我国南方桉树人工林区水库沉积物重金属垂向分布及污染评价

2019-06-20赵晓磊李一平朱向宇

四川环境 2019年3期

赵晓磊，李一平，魏进，朱向宇

(1.河海大学环境学院，南京 210098；2.清水源(上海)环保科技有限公司，上海 201107)

1 前言

桉树大规模种植于我国南方地区，经过人工栽培以后，很快即可成材，这对种植地很多产业带来了经济效益[1]。然而，桉树却被认为是“抽肥机”、“霸王树”，甚至传言“有毒”，会对生态造成巨大危害[2]。与桉树人工林有关的污染问题已成为当今的研究热点，众多学者对此作了深入的研究调查。已有研究表明，普洱市37 500公顷桉树人工林表层土壤养分含量均高于背景值，处于轻微污染水平，其中Cd的污染指数介于1～2之间，该研究区域呈现出轻度Cd污染[3]；还有研究表示，作为富集重金属的主要植被之一，桉树可以用于修复当地重金属污染土壤[4]；此外，许多研究深入揭示了桉树人工林对地表水环境和生态系统的影响[5-6]；并且，李一平等学者研究表明广西桉树人工林区水库泛黑与季节、气候和水体温度分层等条件密切相关[7]。

水库沉积物是污染物质隐藏和迁移的重要媒介，与人类生产和生活有着密切联系[8]。它不仅是水环境的重要组成部分，更重要的还是水体中重金属元素的汇与源[9]，记录着库区环境变化的丰富信息。当重金属元素进入水体后，会快速积聚于底泥沉积物中[10]，并通过生物富集作用，对水生态系统造成严重危害，甚至还会威胁到人类的健康和生命安全[11]。此外，一些人类活动还会导致表层沉积物扬起造成库区水体二次污染[12]。然而，还未有研究涉及到桉树人工林区水库沉积物中重金属垂向污染特征、变化趋势分析以及对污染程度进行风险评价。本试验针对此点进行补充研究，以期为桉树人工林区水库水质保护提供基础数据支撑，为当地重金属污染防治与风险管理提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

南宁市位于广西壮族自治区西南部，阳光充足，气候温和，年均气温适中，年均降雨量1 304mm，平均相对湿度近80%[13]。广西桉树人工林发展迅速，种植量居全国第一。在南宁市拥有的750多座水库中，有550座周围种植桉树，所占比例高达70%以上，且还在逐年增加。

那降水库(NJ)[14]位于南宁市隆安县的中部偏西南方向，该水库以防洪、灌溉和城镇供水为主，兼顾发电以及水产养殖。水库大坝全长210米，坝高47m，顶宽6m，水库汇水面积63km2，总库容2 715万m3，有效库容1 880万m3，库区桉树种植面积高达65%。天雹水库(TB)[15]位于南宁市西郊心圩镇，总库容1 360万m3，有效库容880万m3，是南宁可利江的源头，主要用于农业灌溉和景观用水，库区桉树种植面积高达72%。两个水库是典型的桉树人工林区水库[16]，库区桉树种植面积均已达到60%以上[17]。

2.2 样品采集

以那降水库和天雹水库为研究区域，并根据这两个水库的地形、水深以及库区底泥空间分布特征，设置6个采样点(图1)，分别为NJ1(23°12′48″N，107°43′35″E)，水深约30m；NJ2(23°13′1″N，107°43′25″E)，水深约21m；NJ3(23°12′57″N，107°43′52″E)，水深约20m；TB1(22°52′40″N，108°14′6″E)，水深约14m；TB2(22°53′1″N，108°13′43″E)，水深约20m；TB3(22°52′52″N，108°14′8″E)，水深约17m。于2016年8月在各样点处使用沉积物柱状采泥器WB-PM采集水-土界面向下20cm的沉积物柱状样，并使用上顶法按每5cm间隔分层将其分割4层(表层0～5cm，中层5～10cm和10～15cm，底层15～20cm)装入自封袋冷藏，供实验分析。

图1 那降水库(a)、天雹水库(b)样点分布图Fig.1 Locations of the sampling sites of Najiang reservoir(a)and Tianbao reservoir(b)

2.3 样品预处理

首先，将沉积物分层样品放于通风处自然风干，干燥后剔除杂物，研磨混合，并装入洁净自封袋中贮存。然后，称取0.100g冻干样品，将其转移至离心管中，加入少量超纯水(Millipore)润湿，在离心管中加入约2滴 HNO3(优级纯)，轻微震荡离心管，使样品与HNO3均匀混合；然后将离心管放于消解仪上80°C时消解24h，等离心管冷却后，取上清液进行分析测定。

2.4 重金属含量测定

采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)[18]测定处理后的样品中7种重金属元素(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)的含量，为提高重金属含量的测定精度以减小实验误差，每个样品测定3次并记录数据以供后续分析使用。

