贺江水系沉积物重金属空间分布特征、来源及潜在生态风险

宁增平,蓝小龙,2,黄正玉,2,陈海燕,2,刘意章,肖唐付,赵彦龙,4



贺江水系沉积物重金属空间分布特征、来源及潜在生态风险

宁增平1,蓝小龙1,2,黄正玉1,2,陈海燕1,2,刘意章1,肖唐付1,3*,赵彦龙1,4

(1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550081；2.中国科学院大学,北京100049；3.广州大学珠江三角洲水质安全与保护协同创新中心,广东广州510006；4.珠江流域水环境监测中心,广东广州510611)

以珠江一级支流——贺江水系沉积物为研究对象,通过系统采集表层沉积物样品,利用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)和电感耦合光发射光谱仪(ICP-OES)测定As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V、Zn和Fe等金属元素含量,查明流域沉积物中重金属空间分布特征,结合主成分分析和相关性分析等探讨贺江流域表层水系沉积物中重金属的来源,并利用地累积指数法、富集因子法和生态风险指数法评估了沉积物中重金属污染状况和潜在生态风险.结果表明:贺江流域表层水系沉积物中重金属受到不同程度的人为活动影响,As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn的平均含量高于我国西南五省水系沉积物中的重金属的平均值,而其它元素含量相对较低;地累积指数法(geo)和富集因子法(EF)污染评价结果表明,贺江流域表层水系沉积物污染程度大小依次为Sb > As > Cd > Pb > Zn > Tl > Cu > Mn > Co > V > Ni > Cr,其中,未受Co、Cr、Ni和V污染;各金属Hakanson潜在生态风险指数大小依次为Sb > Tl> As > Cd > Pb > Cu > Co > Ni > Zn > V > Mn> Cr,重金属综合潜在生态风险指数(RI)为65.63 ~1142,其中,As、Cd、Sb和Tl的生态风险指数之和占综合指数RI的平均百分比为88.30%,表明As、Cd、Sb和Tl等4种重金属具有极强的生态风险;主成分分析提取的两个主成分的累积贡献率达到79.80%,结合野外调查资料和Pearson相关性分析结果,表明As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl、Zn主要源于农业生产活动、城镇生活污水、鱼养殖业和矿业活动的贡献,而Fe、Co、Cr、Ni和V则主要源于岩石自然风化的贡献.

重金属；沉积物；来源；空间分布特征；生态风险；贺江

重金属是典型的累积型污染物,具有不可降解性、显著生物毒性和持久性特征[1-2].重金属进入水环境后,通常与沉积物中Fe、Mn(氢)氧化物、硫化物、有机物和黏土矿物等结合,快速沉降进入沉积物中[3].然而,沉积物中的重金属并非永久稳定的,随着沉积物-水界面环境条件(如pH、Eh)发生变化以及生物扰动或再悬浮等因素作用下,沉积物中的重金属会再次释放,使水体中重金属含量提升,水质恶化[4].可见,水系沉积物是水环境中重金属的源和汇,是水环境质量的重要指标[2,5].另外,相对于自然源,沉积物中人为源重金属具有更高的迁移性、生物可利用性和生物毒性[6].因此,查明水系沉积物中重金属空间分布特征、辨识重金属来源和厘定重金属潜在生态风险,将有助于科学评估水环境质量和指导水环境保护.近年来,国内学者逐渐重视水环境中沉积物重金属来源以及生态风险的研究,对我国河流[2,7-9]、湖泊[5,10]、近海[1,11]、河(海)口[12]以及滩涂[13]等水环境中的沉积物开展了相关研究,并获得了一批丰富的有价值的数据,为查明我国水环境质量、评估水环境重金属生态风险及污染防控等提供了重要的数据积累.

