信江底泥重金属富集来源及生态风险评估_方正.pdf

：信信江江底底泥泥重重金金属属富富集集来来源源及及生生态态风风险险评评估估方正，莫子奋，黄启伟，高柏，张海阳，蒋文波，刘圣峰，丁燕，史天成，（东华理工大学核资源与环境国家重点试验室，江西 南昌；东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌；江西省核工业地质局二六五大队，江西 鹰潭）摘要信江是鄱阳湖水系五大河流之一，对鄱阳湖的人文经济、生态环境具有重要意义，其流经的鹰潭市是国内重要的有色金属生产基地，因此其重金属污染问题倍受关注。为研究信江底泥中重金属的富集来源与生态风险评估，在信江采集 个底泥样本，确定出信江底泥中重金属、和 的污染水平、生态风险状况和污染来源。结果表明：、的平均浓度均超过背景值，其中 超背景值 倍，污染程度最高。信江两岸污染具有“南重北轻”的特点，归因于南岸发展相对完善，人为干预因素较大。生态风险评估采用修正污染程度、地质累积指数和潜在生态风险指数的方法，单因子危险系数最高的是 和，其余重金属污染程度在未污染至轻微污染之间，潜在生态风险呈上游 中游 下游的趋势，城市中上游受人为因素影响处于强生态风险状态，需要采取排放限制、污染修复措施来抑制这一现象。重金属污染来源综合采用相关性分析和主成分分析方法进行判断，、具有极显著正相关性，总体而言信江底泥重金属的来源主要有两个方面，即农业生产活动、人为污染排放的复合影响和有色金属产业排放影响。本次研究结果可以为改善信江环境污染和居民安全用水问题提供理论参考。关键词信江；底泥污染；重金属来源；生态风险评价中图分类号文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目国家自然科学基金（；）；江西省重点研发计划（）作者简介方正（），男，广西钦州人，在读硕士研究生，主攻方向：地下水科学与工程。通讯作者高柏（），男，江西九江人，教授，研究方向：地下水科学与工程。，（oo o o o，o oo，；oo o o o，ooo，；oo o o o ，）：o o o o o o oo oo o o o ，o，o o o oo ，o oo o o o o oo o ，o，oo，oo oo o o ，o o oo o，o，o o ，oo oo o o o o“o o”，o o o o o o oo o o o o oo，oo o o oo o o oo o o o o，o oo o，o o o oo o o，o o o oo oo o oo oo oo o o o o oo，ooo oo o oo oo o o o o 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.o o o o o o o oo o o ：；oo；o o ；oo 引言随着我国工业化、城镇化和农业现代化发展，沉积物重金属污染已经成为河流湖泊的重要环境问题。重金属污染物经工业废水、生活污水等排入环境后对生态环境造成极大危害，也会通过食物链危害人体健康，破坏人体正常生理代谢活动。研究表明，底泥作为水体污染物的富集地，各种污染物以吸附、络合、沉淀等作用迅速由水中溶解态转为固态，沉积在底泥中，成为潜在生态危险源。外界环境一旦发生变化，底泥中重金属的存在形态将会发生改变，从底泥中再次进入水体，导致水体二次污染。目前，大 部 分 学 者 围 绕 河 流 、湖 泊 水 库 、湿地 等水体沉积物开展重金属污染研究，主要采用了地质累积指数法、修正污染程度法和潜在生态风险指数法进行评价，采用主成分分析和相关性分析法进行沉积物重金属重金属解析。