青海湖流域主要河口区沉积物中重金属元素生态风险评价

2016-12-09李少华王学全杨占武

生态与农村环境学报 2016年6期

李少华，王学全①，兰岚，高琪，杨占武

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；2.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古呼和浩特 010019；3.青海省林业科学研究所，青海西宁 810016)

李少华1，王学全1①，兰岚1，高琪2，杨占武3

为摸清青海湖流域重金属的污染现状，对流域内11处河口区0～5 cm层沉积物进行调查取样，分析测定了表层沉积物中Zn、Cu、Pb、Hg、Ni、As、Cd和Cr 8种重金属元素含量，并对其来源、生态风险及污染状况进行评价。结果显示：(1)青海湖流域沉积物中8种重金属含量和介于151.61～277.31 mg·kg-1，平均值为209.65 mg·kg-1，略高于青海湖流域表层土壤环境背景值。重金属含量由高到低依次为As、Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、Cd和Hg，其中As、Cr和Zn占8种重金属总含量的73.63%。青海湖流域重金属元素间具有相似来源，人类对重金属元素的影响主要体现在交通运输和农业活动上。重金属地累积系数Igeo从大到小依次为As、Hg、Cd、Cu、Cr、Ni、Zn和Pb，其中As的污染程度为偏中度，平均地累积指数Igeo为1.67。重金属潜在生态风险值从大到小依次为Hg、Cd、As、Cu、Ni、Pb、Cr和Zn，其中Hg、Cd和As对综合潜在生态风险指数IR的平均贡献率分别为40.76%、25.56%和25.53%。(2)近年来青海湖流域内的交通运输、农业废水、小城镇化及旅游开发等人类活动造成的重金属排放问题已经开始显现，流域生态系统的自净能力不能将所有重金属元素均净化至低风险水平。因此，必须加强对中小河流与季节性河流中重金属元素的监测和预警，制定出针对性的治理和修复措施，保证青海湖流域内不受重金属污染的威胁。

青海湖流域；河口；沉积物；重金属；生态风险评价

青海湖流域位于我国西北干旱区、东部季风区和青藏高寒区的过渡地带,属于全球气候变化敏感区和生态系统典型脆弱区[1],流域内生态环境的优劣,不仅与该区社会经济可持续发展具有直接联系,而且对三江源、柴达木以及海东等地区的生态建设和农牧业发展具有重要影响[2]。近年来,随着青海湖流域社会经济活动显著增加和自然环境的恶化[3],开发旅游资源、过度放牧、砍伐灌丛、建设道路和交通运输等人类活动日益频繁,固体废弃物、工程垃圾和污水排放量逐年增加,导致青海湖流域面临环境污染的威胁[4],对此应该给予高度重视。

河口区不仅是天然河流生态系统的重要组成部分,而且也是地球化学元素循环的重要场所,该区域沉积物是流域内污染物的载体,可以反映河流生态环境状况[5]。重金属元素具有毒性持久和生态效应复杂等特点,被人们带入环境后,会不断地积累在土壤或河泥中,通过大气、水体和食物链直接或间接地威胁着人类及其他生物的安全[6]。因此,了解河口沉积物中常见重金属元素含量并对其进行评价,对于区域环境保护具有重要意义。

目前,对青海湖流域重金属的研究相对比较薄弱[7-11],并且仅限于局部区域(主要为环湖区),还没有在青海湖流域尺度上进行重金属调查研究。鉴于此,笔者通过采集青海湖流域主要河流河口和天峻县东南5 km布哈河中游处的表层沉积物,测定了Zn、Cu、Pb、Hg、Ni、As、Cd和Cr 8种重金属元素含量,并对沉积物中重金属的分布特征及元素来源进行分析,最后结合地积累指数和潜在生态风险指数评价河流沉积物中重金属的污染等级和潜在生态风险值,以期为青海湖流域生态环境质量评价提供科学依据及数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

青海湖流域处于我国东南暖湿季风和西北干旱寒流的交汇区,同时也受到西南部青藏高原和青海湖自身水体效应的影响,属于半干旱高寒气候区[12]。研究区位于北纬36°15′～38°20′,东经97°51′～101°20′之间,总面积29 661 km2;地势为西北高、东南低,海拔在3 194～5 174 m之间,多年平均气温为-4.6～1.5 ℃。土壤主要类型有高山草原土、高山草甸土、山地灌丛草甸土、栗钙土和风沙土，植被主要类型有嵩草(Kobresiamyosuroides)、青海固沙草(Orinuskokonorica)、狗娃花(Heteropappushispidus)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、紫花针茅(Stipapurpurea)、披碱草(Elymusdahuricus)、赖草(Leymussecalinus)和早熟禾(Poaannua)[13]。