贺江(N23º20'~25º18',E111º08'~112º11')是珠江流域西江水系的一级支流,其上游富川江发源于富川瑶族自治县麦岭乡的茗山,向南流经广西富川县、钟山县、贺州市和广东省封开县,并于封开县江口镇汇入西江干流,全长352km,集水面积11536km2,多年平均流量193.3m3/s,整个流域地处北回归线以北,属亚热带季风气候,年平均气温20℃,流域内修建有龟石水库(上游)、合面狮水库(中游)和江口电站(下游)等多座大中型水库[14-15].贺江是贺州市的主要饮用水源,其水质安全对贺州市社会稳定和经济发展具有十分重要的意义.近年来,随着该区域经济和城镇化的飞速发展,工矿企业废水和城镇生活污水等人为源污染物被大量排放进入贺江流域水体,研究显示[14,16],近年来贺江流域水体中重金属含量呈现升高的趋势,重金属直接或间接造成贺江流域水体污染事件时有发生.如2013年7月水体中重金属Cd和Tl含量超标,造成贺江中下游出现大量死鱼现象[17].然而,目前针对贺江流域水系沉积物中重金属的空间分布特征的研究十分不足,重金属来源认识仍不清楚,尚缺少对流域水系沉积物重金属污染程度及生态风险评估的研究.虽然基于化学连续提取技术获得的重金属赋存形态能够提供包括重金属迁移性、生物可利用性和毒性等丰富的信息[4],但是这些方法的实验流程复杂,且目前没有基于重金属赋存形态的污染水平和生态风险定量评估的统一规范[10].因此,重金属总含量仍被广泛用于评估沉积物重金属污染水平和生态风险.

因此,本研究通过系统采集贺江上游源头至汇入西江河口等41个点位表层水系沉积物样品,分析测定了沉积物样品中As、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Sn、Tl、V和Zn等重金属含量,以期查明贺江流域表层水系沉积物中重金属含量空间分布特征,探讨流域表层水系沉积物中重金属来源,评估流域表层水系沉积物中重金属污染程度和潜在生态风险,为贺江流域水环境重金属污染防治提供科学依据和数据支撑.

1 材料与方法

1.1 样品的采集

样品于2016年8月采集,通过GPS定位,从贺江上游至入西江河口段共采集41个点位的表层水系沉积物(图1).采样选点主要考虑了汇入支流、城镇人群生产生活和矿业活动等对贺江干流水体的影响,因此,在各主要支流汇入口、存在矿山活动影响的前后点位和流经城镇出入口处等点位进行严格布点监控.表层沉积物样品用抓斗式沉积物采样器采集,用自封袋封装后放置于冷藏箱中于-4℃冷藏保存运回实验室.

1.2 样品处理与测试

沉积物样品自然风干后,剔除大块砾石、生物残渣等杂质,然后,用木棍碾碎,混匀,用玛瑙研钵研磨,过200目筛.沉积物经四酸法(HNO3+ HF+HClO4+HCl)消解后,As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn等12种元素采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,美国Agilent 7700x型)测试,Fe则采用电感耦合光发射光谱仪(ICP-OES,德国Thermo Scientific iCAP6500型)测试.

样品预处理和测试过程中,分别设置不少于3个平行样和沉积物标准物质(GBW07305)分别控制整个过程的精确性和准确性,金属元素平行样的相对误差<10%,标准物质中重金属回收率为95%~110%,金属元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V、Zn和Fe的仪器最低检出限分别为0.2、0.02、0.1、1、0.2、5、0.2、0.5、0.05、0.02、1、2mg/kg和0.01%,实验空白样中各金属元素含量均在仪器检测限以下.

1.3 数据处理

用Excel2010和Origin8.0对重金属含量进行数据处理及作图;用SPSS18.0对重金属含量数据进行Pearson相关性分析(双侧检验)和主成分分析.

