二道松花江沉积物重金属特征及其潜在生态风险

陆继龙，刘奇志，王春珍，蔡 波， 郝立波，尹业长，赵玉岩

1. 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2. 长春水务(集团)有限责任公司，长春 130041

0 引言

河流沉积物是水环境的基本组成部分，是环境污染物(有机污染物、重金属和营养物等)重要的源和汇[1]。沉积物中的重金属因其危害持久性、生物毒性及食物链的富集效应等特点，成为水环境研究的重点[2-3]。二道松花江属于第二松花江干流，发源于长白山主峰天池，是东北地区河流中源头最高的河流[4]。其主要支流为头道白河、三道白河、四道白河、五道白河、古洞河及其下游的金银别河[5]；流向由东南向西北，在两江口与头道松江河汇合成第二松花江。二道松花江长302 km，流域面积10 625 km2[6]。该流域地处长白山区，是吉林省重要的矿产集中分布区。同时，2005年成立的长白山保护开发区管理委员会的驻地——池北区(原二道白河镇)就位于二道松花江干流的上游。近年来，由于矿产资源勘探开发力度增大、长白山旅游开发过程中管理不善，使得生态环境恶化，给水环境也带来了很大的影响[7]。因此，本文通过研究二道松花江河流沉积物的重金属含量特征，对该河流水环境质量状况进行探讨，以期为水环境保护提供参考。

1 样品采集与测试

1.1 样品采集

本次研究河流沉积物样品采自二道松花江干流及其流域内较大的主要支流(图1)。为了使沉积物样品能反映水系全年沉积的情况，采样位置尽可能靠近河道中心。采集时使用重力采样器采集河道表层物质，样品均为多点混合样，将其装入磨口瓶中、密封后带回实验室。共采集二道松花江干流及其支流沉积物样品34件。

1.2 样品测试

在实验室中先自然风干，再去除石块、砂砾和树枝等杂物，并在105 ℃下烘干至恒重，最后将沉积物粉碎通过200目筛，存放于干燥器中备测试用。河流沉积物样品中As和Hg质量分数用原子荧光分光光度计(AFS-230E)测定，Cr、Cu、Pb和Zn质量分数采用X-荧光光谱仪(TW2440)测定，Cd质量分数用带石墨炉的原子吸收分光光度计(M6)测定。分析时所用水均为超纯水，所用试剂均为优级纯。采用国家标准物质进行分析质量控制，所测重金属元素的分析结果均符合质量控制要求。

2 结果与讨论

2.1 沉积物中重金属质量分数特征

表1显示了二道松花江流域各河流沉积物中重金属元素的质量分数统计特征。可以看出：As质量分数为(0.78～16.06)×10-6，平均值为4.47×10-6，在头道白河和古洞河沉积物中质量分数相对较高；Cd质量分数为(0.057～0.355)×10-6，平均值为0.158 ×10-6，在头道白河和三道白河沉积物中质量分数相对较高；Cr质量分数为(3.40～101.00)×10-6，平均值为35.81×10-6，在古洞河和金银别河沉积物中质量分数相对较高；Cu质量分数为(3.60～45.50)×10-6，平均值为10.57×10-6，在干流沉积物中质量分数最高； Hg质量分数为(0.014～0.286)×10-6，平均值为0.040×10-6，在金银别河沉积物中质量分数最高；Pb质量分数为(17.40～27.40)×10-6，平均值为22.63×10-6，在头道白河、四道白河和金银别河沉积物中质量分数相对较高；Zn质量分数为(43.90～190.00)×10-6，平均值为98.12×10-6，在干流、头道白河、三道白河、五道白河及金银别河沉积物中质量分数较高。从质量分数平均值来看，二道松花江流域河流沉积物中各种重金属元素质量分数均低于第二松花江中下游沉积物中对应的重金属质量分数[8]。与第二松花江沉积物重金属背景值[9]相比：二道松花江干流及其各支流沉积物中Cd和Cu质量分数较低，As、Cr和Zn除分别在个别支流(As在头道白河、Cr在古洞河、Zn在三道白河)沉积物中质量分数超过背景值外，质量分数总体上是低于背景值的；Pb在二道松花江流域各河流沉积物质量分数均高于背景值；Hg在四道白河、古洞河和金银别河沉积物中质量分数超过背景值，在干流和其他支流中则低于(头道白河中等于)背景值。这说明尽管二道松花江沉积物重金属质量分数总体上处于相对较低的水平，但一些支流的个别重金属元素仍在一定程度上呈现富集趋势。另外与国内几大主要水系相比，二道松花江流域各河流沉积物As、Cr、Cu、Cd(仅高于辽河)、Hg(仅高于黄河)和Pb(仅高于辽河)质量分数均比较低，而Zn(仅低于海河和珠江)则相对较高。

