浊漳河北源河道沉积物中6种重金属污染特征与源解析

侯沁文

（长治学院 生物科学与技术系，山西 长治 046011）

浊漳河北源河道沉积物中6种重金属污染特征与源解析

侯沁文

（长治学院 生物科学与技术系，山西 长治 046011）

采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对浊漳河北源河道沉积物6种重金属的污染程度进行评价，并利用主成分分析法对其来源进行了初步解析。结果表明：浊漳河北源河道沉积物中重金属元素As、Pb、Cr、Cu、Hg、Cd的平均含量分别为3.812、32.014、72.972、18.454、0.081、0.293 mgkg-1。重金属元素Hg、Cd和Pb属中度污染；Cr属其轻度污染；Cu和As属无污染。主成分分析表明：浊漳河北源河道沉积物中重金属的污染主要来自燃煤释放以及有害工业废水的排放、生活污水、农业生产中肥料不合理使用等。

重金属；沉积物；污染评价；源解析

重金属污染是指由于重金属及其化合物含量超标造成的环境污染，由于重金属在环境中降解困难且在生物体内非常容易富集，造成该环境中的生物体健康受到潜在威胁。重金属通过工农业废水、生活污水的排放以及含重金属颗粒物的大气沉降进入土壤，无机物污染物以含有Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb、Ni等重金属元素为主[1]。随着时间的推移，重金属在土壤中会不断累积，引起土壤结构和功能变化的同时还能抑制农作物根系生长和叶片光合作用，从而造成农作物的产量和质量下降[2-3]。除此之外，重金属可经由多种途径对生物体以及生态系统安全造成一定程度的危害[4]。又因其不易降解的特性而成为环境污染评价中的重要内容[5]。土壤重金属的污染近年来已成为环境领域内研究的热点问题[6-7]。

河道沉积物中重金属的污染特征不仅能反应河流的水质及其受污染的程度，同时也能反应污染物的来源。关于土壤重金属污染评价的方法目前主要有地累积指数法、单因子指数评价法[8]、潜在生态危害指数法、污染负荷指数法、内梅罗综合污染指数法等[9]。而关于重金属污染源解析的研究方法近些年研究者主要运用因子分析法（FA）、主成分分析法（FCA）、聚类分析、相关分析、化学质量平衡法（CMB）等[10]。到目前为止，关于浊漳河的相关研究，主要集中在植物、水资源利用、水污染物等方面，如，流域内水资源的合理配置[11]；湿地维管植物区系的分析[12]；有机污染物遗传毒性检测和水中NH3-N、COD、BOD等主要污染物及污染评价等[13]，而对浊漳河北源河道沉积物重金属污染的研究至今未见报道。

鉴于此，文章选取浊漳河北源河道为实验地点，测定河道沉积物内重金属含量，运用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对浊漳河北源河道沉积物重金属的污染程度和特征进行分析评价，并采用主成分分析法对土壤重金属的来源进行分析，从而为浊漳河流域的重金属污染的治理及水资源保护供科学的理论依据。

1 研究地概况与样点设置

1.1 研究地概况

浊漳河隶属海河流域漳卫河水系，其上游有三大支流，俗称北源、西源、南源。流经山西省境内流域面积约为1.2万km2，流经13个县市区，在长治市境内流域面积约1万km2。浊漳河北源地处35°50′N～37°26′N、112°29′E～ll3°22′E。北源发源于山西省晋中市榆社县柳树沟，河流全长约116公里，向南流入武乡县境内，再向南流入太行大峡谷的昂车关，于襄垣县境内与西源、南源汇入浊漳河干流。该流域的气候属于温带大陆性气候，年平均气温 7.5～12℃之间，年降水量在537.4～656.7 mm[14]。

1.2 样点设置

样品采集时间为2016年3月至4月，根据浊漳河流域的环境状况、人为干扰的程度以及流域的大小，在北源河道设置12个采样点，采样点沿浊漳河北源河道走向选取，采样点概况见表1。

表1 采样点概况Tab.1 Fundamental information of the sam pling sites

2 材料与方法

2.1 样品的采集与预处理

平行线法取样，每个取样点分别在水中进行取样，各采集三个样品，采集时要注意采集污泥表层，深度不超过20 c m，每个样品采集1.5～2 k g，采集的同时记录采样点坐标。将样品装入聚乙烯塑料袋中密封好带回实验室于4℃条件下保存，在实验室条件下作冷冻干燥处理，剔除土壤样品中的植物根系等异物，对其进行研磨处理，过100目（0.15 mm）筛，置于塑料袋中备用。

