本研究选择位于忠县典型农业型消落带作为研究区域(如图 1). 该地区处三峡库区腹地，介于107° 32′42″-108°14′00″E，30°03′03″-30°35′35″N之间，属亚热带东南季风气候，年平均气温18.2℃，年均降雨为1172.1 mm, 占全年的40%，多集中在6-8月^{[8, 9]}. 2010年7月，选取忠县县城两端典型农村消落带进行样品采集，设置7个采样断面. 大坝在取样时期水位大都保持在155 m, 155-175 m消落带正常裸露，155-160 m消落带淹没时间大于170-175 m 消落带. 采样点选择在不同水位高程(155-160 m, 170-175 m)，每个采样点设平行采样点5个，采样深度为0-20 cm，共计样品采集70个. 采样断面分布如图 1所示. 7个采样断面， 175 m水位以上均为废弃村舍、 农田和自然荒地，无人居住，无生活污水排放.

图 1

Fig. 1

图 1 三峡库区忠县农村型消落区采样点分布Fig. 1 Distribution of sampling sites in Zhongxian country WLFZ in the Three Gorges

采集到的沉积物在阴凉干燥处自然风干，除去植物残渣、 底栖生物及石块等杂质后，将每个样点的样品混合均匀后用研钵研磨，过100目尼龙筛后装袋保存、 备用. 采用HNO₃-HF-HClO₄密闭消解法处理沉积物样品，电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)分析As、 Co、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Pb和Zn，而Cd的测定采用电感耦合等离子体发射质谱仪(ICP-MS).

本研究采用德国科学家Müller 提出的地累积指数(Igeo),结合流域沉积物中重金属含量评价单个重金属污染累积程度^{[10, 11]}. 计算公式为：

表1(Table 1)

表 1 三峡库区沉积物重金属背景值Table 1 Heavy metals backgound contents of sediment in Three Gorges 重金属 As Co Cd Cr Cu Ni Pb Zn Mn 背景值/mg ·kg-1 5.84 5.85 0.13 78.03 25 29.47 23.88 69.88 242.8

表 1 三峡库区沉积物重金属背景值Table 1 Heavy metals backgound contents of sediment in Three Gorges

沉积物污染指数SPI对梁滩河表层沉积物中重 金属污染的潜在生态风险进行评价^[10]. 计算公式如下：

本研究中应用的相关分析和因子分析均在SPSS 19 中进行.

忠县典型农村型消落带155-160 m高程沉积物重金属分布如图 2所示. As、 Cd、 Co、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Pb和Zn在155-160 m消落带沉积物中平均值分别为10.95、 0.31、 16.82、 83.39、 38.14、 667.09、 39.35、 31.52和90.69 mg ·kg^-1, 变化范围为5.17-14.81、 0.06-0.57、 8.55-20.56、 62.79-93.04、 15.38-60.97、 425.72-782.32、 21.34-48.55、 23.03-43.39、 57.78-130.10 mg ·kg^-1. As 在忠县城区上游沉积物中含量高于城区下游，除S6点外，均超过环境背景值5.84 mg ·kg^-1; Cd、 Mn、 Cu含量在城区下游高于上游，在城区上游随水流流向增加，下游随水流减小，Cd在S5点达到峰值,达到背景值含量4.4倍; Pb和Zn在忠县城区下游较近的S5 显著增加，分别达到43.39 mg ·kg^-1和130.10 mg ·kg^-1，超过背景值含量约两倍，顺水流流向，沉积物重金属减少，而在上游地区随水流流向无明显变化; Co、 Ni、 Cr消落带区域中没有明显变化.