图1 二道松花江流域河流沉积物采样点分布示意图Fig.1 Sampling locations of river sediments in Erdaosonghua River

2.2 重金属污染程度

目前我国还没有发布河流沉积物质量标准，在进行河流沉积物重金属污染程度评价时参考海洋沉积物质量标准[16]。但国外已有一些国家制定了底泥质量标准[17]，并应用到底泥监测、修复方案评价以及疏浚底泥的研究中[18-19]。对比可发现，二道松花江流域各河流沉积物、二道松花江干流及各支流中Cd和Pb质量分数均小于我国海洋沉积物第一类质量标准[16]、美国底泥质量标准的风险评价低值(ERL值)[17]和加拿大底泥质量标准低污染下的临界效应质量分数值(TEL值)[17]；Hg除只在支流金银别河沉积物中质量分数略高于上述标准外，流域内其他支流和干流沉积物中质量分数均低于上述标准；除少部分样点外，Cr、Cu和Zn流域内大多数样点沉积物中质量分数也均低于上述各对应指标值；As除在头道白河沉积物中质量分数略高于ERL值和TEL值外，在流域内其余样点沉积物中质量分数均低于上述标准。需要说明的是，个别样品点沉积物中某种重金属元素质量分数尽管超过其对应的ERL值和TEL值，但均远远小于其对应的风险评价中值(ERM值)和高污染下的风险较大值(PEL值)。这表明总体而言该流域内重金属污染程度相对较低。

表1二道松花江流域和国内主要河流沉积物中重金属元素质量分数及部分国家重金属质量标准

Table1StatisticalcharacteristicsofheavymetalsedimentininErdaosonghuaRiveranddomesticallymainriversandqualitystandardsintheworld

10-6

注：( )内数字为样品数。空白为未检测项。ERL.风险评价低值；TEL.临界效应质量分数；ERM.风险评价中值；PEL.高污染下的风险较大值。

2.3 潜在生态风险评价

河流沉积物重金属元素污染的潜在生态风险评价常采用瑞典学者Häkanson[20]提出的潜在生态风险指数法。该方法不仅反映了某一特定环境中每种污染物对环境的影响，而且也反映了多种污染物的综合影响，并且用定量的方法划分潜在生态风险的程度。本次评价二道松花江沉积物重金属潜在生态风险评价时选择了Häkanson建议的Hg、Cd、Pb、Cu、Zn五种元素，又增加了其他学者普遍认为毒性较强的Cr和As[21]。沉积物多种重金属元素潜在生态风险指数(IR)计算公式为：

IR=∑IE=∑IT×(Ci/Cn)。

式中：IE为单个重金属元素的潜在生态风险系数；Ci为河流沉积物重金属元素质量分数实测值；Cn为背景参比值；IT为各重金属元素的毒性响应系数, 反映了重金属元素的毒性水平及水体对重金属元素污染的敏感程度。Cn一般采用工业化前全球沉积物As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn背景值[22]，分别为15×10-6、1×10-6、90×10-6、50×10-6、0.25×10-6、70×10-6、175×10-6。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn的毒性响应系数值分别采用10、30、2、5、40、5、1[18，23]。根据重金属元素潜在生态风险系数和潜在生态风险指数划分水体污染程度的标准[17]见表2。表3为采用工业化前全球沉积物重金属元素背景值作为参比值计算的二道松花江沉积物重金属元素潜在生态风险系数和潜在生态风险指数。从表3可看出，采用工业化前沉积物中重金属含量为参比值计算时，单元素潜在生态风险系数除了Hg在金银别河中为45.70外，其余重金属元素潜在生态风险系数在整个流域内均小于40.00，而且潜在生态风险指数在整个流域内最大不超过58.00；说明二道松花江沉积物重金属污染基本上全部处于轻微生态危害程度(表2)，即对应低潜在生态风险。但这不符合前面用我国海洋沉积物第一类质量标准值、美国ERL值和TEL值评价的该流域重金属污染程度的实际情况。

