东苕溪沉积物重金属生态风险评价和源解析

施亚盛, 李光耀, 吴爱静, 倪臣浩, 朱晨阳, 金赞芳

东苕溪沉积物重金属生态风险评价和源解析

施亚盛, 李光耀, 吴爱静, 倪臣浩, 朱晨阳, 金赞芳*

浙江工业大学环境学院, 杭州 310032

由于重金属毒性大, 且易在食物链中富集, 沉积物中的重金属会对水体生态环境造成严重污染, 因此对东苕溪23个采样点表层沉积物中主要的重金属As、Cd、Co、Cr、Cu、Pb、Zn、Mn和Ni含量及分布特征进行研究, 分析各种重金属来源, 并对重金属污染状况进行生态风险评价。结果表明: 东苕溪沉积物重金属平均浓度Mn>Pb> Zn> Cr> As> Cu> Ni> Co> Cd, As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均浓度均高于它们的环境背景值。多元统计分析结果表明沉积物中Cd、Co、Cr、Mn和Ni可能来源于自然环境, Cu、Pb 和Zn可能来源于生活污水和工业废水的排放, Pb还源于交通工具尾气和柴油机械排放的废弃物, As主要来源于农业活动, 例如化肥和农药的使用。地积累指数法和潜在生态危害评价法的结果表明, 东苕溪沉积物中的重金属整体上呈现中等的潜在生态危害, 东苕溪沉积物中的主要污染物为As和Cd, 由于东苕溪流域散布着大量的农田和一些工业园区, 农田中使用的肥料农药和工业活动中排放的废弃物是造成As和Cd含量高的原因。

沉积物; 重金属; 生态风险评价; 来源分析; 东苕溪

0 前言

人类活动, 特别是快速城市化和工业化进程会造成大量的有毒有害物质进入水体中。相比其他污染物, 重金属污染物活性强, 易迁移转化, 能在环境中广泛分布, 但最终会被水体中的悬浮微粒吸附固定在沉积物中, 从而在环境中持久稳固[1-2]。重金属作为一种持久性有毒污染物质[3], 由于其本身不能被生物降解, 一旦进入环境便会长期存在, 不断的进行累积, 对土壤环境造成污染。因此, 研究沉积物中的重金属污染程度对于探寻重金属的污染现状和来源解析具有极其重要的意义。

东苕溪是杭州市民的水源地之一。东苕溪流域的经济比较发达、城乡统筹一体化的发展也较为快速。但在日益剧烈的人类活动影响下, 区域环境系统已经表现出不同于自然规律条件下的演变规律。该地区农业面源污染很重, 同时快速城市化进程中含铅燃料燃烧, 农药、化肥过量施用及工厂废物排放等带来的重金属均会通过各种途径在沉积物中累积, 对人体健康构成威胁。

因此本文根据东苕溪流域不同的土地利用类型分布(生活区、城区、工业用地、农业用地和林地)在各个区域布点采样, 对东苕溪沉积物重金属污染的现状特征进行研究, 通过地积累指数法[4-5]和潜在生态危害评价法[6-7]反映出不同用途土地污染的差异性, 并利用相关性分析、聚类分析和主成分分析[8]科学地评价沉积物重金属污染, 分析其污染来源, 并且为开展沉积物的污染控制以及进行生态修复, 保护相应的水生生态系统提供数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概括

东苕溪流经位于杭嘉湖平原的杭州市西北部和湖州市东部, 为汇入太湖最大的一条河流, 由上游至下分别有南苕溪、中苕溪和北苕溪三条支流[9], 干流长度为143 km, 其中流经杭州市内的长度为96 km。东苕溪流域(杭州段)存在5种不同利用方式的土地类型, 分别为林地、农田、居民区、城区和工业区。林地位于东苕溪流域的天目山, 农田分布于东苕溪沿岸, 其中农田区域中分散着民居, 城区主要位于青山湖边和东苕溪下游, 工业区则位于青山湖和城区附近。