比如 o采用地质累积指数法、污染负荷指数法对塔吉克斯坦的 o河表层沉积物进行分析，表明 o 河较为严重的、污染与上游煤炭开采、储存有关；温泉综合采用潜在生态风险指数和主成分分析得出，重金属污染中 的潜在危害最高，主要来源为区域农业生产和居民生活，同时验证了方法的可行性。信江自西向东流经鹰潭市后注入鄱阳湖。位于信江中下游的鹰潭市，是国内最大的铜生产加工基地、稀有金属冶炼和硫化工的重要生产基地。信江作为鹰潭市的纳污水体和该流域居民重要的生活饮用水和工农业用水水源，因其特殊性质，导致在这一河段受到有色金属产业污染的影响较大，信江的水质条件、污染情况也直接影响着鄱阳湖的水生态环境。目前，伍成赟对鄱阳湖沉积物研究发现，在信江入湖口（即鄱阳湖东南部）沉积物中、含量均偏高，主要是受上游产业影响；胡春华对鄱阳湖悬浮物研究也表明，鄱阳湖重金属污染主要在信江、赣及抚河汇合处，主要污染物为、，受有色金属产业影响。因此，有必要开展信江底泥重金属污染情况的调查与研究，为保护信江以及鄱阳湖水环境提供理论依据。研究区概况信江位于江西省的东北部（东经 、北纬 ），为江西省五大河流之一，全流域面积 。信江流域属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛。径流主要由降水形成，径流时空变化与降水时空变化基本一致，径流年内分配不均匀。流域内河源段属深山区，紫湖至玉山段属浅山区，玉山至上饶、贵溪、余江段属丘陵区，余江至分流口属平原区，土壤主要是砂岩风化而成的红壤、棕壤、灰棕壤、紫色沙壤土及冲积土。信江流经的鹰潭市，人口密集、城镇化程度高，社会经济发展完善，有色金属产业丰富，是全国最大的铜冶炼、加工基地和重要的铜消费区。因此，信江流经鹰潭市易受到重工业活动排放污染，降雨径流年内分配不均更易于形成重金属富集。城镇化与有色金属产业的发展，造就信江复杂的生态环境条件。材料与方法 样品采集样品采集于 年 月 日，自鹰潭市上游至下游（本文将采样点 作为城市上游控制点，、作为城市中游控制点，、作为城市下游控制点，下同）共采集 个点位的底泥样品（采样点位置见图）。采样点的选取主要考虑工农业生产活动、城镇居民生活生产活动和南北两岸不同城市发展程度对信江水体的影响。采样时按照预设点位，使用沉积物柱状采集器进行采集，并用手持式 仪记录采样点坐标。由于粘土层能较大程度限制污染物迁移，因此采样深度均达到粘土层底部（）。采集后用自封塑料袋收集并放置在冷藏箱中保存、运送至实验室进行分析测试。样品 检 测 分 析 依 据 和 的检测方法进行。取筛分过后的样品 ，置于 试剂（）、试剂（）、试剂（）的混合溶液中密闭消解，经过除酸处理后，用 （）定容至。和 利用原子荧光法进行测定；、和 利用火焰原子吸收分光光度法进行测定；和 利用石墨炉原子吸收分光光度法进行测定，确定出信江底泥中重金属含量。图 取样位置示意图 数据处理利用 进行数据预处理，、绘制相关图件，对数据进行 o 相关性分析、主成分分析。重金属污染评估方法 修正污染指数修正污染指数（）可以评估各采样点的污染情况。计算公式为：()（）式中：是重金属 的污染因子，和 分别是重金属 的实测值和背景值。根据 值的大小，污染程度分为不同等级：，未受污染；，轻度污染；，中度污染；，高度污染。地质累积指数地质累积指数法也被称为 指数，由 在第 卷第 期地下水 年 月 世纪 年代首次提出，它是一种研究水环境沉积物中重金属污染程度的定量指标。o计算公式为：o o ()（）式中：o为地质累积指数；为元素 的实测含量，；为考虑各地岩石层差异而导致成岩作用引起背景值的变动而取的系数（一般取值 ）；为土壤中元素在岩层中该元素的地球化学背景值。根据 o对重金属污染程度进行评估：o，无污染；o，轻度中度污染；o，中度污染；o，中度高度污染。潜在生态风险指数潜在生态风险指数是 o应用沉积学定理建立的评估生态风险的方法。