2 结果与讨论

2.1 贺江流域表层水系沉积物中重金属含量分布特征

由表1可见,与我国西南五省水系沉积物中重金属平均含量[18]相比,流域表层水系沉积物中As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn的平均含量相对较高,而Co、Cr、Ni、V和Fe含量都略低.与我国土壤质量二级标准值(GB15618- 2008)[19]相比,贺江表层水系沉积物中仅As、Cd、Mn和Sb的平均值略高,其他金属元素平均含量均低.与国家土壤质量二级标准限值相比,As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl、V和Zn均有不同比例的样品超标,特别是样品的As、Cd、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn含量超标率为24.39% ~ 65.85%,而所有采样点Co、Cr和Ni含量均低于国家土壤质量二级标准.贺江流域表层水系沉积物中仅Fe的变异系数较小(32.81%),表明流域沉积物中Fe的空间分布较均匀,离散程度较小;而As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn的变异系数(38.36% ~ 209.88%)均大于36%,根据Wilding对变异系数的分类[20],属于高度变异.特别是As、Cd、Cu、Pb、Sb和Zn的变异系数接近或远超过100%,远高于其他元素,说明这6个元素在各采样点间的差异极大,分布极为不均匀.

表1 沉积物中重金属含量描述性统计

注:a:国家土壤质量二级标准(GB15618-2008;水田,pH6.5~7.5)[19];b: Fe元素含量单位为%;c: 参照西南五省水系沉积物中含量[18];d:参照德国土壤安全阈值[21].

由表2可见,与珠江水系重要支流北江水系沉积物[7,22]相比,贺江水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Tl和Zn等重金属含量都相对较低;类似地,贺江水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn等重金属含量相对于珠江水系上游重要支流-南盘江[8]也都较低,但Sb含量略高于南盘江.而相对于都柳江[9],贺江水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Tl、Zn含量较高,但是Co、Ni和Sb含量较低,特别是Sb含量远低于都柳江,这主要是由于都柳江上游锑矿资源极为丰富,锑矿开发造成了更多的Sb在都柳江水系沉积物中蓄积.此外,相对于珠江下游干流沉积物[23],贺江水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Sb和Zn等含量明显偏低,表明贺江水系沉积物重金属污染程度明显低于珠江下游.

表2 珠江及其主要支流水系沉积物中重金属平均含量(mg/kg)

注:a:根据文献[7]和[22]中的数据计算得出.

图下方箭头代表贺江干流从上游至下游的采样点位

贺江干流表层水系沉积物中Fe、As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn等13种金属元素含量空间变化趋势如图2所示.结果显示,贺江干流表层水系沉积物中重金属含量呈现不同的变化趋势.其中,Fe、Co、Cr、Ni和V具有相似的变化趋势,表现为从上游到下游呈现上下小幅震荡波动的变化趋势(图2A);而As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl、V和Zn则呈现流域上游和下游含量低,中游含量高的变化趋势(图2B-E).As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl、V和Zn等9种重金属主要在S38、S31、S25、S21和S13等点位呈现高含量.其中,S38点位处于龟石水库下游,龟石水库水体受农业生产与生活污水影响较大,且水库内鱼养殖业活动密集,严重影响了龟石水库及其下游水体水质,造成S38与S36点位沉积物中重金属含量升高;S31和S25分别位于支流白沙河、望高河和马尾河汇入口下游,由于白沙河、望高河和马尾河上游矿产资源丰富,长期的矿业开发活动造成了重金属在流域水体中富集,如在白沙河、望高河和马尾河汇入贺江前的S35(As、Cd、Pb和Sb含量分别为105.5、0.91、80.5和167mg/kg)、S32(As、Cd、Pb和Sb含量分别为233、1.32、105和12.5mg/kg)和S27(As、Cd、Pb和Sb含量分别为463、6.72、400和70.5mg/kg)点位沉积物中重金属含量明显偏高,已有研究也证实马尾河水系沉积物中不同程度的富集重金属[16],因此,三条支流的汇入造成汇入口下游贺江水系沉积物中重金属含量明显升高;S21位于合面狮水库库区,野外采样勘查过程中发现,合面狮水库鱼养殖业活动强度大,这可能造成了重金属在合面狮水库S21点位沉积物中不同程度的富集,随后的S18和S17点位沉积物中重金属含量逐渐降低,这与前人研究结果[16]一致;S13位于铺门镇,一方面由于该镇耕地众多,农业活动密集,另一方面该镇锑矿、铁矿等矿产资源丰富,矿业开发活跃,这些活动产生的各类污废水排放进入贺江,造成了S13点位沉积物富集重金属.

