环境科学  2016, Vol. 37 Issue (9): 3356-3364   PDF    
岩溶地下河系统中有机氯的分布特征与来源分析
张媚1 , 孙玉川1,2 , 谢正兰1 , 余琴1 , 徐昕1     
1. 西南大学地理科学学院, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715;
2. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004
摘要: 选取重庆老龙洞、青木关岩溶地下河为研究对象,采用气相色谱仪-微池电子捕获检测器(GC-μECD)分析两条地下河水体中21种有机氯农药(OCPs)的浓度.结果表明,南山地下河中六六六(HCHs)和艾氏剂类化合物(ALDs)是主要检出物,青木关地下河中HCHs和甲氧滴滴涕是主要检出物.南山、青木关地下河中均未检出o,p'-DDE、p,p'-DDE、o,p'-DDD,同时,青木关地下河还未检出o,p'-DDT、狄氏剂,其余OCPs在两条地下河中检出率高达100%.青木关地下河中OCPs浓度范围为145~278 ng·L-1之间,平均值为213 ng·L-1;南山老龙洞地下河中OCPs浓度介于17.7~40.8 ng·L-1之间,平均值为32.7 ng·L-1.两条地下河中各OCPs组分表现为地下河出口大于入口.通过对OCPs污染来源分析,发现两地下河流域滴滴涕(DDTs)主要来自于历史上工业DDTs输入,氯丹主要来自于大气沉降.六六六(HCHs)主要来源是林丹的输入,南山地下河属于历史污染,青木关地下河上游的甘家槽有新的HCHs输入.与国内外其他各水体相比,南山地下河水体中HCHs、DDTs浓度处于低水平;青木关下河处于中等偏高水平.结合中外用水卫生标准,发现南山地下河和青木关地下河未超过饮水安全标准.青木关应禁止农田施用有机氯农药,保护地下河生态环境.
关键词: 有机氯农药      地下河      来源      分布      重庆     
Distribution Characteristics and Source Identification of Organochlorine Pesticides in the Karst Groundwater System
ZHANG Mei1 , SUN Yu-chuan1,2 , XIE Zheng-lan1 , YU Qin1 , XU Xin1     
1. Key Laboratory of Eco-Environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China
Abstract: Chongqing Laolongdong and Qingmuguan karst underground rivers were selected as the research objects, and 21 kinds of OCPs in those two underground rivers were analyzed by gas chromatography (GC-μECD). The results showed that, o,p'-DDE,p,p'-DDE, o,p'-DDD were not detected in Nanshan and Qingmuguan underground rivers; o,p'-DDT and dieldrin were not detected in Qingmugang; but the detection rate of the rest of the OCPs in those two underground rivers was as high as 100%. HCHs and ALDs were the most dominant compounds in Laolongdong underground river, whereas HCHs and methoxychlor were the most dominant compounds in Qingmuguan. The concentration range of total OCPs in Qingmuguan was 145-278 ng·L-1 with a mean value of 213 ng·L-1. The concentration range of total OCPs in Laolongdong was 17.7-40.8 ng·L-1 with a mean value of 32.7 ng·L-1. The OCPs component showed an increasing trend from the entrance to the exit of those two underground rivers. By analyzing the source of OCPs pollution, DDTs in the two underground river basin came from the historical industrial DDTs input; chlordane mainly came from atmospheric deposition. HCHs was the main source of Lin Dan's input, Nanshan underground river was historical pollution, whereas there was a new HCHs input from Ganjiachao in Qingmuguan upstream. Compared with the water bodies at home and abroad, the concentrations of HCHs and DDTs in Nanshan underground river water were at low level, whereas those in Qingmuguan were at medium to high level. Comparing with the hygienic standard of foreign water, it could be observed that Nanshan underground river and Qingmuguan underground river were not able to meet the standard of drinking water safety standard. For the sake of protecting the ecological environment of the underground river, land application of organic chlorine pesticide should be banned in Qingmuguan.
Key words: organic chlorine pesticide      underground river      source      distribution      Chongqing     

有机氯农药(OCPs)是一类人工合成残效期较长的广谱性杀虫剂,按原料来源可分为两大类,一类以苯为原料,如:六六六(HCHs)、 滴滴涕(DDTs); 另一类以环戊二烯为原料,如氯丹(CHLs)、 艾氏剂类化合物(ALDs)等[1]. OCPs曾在上世纪被大量使用[2],因其具有生物积累、 生物放大和“三致”作用[3],1983年被我国禁止生产和使用[4]. 因其难以分解,半衰期大概为2~20年左右[5],同时近期农业活动中可能存在非法施用,至今环境中仍有大量检出[6]. 农业上施用的有机氯农药大部分残留在土壤当中,大气中也有部分有机氯农药通过迁移扩散、 干湿沉降输入土壤,OCPs还能够通过大气、 水环境介质传送并影响整个区域甚至全球环境[7, 8].