2.5 地累积指数法

采用地累积指数法[19]对该研究区域沉积物中重金属元素进行风险评价，该方法广泛应用于重金属的污染评价。其计算公式为：

式中：Igeo表示地累积指数；Cn为实测重金属的浓度，单位为mg/kg；Bn为该重金属元素的地球化学背景值，单位为mg/kg；考虑到成岩作用可能引起背景值波动这一事实，k是一个常数，通常取1.5[20]。

由上述公式可知，地累积指数(Igeo)不仅与样品的实测浓度(Cn)有关，还和地球化学背景值(Bn)的选择也密切相关。因此，为了使重金属评价结果更具说服性和更加贴近实际生活，本文使用南宁市土壤重金属元素背景值[21]，Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb的金属背景参考值分别为70.1、20.8、37.8、10.8、0.08、0.13和23.8mg/kg。根据地累积指数(Igeo)将重金属污染程度分为7级(表1)。由表1可知，当某重金属的Igeo小于0，代表该重金属未对库区水环境造成污染；大于0的，代表该金属有一定程度的污染。

表1 地累积指数(Igeo)与污染程度分级Tab.1 The geo-accumulation index and pollution degree classification

3 结果与讨论

3.1 我国南方桉树人工林区水库沉积物中重金属含量及垂直分布特征

表2显示的是研究区水库不同深度处各样点沉积物中7种重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)的含量统计情况。可以看出，总体上，天雹水库沉积物中重金属Cr、Cu、Cd和Pb污染程度较那降水库严重，且该7种重金属平均含量远远高于背景值，表明研究区域内重金属污染较为严重，这主要是由于那降水库周围人烟稀少，受到外界的污染较少，而天雹水库作为国家水利风景区，易受到人类活动的影响。由表2可以看出，南方桉树人工林区水库沉积物中元素Cu和Pb的平均含量随深度增加呈波动增长趋势，Cu和Pb的平均含量都在中层5～10cm处出现下降，并都在底层15～20cm处达到最大值(分别为43.5、44.3 mg/kg)，两者随深度增加的增长幅度分别为8.2%，11.0%；Zn和Cd的平均含量随着深度增加呈现持续增长趋势，分别由表层0～5cm的96.5，0.28mg/kg持续增加到底层15～20cm的115.8，0.36mg/kg，增长幅度分别为20.0%，28.6%，表明表层底泥受自然和人类活动影响较大，重金属向底层富集；Cr、As和Hg的平均含量随着深度增加而波动下降，其中Cr平均含量在10～15cm深度处达到最大值(95.2 mg/kg)、As平均含量在5～10cm深度处出现上升(14.5 mg/kg)、Hg平均含量在10～15cm深度处出现下降(0.75 mg/kg)，三者随深度增加的下降幅度分别为0.6%，10.7%，61.6%。可见，各类重金属在桉树人工林区水库底泥中的含量分布具有明显差别，其中，库区表层沉积物中Cr、Zn、As、Cd和Pb的平均含量一般低于深层沉积物，而其余两种重金属(Cu和Hg)在表层沉积物中的平均含量相对基本高于深层沉积物。

从不同重金属含量变异系数的垂向变化(表2)来看，不同深度处的沉积物Hg含量变异系数均大于相应深度的其他重金属，其次是Pb和As，而Zn、Cd、Cr和Cu变异系数则相对较低，这表明研究区水库沉积物中不同深度的Hg含量空间差异相对较大，Zn、Cd、Cr和Cu含量分布较为均匀，而Pb和As含量分布的空间变异性介于前面二者之间。随着沉积深度增加，桉树人工林区水库沉积物中Cr、Cu、Cd和Pb含量变异系数呈增长趋势，增长幅度依次达到44.4%，50%，61.5%，60.9%；As含量变异系数呈下降趋势，其下降幅度达到18.2%；Zn和Hg含量变异系数呈波动性变化，即Zn和Hg含量变异系数在中层5～10cm和10～15cm深处出现波动变化，而南方桉树人工林区水库沉积物在底层15～20cm处的Zn和Hg含量变异系数和表层0～5cm深处基本一致。这说明，As含量空间差异在桉树人工林区水库表层沉积物中表现相对明显，沉积物深层的Cr、Cu、Cd和Pb含量空间变异性较为显著，Zn和Hg含量空间差异程度在中层沉积物呈现波动趋势。由表2可见，各样点不同深度7种重金属含量的变异系数均介于0.10～0.70之间，Hg的变异系数都大于0.45，离散程度较高，这说明Hg容易受到自然行为和人类活动的影响；其余6种重金属含量变异系数都在0.10～0.45之间，离散程度相对较低。

表2 沉积物中重金属含量Tab.2 Heavy metal concentrations in the sediment (mg/kg)

