黑河重金属空间分布及与大型底栖动物的关系

王 昱,李宝龙,冯 起,王之君,刘 蔚,张昕雨,孔德星,左一锋（.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050；.中国科学院西北生态环境资源研究院,内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000；3.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,甘肃 兰州 730050）

近年来,随着区域经济快速增长,通过污水排放、水文循环等方式使大量重金属污染物进入河流,历经絮凝沉降、吸附解析等过程最终蓄积在河流底部沉积物中[1-2].虽然河流可通过理化和生物作用对重金属等污染物进行吸收、固定和转化,但当污染物浓度超出水生态系统的承载力,且泥-水界面理化性质发生改变时,沉积物中的重金属会重新释放到上覆水体,使得重金属在沉积物、上覆水体之间进行二次迁移转化,并通过生物富集和食物链的放大作用而影响人体健康[3-4].大型底栖动物具有分布广、移动能力差、活动范围小,以表层沉积物为直接生境,其群落结构及物种多样性能有效反映河流重金属污染状况[5-7].大量研究表明,河流重金属含量较高的区域,大型底栖动物的种类及多样性显著降低,耐污性物种逐渐占据优势,且不同物种对重金属污染具有很好的指示性[8-11].但上述研究多集中在湖泊、长江、黄河等河流及其支流上,对生态环境脆弱的内陆河流域水体及表层沉积物重金属的分布及生态风险方面的研究相对较少.因此探究大型底栖动物对河流水体及表层沉积物重金属空间分布潜在指示性和相关性关系,对有效治理和预防河流重金属污染具有重要实践意义.

黑河流域作为我国第二大内陆河,是河西走廊绿洲赖以生存和经济社会持续发展的重要水源基地[12].长期以来,受技术、经济条件、人们意识观念的制约,对祁连山成矿带的过度开采,以及历史遗留的尾矿及矿渣肆意堆放,长期暴露在环境中,易被雨水淋洗或土壤渗流直接进入河流[13],导致了黑河水体及表层沉积物一定程度的重金属污染.此外,上游干流梯级水坝对重金属具有明显拦截效应,水体中重金属经吸附、沉淀和生物吸附等作用易富集在库区底泥中.中游工业废水、农业及生活污水的排放等也会使进入水体中的重金属在沉积物中沉积,加剧了河流重金属的富集程度,对河流水环境中的水生生物造成潜在危害[14].以往关于黑河重金属的研究多集中在土壤或水体单一方面,忽略了重金属进入水体后绝大部分会累积在表层沉积物中,并未从大型底栖动物对河流水体及表层沉积物重金属的相关关系来分析重金属的潜在危害[13,15].

为此,本文以黑河上、中游为研究区域,采集和测定水体、表层沉积物及底栖动物样品,采用主成分分析法识别重金属污染的来源,并通过综合污染指数、潜在生态风险指数等评价河流水体及沉积物重金属的污染状况;同时对大型底栖动物与水体及表层沉积物重金属进行相关性分析,确定重金属污染的潜在指示生物,为生态脆弱的西北内陆河流域重金属污染有效治理和科学管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况及采样点布设

黑河发源于祁连山北麓的青海省祁连县,流域范围为 96°42'～102°04'E,37°45'～42°40'N,是我国第二大内陆河.流域横跨了祁连山地、走廊平原和阿拉善高原3种不同的地貌单元,总面积达1.3×105km2,黄藏寺-莺落峡河段为上游干流,莺落峡-正义峡为中游.上游祁连县-天峻县煤铜铅锌规划区是青藏高原圈定的22个重点矿产资源勘查规划区之一,分布有铁、铬、铅、锌和铜等重金属元素,并有煤矿、铀矿等矿山企业和建材等非金属矿[13].上游干流水能资源丰富,相继开发了 8座梯级电站.中游灌溉农业发达,沿途城市群密集,是铁、铜、钼等矿产原料集中区,煤炭、造纸、焦化、有色金属加工等企业均有一定的规模和历史[16].本文于2019年8月在黑河上、中游各典型区域布设13个采样点,其中大型底栖动物与水样共有样点为上游支流（H1～H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H8～H10、H13）;大型底栖动物与表层沉积物共有样点为上游（H1、H3、H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H9、H11～H13）,各采样点设置如图 1所示.