2.2 样品测定

以MA RS 6仪器对土壤样品进行微波消解。土样中的P b、C d、C r和Cu元素含量均采用I C P-A ES测定，H g元素含量用原子吸收光谱法测定，A s元素含量用荧光分光度计A F S-922测定[15]。

2.3 污染评价法

这两种指数法单因子指数法[16]和内梅罗综合污染指数法[17]。可将土壤重金属污染划分为4个等级。如表2所示。

表2 土壤重金属污染分级标准Tab.2 Criteria for classification of soilheavy metalpollution

2.4 统计分析

采用E xcel2003和S P SS19.0分析软件对数据进行统计分析处理。

3 结果与分析

3.1 浊漳河北源河道沉积物重金属污染特征

浊漳河北源河道沉积物重金属含量见表3，结果表明：浊漳河北源河道沉积物中重金属H g、C r、P b、C d的含量均明显高于山西省土壤环境重金属含量的背景值，其中重金属H g和C d的超标率较高，分别为156.67%和138.33%，其次为P b（111.99%），第三为C r（26.02%）。重金属A s（-59.95%）和Cu（-24.40%）的平均含量则低于其背景值。从6种重金属的变异系数来看，除A s（20.334%）和P b（23.135%）略大于20%，其它元素的变异系数均小于20%，说明除重金属A s和P b外，重金属C d、C r、H g、Cu受到外界影响的表现基本一致。

表3 河道沉积物重金属含量Tab.3 Heavy metalcon centrations of the channelsediment

3.2 浊漳河北源河道沉积物重金属污染评价

3.2.1 单因子指数法评价

结合单因子指数法中的环境质量指数及重金属污染分级标准可知（表4）：A s和Cu在所有12个采样点中均未超标，属于安全级别；从重金属P b、H g和C d来看，除N06样点（南马会村）河道沉积物中P b、H g和C d轻度污染以及N08～N12样点P b轻度污染外，其余样点均受到中等程度的污染，由此可见Pb、Hg和Cd为浊漳河北源河道的主要重金属污染成分；除南马会村浊漳河河道沉积物重金属Cr未超标外，其余样点的沉积物中均有不同程度的轻微污染，其中廉村Cr污染最严重。综上，浊漳河北源河道沉积物中重金属Cu和As无污染，其它4种重金属平均污染程度依次为Hg＞Cd＞Pb＞Cr。

表4 河道沉积物重金属环境质量指数及污染等级Tab.4 The environmental quality index and class of pollution of heavy metals of the channel sediment

3.2.2 内梅罗综合污染指数法评价

浊漳河北源河道各样点沉积物重金属综合污染指数计算结果见图1。由图1可知，浊漳河北源河道沉积物重金属个样点综合污染等级从轻度污染到中度污染，属轻度污染有3个样点，分别是N06（南马会村）、N08（吴家庄）、N09（西寨子），其中南马会村的综合污染指数最低；属中度污染有9个样点，其污染程度依次为：N04（更修村）＞N03（双峰村）＞N05（廉村）＞N11（东邯郸村）＞N10（监漳村）＞N02（西河村）＞N12（尚家垛）＞N01（双峰村水库）＞N07（西方山村）。

图1 河道沉积物重金属综合污染指数及污染等级Fig.1 The comprehensive pollution index and class of pollution of heavy metals of the channel sediment

3.3 浊漳河北源河道沉积物重金属的主成分分析

主成分分析结果如表5所示，特征值＞1的主成分有2个，累计贡献率达84.586%，即对前两个主成分进行分析就可以得到关于6种重金属含量数据的大部分信息。在因子的初始矩阵（表6）中，重金属Pb、Cu、Hg、Cr和As在因子1（F1）中表现出较高的因子负荷，重金属Cr、Hg和Cd在因子2（F2）中显示出较高值。经矩阵变换后，F1中重金属As、Pb、Cu表现出较高的因子负荷，F2中包含的主要因子并未发生变化。说明重金属As、Pb、Cu来自一类污染源，结合取样点周边无重金属排放源，这些重金属可能是来自生活污水、大气颗粒物沉降、农业生产中肥料不合理使用等，重金属Cr、Hg和Cd来自第二类污染源，结合取样点周边有潜在重金属排放源，可能是来自各类工厂燃煤释放以及有害工业废水的排放等。