滕彦国等[24]在研究某地区沉积物重金属污染时指出，应以该区沉积物自身背景值作为计算有关参数的地球化学背景值。郭军辉等[25]在研究胶州湾表层沉积物重金属生态风险时也是采用研究区重金属背景值，得到的结果符合科学常理。因此，为了使计算的参数符合该区实际，本次研究采用第二松花江沉积物重金属元素背景值[9](表1)作为参比值对二道松花江沉积物重金属元素潜在生态风险系数和潜在生态风险指数进行了计算，结果列入表4。

表2 重金属元素潜在生态风险系数、潜在生态风险指数与污染程度的关系

表3以工业化前全球沉积物重金属质量分数为参比值计算的沉积物重金属元素潜在生态风险系数和潜在生态风险指数

Table3EcologicalriskfactorandpotentialecologicalriskindexofheavymetalsinsedimentsinErdaosonghuaRiver,basedoncontentofthepre-industrialglobalsediment

IEAsCdCrCuHgPbZnIR二道松花江流域(34)最小值0．521．710．080．362．221．240．2511．70最大值10．7110．662．244．5545．701．961．0957．79平均值2．984．730．801．066．431．620．5618．17标准差2．352．340．610．768．200．200．219．39二道松花江干流(8)平均值2．184．780．831．454．401．520．6415．79头道白河(3)平均值5．336．900．781．255．351．730．6621．99三道白河(6)平均值1．437．420．280．693．331．500．8115．46四道白河(2)平均值2．193．920．700．776．591．860．4416．47五道白河(3)平均值2．115．320．731．123．921．650．6615．51古洞河(11)平均值4．142．661．080．946．961．650．3317．77金银别河(1)平均值3．154．410．941．1745．701．830．5857．79

注：( )内数字为样品数。

表4以第二松花江沉积物重金属背景值为参比值计算的沉积物重金属元素潜在生态风险系数和潜在生态风险指数

Table4EcologicalriskfactorandpotentialecologicalriskindexofheavymetalsinsedimentsinErdaosonghuaRiver,basedonsedimentbackgroundintheSecondSonghuaRiver

IEAsCdCrCuHgPbZnIR二道松花江流域(34)最小值1．214．400．150．7816．8210．240．3752．01最大值25．0627．324．499．89346．2516．121．60385．27平均值6．9812．141．592．3048．6813．310．8285．82标准差5．515．991．221．6662．111．650．3164．44二道松花江干流(8)平均值5．0912．251．663．1633．3612．480．9468．94头道白河(3)平均值12．4617．691．562．7140．5214．220．9790．14三道白河(6)平均值3．3519．030．561．5025．2312．331．1963．19四道白河(2)平均值5．1310．061．391．6749．9215．290．6584．12五道白河(3)平均值4．9313．651．472．4329．6613．590．9766．71古洞河(11)平均值9．686．822．152．0552．7413．610．4987．56金银别河(1)平均值7．3811．301．882．54346．2515．060．86385．27

注：( )内数字为样品数。

从表4结合前文可以看出：由于二道松花江沉积物中质量分数较高的重金属元素Zn、Cr的毒性响应系数较低，Cu、Pb的质量分数和毒性响应系数都不高，而毒性响应系数较高的As、Cd质量分数较低，所以这些重金属元素的生态风险系数均比较低；但是由于毒性响应系数较高的Hg具有一定含量，因此整个流域沉积物潜在生态风险系数为48.68，达到中等生态危害程度，同时Hg在头道白河、四道白河和古洞河沉积物中的潜在生态风险系数均超过40.00，达到中等生态危害程度，在金银别河沉积物中甚至达到极强生态危害程度。这也使得尽管二道松花江流域沉积物总体上处于轻微生态危害程度，但在金银别河处于强生态危害程度。整个流域内沉积物重金属的生态危害程度由强至弱为：Hg、Pb、Cd、As、Cu、Cr、Zn。

3 结语

1)二道松花江流域各河流沉积物中重金属元素质量分数水平低于第二松花江中下游沉积物中重金属元素质量分数；二道松花江流域各河流沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Zn质量分数总体低于第二松花江沉积物背景值，而Hg和Pb质量分数总体上略高于第二松花江沉积物背景值。与国内几大主要水系相比，二道松花江流域河流沉积物重金属中仅Hg和Zn相对较高。

2)通过与国内外有关底泥质量标准对比发现，二道松花江流域内河流沉积物重金属污染程度相对较低。

3)沉积物潜在生态风险指数评价结果表明，二道松花江流域内河流沉积物重金属总体上处于轻微生态危害程度，但在金银别河为极强生态危害程度，以Hg的生态风险为主。

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