图 2

Fig. 2

图 2 155-160 m 消落带沉积物重金属分布Fig. 2 Distribution of heavy metals in the 155-160 m WLFZ sediment

170-175 m消落带沉积物重金属分布如图 3所示. 重金属As、 Cd、 Co、 Cr、 Cu、 Mn、 Ni、 Pb和Zn的平均值分别为10.29、 0.26、 16.02、 80.17、 32.23、 628.92、 36.23、 26.58和79.16 mg ·kg^-1,变化范围为7.05-12.57、 0.17-0.33、 10.71-18.89、 65.22-92.89、 18.89-42.91、 74.06-774.41、 22.47-42.49、 24.17-29.23、 55.67-103.18 mg ·kg^-1. 与消落带155-160 m相比，沉积物重金属Cd、 Cu、 Pb和Zn有显著降低. As均超过背景值含量，在忠县城区上、 下游沉积物中无明显变化; Cd在城区下游含量高于上游，随水流流向小幅减小; Co、 Mn、 Ni、 Cr、 Pb城区上下游没有明显变化; Zn在忠县城区上游含量较低，随水流流向减小，城区下游S5点显著增加; Cu在城区上游高于城区下游，但随河流流向无明显变化.

图 3

Fig. 3

图 3 170-175 m 消落带沉积物重金属分布Fig. 3 Distribution of heavy metals in the 170-175 m WLFZ sediment

表 2(Table 2)

表 2 155-160 m消落带沉积物重金属地累积指数Table 2 The Igeo of heavy metals in Sediment of 155-160 m WLFZ 样点 As Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn S1 0.67 0.08 1.08 -0.38 0.06 0.85 -0.07 -0.10 -0.24 S2 0.43 -0.08 1.14 -0.41 0.01 1.10 -0.08 -0.30 -0.16 S3 0.54 0.75 1.18 -0.34 0.04 0.71 0.01 -0.32 -0.31 S4 -0.13 1.03 0.65 -0.72 -0.09 1.02 -0.40 -0.21 -0.27 S5 0.22 1.56 1.23 -0.33 0.70 1.08 0.14 0.28 0.31 S6 -0.76 -1.76 -0.04 -0.90 -1.29 0.23 -1.05 -0.64 -0.86 S7 0.76 1.03 0.96 -0.44 0.08 0.94 -0.01 -0.16 -0.16

表 2 155-160 m消落带沉积物重金属地累积指数Table 2 The Igeo of heavy metals in Sediment of 155-160 m WLFZ

表 3(Table 3)

表 3 170-175 m消落带沉积物重金属地累积指数Table 3 The Igeo of heavy metals in Sediment of 170-175 m WLFZ 样点 As Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn S1 0.52 0.24 1.04 -0.48 0.19 0.90 -0.13 -0.33 -0.26 S2 0.46 0.74 1.00 -0.38 -0.03 1.02 -0.16 -0.44 -0.40 S3 0.45 0.12 1.11 -0.33 0.16 0.79 -0.06 -0.35 -0.39 S4 -0.31 -0.16 0.39 -0.84 -0.91 0.69 -0.62 -0.57 -0.62 S5 -0.10 0.72 1.09 -0.54 -0.23 0.76 -0.13 -0.29 -0.02 S6 -0.20 0.19 0.29 -0.84 -0.99 0.04 -0.98 -0.57 -0.91 S7 0.52 0.67 0.94 -0.50 -0.17 1.09 -0.16 -0.49 -0.39

表 3 170-175 m消落带沉积物重金属地累积指数Table 3 The Igeo of heavy metals in Sediment of 170-175 m WLFZ

总的看来，155-160 m消落带沉积物中重金属累积最为明显的是Cd、 Co和Mn,累积程度从大到小为Cd>Co>Mn>As>Cu>Pb>Zn; 而170-175 m消落带沉积物重金属累积以Co和Mn最为明显，累积程度从大到小为Co>Mn>Cd>As， Cr、 Cu、 Ni、 Pb和Zn处于自然状态.

根据沉积物中重金属含量及生态潜在毒性，评价沉积物风险，如图 4所示. 消落带沉积物重金属的潜在生态风险较低，处轻度和中度风险. 在消落带区域中，155-160 m沉积物生态风险显著高于170-175 m，多数接近中度风险状态，忠县城区下游155-160 m农村型消落带达到最大值，这有可能是由于海拔较低的消落带在水体中浸泡时间较长，上游来水中携带污染物的悬浮物在该区域累积所致. 170-175 m消落带沉积物潜在风险均处轻度风险，城区上游消落带中反而高于城区下游，可能是由于该区域沉积物受上游来水影响较低，主要由农村面源输入为主导致.