图1 黑河流域采样点分布示意Fig.1 Distribution sampling sites in Heihe River basin

1.2 样品采集与测定

使用彼得逊采泥器采集0～5cm河床表层沉积物样品,每个采样点采集 3个平行样,现场混匀,装入聚乙烯封口袋并进行标记,低温 4℃保存.沉积物样品带回实验室,经冷冻干燥,剔除杂质,用研钵研磨后过100目尼龙筛保存.取4g表层沉积物待测样品,采用 HNO3-HF-HCLO4法进行消解,重金属元素铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、砷（As）、锰（Mn）采用电感耦合质谱仪测定;同时采集 1L水样固定后置于 4℃保温箱带回实验室保存.水样中 8种重金属密度（ρ）采用电感耦合质谱仪测定.实验所用试剂均为优级纯,实验用水为超纯水.

使用 1/16m2彼得逊采泥器在各采样点断面多处采集大型底栖动物样品16次,折合成1m2的采样面积;现场用镊子挑出活体放入样本瓶,用 4%的福尔马林溶液固定,运回实验室在显微镜下进行观察,计数后称重,并根据采样面积换算成密度（ind./m2）和生物量（g/m2）[17].

1.3 研究方法

1.3.1 综合污染指数评价法 综合污染指数法是将同一样点重金属看成一个整体,主要来反映各种重金属元素相互作用情况下对水环境的影响[18],其计算公式为:

式中:Ai为重金属元素i的污染指数;Ci为重金属元素i的实测含量;Csi为重金属i对应的水质标准,Ni元素采用集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值;WQI为河流水体中重金属的水质综合污染指数,其分级标准为:WQI≤1,为无污染,1＜WQI≤2,为低污染,2＜WQI≤3,为中度污染,WQI＞3,为重度污染.潜在生态风险指数法是 Hakanson根据沉积学原理评价重金属污染及生态风险的方法,是目前国内外沉积物及水域污染程度评价中应用最广泛的方法之一[19],其公式为:

表1 单项及综合潜在生态风险评价指数及分级标准Table 1 Individual and general indices and grades of potential ecological risk assessment

1.3.2 大型底栖动物多样性指数计算 本研究采用Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Margalef丰富度指数3项生物指标来评价各采样点大型底栖动物摄食功能群多样性[21-23].具体计算公式如下:

式中:S为群落中物种数目;N为样方中观察到的个体总数;ni为第i种物种的个数.

1.3.3 大型底栖动物群落特征与重金属的相关分析 对大型底栖动物的密度、生物多样性指数（H′、J、dM）、综合污染程度及潜在生态风险指数进行Pearson相关性分析,计算其相关系数.

1.4 数据处理方法

为提高试验结果精确度和减小实验误差,所有样品分析均重复 3次,实验数据处理和统计分析采用Origin9.0、SPSS24.0、Arc GIS10.6软件.

2 结果与分析

2.1 黑河上、中游水体及表层沉积物重金属的分布及空间变异性

如图 2所示,水体中重金属的含量整体较低,其中Mn的含量最高,其次为Zn、Ni、Cu、Pb和Cr,As和Cd最小.从空间变化来看,Mn、Zn、Ni的含量变化范围较大（表 2）,分别为 0～1.660mg/L,0.004～0.195mg/L,0.003～0.072mg/L;As沿程逐渐增加,但其含量相对较低;Cu、Cd含量均表现出中游＞上游支流＞上游干流;而Cr仅在H9和H13点检出.河流表层沉积物重金属含量分布特征与表层水差异较大,8种重金属元素含量大小依次为 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd.其中 Mn的含量显著高于其他元素,上游干流Zn、Cr的含量明显高于其他区域,而Cd的含量在上游干流和中游明显低于上游支流,表明 Cd与其他两种元素来源不同.As的含量沿河流呈现出逐渐增加的趋势,且在 H12点达到最高,为 24.40mg/kg,其他元素的含量均在中游最大.总体来看,水体重金属含量在空间上变化不显著,而表层沉积物重金属含量表现出明显的空间区域性差异.

图2 河流水体及表层沉积物中重金属空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in river water and sediment of river

研究区表层沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量的均值分别为14.22,0.29,130.64,37.14,761.80,60.01,26.61,151.71mg/kg（表 2）,8 种重金属元素的平均值均超出甘肃省土壤背景值,尤其是Cd、Cr、Zn、Ni的含量均值是土壤背景值的3.33、2.66、2.26、2.10倍,表明这4种元素在表层沉积物中存在显著的富集.8种重金属元素的变异系数依次为 Cd＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Mn,其中强变异性占 75%,说明 8种重金属空间分布极不均匀.Cd、Zn的变异系数明显大于其他元素,说明这两种元素受人为因素主导而产生的异常值,Mn、Pb的变异系数分别为 0.25和 0.35,均属中等变异.从偏度变化来看,Cd偏度最大,其次为Zn、Ni、Mn、Pb、Cu、Cr,As 偏度最小,Cd、Zn、Ni、Mn 的偏度较其他元素高,说明这 4种元素受人为干扰和胁迫而产生的正偏度[24].