1.2 样品采集与测定

于2015年7月4日至8日对青海湖主要河口底泥进行调查取样。用GPS打点记录采样位置,样点分布情况见图1。在距凸岸0.5 m处的河流中使用不锈钢抓泥斗采集0～5 cm深处沉积物,每个样点前后间隔2 m处取样，共计3次重复,共采集33份样品,装入贴好标签的塑封袋中,最后放到4 ℃冰箱中冷藏。

图1 青海湖流域各采样点分布情况

样品在实验室经冷冻干燥后,用玛瑙研钵进行研磨,过0.147 mm孔径尼龙筛;称取0.50 g置于聚四氟乙烯(PTFE)消解罐中,加入10 mL纯硝酸、4 mL高氯酸、6 mL纯盐酸和5 mL氢氟酸,用微波消解仪(GEM mars5)消解,然后将消解液定容至50 mL,经微孔滤膜过滤至10 mL塑料管中,使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定稀释后溶液中Cu、Zn、Pb、As、Ni、Cr、Hg和Cd元素,最后根据样品重量和稀释倍数计算各样点平均值作为重金属元素含量[14]。

样品处理和测定过程中均使用分析纯试剂和去离子水,测定2组平行样,并插入3份空白对照和3份国家沉积物标准物质(GBW07318)与样品同时进行,重金属元素平行样间的相对偏差小于5%,标准物回收率在80%～120%之间。

1.3 评价方法

1.3.1 地累积指数法

采用MÜLLER[15]提出的地累积指数可以评价现代沉积物中重金属污染程度,计算公式为

(1)

式(1)中,Ci为元素i在沉积物中的实测含量,mg·kg-1;Bi为元素i在青海湖流域的环境背景值,mg·kg-1;1.5为考虑到成岩过程中可能会引起背景值变动而取的常数。

1.3.2 潜在生态危害指数法

采用HÅKANSON[16]提出的多种元素综合潜在生态风险指数(IR)可以直观反映沉积物重金属危害程度,计算公式如下:

(2)

式(2)中,Er,i为重金属元素i的潜在生态风险系数;Cf,i为重金属的富集系数;Cs,i为重金属i的实测含量,mg·kg-1;Cn,i为青海湖流域土壤环境标准值,mg·kg-1;Tr,i为重金属i的毒性系数,Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn毒性系数分别为40、30、10、5、5、5、2和1。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理,采用SPSS 19.0统计软件进行指标间的Pearson相关分析、显著性检验和因子分析。

2 结果与分析

2.1 青海湖流域主要河口沉积物的重金属分布特征

河口沉积物中重金属的分布状况主要受到地球化学过程、流域水文规律和人类活动等因素的影响。因此,根据河口沉积物中重金属含量可以判断研究区域受到污染的程度和分布范围。由表1可知,青海湖流域河口沉积物样品中As和Hg平均含量超出环境背景值,其余重金属元素平均含量均不同程度低于青海湖流域表层土壤背景值,流域内河口沉积物平均总含量略高于环境背景值,说明整体上已存在重金属污染。

8种重金属元素平均含量由高到低依次为As、Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、Cd和Hg,其中As、Cr和Zn占比为73.63%;标准差由大到小依次为Cr、As、Zn、Cu、Ni、Pb、Hg和Cd,其中Cr、As和Zn在各采样点间差别较大,说明这3种重金属可能存在点源污染;富集系数由大到小依次为As、Hg、Cu、Cd、Cr、Ni、 Zn和Pb,平均值为1.41;其中As富集系数高达4.77,Pb富集系数仅为0.80。河口沉积物中8种重金属元素含量和为151.61～277.31 mg·kg-1,平均值为209.65 mg·kg-1,由高到低依次为黑马河、倒淌河、天峻县旁、哈尔盖河、沙柳河、泉吉河、背景值、阳康曲、夏日格曲、布哈河、峻河和吉尔孟河。

表1 青海湖流域主要河口沉积物的重金属含量

Table 1 Contents of heavy metals in the sediments of the inlet estuaries of the Qinghai Lake Valley