表5 沉积物重金属含量的主成分Tab.5 Principal component analysis of heavy metal concentrations in the channel sediment

表6 沉积物重金属元素主成分分析成分矩阵Tab.6 The component matris of principal component analysis of heavy metal concentrations of the channel

4 讨论

4.1 浊漳河北源河道沉积物重金属污染特征

环境中重金属污染所受外界条件影响最大，在空间分布上的差异也最大，这种差异在很大程度上归结于强烈的人类活动影响[18]。本研究表明，浊漳河北源河道沉积物重金属元素Hg和Cr的污染最为严重，这与周边响应污染源有着密不可分的关系。变异系数的大小能够说明环境受人类社会活动干扰程度的大小和污染物在空间分布上的差异[17]。本研究发现：除As（20.334%）和Pb（23.135%）大于20%，其它元素的变异系数均小于20%，说明Cd、Cr、Hg、Cu受到外界影响的表现基本一致，空间分布上的差异相对不显著，显示这四种元素在研究样点范围内的来源可能具有同源性。

4.2 浊漳河北源河道沉积物重金属污染评价

沉积物中重金属污染物来源形式多样，不同地区金属污染物含量差异较大。如，郭伟等人[17]研究呼和浩特市不同功能区土壤重金属污染特征，运用单因子污染指数分析结果表明，从沉积物重金属污染程度来看，重金属元素Cu最重，重金属元素Pb最轻。而本研究表明浊漳河北源河道沉积物重金属元素Cu的含量未超标，金属元素Pb、Hg和Cd含量超标严重，是造成浊漳河北源河道沉积物污染的主要重金属，这些重金属元素的超标可能与浊漳河北源河道周边的电厂、焦化厂、采煤等企业的污水排放有着密切的关系；此外，周边居住区的生活垃圾的随意倾倒以及肥料的不合理使用也有可能是造成北源河道沉积物重金属污染的原因。

4.3 浊漳河北源河道沉积物重金属主成分分析

利用主成分分析重金属污染来源，不同研究区域同一种重金属污染差异较大，如，肖鹏飞等人[19]研究分布在城镇用地以及耕地，且沿流域沿线分布测定Pb元素发现，重金属元素Pb是交通污染源的指示元素。而本研究重金属元素Pb含量与农业生产活动紧密相关，这与王军等[20]人研究相一致。因此，Pb的超标部分的主要来源可能是农业生产活动中肥料的不合理使用及耕地的污水灌溉。重金属元素Hg的含量变化与燃煤排放易于空间扩散的特征相符，这与吴绍华等[21]人研究相一致，重金属元素Cr、Cd含量较高的样点与化工污水厂空间分布相似性。综上，浊漳河北源河道沉积物重金属污染源主要来自于农业生产中肥料不合理使用以及耕地的污水灌溉、燃煤释放、有害工业废水的排放等。

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Characteristics and Source Apportionment of Heavy Metal Contamination in the Channel Sediment of the Northern Source,Zhuozhang River

Hou Qin-wen
（Department of Biological Sciences and Technology,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

In order to explore the characteristics and the sources of heavy metals contamination in the channel sediment of the northern source,Zhuozhang River,this paper investigated contents and distribution of six kinds of heavy metal elements (Hg,Cd,As,Pb,Cu and Cr)in sediment of the north channel,Zhuozhang River,and evaluated the level of heavy metals contamination with the single factor index method and the Nemero index of pollution method.What's more,the sources of heavy metals were basically analyzed with the principle component analysis.The results showed that the average element contents of As,Pb,Cr,Cu,Hg and Cd in the samples of channel sediment were 3.812,32.014,72.792、18.454、0.081 and 0.293 mg·kg-1 respectively,Three kinds of heavy metal elements(Hg,Cd and Pb)were to be the moderate pollution,Cr was the mild pollution,Cu and As were pollution-free.The principle component analysis shows that the heavy metal contamination of the north channel,Zhuozhang River mainly results from unreasonably using of fertilizer,coal-fired release,and the discharge of the industry sewage,etc.

heavy metal;sediment;pollution assessment;source apportionment

X53

A

1673-2014（2017）02-0017-05

（责任编辑 铁 军）

山西省高校人文社科重点研究基地项目（2012331）

2017—02—06

侯沁文（1975— ），男，山西沁水人，硕士，主要从事生态学及环境化学研究。