我国岩溶面积344万km2,约占国土面积的三分之一,岩溶区地下水源有2 000亿m3 ·a-1占全国地下水资源的1/4[9, 10]. 重庆市总储水量160.66亿m3 ·a-1,岩溶水118.33亿m3 ·a-1,占总量的73.65%. 岩溶区特殊的“土在楼上,水在楼下”的水土资源二元结构,基岩大片裸露,土被不连续,土层浅薄,导致土壤层的天然保护和过滤作用较弱; 降低了土层对污染物的缓冲、 净化作用,加上大量落水洞、 漏斗、 竖井和裂隙等岩溶形态发育,地下河水系统极易受到地表污染物的影响. 重庆地区高温、 多雨,曾大量使用OCPs,老龙洞和青木关地下河出露点是流域内重要的水源地. 现对重庆典型岩溶区地下河青木关、 老龙洞地下河中OCPs浓度及其特征展开研究,通过了解岩溶地下河中有机氯农药的分布状态,并对其来源进行分析. 对有机氯农药在地下河中的生态风险进行评价,以期为保护岩溶水环境质量,合理开发岩溶区水资源提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

两条地下河均属于亚热带湿润季风气候,多年平均降雨量均高于1 000 mm,雨季主要集中于4~10月,多年平均气温16.5~17℃. 老龙洞地下河位于重庆市区东南部,属南岸区与巴南区境内. 该地下河发育于岩溶槽谷地貌区,槽谷中多串珠状落水洞,岩溶槽谷及地下河系统均顺背斜呈北东-南西走向延伸. 背斜轴部地层主要为三叠系嘉陵江组较纯的灰岩. 背斜两翼为二叠系中统雷口坡组碳酸盐岩. 地下河总长约6 km. 流域面积约12.6 km2,农业用地约2 km2,主要集中在岩溶洼地内. 青木关岩溶流域位于重庆市北碚区、 沙坪坝区和璧山县的交界处,属于川东平行岭谷华蓥山山系缙云山区,研究区内背斜成山,向斜成谷,呈“一山二岭一槽”式的典型岩溶槽谷景观. 研究区内地势北高南低,碳酸盐岩地层内发育一条自NNE向SSW流动的地下河,直线距离长约7.4 km,流域面积约13.4 km2,耕地面积约占流域面积的30%.

1.2 样品的采集

于2013年7月在南山老龙洞、 青木关地下河按上游至下游选取代表性的采样点,其中,青木关地下河系统采样点:岩口落水洞(Q1)、 姜家龙洞天窗(Q2)、 姜家泉地下河出口(Q3)、 大驴池裂隙泉(Q4). 南山老龙洞地下河洞穴中明流段选取与洞口相距0.7 km的入口处(N1)、 出口(N2),表层岩溶泉桂花湾(N3)作为采样点. 采样点位置见图 1.采样时,用1 L带聚四氟乙烯衬垫的螺旋盖的棕色玻璃瓶直接在地下河不同点采集,水样置于便携式冰箱中避光冷藏运输,尽快送达实验室,放入冰箱于3℃ 冷藏保存,并在7 d之内完成前处理.

图 1 研究区取样点及位置示意 Fig. 1 Location of the study area and sampling sites

1.3 试剂与材料

样品分析所用的正己烷、 二氯甲烷试剂均为农残级,购自美国Fisher公司. 无水硫酸钠(分析纯)于550℃马弗炉中灼烧8 h,置于干燥器中冷却备用; 硅胶和氧化铝经二氯甲烷抽提72 h后,硅胶于180℃、 氧化铝于250℃分别活化24 h,待冷却至60℃时再加入其质量3%的超纯水降活,平衡后,加入正己烷储于干燥器中备用; 滤纸和脱脂棉经二氯甲烷抽提72 h后风干,密封干燥备用. 21种有机氯混标α-HCH、 β-HCH、 γ-HCH、 δ-HCH、 ε-HCH、 p,p′-DDE、 p,p′-DDD、 p,p′-DDT、 p,p′-DDE、 p,p′-DDD、 p,p′-DDT、 七氯、 CC、 TC、 环氧七氯、 氧化氯丹、 艾氏剂、 异艾氏剂、 狄氏剂、 异狄氏剂、 甲氧滴滴涕购自德国Dr. Ehrenstorfer公司; 两种回收率指示物TCMX(2,4,5,6-四氯间二甲苯)和PCB209(十氯联苯)购自美国Supelco公司.