图 4

Fig. 4

图 4 忠县农村型消落带沉积物污染指数评价结果Fig. 4 Sediment pollution index assessment results in country WLFZ of Zhongxian

对不同高程重金属进行相关分析可以发现(表 4和表 5)，在155-160 m消落带中，重金属As与Co、 Cr和Ni具有显著相关性， 4种重金属元素在155-160 m消落带中很有可能来自于同一污染源; Cd 与Cu、 Pb、 Zn显著相关， 3种重金属可能具有 相同污染源; Mn与Cu显著相关,而与其他无相关，二者重金属来源可能相同. 在170-175 m消落带中，As与Cr、 Cu显著性相关，表明在这个区域中此3种元素极有可能有相同来源; Cd 相对独立与其他重金属没有显著相关性，该元素的来源在这个区域中相对单一; Co、 Pb、 Ni、 Cu、 Cr极其显著相关，表明这5种元素极有可能具有同源性.

表 4(Table 4)

表 4 155-160 m消落带沉积物重金属Pearson 相关性分析1)Table 4 Pearson correlation analysis of heavy metals in 155-160 m WLFZ sediment As Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn As 1.000 0.274 0.770* 0.827* 0.487 0.449 0.804* 0.331 0.385 Cd 1.000 0.538 0.477 0.850* 0.64 0.670 0.836* 0.833* Co 1.000 0.980** 0.836* 0.686 0.972** 0.654 0.760* Cr 1.000 0.791* 0.562 0.963** 0.623 0.705 Cu 1.000 0.768* 0.891** 0.950** 0.982** Mn 1.000 0.714 0.679 0.795* Ni 1.000 0.741 0.823* Pb 1.000 0.957** Zn 1.000 1)*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关，**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关，下同

表 4 155-160 m消落带沉积物重金属Pearson 相关性分析1)Table 4 Pearson correlation analysis of heavy metals in 155-160 m WLFZ sediment

表 5(Table 5)

表 5 170-175 m消落带沉积物重金属Pearson 相关性分析Table 5 Pearson correlation analysis of heavy metals in 170-175 m WLFZ sediment As Cd Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn As 1.000 0.371 0.714 0.841* 0.868* 0.745 0.748 0.407 0.315 Cd 1.000 0.556 0.485 0.325 0.533 0.507 0.35 0.556 Co 1.000 0.925** 0.917** 0.703 0.978** 0.879** 0.845* Cr 1.000 0.935** 0.707 0.919** 0.694 0.592 Cu 1.000 0.674 0.909** 0.782* 0.632 Mn 1.000 0.816* 0.367 0.571 Ni 1.000 0.802* 0.819* Pb 1.000 0.889** Zn 1.000

表 5 170-175 m消落带沉积物重金属Pearson 相关性分析Table 5 Pearson correlation analysis of heavy metals in 170-175 m WLFZ sediment

通过主成分分析(表 6)可以看出155-160 m消落带中沉积物重金属主要来自两个方面，第一个方面占贡献率的73.4%，第二个方面的贡献率为11.8%,累积贡献率达到85.2%，能够完全解释155 -160 m沉积物中重金属分布，明确重金属主要来源; 其中所有重金属元素对第一主成分特征值均有明显贡献，最显著的是重金属Co、 Cu、 Ni和Zn，而第二主成分特征值的贡献来自于重金属为As、 Co、 Cr和Ni. As、 Co、 Ni分布对两个主成分特征值贡献具有明显作用，表示此三者的来源具有多重性; 170-175 m消落带沉积物中重金属主要来源于两个方面，第一个方面的贡献率为76.1%，对重金属均在显著贡献，Co、 Cr、 Cu和Ni是主要影响元素; 第二个方面的贡献率为14.9%，能够主要解释重金属元素Pb和Zn的来源.

