染因子为Cr，其次为As，重金属影响因子的顺序为Zn＜Cu＜Pb＜Ni＜Cd＜As＜Cr.从综合污染指数来看，采样点MS-01、MS-02、MS-03、MS-07、MS-09、MS-12和MS-13的重金属属于低污染；其他采样点重金属为中污染.各采样点污染程度排序为：MS-01＜MS-02＜MS-12＜MS-07＜MS-13＜MS-03＜MS-09＜MS-08＜MS-10＜MS-05＜MS-15＜MS-14＜MS-04＜MS-06＜MS-11＜MS-16＜MS-17＜MS-19＜MS-20＜MS-18.

4）根据单一重金属的潜在生态危害系数和多个重金属的潜在生态风险指数结果表明：美舍河沉积物不同重金属元素的潜在生态危害系数大小顺序为：Zn＜Cu＜Pb＜Ni＜Cr＜As＜Cd，7种重金属的潜在生态危害系数平均值均小于40，潜在生态风险指数为45.28，远小于150，属于低微生态危害.

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