1.2 样品的采集与处理

根据国家环保总局“土壤环境监测技术规范(HJ/T166—2004)”, 于2016年1月, 在东苕溪流域采集实验所需的沉积物样品。在东苕溪流域均匀布设23个采样点(图1)。使用抓斗式采泥器, 在沥干水份、去除与采样器接触部分、除去其中的碎石, 草木等杂物后, 装入塑料袋中带回实验室, 之后将沉积物样品进行风干、研磨, 再过100目尼龙筛, 得到经过前处理后的样品, 用封口袋包装, 待进行后续的分析测定。

1.3 沉积物重金属测定方法

精准称取经前处理后的沉积物样品0.15 g(精确至0.0001 g), 之后放入聚四氟乙烯消解罐中, 分别加入6 mL HNO3(优级纯)、2 mL H2O2(优级纯)和2 mL HF(优级纯), 密封放进微波消解炉中进行消解。待消解结束后取出消解罐, 稍冷后, 将消解罐置于电热板上进行赶酸, 电热板温度设定为145 ℃, 当消解罐中的样品被蒸发至呈现出淡黄色胶体状时, 取下消解罐, 待稍冷后, 加入5 mL 1% HNO3, 继续置于电热板上10—15分钟, 温热溶解可溶性残渣。取下消解罐, 冷却至室温后用超纯水定容至50 mL, 静置沉淀, 取上清液用0.45 μm微孔滤膜进行过滤, 最后使用电感耦合等离子体质谱( ICP-MS, Agilent 7500 A型) 测定进行测定。

1.4 风险评价方法

常用的重金属污染风险评价方法有很多种[10], 本研究中, 选用了地积累指数评价法(Igeo)和潜在生态危害评价法(PERI)[11-15], 对东苕溪沉积物重金属污染状况进行评估并且确定主要污染因子及污染风险水平。本研究中选取浙江土壤环境背景值作为参考[13],为校正系数, 取1.5。毒性系数采用: As=10; Cd=30; Co=5; Cr=2; Cu=5; Pb=5; Zn=1; Ni=5; Mn=1。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2016和Origin9.0软件对数据进行处理和绘图, 使用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行了相关性分析、聚类分析与主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 沉积物重金属含量及分布特征

东苕溪沉积物的重金属含量的统计值以及背景值见表1, 各重金属平均浓度从高到低依次为Mn> Zn>Cr>As>Cu>Ni>Pb>Co>Cd。其中Cr和Ni的平均浓度低于它们在环境中的背景值, 而As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均浓度高于它们的环境背景值。从统计结果可以发现, 东苕溪沉积物中的重金属总体含量较高, 造成这一现象的原因可能是东苕溪流域散布着大量的农业区, 而其中使用的化肥和农药会造成典型的重金属面源污染, 同时东苕溪流域还存在着一些工业园区, 来自其中的废水排放则是典型的重金属点源污染源。

图1 东苕溪采样点分布图

Figure 1 Sample sites distribution in East Tiaoxi River

东苕溪沉积物中各重金属空间分布如图2所示, As含量的变化比较显著, 最大值点T3含量为121.53 mg·kg-1是最小值点T5含量23.79 mg·kg-1的5.1倍, 并且所有位点的含量均高于浙江省土壤背景值。因此As污染应当引起重视。Cd的污染极为严重, 所有位点含量不仅全部高于浙江省土壤背景值, 且最大值点T9是浙江省土壤背景值的15.5倍。Co含量未出现显著变化, 但都高于浙江省土壤背景值。Cu的含量出现显著变化, 在T5出现最大值113.13 mg·kg-1, 最低值处T6、T7这两个点的Cu均未检出, 其余位点含量基本相当, 略高于浙江省土壤背景值。Ni和Cr大部分位点的含量都低于浙江省土壤背景值, 表明Ni和Cr的污染程度不大。Pb含量也呈现比较显著的变化, 且所有位点皆高于浙江省土壤背景值, 在T22呈现最大值105.4 mg·kg-1是浙江省土壤背景值的5.5倍。Zn含量在所有位点皆高于浙江省土壤背景值, 在T21出现最大值。Mn含量呈现比较显著的变化。最大值点T3含量为1826.67 mg·kg-1是最小值点T7含量为298.47 mg·kg-1的6.1倍。除T1、T5、T6、T7位点外, 其余各点均高于浙江省土壤背景值。