表2 黑河上中游水体及表层沉积物中重金属元素含量变化Table 2 Changes of heavy metal elements in surface water and sediments of upper and middle reaches of Heihe River

2.2 表层沉积物重金属的相关性分析和主成分分析

相关性分析表明（表3）,表层沉积物中8种重金属之间的相关关系较复杂,Cu-As、Mn-Cd、Pb-Cd、Pb-Cu为显著相关（P＜0.05）,Ni-Cr和Zn-Pb为极显著相关,表明每组元素之间可能存在相同的人和自然污染源,此外,Pb和Cd、Cu、Zn存在显著相关,但Cd、Cu、Zn之间不相关,说明这3种元素来源各不相同;Cu,As,Pb均有显著相关性,但As和Pb不相关,说明Cu来源不同.

表3 黑河上中游表层沉积物相关关系矩阵Table 3 Correlation matrix of heavy metals of upper and middle reaches of Heihe River

为进一步探究表层沉积物中重金属来源,将 8种重金属进行主成分分析,结果如表 4所示,前 3个主成分共解释了总变量的82.20%,可以代表8种重金属元素数据的大部分信息（表 4）.旋转后的成分矩阵显示,第一主成分（PC1）方差贡献率为39.50%,Cu、Cr、Ni为主要成分,因子载荷分别为 0.912、0.849和 0.789;第二主成分（PC2）方差贡献率为 29.10%,Cd、Pb、Mn为主要成分,因子载荷分别为0.805,0.755,-0.664;第三主成分（PC3）方差贡献率为13.60%,As、Zn为主要成分,因子载荷分别为0.803,-0.487.

表4 研究区表层沉积物重金属元素因子载荷Table 4 Factors matrix of heavy metals in surface sediments in the study area

2.3 河流水体及表层沉积物重金属污染评价

分析结果表明各采样点的WQI值均小于1（表2）,表明黑河上中游水体未受到重金属污染;同时对比地表水Ⅲ水质标准发现[25]（Ni除外）,仅Mn元素超过Ⅲ水质标准,但Mn的毒性系数较小;Ni含量未超出集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值（0.02）,总体来看水体重金属含量对水环境影响较小.由表5可知,黑河上中游表层沉积物重金属综合污染程度的平均值为 16.15,整体处于较高污染水平;其中H1点综合污染程度远大于其他样点,为高污染水平,H2、H6和H13处于中等污染水平,其余各点处于较高污染水平,总体为上游支流＞上游干流＞中游.从单项污染系数来看,各重金属元素单项污染系数平均值依次为 Cd＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞As＞Pb＞Mn,8 种重金属元素中 Cd污染系数最高（3.33）,达到较高污染水平,仅Mn为低污染水平,其他均为中等污染水平.

表5 表层沉积物重金属元素的单项污染系数和综合污染程度Table 5 Single pollution coefficient and multtiple pollution coefficient of heavy metals in surface sediments

由表 6可知,黑河上中游表层沉积物潜在生态风险指数的变化范围为 24.37～69.68,平均值为 48.03,处于低度风险水平;各采样点表层沉积物潜在生态风险指数的平均值在H2点最高（69.68）,其次为H6、H13、H4、H11、H3、H12、H5,H9和H1最小;就整个研究区而言,RI的平均值为上游干流＞上游支流＞中游.从单项潜在生态风险系数看,各金属元素单项潜在生态风险系数平均值介于 0.62～17.20,大小依次为 Mn＞Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn;其中 Mn、Cd 为中度风险水平,其他元素均为低度风险水平.综合两种评价结果表明黑河上中游表层沉积物重金属污染基本处于较高污染程度,但大多为低度风险水平,个别点处于高污染、高风险水平;此外不同区域表层沉积物综合污染程度为上游支流＞上游干流＞中游,而潜在生态风险指数在上游干流最大,中游最小.因此黑河上中游表层沉积物重金属污染表现出明显的空间差异性.