2.2 贺江流域表层水系沉积物中重金属污染程度评价

2.2.1 地累积指数法 采用德国学者Müller提出的地累积指数法评估沉积物重金属污染程度[24].该方法通过利用土壤或沉积物中重金属元素的含量与其地球化学背景值的关系,能够直观的反映外源性重金属在区域土壤或沉积物中的富集程度[23],其计算公式如下:

geo= log2[c/ (1.5×B)]

式中:geo为地累积指数,c为沉积物中重金属的含量实测值,1.5为考虑到成岩作用可能引起背景值变动而设定的常数,B为重金属元素的地球化学背景值(即参比值).参比值的选择对地累积指数法的评价结果影响较大.考虑到贺江位于我国西南地区,因此本研究采用我国西南五省水系沉积物元素平均含量作为参比值,Fe、As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn含量分布为3.85%、15、0.26、15、84、30、910、36、30、1.38、0.62、108和87mg/kg[18].根据geo值0~6将污染程度划分为7级,对应的污染程度为无污染至严重污染(表3).

表3 Igeo等级划分与重金属污染程度[24]

图3为Fe、As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn等13种金属元素的平均地累积指数值geo.参照表3中geo等级与重金属污染程度划分法则,贺江流域表层水系沉积物重金属地累积指数最高可达6.33,污染等级可达极严重污染,主要表现为As、Cd、Pb和Sb等4个重金属的污染.其次,Cu、Mn、Tl和Zn仅个别点位表现出中度以上污染程度.此外,Fe、Cr、Co、Ni和V的地累积指数均<0,表明在贺江流域沉积物中不存在Fe、Cr、Co、Ni和V污染.本研究结果与前人对马尾河及其汇入贺江后下游流域共10个水系沉积物点位的地累积指数评价结果[16]相似.总之,按地累积指数平均值排序,贺江流域表层水系沉积物中各重金属污染等级大小顺序依次为Sb > As > Cd > Pb > Zn > Tl > Cu > Mn > Co > V > Ni > Cr.

2.2.2 富集因子法 富集因子是定量评价沉积物污染程度的重要指标[25-27].由于贺江水系沉积物中Fe含量相对稳定(1.06~5.25%),平均含量为3.11%,与我国西南五省沉积物中Fe平均含量相近(3.85%)[18],因此,本研究中选择Fe元素作为参比元素.本研究中所用的背景区重金属元素含量值采用我国西南五省水系沉积物元素平均含量,计算方法如下:

EF= (M/Fe)sample/(M/Fe)background

富集因子对沉积物重金属污染等级的划分法则列于表4中.

表4 富集因子和污染等级[28-29]

从图4中可见,贺江流域表层水系沉积物主要表现为重金属Sb、As、Cd和Pb显著富集,平均富集因子分别为9.94(0.52~106.1)、5.99(0.34~ 23.8)、5.82(0.14~31.4)和3.02(1.02~10.3);其次为Zn、Tl、Cu和Mn,富集因子分别为2.40(0.76~ 8.35)、2.04(0.70~4.28)、1.64(0.30~5.42)和1.26 (0.45~2.67),均属于中度或低于中度富集水平,属于中等污染或低于中等污染等级;而Co、V、Ni和Cr的富集因子仅个别点位(S21点Cr富集因子为2.16)富集因子略高于2外,其余点位均低于2,表明Co、Cr、Ni和V在贺江流域沉积物中无富集,属于无污染或低污染等级.可见,富集因子法对贺江水系沉积物重金属污染评估结果与地累积指数法所得的结果一致.