该方法综合考虑环境化学、生物毒理学、生态学等方面内容，定量划分出重金属潜在危害程度。的计算公式为：（）式中：为底泥样本中重金属实测浓度；为重金属环境背景值；为单因子危害系数；为毒性响应系数（、的分别为、），是一种潜在的生态风险指数，它是单个沉积物中多种重金属的所有生态风险指数的总和。根据潜在生态风险指数（）与单因子危害系数（）进行评估：，轻微生态风险；，中等生态风险；，较强生态风险；，强生态风险；，极强生态风险；根据潜在生态风险指数（）进行评估：，轻微生态风险；，中等生态风险；，较强生态风险；，强生态风险。表 信江底泥重金属含量监测元素样品个数平均值 最大值 最小值 标准差 江西省水系沉积物背景值 中国南方水系沉积物背景值 结果与分析 信江底泥重金属含量和空间分布 底泥重金属含量信江底泥中各重金属含量见表。、的平均浓度分别为 、，平均浓度排序为：。信江底泥各重金属中，、和 含量与背景值水平基本一致，、平均含量分别为背景值的 、倍。与中国南方水系沉积物重金属平均浓度相比，信江中、含量偏高，含量相近，含量偏低。底泥重金属空间分布信江底泥重金属浓度空间分布特征可以初步解释重金属的富集与来源（见图）。从浓度分度特征上来看，、的高值区主要集中在城市中上游，说明信江在进入鹰潭市前可能已受到上游有色金属产业、冶炼制造产业以及农业生产活动的污染，并在鹰潭市处形成富集，对居民安全用水构成潜在威胁。、的高值区主要集中在城市中、上游，说明这 种重金属的富集受到了城市化影响，可能与城市污染排放有关；的浓度从上游至下游逐渐增加，呈逐渐累积富集趋势。图 信江底泥重金属空间分布图 南北两岸重金属浓度对比图为进一步分析信江底泥重金属分布特征，对南北两岸采样点底泥重金属浓度进行平行对比（见图）。南岸 采样点重金属浓度比北岸高，整体而言信江南岸重金属污染程度比北岸要高。按城市上中下游来看，城市上游北岸污染程度相对要高；城市中游南岸重金属污染程度比北岸要高，主要原因在于受地转偏向力的影响，信江流速在南岸相对较小，更利于重金属污染物的富集。并且南岸属于主要城区，人口密集，商业、交通等基础设施完善，居民生活生产活动产生的生活污水排放量大，促使南岸重金属污染程度加剧；城市下游南岸重金属污染程度也比北岸要高，原因在于南岸的第 卷第 期地下水 年 月城市发展程度较北岸更高，人为活动的相对频繁对南岸重金属浓度的增加有直接影响。而其中 处北岸比南岸的污染程度要高，出现这一突变现象的原因在于该处河流形态发生改变，流速等水力条件相应发生变化，导致利于发生重金属富集。信江底泥重金属污染评估 修正污染程度评估根据修正污染程度，各采样点污染程度评估结果见图，修正污染指数范围为 。流域内 个采样点样本中，个采样点样本的污染程度被归类于未受污染（即 ），主要分布于城市中下游；个采样点样本的污染程度被归类于轻度污染（即 ），位于城市下游；个采样点样本的污染程度被归类于中度污染（即 ），分布于整个地区；个采样点样本的污染程度被归类于高度污染（即 ），位于城市中、上游。图 修正污染程度直方图信江污染程度较高，城市中上游地区，重金属污染的来源与人类活动密切相关，主要来源有农业废水、农药化肥的使用、工业废水、生活污水；城市下游，污染程度较轻，该处受到人为污染的影响较小，但受到界牌水利工程的影响，城市下游实际变为水库性质，水流缓慢，扩散能力减弱，整体纳污能力减弱，具备重金属元素富集的水动力学条件。地质累积指数评估各重金属地质累积指数 o见图。除 外，其余重金属在信江不同区域之间的波动比较大，不同重金属的 o平均值存在有相对明显的变化。o平均值排序为：（）（）（）（）（）（）（）。根据地质累积指数 o分级标准，信江的、的污染等级为 级，属于无污染；的污染等级为 级，属于轻度中度污染；的污染等级为 级，属于中度高度污染。