2.2 基于多元统计分析沉积物中重金属的来源

2.2.1 相关性分析

对实验数据进行相关性分析, 结果见表2, 沉积物中Cd、Co、Cr、Mn和Ni在<0.01水平上互相呈现出显著正相关, 相关系数分别为Co–Cd (0.660)、Cr–Cd (0.661)、Mn–Cd (0.637)、Ni–Cd (0.702)、Cr–Co (0.694)、Mn–Co(0.708)、Ni–Co(0.780)、Mn–Cr(0.836)、Ni–Cr (0.849)和Ni–Mn (0.803)。Cu和Zn在<0.01水平上呈现出显著正相关。As与其他8种元素都不显著相关。重金属之间呈现出显著正相关说明它们存在较为一致的变化趋势, 即协同作用, 其在来源, 环境地球化学行为方面相同或相近[16]。因此, 由重金属之间的相关性分析结果可以发现, Cd、Co、Cr、Mn和Ni具有相似的来源, 可能主要来源于自然环境。东苕溪流域(杭州段)附近居民人口数约有78万人, 原先污水直接排入河道, 于2014年开始实行截污纳管, 但长年累积的污染物仍存在于土壤沉积物中, 以及东苕溪上游的青山工业园区, 不同程度的存在生产、使用化工原辅材料的情况, 所以环境中Cu和Zn可能来源于生活污水和工业废水的排放, 除此之外, 过磷酸钙肥料中也包含了高含量的Cu和Zn杂质。因此, Cu和Zn可能来源于生活污水、工业废水和肥料, As和Pb的来源与其他六种金属有较大的差异。

表1 东苕溪沉积物重金属统计值(mg·kg-1)

注：背景值来源于文献[13]。

图2 东苕溪沉积物中9种重金属的空间分布图

Figure 2 Spatial distributions of As (a), Cd (b), Co (c), Cu (d), Pb (e), Mn (f), Ni (g), Cr (h) and Zn (i) in surface sediments of East Tiaoxi River

2.2.2 聚类分析

聚类分析的主要目的是根据研究对象间的各种共同特征将它们分成不同的类别, 使每一类别之中的对象都具有相似性, 以便辨别不同对象间的关系。对东苕溪沉积物中重金属进行聚类分析, 结果见图3, 重金属元素被分为了二个显著的类别。第一类包括了Ni、Cr、Mn、Co、Cd, 认为主要来源于矿物岩石的风化和大气沉降。第二类包括Cu、Pb和Zn。生活污水和工业废水的排放通常被认为是造成环境中Cu、Pb和Zn富集的主要原因, 除此之外, 过磷酸钙肥料中也包含了高含量的Cu和Zn杂质。2018年杭州市社会机动车辆保有量上涨到288.1万辆, 因此Pb还可能来源于交通工具排放的尾气和建筑工地中使用的大型柴油机械。第三类是重金属元素As, 东苕溪流域是杭州市主要农业区, 长期以来的农业活动中使用的化肥和含砷农药是As的主要来源。

表2 沉积物中重金属相关性分析结果

注：*表示在0.05水平上(双侧)呈显著相关，**表示在0.01水平上(双侧)呈显著相关。

2.2.3 主成分分析

主成分分析可以通过比较各变量之间的相互联系, 从而把它们组合成较少的因子, 使得同一类因子之间具有较强相关性, 从而减少原始变量提取出主要的影响因子。在本研究中, 通过主成分分析可以提取出具有代表性的重金属元素, 然后判断出重金属污染的主要来源。