2.3 贺江流域表层水系沉积物中重金属的生态风险

采用1980年瑞典学者Hakanson提出的潜在生态风险指数法评价贺江流域表层水系沉积物中的重金属生态风险[31],该方法综合考虑了沉积物中污染物类别、含量、毒性水平和水体对重金属污染的敏感性等四个影响因素,因此,该方法不仅能够反映沉积物中污染物的污染程度,还可以反映沉积物中污染物对环境的潜在生态风险程度,被广泛用于评价水体水系沉积物中污染物的潜在生态风险[6,10,32].计算公式如下:

Hakanson提出的RI生态风险分级标准是基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和多氯联苯(PCBs)等8个参数的毒性系数权重总和(133)估算得到,对应的RI限值为150[31].本研究中,Hg和PCBs被排除,但引入了Tl、Sb、V、Co、Ni和Mn等6个元素,12个参数毒性系数权重总和为113.因此,如果仍采用原先的分级标准,极可能低估流域沉积物中重金属的生态风险.本研究对综合生态风险指数RI分级标准进行修正如下:RI = 150×(113/133)≈127.4(取整130),以此类推[12].沉积物中单个重金属的生态风险指数和修正的综合RI风险等级列于表5中.

表5 生态风险评价指数与分级标准

贺江流域表层水系沉积物中重金属潜在生态风险指数计算结果列于表6中.结果显示,贺江流域表层水系沉积物中各个重金属的潜在生态风险指数绝大多数都低于80,属于中等风险等级,特别是Cu、Co、Ni、Zn、V、Mn和Cr的风险指数都远低于40.贺江流域表层水系沉积物中单个重金属平均潜在生态风险指数依次为Sb > Tl > As > Cd > Pb > Cu> Co > Ni > Zn > V > Mn > Cr.这与贺江流域水系沉积物中重金属含量和基于重金属含量的地累积指数与富集因子法等污染程度评估法得到的污染等级的高低排序大体一致,但部分元素存在差异.例如,Tl的地累积指数和富集因子法的评价结果为低污染,但生态风险指数评估得出Tl为较高潜在生态风险,这是因为两种方法评估结果的侧重点不同:前者可直观的给出重金属污染等级,但未考虑重金属的生物毒性;后者则弥补了这方面的不足,体现了重金属污染对生物体的毒害性和相对贡献比例,是前者的有效补充[11].因此,在实际评估河流重金属污染级别和潜在生态风险等级时,必须将这几种评价方法有机结合,才能全面科学地评估重金属污染水平[32].

根据综合潜在生态风险指数(RI)值(表6),41个采样点位的重金属生态风险综合指数为65.63~1142(平均值为273.43).其中,低生态风险(RI<130)的样点占43.9%(18个点位),中等生态风险(130£RI < 260)的样点24.3%(10个点位),重度生态风险(260£RI < 520)的样点占19.5%(8个点位),严重生态风险的样点占12.2%(5个点位).在As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn等12个重金属中,As、Cd、Sb和Tl对贺江流域水系沉积物重金属综合生态风险指数的贡献率最高,这4个元素的风险指数总和占综合指数的平均百分比为88.30%,表明As、Cd、Sb和Tl等4种重金属是贺江流域表层水系沉积物中主要的污染物,具有极强的生态风险性,需要引起重视.

表6 贺江流域表层水系沉积物中重金属潜在生态风险评价结果

注:a:单元素潜在生态风险指数值占综合生态风险指数值的百分比.

2.4 贺江流域表层水系沉积物中重金属来源分析

沉积物中金属元素的含量主要取决于沉积物母质来源和流域人为活动的影响,其影响程度受输入水体金属元素的类别决定.不同金属元素间含量相关性分析能了解元素之间的空间变化趋势,能在一定程度上反应元素的矿物来源、存在形式和污染状况等[35-36].贺江流域表层水系沉积物中重金属含量的相关性矩阵分析见表7.结果显示,As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn等元素两两之间呈显著性正相关,相关系数为0.39 (Sb vs. Cd,<0.05)~ 0.97(Pb vs. Zn,<0.01),表明这8个元素可能有相似的来源;Cr、Co、Ni和V等元素两两之间呈现显著正相关,相关系数为0.62(Cr vs. Co,<0.01)~0.93(Ni vs. V,<0.01),表明这些元素间可能有相似的来源.