表6 表层沉积物重金属元素的单项潜在生态风险系数和潜在生态风险指数RITable 6 Single potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in sediments

2.4 大型底栖动物的分布特征

大型底栖动物密度和生物量的变化情况如图3所示,其平均密度和生物量分别为 83.14ind./m2和3.78g/m2.从空间变化来看,上游支流物种组成简单,密度变化范围为 12～206ind./m2,变化幅度较大,H3点达到最高（206ind./m2）;生物量变化范围为0.03～ 0.50g/m2之间,H3点达到最大值（0.50g/m2）.上游干流底栖动物密度和生物变化幅度较小,分别为 7～105ind./m2和0.026～0.45g/m2.中游底栖动物组成复杂,密度和生物量显著高于其他区域,密度介于15～357ind./m2;生物量介于0.61～23.85g/m2,且各样点的密度和生物量均维持在较高水平（除 H9、H10外）.总体上来看大型底栖动物在不同区域分布差异较大,各典型区域密度和生物量的变化趋势均为:中游＞上游干流＞上游支流.

图3 黑河上中游大型底栖动物的分布Fig.3 Distribution of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.5 大型底栖动物的物种多样性

黑河上中游共采集到底栖动物 38种,隶属于 3门7纲15目27科,节肢动物29种,占76.32%,软体动物8种,占21.05%,环节动物1种,占2.63%.上游支流 18种（47.37%）,上游干流 13种（占 34.21%）,中游30种（占 78.95%）;其中节肢动物在区域均占绝对优势,软体动物以中游居多,上游干流次之,上游支流最少,仅在上游干流H6和中游H9点采集到环节动物.不同区域大型底栖动物的多样性指数变化如图4所示,Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和 Pielou均匀度指数沿程变化趋势较一致,整体上呈不断上升的趋势,这与该流域不同大型底栖动物的分布特征相一致.上游支流底栖动物多样性指数增加趋势明显,但多样性指数值相对其他区域较低;上游干流Shannon-Wiener多样性指数显著高于Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数,变化趋势较小,而 Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数起伏变化较大,特别是H5和H6受物种现存量的影响,丰富度和均匀度较低.中游各样点底栖动物的物种多样性较高,整体呈一定的增长趋势.

图4 黑河上中游各采样点大型底栖动物多样性指数Fig.4 Diversity index of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.6 大型底栖动物与重金属的相关性分析

根据黑河上中游水体重金属含量与大型底栖动物特征进行相关性分析结果可知（表 7）,蜘蛛目密度与As、Cr、Mn呈极显著正相关关系,与Pb呈正相关关系;基眼目密度与 As呈正相关,生物指数和其他类群与水体重金属未表现出相关性.表层沉积物重金属含量及其污染指数与大型底栖动物特征的相关性分析结果可知（表 8）,大型底栖动物多样性指数与Pb呈显著负相关;均匀度指数与Cd、Pb均呈显著负相关;丰富度指数与Cu、Ni呈显著负相关,与Cr呈极显著负相关.鞘翅目密度与Zn呈现显著正相关关系;半翅目密度与 Cd、Cu呈显著正相关;基眼目密度与 Cd呈现极显著正相关系,与综合污染程度呈显著正相关.此外,其他大型底栖动物密度与重金属元素含量、综合污染程度和潜在生态风险指数未表现出相关性（P＞0.05）.可见重金属含量对大型底栖动物的多样性指数及个别类群的密度影响较大.

表7 河流水体重金属含量与大型底栖动物特征相关性Tble 7 Correlation between heavy metal content in river water and characteristics of macrobenthos

表8 表层沉积物重金属含量、潜在生态风险指数与大型底栖动物特征相关性Table 8 Correlation between heavy metal content,potential ecological risk index and characteristics of macrobenthos in surface sediments