和 较高的地质累积指数说明，信江、污染较大程度上来源于人为因素影响。图 地质累积指数箱图 潜在生态风险指数评估信江底泥重金属单因子危害系数和生态风险指数结果见图。、平均 低于评估指标中最低限值，属于轻微生态风险，这几种重金属并未造成信江严重的生态风险问题。但 平均 为 ，属于强生态风险。的高风险表明，除 在底泥中容易迁移和溶解外，其它原因在于人为来源的 污染严重，尤其是农业中农药、化肥和有机肥的过量使用。单因子危害系数评估结果与地质累积指数评估结果近似相同，两种方法相互验证。图 潜在生态风险指数直方图潜在生态风险指数 结果表明：信江平均 排序为：城市 上 游（）城 市 中 游（）城 市 下 游（），城市中下游存在轻微生态风险和中等生态风险状态的地区，但总体而言信江呈较强生态风险状态，尤其在城市上游更是达到强生态风险状态。导致城市中上游地区潜在生态风险偏高的原因，可能是上游工业、农业污水排放和中游大量城镇居民污水排放导致。因此要针对性地监测和治理信江的 污染，也应对属于轻微生态风险的其他重金属元素进行监测，因为水力条件的变化和人为污染的加剧会累积重金属的浓度，导致生态风险程度加深；同时针对城市中上游潜在生态风险高的问题采取相应措施，如限制上游工业排放，减少农业生产活动中农药化肥的过量使用，设置污水处理厂对居民生活污水处理后排放等，才能有效抑制信江潜在生态风险的持续增高。信江底泥重金属来源分析 相关性分析若同一研究区域沉积物中元素之间具有显著相关性，表明这些元素可能具有相同的化学行为或来源 。相关性分析结果见表，统计分析结果表明：、之间呈极显著正相关，说明这四种重金属元素在迁移分布、富集、污染来源方面具有相似性；仅和 呈显著正相关，与其他金属元素不具备相关性；和，和、和、和 两两之间呈极显著正相关，具有同源可能性。主成分分析（）与 球形检验（）表明标准化后的重金属数据适合进行主成分分析。根据特征值 的原则，提取出 个主成分，、的特征 值 分 别 为 、，贡 献 率 分 别 为 、，累积贡献率达 ，因此提取出的 个主成分可以解释信江底泥重金属元素的大部分信息。上，、具有较高的荷载，根据研究 是农业活动的标示性元素 ，主要来源于农药化肥的使用；既源于含 农药的使用，也源于砷化物的开采和冶炼；来源于生活污水、农业废水；的来源与交通排放、化石燃料燃烧有关。、的来源为信江流域农田化第 卷第 期地下水 年 月肥、农药的使用，据统计 年鹰潭市农业生产用地为 ，主要分布在西部平原和中部信江盆地，农业用品的重复使用让、富集于土壤中，经降雨冲刷汇于信江。、的来源主要为鹰潭市城区交通、生活生产、燃料排放等多方面人为因素的影响。因此 主要代表了农业生产活动、人为污染排放的复合影响。上，、具有较高荷载，和 的来源有矿业活动、有色金属产业的污水排放有关。在信江流域中部（即鹰潭段上游）有永平铜矿和贵溪冶炼厂，铜矿的开采经降雨冲刷汇入信江，冶炼厂的污染排放也影响着信江中、含量。因此 主要代表了有色金属产业污染排放的影响。表 皮尔逊（o）相关性矩阵成分 注：表示在 水平（双侧）上显著相关；表示在 水平（双侧）上极显著相关。表 信江底泥重金属主成分分析矩阵重金属元素 初始特征值 方差贡献率 结语（）信江底泥中、的浓度均超过背景值浓度，分别为背景浓度的 、倍。说明信江已经受到一定的重金属污染，其中 污染最为严重；受当地社会经济发展程度差异和河段水力条件制约，南岸的人为干预程度比北岸要高，重金属富集条件更好，信江南北两岸重金属浓度呈“南重北轻”特点；（）修正污染程度和潜在生态风险评估表明信江重金属污染整体达中等以上程度；地质累积指数和单因子危害系数表明 受人为因素和自身易于富集特点影响，潜在生态风险程度最高；信江流域潜在生态风险程度为城市上游 城市中游 城市下游，中上游地区具有更高程度的生态风险，来源可能是工业排放与居民生活排放导致，需要采取措施防止生态风险加剧；（）重金属潜在来源分析表明：信江底泥重金属来源主要有农业活动、人为污染的复合影响；有色金属产业污染排放两个方面。