图3 沉积物中重金属聚类分析树状图

Figure 3 Dendrogram of the elemental concentrations in surface sediments

东苕溪沉积物中重金属的主成分分析结果见表3, 全部9种重金属被提取为了二个主成分, 解释了全部变量的71.124%。第一主成分(PC1)的特征值为4.991, 贡献率为总变量的55.457%, Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb表现出了高的正载荷, 载荷系数分别为0.808、0.885、0.864、0.670、0.507、0.725、0.813和0.908。第二主成分(PC2)的特征值为1.410, 贡献率为总变量的15.667%, As表现出高的正载荷, 载荷系数为0.695。第一主成分中包括了Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb, 这些重金属污染物拥有相似的空间分布, 青山湖西南面的采样点(T5、T8、T9、T10)处的浓度相对较高。这些采样点附近主要分布着居民区和农业区, 而位于其他区域的采样点中Cd、Co、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb的浓度是与环境背景值相接近的。这表明这一成分中包括的重金属元素可能同时来源于自然环境和人为活动, 包括生活污水、工业废水、化肥农药和交通运输等。

第二主成分为重金属元素As。东苕溪流域中有着大量的农业用地, 这些农田广泛分布在东苕溪沿岸, 并且有大量的化学肥料和含砷农药在农田之中使用, 这就造成了东苕溪沉积物中出现高浓度的As。因此, 可以推测出沉积物中As的主要来源是农业活动, 例如使用化肥和农药等。

2.3 沉积物重金属污染风险评价

2.3.1 地积累指数法

东苕溪沉积物重金属地积累指数评价结果如表4所示, 其中重金属Cr、Cu、Mn及Ni的地积累指数污染等级为0, 处于清洁状态, Co、Pb及Zn的地积累指数污染等级为1, 达到轻度污染的程度, As的地积累指数污染等级为2, 达到偏中度污染的程度, 而Cd的地积累指数污染等级为3, 达到了中度污染的程度。东苕溪沉积物中各个重金属的平均污染程度由大到小排序是: Cd> As> Pb> Zn> Co> Cu> Mn> Cr>Ni。

表3 沉积物重金属主成分分析结果

注：加粗数据表示载荷较高。

表4 东苕溪沉积物中重金属的地积累指数值

2.3.2 潜在生态危害评价法

东苕溪沉积物重金属潜在生态危害评价结果如表5所示, 其中各个重金属的平均污染程度由大到小排序是: Cd> As>Pb> Co> Cu>Mn> Zn> Cr> Ni。Co、Cr、Cu、Pb、Zn、Mn和Ni表现出轻微的潜在生态危害。As整体上表现出中等的潜在生态危害, 但是T1、T3、T4、T13、T16和T19采样点表现出了强的潜在生态危害。Cd整体上表现出很强的潜在生态危害, 这与重金属浓度超出背景值倍数最多的是Cd相一致。且在T9采样点表现出了极强的潜在生态危害。有研究表明, 工矿企业生产使用的原料、添加物、废物和大型车辆产生的尾气, 以及肥料中都含有一定的Cd, 导致Cd富集程度较高[17]。综合潜在生态危害评价指数的结果表明东苕溪沉积物重金属污染物整体上表现出中等潜在生态危害, 但在T3、T8、T9、T11、T13、T16、T19采样点呈现出强潜在生态危害。尽管东苕溪沉积物重金属中, Ni、Cu、Zn、Mn均超过浙江省土壤背景值, 但生态危害较低, 不是主要的影响因子, 所以得出结论, Cd和As是东苕溪沉积物重金属中主要的贡献因子。

表5 东苕溪沉积物中重金属的潜在生态危害指数值

3 结论

(1)东苕溪沉积物中重金属As、Cd、Co、Cu、Pb、Zn和Mn的平均浓度高于它们的环境背景值, 其中As、Cd、Co、Pb和Zn的浓度甚至在所有采样点都是超过了背景值, 这说明东苕溪沉积物中As、Cd、Co、Pb和Zn受到的人为影响很严重。总体上来看, 东苕溪沉积物中的重金属含量较高, 造成这一现象的原因可能是东苕溪流域散布着农业区、居民区和工业区, 而其中使用的化肥和农药、生活污水以及工业废水排放都是重金属的外来输入源。