河口样点 w/(mg·kg-1)PbCrNiCuZnAsCdHg总和哈尔盖河15.8353.6123.4722.6360.1663.810.320.13239.96沙柳河12.0349.8220.0918.2157.4461.240.250.12219.20泉吉河14.6845.0622.5615.8359.5057.030.280.14215.08吉尔孟河13.9428.6516.1313.3541.3937.920.170.06151.61峻河13.2133.5919.2212.2835.0452.380.150.07165.94阳康曲14.5244.9816.3415.3143.7647.820.160.05182.85夏日格曲16.7042.3018.9717.8238.9145.140.130.08180.05天峻县旁17.9259.6319.7120.6956.2468.490.370.14243.19布哈河14.0336.4813.8816.7843.8645.660.160.07170.97黑马河21.9667.9128.6025.5262.7470.120.250.21277.31倒淌河23.5256.8823.1626.3765.2564.380.220.19259.97平均值16.2147.1720.1918.6251.3055.820.230.12209.65标准差3.6811.844.154.6810.6910.700.110.0845.93流域背景值[17]20.4754.1724.9619.7264.2811.660.140.06195.46

2.2 青海湖流域河流沉积物中重金属来源分析

对各样点以上流域内总人口及多年平均年径流量与8种重金属含量进行相关分析,结果如表2所示。Pb与除Cu、Hg以外的5种重金属,Ni与Cd及Cu与Cd之间不存在显著相关性(P>0.05);其余重金属指标间具有显著相关性(P<0.05);次级流域内总人口数与除Cr、Cd、Hg外的5种重金属元素具有显著相关性(P<0.05),次级流域内多年年均径流量与Cr、Cu、Cd、Hg存在显著负相关性(P<0.05);这表明青海湖流域大部分重金属元素具有相似来源,并且受到流域内人类活动所造成陆源污染的影响较大。

表2 河口沉积物中各重金属元素含量间的相关系数

Table 2 Correlation coeffient matrix of the heavy metal elements in the sediments

指标Pb含量Cr含量Ni含量Cu含量Zn含量As含量Cd含量Hg含量总人口Cr含量0.519Ni含量0.6370.768*Cu含量0.852*0.883*0.725*Zn含量0.5860.821*0.739*0.816*As含量0.5610.912*0.798*0.773*0.833*Cd含量0.2430.691*0.5110.5020.751*0.787*Hg含量0.785*0.836*0.889*0.876*0.894*0.869*0.671*总人口[18]0.769*0.4370.845*0.902*0.753*0.718*0.3950.312年径流量[19]-0.546-0.763*-0.610-0.734*-0.628-0.603-0.691*-0.766*0.753*

*表示P<0.05。

对8种重金属进行因子分析,结果如表3所示。2个公因子的累计贡献率为94.4%,分别解释总方差的57.48%和36.92%,说明前2个公因子可以反映流域重金属的污染来源。

表3 青海湖流域河口沉积物中重金属的因子载荷分析

Table 3 Factor load analysis of the heavy metals in the sediments of the inlet estuaries

指标因子X1因子X2公因子方差VPb含量0.73850.47600.6812Cr含量0.67260.41930.6243Ni含量0.70890.39720.6456Cu含量0.68200.35480.6590Zn含量0.73140.43070.5610As含量0.36810.64900.6105Cd含量0.40120.76150.7106Hg含量0.35140.70320.6075特征值λ4.3162.958贡献率rc/%57.4836.92

Cu、Ni、Pb、Cr和Zn在因子X1上具有较高的载荷,机动车刹车片、润滑油、尾气排放及其他金属零部件的磨损是Zn、Ni、Cu和Cr的主要来源,Pb是机动车污染标识元素[20]。因此,因子X1代表交通运输污染。Hg、As、Cd在因子X2上具有较高的载荷,Cd为使用农药和化肥等农业活动的标识元素,As和Hg主要存在于农药及农业废水中[21]。因此,因子X2代表农业污染。综上所述可知,在青海湖流域人类对重金属元素的影响主要体现在交通运输和农业活动等方面。

2.3 污染状况与风险评价

由表4可知,青海湖流域沉积物中8种重金属平均地累积指数从高到低依次为As、Hg、Cd、Cu、Cr、Ni、Zn和Pb,其中As、Hg和Cd的污染程度较高,As的平均Igeo为1.67,9.1%的样点处于中度污染,且As在8种重金属中所占比例最高。虽然Hg和Cd地累积污染指数平均值大于0,但并不能简单地认为青海湖流域受到Hg和Cd污染,因为低背景条件下轻微污染也会导致高的地累积污染指数。其余5种重金属地累积指数小于0,可见青海湖流域河流沉积物整体上受重金属污染较轻。