即鹰潭城市居民生活污水排放、上下游农业排放和上游有色金属产业（永平铜矿和贵溪冶炼厂）污水排放。需要加强对上游有色金属产业和农业的环境管理与污染治理力度。参考文献孙博，黄莹，李永霞，等 基于主成分分析的河流沉积物重金属污染评价 环境科学与技术 （）：张光贵，谢意南，莫永涛 洞庭湖典型水域表层沉积物中重金属空间分布特 征 及 其 潜 在 生 态 风 险 评 价 环 境 科 学 研 究（）：，o oo o oo oo o o oo ：，o o，o o，oo o ，o o o oo：，o ，o ，o o o o：o，oo，oo oo ：，o oo o o o o o o o：栾约生，张为，石纲，等 湖北鄂州城市湖泊底泥重金属空间分布特征与污染评价 长江科学院院报 （）：，oo oo o o o oo o ：曾艳艺，赖子尼，杨婉玲，等 亚热带河网湿地沉积物重金属分布及风险评价 环境科学与技术 （）：齐月，李俊生，马艺文，等 黄河三角洲滨海滩涂湿地沉积物重第 卷第 期地下水 年 月金属空间分布及生态风险评价 环境科学研究 （）：o ，o，oo o o o o ，oooo o （）：o oo o oo （）：o，o ，oo，oo，o，o o o ，o oo ，o oo o oo oo oo o 郑江鹏，矫新明，方南娟，等 江苏近岸海域沉积物重金属来源及风险评价 中国环境科学 （）：秦建桥，黄晓萍，阮文刚 广东省西伶通道内河航道底泥重金属污染状况与生态风险评价 水土保持研究 （）：o ，o ，o ，o oo o oo o o，o o ：温泉，赵艳民，曹伟，等 潮白河中游沉积物中重金属分布、来源及生态风险评估 环境科学研究 （）：吴送先，邹晓红，潘筱璐，等 信江（土桥断面）水系沉积物中重金属污染研究 江西化工（）：伍恒赟，罗勇，张起明，等 鄱阳湖沉积物重金属空间分布及潜在生态风险评 价 中 国 环 境 监 测 （）：胡春华，于婷，周文斌 鄱阳湖悬浮物重金属污染及潜在生态风险评价 人民长江 （）：建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则 生态环境部 王震生，鄢新华 江西省水系沉积物区域地球化学特征 科学技术创新（）：程志中，谢学锦，潘含江，等 中国南方地区水系沉积物中元素丰度 地学前缘 （）：周斌，刘伟，刘有刚，等 渤海湾南部典型生态区表层沉积物重金属潜在生态风险分析 海洋环境科学 （）：杨安，邢文聪，王小霞，等 西藏中部河流、湖泊表层沉积物及其周边土壤重金属来源解析及风险评价 中国环境科学（）：陈生涛，苗安洋，温婷婷，等 辽东湾表层沉积物重金属污染特征及潜在生态危害评价 海洋环境科学 （）：李照全，方平，黄博，等 洞庭湖区典型内湖表层沉积物中氮、磷和重金属空 间分布 与污染 风险评 价 环 境科学 研究（）：，o o o o o ，oo （）：徐艳东，魏潇，夏斌，等 莱州湾东部海域表层沉积物重金属潜在生态风险 评价 海 洋 科 学 进 展 （）：林承奇，胡恭任，于瑞莲，等 九龙江近岸表层沉积物重金属污染评价及来源解析 中国环境科学 （）：o ，oo ，o o o o （）：张杰，郭西亚，曾野，等 太湖流域河流沉积物重金属分布及污染评估 环境科学 （）：李萌，熊尚凌，陈伟，等 浙北海域表层沉积物中重金属的含量特征、来源和污染评价 海洋环境科学 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