(2)重金属的多元统计分析结果表明Cd、Co、Cr、Mn和Ni可能主要来源于自然环境, Cu、Pb和Zn可能来源于生活污水和工业废水。Pb还可能来源于交通工具排放的尾气和建筑工地中使用的大型柴油机械。As主要来源于农业活动中, 例如化肥和农药的使用。

(3)地积累指数法的结果表明，东苕溪沉积物中Co、Pb和Zn呈现出轻度污染程度, As呈现出偏中度污染程度, 而Cd呈现出中度污染程度。潜在生态危害法的结果表明, 东苕溪沉积物中As整体上呈现出中等潜在生态危害, Cd整体上呈现出很强的潜在生态危害, 综合潜在生态危害评价指数表明东苕溪整体上呈现出中等潜在生态危害, 但在T3、T8、T9、T11、T13、T16、T19采样点处呈现出了强潜在生态危害。综合来看东苕溪沉积物中重金属污染物整体上呈现中等潜在生态危害, 东苕溪沉积物中主要污染物是As与Cd, 由于东苕溪流域散布着大量的农田和一些工业园区, 农田中使用的肥料农药和工业活动中排放的废弃物是造成As和Cd含量高的原因。那些表现出中度及以上污染状况和风险水平的采样点附近的区域应被确定为环境监测和管理的优先区位。

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Ecological risk assessment and source identification of heavy metals in surface sediments of East Tiaoxi River

SHI Yasheng, LI Guangyao, WU Aijing, NI Chenhao, ZHU Chenyang, JIN Zanfang*

College of Environment, Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032, China

Because heavy metals are highly toxic and easy to accumulate in the food chain, heavy metals in the sediment will cause serious pollution to the water environment. Surface sediment samples were collected from 23 sites in East Tiaoxi River to investigate the distribution and sources of heavy metals (As, Cd, Co, Cr, Cu, Pb, Zn, Mn and Ni), and to assess their ecological risk. The total heavy metal concentrations of East Tiaoxi River followed the order: Mn> Pb> Zn> Cr> As> Cu> Ni> Co> Cd, and the average concentrations of As, Cd, Co, Cu, Pb, Zn and Mn were higher than their corresponding background values. Multivariate statistical analyses showed that Cd, Co, Cr, Mn and Ni might originate from natural sources. Cu, Pb and Zn were derived from domestic wastewater and industrial wastewater. Pb was also from the discharge of pollutants from transportations and diesel-powered machines. As mainly came from agricultural sources, such as chemical fertilizer and arsenical pesticide. Based on the results of index of geo-accumulation method and potential ecological risk assessment method, East Tiaoxi River posed a moderate ecological risk, As and Cd were identified as the major heavy metal pollutants in surface sediments of East Tiaoxi River. Due to the large number of agricultural and industrial areas in East Tiaoxi River Basin, the chemical fertilizers and pesticides and industrial wastewater were the main sources for the high contents of As and Cd in sediments of East Tiaoxi River.

sediment; heavy metal; ecological risk assessment; source identification; East Tiaoxi River

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.008

X53

A

1008-8873(2021)06-067-08

施亚盛, 李光耀, 吴爱静, 等. 东苕溪沉积物重金属生态风险评价和源解析[J]. 生态科学, 2021, 40(6): 67–74.

SHI Yasheng, LI Guangyao, WU Aijing, et al. Ecological risk assessment and source identification of heavy metals in surface sediments of East Tiaoxi river[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 67–74.

2020-01-12;

2020-03-02基金项目:国家自然科学基金项目(41673097,41373122)

施亚盛(1994—), 女, 浙江宁波, 博士研究生, 主要研究方向是区域氮循环, E-mail: 1111927008@zjut.edu.cn

通信作者:金赞芳, 女, 博士, 教授, 主要研究方向为流域水污染溯源和区域氮循环, E-mail: jinzanfang@zjut.edu.cn