表7 沉积物中重金属元素间的Pearson相关系数

注:**表示双侧检验在0.01水平下相关性显著; *表示双侧检验在0.05水平下相关性显著;样品量=41.

为了进一步分析贺江流域表层水系沉积物中Fe、As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb、Tl、V和Zn等13中金属元素的污染来源,采用因子分析方法进行源解析.KMO和Bartlett球形度检验结果表明,标准化后的重金属含量数据适宜做因子分析.因子分析结果见表8.提取出前2个主成分,其解释了变量总方差的79.80%,表明这2个主成分(特征值:7.31+3.07= 10.38变量)完全可以代表13个金属元素的绝大部分信息.

表8 贺江流域表层水系沉积物中重金属主成分分析结果

第一主成分的贡献率为56.23%,特征表现为因子变量在Fe、As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn等元素上有较高的载荷,分别为0.86、0.89、0.84、0.92、0.90、0.89、0.58、0.54和0.92(表8),表明这些元素可能具有相同的来源.其中,Pb、Zn、Cu、As和Cd普遍存在于化肥和农药中[37-39],且Cd被认为是使用农药和化肥等农业活动的标志元素[38].从As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn等元素的空间分布来看,这几种重金属含量最高值均出现在贺江中游(贺州市区至南丰镇),该河段内周边人口密集,城镇化强度高,农田分布于两岸,矿产资源丰富,特别是马尾河流域,Pb、Zn、As和Sb等有色金属矿产资源丰富,采矿业发达[14,16].因此,贺江流域内除了农业活动对重金属的贡献外,流域内城镇生活污染水排放、活跃的矿业活动也是流域沉积物中重金属的重要来源.已有研究也证实支流马尾河受矿业活动影响显著,造成大量重金属在马尾河及其汇入贺江后下游水体中蓄积[14,16].特别地,2013年7月贺江突发的Cd和Tl污染事件,造成了大量Cd和Tl在流域沉积物中蓄积[40].另外,野外调查过程中发现,贺江流域鱼养殖业发达,网箱密布,极可能是贺江流域水系沉积物中重金属的重要贡献源[41].可见,第一主成分主要代表了农业生产活动、城镇生活污水、鱼养殖业和矿业活动等的复合污染.

第二主成分的贡献率为23.57%,主要表现在Co、Cr、Ni和V上具有较高的载荷,分别为0.72、0.71、0.70和0.82.这4种元素在贺江流域表层水系沉积物中的平均含量均低于我国西南五省水系沉积物中重金属含量值[18]和我国土壤环境质量二级标准的相关限值[19],表明这4种元素主要受岩石风化等自然源的贡献.需要注意的是,尽管Fe在第一主成分上具有较高的载荷,但流域沉积物中Fe的平均含量低于我国西南五省水系沉积物中Fe的平均值,且其在流域中的变化特征与Cr、Co、Ni和V大体一致,因此,Fe可能也主要源于岩石风化等贡献.这与王少鹏等人研究结果一致[16].图5为前两个主成分载荷的二维图,其中各金属元素间的离散程度较直观地反映了贺江流域水系沉积物中重金属的来源.

3 结论

3.1 贺江流域表层水系沉积物中重金属不同程度的受到人为活动的影响,流域表层水系沉积物中As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn的平均含量背景值高,而Co、Cr、Ni、V和Fe含量则比背景值低.但与我国土壤质量二级标准值相比,仅As、Cd、Mn和Sb的平均值略高,其它金属元素平均含量均低.贺江干流中As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl、V和Zn等呈现流域上游和下游含量低,中游含量高的变化趋势.

3.2 地累积指数法和富集因子法评估贺江流域表层水系沉积物重金属污染程度表明,两种方法的评价结果一致,贺江流域表层水系沉积物中Sb、As、Cd和Pb污染最重,其次是Zn、Tl、Cu和Mn,而Co、V、Ni和Cr不存在污染.