结合表5～6可知,8种重金属对青海湖流域河流沉积物的潜在生态风险(Er,i)从高到低依次为Hg、Cd、As、Cu、Ni、Pb、Cr和Zn,其中Pb、Cr、Ni、Cu和Zn 5种重金属元素潜在生态风险轻微,没有构成生态威胁;As、Cd和Hg 3种重金属元素生态风险因子较高,平均Er,i分别为47.86、47.92和76.40,具有中等生态风险;各样点沉积物中8种重金属元素的IR值在120.71～274.67之间,平均为187.45,其中黑马河和倒淌河面临的重金属风险最高;Hg、Cd和As对IR的平均贡献率分别为40.76%、25.56%和25.53%,其余5种重金属对IR的平均贡献率仅为8.15%。

3 讨论

青海湖流域是重要的水源涵养地和畜牧业区,重金属污染将对流域生态环境造成直接威胁,并最终会对人类造成不利影响。随着青海湖流域社会经济活动的增加和自然环境的恶化,城镇建设、修建公路、架设桥梁、开发旅游资源、农牧业废水和交通运输等人类活动日益频繁,固体废弃物、工程垃圾和污水排放量逐年增加,导致青海湖流域面临生态环境污染的威胁逐渐显现。笔者通过对青海湖流域主要河口沉积物中重金属的研究发现,仅依靠环境自净能力不能将所有重金属元素均净化至低风险水平。重金属元素的潜在生态风险程度分析表明,Hg、Cd和As均处于中等水平,应该引起注意。黑马河、倒淌河和天峻县旁河流沉积物重金属含量高可能与车辆交通、景点旅游等人类活动有密切关系,因为这3处样点均在交通要道上,交通量大、路口、拐弯等刹车使用频繁的路段,会导致路侧河流沉积物中Zn、Pb、Cu、Cr含量偏高[22],充分体现了在青海湖流域交通运输与重金属污染的密切联系。夏日格曲、阳康曲、峻河和吉尔孟河河口处沉积物中Zn、As、Ni、Cr 4种重金属含量较高,可能与样点环境背景值有关,主要来源于自然状况下岩石碎屑物质的风化[23]。哈尔盖河、沙柳河及泉吉河河口处部分重金属元素含量较高,可能与该区域分布有青海湖农场耕地有关,因为Hg、As、Cd等重金属元素主要来源于农业灌溉区的化肥及农药污染[24],这也说明农业活动是青海湖流域重金属的来源之一。布哈河河口沉积物中重金属含量相对不高,可能与其年径流量较大、环境自净能力较强有直接关系,其多年年均径流量占地表入湖总径流量的51.28%[25]。

表4 重金属元素地累积指数(Igeo)污染评价结果

Table 4 Geo-cumulation indexes (Igeo) of the heavy metals

分级Igeo等级样点所占比例/%PbCrNiCuZnAsCdHg0≤0无污染100100100100100045.545.51>0～1轻度污染000009.154.536.32>1～2偏中度污染0000081.8018.23>2～3中度污染000009.100平均值 -0.92-0.78-0.89-0.67-0.911.680.130.41

表5 重金属元素潜在生态风险评估

Table 5 Potential ecological risk assessment of the heavy metals

河口样点单一元素的潜在生态风险系数(Er,i)PbCrNiCuZnAsCdHg综合潜在生态风险指数IR哈尔盖河3.871.984.705.740.9454.7368.5786.67227.20沙柳河2.951.844.034.620.8952.5253.5780.00200.42泉吉河3.591.664.524.010.9348.9160.0093.26216.88吉尔孟河3.411.063.263.380.6532.5236.4340.00120.71峻河3.231.243.853.110.5344.9232.1446.67135.69阳康曲3.551.663.273.880.6841.0134.2933.15121.49夏日格曲4.081.563.804.520.6138.7127.8653.68134.82天峻县旁4.382.203.955.250.8758.7479.2993.33248.01布哈河3.431.352.784.260.6839.1634.2946.79132.74黑马河5.362.515.736.470.9860.0453.58140.00274.67倒淌河5.742.104.636.691.0255.2147.14126.83249.36平均值3.961.744.044.720.8047.8647.9276.40187.45标准差0.880.430.821.190.179.1716.6635.7159.13