3 讨论

3.1 水体及表层沉积物重金属分布特征及来源解析

河流水体及表层沉积物重金属的分布受区域成土母质等自然因素及人类活动的双重制约[26-27],致使河流水体及表层沉积物重金属污染呈现出一定的空间分异[28].黑河上中游水体重金属中 Mn的含量最高,其次为 Zn、Ni、Cu、Pb和 Cr,As和 Cd最小.造成这种现象的原因一方面是黑河上中游页岩、泥岩等及锰铁矿、铅锌矿、铜矿等矿业分布广泛,其主要元素是Mn、Cu、Zn、Ni等金属元素[13];另一方面上中游分布有工矿企业、农业等产生的污染物均使水体中Zn、Cu、Cd有一定的积累.而Zn、Cu、Cd的含量在上游干流较少,可能是库坝区相对河流有较长的水力滞留时间和较高的沉积速率,水体重金属易被悬浮有机颗粒吸附、絮凝、沉淀于库底,导致上部水体重金属含量较少[29].Cr的含量较低,分布范围小,主要是其赋存形态主要为氧化态和残渣态,易与有机质形成络合物而沉淀[30].此外,水体中Mn、Zn、Ni等金属含量与表层沉积物沿程分布特征较为一致,且表层沉积物重金属含量＞水体,说明重金属有从沉积物中二次释放的可能,尤其是库区水体中溶解氧含量较低时Mn、Zn、Ni等元素会大量释放到水体,造成二次污染[31].

河流表层沉积物重金属的分布呈空间区域性分布,8种重金属元素浓度大小依次为 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd,这与补建伟等[13]对黑河源区土壤重金属含量的分布特征较为一致.结合相关性分析和主成分分析结果表明,Cu、Cr、Ni受人类活动影响较大,且有可能来自不同人为源.Lv等[32]研究表明,化肥和农药是 Cu等重金属元素的主要来源;黑河中游绿洲农业发达,农药、化肥中含有大量的 Cu等重金属随农药的施用进入土壤,并在土壤中累积,最终经水文过程流入河流,增加了表层沉积物重金属污染程度;一般来说Cr和Ni是土壤中含量相对较低的元素[32],但本次调查发现其浓度较高,这可能是区域周边分布的有色金属加工业和造纸、化工及农副产品加工等所排放的涉重废水中含有较多 Cr和Ni有关.Pb在不同主成分上均有一定的正载荷值,可以认为其既有自然来源,也有外部污染源的影响,如采矿业、钢铁冶炼等可能是其主要外部输入源[33];而Cd和Mn的变异系数较小,但均值都超过了土壤环境背景值.其中 Mn的较高值主要分布在中游,且为负载荷因子,表明其受自然作用较弱,极大程度来源于锰矿等采矿业;Cd常源于农业活动、生活污水、矿渣及尾矿渗滤液[26,34];其高值主要分布在上游支流,该区域农业活动少,采矿等工业大多处于关停或废弃状态,加之该区域土壤中Cd含量极小,自然源的可能极小;故 Cd有可能来自矿渣及其渗滤液.As的较高值主要分布在中游,该区域分布有张掖、高台等重要城镇,生活污水排放可能是导致As含量较高的原因之一;另外梨园河为集中矿产开发区,钢铁冶炼、焦化产业、煤炭燃烧等也被认作是产生 As和Zn的主要因素[18,35].

3.2 黑河上中游水环境重金属污染评价

综合污染指数和潜在生态风险指数评价结果表明:黑河上中游表层沉积物重金属污染水平表现出明显的空间差异,潜在生态风险以低度风险为主,个别点处于高污染、高风险水平.其中综合污染程度主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起,这主要是上游位于祁连山成矿带,矿产资源丰富,历史时期大量的开采剥离了表层土壤和基岩,加速岩石风化,使得其成土过程中含有较多Cd、Zn等元素;加之中游工农业发达,人类活动强烈,增加了Cr、Ni等元素污染.黑河上中游主要生态风险来自Mn和Cd,且表现为上游干流＞上游支流＞中游.这主要是 Mn在上中游表层沉积物中分布较广,其浓度远高于其他元素,增加了 Mn的风险指数.Cd在上游分布差异较大,浓度相对较低,可能与 Cd生态风险指数（达到 3.33）和污染系数高于其他元素,且毒性响应系数最高有关.另外上游干流风险较高主要是随着梯级电站运行年限的增加,库区表层沉积物将具有较高的重金属背景值,且重金属含量会有上升的趋势[36-37],在一定程度上增加该区域重金属的潜在生态风险.上游支流风险较中游较高主要是该区域Cd的含量明显大于其他元素,且其毒性系数较高,潜在的生态风险也相应增加.中游重金属元素分布较多,但生态风险较小,可能与该区域分布的Mn、Zn、Cr等元素的毒性系数较小及相关部门对重金属污染的有效控制有关.因此,在对黑河上中游重金属污染治理应重点考虑 Mn和 Cd的生态威胁,控制Cr、Zn、Ni的外源输入;同时将库坝区重金属污染作为重金属污染防治的重点区域,实时监测其生态风险水平;上游支流应着重对废弃矿井集中整治,消除其对水环境的潜在危害;中游表层沉积物重金属来源广泛,人为干扰较强,应当加强监管工农业及生活污水排放.