3.3 重金属的潜在生态风险指数表明,各重金属的潜在生态风险指数高低顺序依次为Sb > Tl > As > Cd > Pb > Cu > Co > Ni > Zn > V > Mn > Cr.另外,重金属综合潜在生态风险指数(RI)结果表明,As、Cd、Sb和Tl等4种重金属是贺江流域表层水系沉积物生态风险最高的重金属.

3.4 主成分分析和Pearson相关性分析表明,As、Cd、Cu、Mn、Pb、Sb、Tl和Zn等元素源于矿业活动、鱼养殖业、农业活动与城镇生活污水排放等人为源的贡献;Fe、Co、Cr、Ni和V等元素则主要源于岩石自然风化等自然源贡献.

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致谢：样品处理与分析测试过程中得到中国科学院地球化学研究所陶发祥研究员、凌宏文高级工程师和杨菲高级工程师的帮助,在此表示感谢.

Spatial distribution characteristics, sources and potential ecological risk of heavy metals in sediments of the Hejiang River.

NING Zeng-ping1, LAN Xiao-long1,2, HUANG Zheng-yu1,2, CHEN Hai-yan1,2, LIU Yi-zhang1, XIAO Tang-fu1,3*, ZHAO Yan-long1,4

(1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Innovation Center and Key Laboratory of Water Safety & Protection in the Pearl River Delta, Ministry of Education, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China；4.Pearl River Water Environment Monitoring Center, Guangzhou 510611, China)., 2017,37(8)：3036~3047

In order to investigate the spatial distribution characteristics of heavy metals, and to discriminate their sources and potential ecological risks in surface sediments of the Hejiang River, a sum of 41surface sediment samples were collected. Total contents of As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Tl, V, Zn and Fe in these samples were measured by the inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and the inductive plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Principal component analysis (PCA) and Pearson correlation analysis were used to deduce its potential emission sources of these elements. Geo-accumulation index (geo), enrichment factor (EF) and the Hakanson’s potential ecological risk index (and RI) were calculated to evaluate the pollution degree and ecological risk level of heavy metals in sediments, respectively. Results showed that the contents of heavy metals in sediments were impacted by human activities in different extent, only the average contents of As, Cd, Cu, Mn, Pb, Sb, Tl and Zn were higher than the background values. The calculatedgeos and EFs also showed that the contaminated degree of heavy metals in a descending order were Sb > As > Cd > Pb > Zn > Tl > Cu > Mn > Co > V > Ni > Cr, besides, the Hejiang River was not contaminated by Co, Ni, V and Cr. The ecological risk indexes () for all selected metals in a descending order were Sb > Tl > As > Cd > Pb > Cu > Co >Ni > Zn > V > Mn > Cr. Compared with the assessment results of Geo-accumulation index (geo) and enrichment factor (EF),can more scientifically reflect the aquatic environmental quality and ecological hazards of sediments. Moreover, the comprehensive indexes of potential ecological risks (RI) for heavy metals ranged from 65.63 to 1142, and the sumvalue of As, Cd, Sb and Tl accounted for 88.30% of RI, suggesting that the Hejiang River occured high potential ecological risk of As, Cd, Sb and Tl.The PCA results showed that the cumulative proportion of the first two components accounted for 79.80% of the total variables, suggesting that As, Cd, Cu, Mn, Pb, Sb, Tl and Zn were controlled by anthropogenic source including agricultural activities, urban wastewater, aquaculture and mining industry, and Fe, Co, Cr, Ni and V were mainly contributed by natural sources such as rock weathering.

heavy metals；sediment；source；spatial distribution characteristics；ecological risk；the Hejiang River

X142

A

1000-6923(2017)08-3036-12

宁增平(1980-),男,江西吉安人,副研究员,博士,主要研究方向为毒害元素环境地球化学与生态修复技术.发表论文50余篇.

2017-01-22

水利部公益性行业科研专项经费项目(201501011);环保部公益性行业科研专项经费项目(201509051);贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2010]2235号).

*责任作者, 研究员, xiaotangfu@vip.gyig.ac.cn