表 6(Table 6)

表 6 重金属来源主成分分析结果Table 6 Results of principal component analysis for heavy metal sources 项目 第一主成分 155-160 m 第二主成分 155-160 m 第一主成分 170-175 m 第二主成分 170-175 m 特征值 6.6 1.06 6.8 1.3 贡献率/% 73.4 11.8 76.1 14.9 累积贡献率/% 73.4 85.2 76.1 91.1 As 0.669 0.669 0.791 -0.571 Cd 0.785 -0.473 0.581 0.15 Co 0.921 0.328 0.987 0.118 Cr 0.885 0.422 0.936 -0.201 Cu 0.972 -0.212 0.934 -0.167 Mn 0.803 -0.163 0.794 -0.319 Ni 0.968 0.239 0.986 0.011 Pb 0.873 -0.398 0.816 0.482 Zn 0.933 -0.321 0.809 0.545

表 6 重金属来源主成分分析结果Table 6 Results of principal component analysis for heavy metal sources

研究表明，沉积物重金属的来源可以分为自然条件背景值贡献和人为活动的输入^[2]. 自然条件下的背景值贡献指的是由于土壤形成过程中本身母质风化所提供的元素含量^{[15, 16, 17, 18]}， 155-160 m消落带中，Cr处于无污染状态，低于背景值含量，其主要来源可能为自然风化，这与叶琛等的研究结果一致^[2]. 155-160 m消落带中As、 Co、 Ni与Cr具有显著相关性，而3种重金属的污染均处于自然状态，第二主成分对四者贡献单一，可以推断第二主成分主要为自然源输入，因而，第一主成分为人为输入. 由于其对重金属元素均有贡献，可以推断其为消落带重金属污染主要来源^[17]. 在库区，人为输入影响包括工业“三废”直接输入、 农业面源输入、 生活污水、 上游来水等因素^{[18, 19, 20]}. 由于研究区域选择的是远离乡镇、 没有工业生产存在的农村区域，周围环境以废弃村舍和农田为主，不存在生活污水、 工业污染源的输入，同时，根据三峡水库蓄水前期消落带土壤调查结果发现，Cr、 Pb、 Cu 和Zn 主要来自于自然背景，未出现明显超标，水位升高后，土壤内部溶出量较低^[2]. 因此，农村面源污染和上游来水极有可能成为155-160 m消落带沉积物重金属主要来源.

根据170-175 m消落带评价结果可以发现，该区域中Cr、 Ni、 Pb和Zn低于环境背景值，相关分析显示4种重金属显著相关，可以推断这4种重金属主要来源于自然风化，这与叶琛等在2009年调查结果一致^[2]. 170-175 m消落带中Cd、 As、 Co、 Mn和Cu 在部分点位出现轻度污染，表明存在部分人为输入，但输入量较低. 由于该区域人口搬迁和农田废弃，工业污染也不存在，因此，人为源的输入仅有可能来自上部原有农田的面源和上游来水. 第二主成分和第一主成分分析不能完全将来源区分开，可能是由于该区域污染程度较低，自然源和人为源输入差别不显著所致. 175 m为三峡水库稳定运行水位，但年维持运行时间较155 m短，170-175 m消落带淹没时间远低于155-160 m^[1]. 170-175 m是消落带与更高程土地之间生态交错区，植被种类极其丰富，能够大量截留高程土地产生面源污染，极有可能产生重金属累积效应. 从评价结果看来，该区域重金属污染并不严重，人为源对区域内的重金属变化影响较小，农田面源输入量低，因此，通过该区域再流进155-160 m 区域中的重金属量更加微小. 根据评价结果，位于忠县城区下游155-160 m 区域中的重金属累积尤其明显，均出现明显污染，而同点位170-175 m区域中重金属处于自然无污染状态或轻度污染状态，沉积物污染指数明显降低.

综上所述，155-160 m消落带重金属Cr、 Cu、 Pb和Zn 主要来自于自然背景，As、 Ni、 Cd、 Co和Mn主要来源于上游来水; 170-175 m消落带沉积中重金属则Cr、 Ni、 Pb和Zn来自自然背景，Cd、 As、 Co、 Mn和Cu则极有可能来自农业面源和上游来水两种因素所致.