3.3 黑河上中游重金属含量及其污染指数与大型底栖动物特征的关系

河流重金属的分布会对不同类群大型底栖动物产生不同的影响,且大型底栖动物对河流重金属污染具有一定的指示作用[9,38].黑河上中游水体重金属含量与大型底栖动物的相关性分析结果可知:蜘蛛目密度与As、Cr、Mn的含量呈极显著正相关关系,与Pb的含量呈正相关关系;基眼目密度与As的含量呈正相关,生物指数和其他类群与重金属未表现出相关性.由于黑河上中游蜘蛛目均为水蜘蛛,常生活在水气交界处或近岸边,为较清洁物种,故As、Cr、Mn和Pb对蜘蛛目产生不利影响.基眼目均为螺类,螺类具有较强的耐污性,对As比较耐污,其可以作为黑河上中游水体重金属污染的潜在指示生物.

表层沉积物重金属含量及其污染指数与大型底栖动物特征的相关性分析结果表明:重金属含量对大型底栖动物的多样性指数及个别类群的密度影响较大.其中大型底栖动物多样性指数与Pb呈显著负相关;均匀度指数与 Cd、Pb均呈显著负相关;丰富度指数与Cu、Ni呈显著负相关,与Cr呈极显著负相关.表明Pb、Cd、Cu、Ni和Cr的含量对底栖动物的群落结构和生物指数均有一定的影响,尤其是敏感型物种,如四节蜉等蜉游目、石蝇等襀翅目、大蚊等双翅目和秀丽白虾等长臂虾属对重金属的耐受性差,易导致物种单一化.这种关联性也体现在空间变化上,多样性指数较高的中游表层沉积物重金属综合污染程度和潜在生态风险指数均较小,而多样性指数较低的上游支流表层沉积物重金属 Cd的RI值相对较高,究其原因是不同类群对重金属的耐受能力不同,耐污型物种（摇蚊科,耳萝卜螺等螺类,水丝蚓）对重金属污染适应性强,并逐渐占据优势,而敏感物种逐渐消亡或逃离,从而导致大型底栖动物的多样性在不同区域表现出明显的差异,这与淀山湖和于桥水库的研究结果较为一致[11,39].除此之外,鞘翅目密度与Zn呈现显著正相关关系;半翅目密度与Cd、Cu呈显著正相关;基眼目密度与Cd呈现极显著正相关系,与综合污染程度呈显著正相关.这说明重金属含量较高的区域,分布有较多的鞘翅目、半翅目和基眼目,不利于其他类群生存.由于鞘翅目和半翅目均为耐污类群为主,对Zn、Cd、Cu含量变化的适应性较强;基眼目以耐污性高的螺类为主,对Cd含量变化和综合污染指数具有较强指示作用.因此鞘翅目、半翅目和基眼目可以作为黑河上中游表层沉积物重金属污染的潜在指示生物.

4 结论

4.1 黑河上中游水体重金属含量整体较低,空间上变化不显著.表层沉积物中 w（Mn）,w（Zn）,w（Cr）,w（Ni）,w（Cu）,w（Pb）,w（As）,w（Cd）均高于水体和土壤背景值,其均值分别为背景值的 1.36,2.26,2.66,2.10,1.98,1.85,1.89和3.33倍.8种重金属元素中强变异性占 75%,表明黑河上中游表层沉积物重金属空间差异较大.

4.2 相关性和主成分分析表明:表层沉积物中Cu、Cr、Ni可能来源于农药、化肥和有色金属加工等工业废水排放;Cd、Pb、Mn可能来源于矿渣及其渗滤液和自然背景的叠加影响,As、Zn可能与生活及工业污水排放有关.

4.3 综合污染指数分析表明,黑河上中游水体重金属污染水平极低,且不会对水环境产生毒害作用.表层沉积物重金属污染主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起;变化趋势为上游支流＞上游干流＞中游.表层沉积物中Mn和Cd的RI值分别为17.20和12.30,属高风险水平,其他元素均为低度风险水平.

4.4 黑河上、中游大型底栖动物的现存量及多样性的变化趋势为中游＞上游干流＞上游支流;基眼目与水体中As呈正相关;鞘翅目、半翅目和基眼目的密度及3种多样性指数均与表层沉积物重金属含量呈显著性相关;可以作为黑河水体和表层沉积物的潜在指示生物.