续表2

深度(cm)采样编号CrCuZnAsCdHgPbTB3127.4 46.7 105.6 8.2 0.43 0.59 56.8 平均值95.2 40.1 112.8 13.1 0.34 0.75 41.1 变异系数0.25 0.14 0.17 0.38 0.20 0.70 0.31 15～20NJ170.3 33.5 101.9 9.3 0.29 0.37 29.6 NJ264.7 51.4 104.8 10.5 0.23 0.16 31.0 NJ345.1 20.0 103.5 8.7 0.17 0.08 14.7 TB185.8 54.3 125.4 12.5 0.48 0.37 51.1 TB2139.8 50.6 142.3 12.8 0.50 0.57 73.8 TB3110.7 51.3 116.8 11.5 0.49 0.41 65.9 平均值86.1 43.5 115.8 10.9 0.36 0.33 44.3 变异系数0.26 0.15 0.23 0.36 0.21 0.50 0.37 背景值70.120.837.810.80.080.1323.8

3.2 地累积指数法评价结果

图2表现的是桉树人工林区水库各样点不同深度7种重金属的地累积指数(Igeo)及污染分级。由图2可知，7种重金属污染程度由大到小为Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>As。结果表明，南方桉树人工林区水库沉积物中造成污染最严重的重金属元素是Hg，其地累积指数计算结果基本在1～3之间，属于中度污染程度；其次是Cd和Zn，其地累积指数主要介于0～2之间，污染程度为轻度-偏中度；Cu地累积指数含量范围为-1～1，污染分级介于清洁和轻度污染之间；Pb地累积指数在那降水库库区样点处(NJ1、NJ2和NJ3)均小于0，这表明那降水库清洁无Pb污染，而在天雹水库库区样点处(TB1、TB2和TB3)则受到轻微污染；Cr在样点TB2的地累积指数介于0～1之间，污染分级为轻度污染，在其余五个样点处的地累积指数都小于0，污染分级为清洁无污染产生；As元素的地累积指数计算结果基本都小于0，这表明南方桉树人工林区水库并没有As污染。对于Hg的地累积指数值的变化，在NJ1、NJ2和NJ3样点处随沉积深度的增加Hg的地累积指数呈波动减小的趋势，而在TB1、TB2和TB3样点处，随着沉积物深度的增加，Hg的地累积指数计算结果逐渐减小，即地累积指数有逐年增长的趋势，这说明了Hg污染有逐年加重的趋势；Cd、Zn和Cu的地累积指数随沉积深度增加变化较为一致，在NJ1、NJ2和NJ3样点处随沉积深度的增加Cd、Zn和Cu元素的地累积指数计算结果没有显著变化，而在TB1、TB2和TB3样点处随沉积深度的增加地累积指数均有增大的趋势。由此可见，南方桉树人工林区水库沉积物中污染最严重的重金属是Hg，而且有逐年加重的趋势，其余6种重金属虽然对库区水环境也有一定程度的污染，但污染并不严重，且有逐年减缓的趋势。

对比图2中(a)、(b)、(c)与(d)、(e)、(f)可以发现，除了Zn外，天雹水库受到的其余6种重金属污染要强于那降水库。Cr和Pb在NJ1、NJ2和NJ3样点处的地累积指数基本小于0，说明对那降水库并未造成污染，而在TB1、TB2和TB3样点处的地累积指数介于0～1之间，说明对天雹水库造成了轻度污染，这表明由于人类活动，天雹水库受到的污染要强于那降水库；其相似点是两个水库沉积物中Hg和Cd的污染都较为严重，达到中度污染水平，并且As元素对两个水库都未产生污染，污染分级处于清洁程度。

4 结论

4.1 天雹水库沉积物中重金属元素Cr、Cu、Cd和Pb污染程度较那降水库严重，且那降水库和天雹水库中7种重金属(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)平均含量远远高于背景值，表明研究区域内重金属污染较为严重，这主要是由于那降水库周围人烟稀少，受到外界的污染较少，而天雹水库作为国家水利风景区，易受到人类活动的影响。

4.2 水库沉积物中重金属含量垂向分布规律表明，随着沉积深度的增加，Cu和Pb的平均含量呈波动增长趋势，增长幅度分别为8.2%和11.0%；Zn和Cd的平均浓度呈持续增长趋势，增长幅度分别达到20.0%和28.6%；Cr、As和Hg的平均含量呈波动下降趋势，下降幅度分别为0.6%、10.7%和61.6%。由此可见，各类重金属元素在桉树人工林区水库沉积物中的含量分布具有明显差别。

4.3 从重金属含量变异系数垂向变化来看，不同深度处的沉积物中Hg含量变异系数均大于其他重金属，这表明研究区水库沉积物中Hg含量空间差异相对较大，并且Hg的变异系数都大于0.45，离散程度较高，这说明Hg容易受到自然行为和人类活动的影响。

4.4 地累积指数法评价结果表明，7种重金属污染程度由大到小为Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>As。