表6 潜在生态风险水平分级划分标准

Table 6 Criteria for grading of potential ecological risks

生态风险等级Er,iIR轻微<40<110中等40～80110～220较强>80～160>220～440很强>160～320极强>320>440

Er，i为单一元素的潜在生态风险系数；IR为综合潜在生态风险指数。

4 结论与建议

(1)青海湖流域河口重金属元素含量由高到低依次为As、Zn、Cr、Ni、Cu、Pb、Cd和Hg,其中As、Cr和Zn占8种重金属总含量的73.63%。经相关分析和因子分析可知,青海湖流域重金属元素间具有相似来源,人类对重金属元素的影响主要体现在交通运输和农业活动。重金属地累积系数从大到小依次为As、Hg、Cd、Cu、Cr、Ni、Zn和Pb,其中As的污染程度为偏中度,平均Igeo为1.67。重金属的潜在生态风险从大到小依次为Hg、Cd、As、Cu、Ni、Pb、Cr和Zn,其中Hg、Cd和As对IR的平均贡献率分别为40.76%、25.56%和25.53%。Cd、Hg、As的潜在生态风险危害较高,需要引起人们注意。

(2)倒淌河与黑马河等中小流域河口沉积物中重金属含量较高,受到人类活动的影响更显著。然而，目前青海湖流域的环境监测站点主要集中在布哈河、沙柳河和哈尔盖河等大流域。因此,应该加强对中小河流和季节性河流中重金属元素的监测和预警,制定出针对性的治理和修复措施,最终保证青海湖流域内不受重金属污染的威胁。

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(责任编辑：陈昕)

Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Sedimentsat Estuaries of Major Inlets of the Qinghai Lake Basin.

LI Shao-hua1， WANG Xue-quan1， LAN Lan1， GAO Qi2， YANG Zhan-wu3

(1.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;2.College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China;3.Qinghai Forestry Research Institute, Xining 810016, China)

In order to investigate the status of heavy metal pollution of Qinghai Lake Basin, samples of sediments were collected from 0-5 cm sediment layers at 11 sampling sites around the inlet estuaries of the lake for analysis of contents of 8 heavy metals (Zn, Cu, Pb, Hg, Ni, As, Cd and Cr) in an attempt to determine their sources, ecological risks and pollution statuses. Results show: (1) The total contents of the 8 heavy metals in the samples varied in the range of 151.61-277.31 mg·kg-1and averaged 209.65 mg·kg-1, which was slightly higher than the environmental background values of the surface soil in the Qinghai Lake Basin. In terms of concentration, the 8 elements followed an order of As > Zn > Cr > Ni > Cu > Pb > Cd > Hg, and As, Cr and Zn accounted for 73.63% of the total of the 8. The heavy metals in the sediment brought in by human activities came from similar sources, that are agriculture and transportation. In terms of geo-accumulation coefficient (Igeo) the heavy metal displayed an order of As > Hg > Cd > Cu > Cr > Ni > Zn > Pb. Among the 8, As tended to be moderate in pollution level, with an meanIgeobeing 1.67. In terms of potential ecological risk, the 8 heavy metals followed an order of Hg > Cd > As > Cu > Ni > Pb > Cr > Zn. Hg, Cd and As were the major contributors of the integrated potential ecological risk index (IR), contributing 40.76%, 25.56% and 25.53% respectively. And (2) In recent years, the problem of heavy metal pollution has emerged as a result of intensified human activities, such as transportation, discharge of waste water from agriculture, urbanization (or townization) and development of tourism in the basin. The ecosystem of the basin is not so capable of purifying all the heavy metal pollutions down to a low-risk level. Therefore, it is essential to intensify monitoring and early-warning of heavy metal pollution in the medium and small inlets and seasonal inlets of the Qinghai Lake Basin, and work out case-specific control and remediation measures, so as to ensure the basin free from heavy metal pollution.

Qinghai Lake Basin；estuary；sediment；heavy metal；ecological risk assessment

2015-11-26

国家自然科学基金重点项目(41130640);林业公益性行业科研专项(201404304)

X522

1673-4831(2016)06-0940-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.011

李少华(1992—),男,河南濮阳人,硕士生,研究方向为干旱区水文水资源。E-mail: 2227401357@qq.com

① 通信作者E-mail: wxq@caf.ac.cn