1.4 样品前处理

水样采用美国EPA525.2的方法进行处理. 用0.45 μm的滤膜过滤1 L装入棕色瓶中,加入回收率指示物(TCMX、 PCB209)和农残级甲醇20 mL,摇匀,使用SPE-DEX4790全自动固相萃取仪处理,并用50 mL鸡心瓶收集提取液. 提取液转入装有无水硫酸钠层析柱脱水. 过柱后的液体在旋转蒸发仪上浓缩至2 mL,加入5 mL正己烷置换溶剂,在浓缩至1 mL,转移至2 mL细胞瓶中. 用柔和的高纯氮气吹至0.2 mL,加入5 μL内标物,放入冰箱待测.

1.5 气相色谱分析

检测仪器为气相色谱仪,配微池电子捕获检测器(Agilent公司,HP-7890A配Ni63-μLECD检测器),色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30.0 m×0.32 mm×0.25 μm). 载气为高纯氦气,流速为1 mL ·min-1,尾吹气为高纯氮气,流速为60 mL ·min-1,进样口温度250℃,检测器温度320℃. 升温程序初始温度50℃,保持1 min后以20℃ ·min-1升温至200℃,然后再以10℃ ·min-1的速度升温至280℃,保持15 min. 无分流进样,进样量1 μL.

1.6 质量控制与质量保证

每分析10个样品同时做空白样品,加标样品,加标平行样品和样品平行样,每个样品在抽提前加入回收率指示物TCMX(2,4,5,6-四氯间二甲苯)和PCB209(十氯联苯)用于检测实验过程中的损失情况,空白样用于确认实验结果的再现性,该方法所得回收率为85%~115%.

2 结果与分析 2.1 地下河流域有机氯农药的浓度分布特征

南山老龙洞地下河、 青木关地下河水体中有机氯农药检测结果见表 1.老龙洞地下河中共检出OCPs 18种,o,p′-DDE、 p,p′-DDE、 o,p′-DDD在老龙洞地下河中未检出. 老龙洞地下河中OCPs浓度范围介于17.7~40.8 ng ·L-1之间,平均值为32.7 ng ·L-1. HCHs浓度范围为4.81~18.7 ng ·L-1,均值为10.2 ng ·L-1. DDTs浓度范围为1.77~5.35 ng ·L-1,平均值为3.65 ng ·L-1. 老龙洞地下河中浓度由高到低依次为HCHs>ALDs>甲氧滴滴涕>CHLs>DDTs. 青木关地下河中共检出OCPs 16种,o,p′-DDE、 p,p′-DDE、 o,p′-DDD、 o,p′-DDT、 狄氏剂青木关地下河中未检出. 青木关地下河中OCPs浓度范围介于145~278 ng ·L-1之间,平均值为213 ng ·L-1. HCHs浓度范围为34.1~115 ng ·L-1,均值为81.9 ng ·L-1. DDTs浓度范围为14.9~33.0 ng ·L-1,平均值为26.2 ng ·L-1. 青木关地下河中浓度由高到低依次为HCHs>甲氧滴滴涕>CHLs>ALDs>DDTs.

表 1 水样OCPs浓度1)/ng ·L-1 Table 1 OCPs concentration in water sample/ng ·L-1

以上结果表明,有机氯农药污染在南山老龙洞、 青木关地下河中普遍存在. 两条地下河OCPs及各组分浓度差异表现明显,从平均浓度可知两条地下河整体上,表现为青木关地下河中OCPs及各组分平均值均高于南山老龙洞地下河. 这可能是两研究点的土地利用类型不同所致. OCPs最高值出现在姜家龙洞,最低值为老龙洞内N1.从表 1可以看出,老龙洞地下河系统、 青木关地下河系统中各采样点HCHs浓度均大于DDTs. 主要是因为HCHs比DDTs具有更大的水溶性,使得水样中HCHs浓度较高.

2.2 HCHs组成

两条地下河检出的有机氯农药中均以HCHs浓度最高,地下河系统各采样点HCHs分别占青木关、 老龙洞OCPs的37.28%、 30.38%. HCHs 的5种异构体在各采样点的浓度如表 2所示,从中可知,老龙洞地下河中桂花湾浓度最高,老龙洞口次之,老龙洞内最低; 青木关地下河中姜家龙洞最高,大驴池、 姜家泉次之,岩口最低. HCHs 各异构体在研究区不同采样点的浓度存在着明显差异(图 2),青木关地下河中HCHs同分异构体所占比例大小为β-HCH>δ-HCH>γ-HCH>α-HCH>ξ-HCH,老龙洞地下河中HCHs同分异构体所占比例大小分为β-HCH>δ-HCH>γ-HCH>ξ-HCH>α-HCH. 在两条地下河中β-HCH和δ-HCH两者显示了其较高的稳定性,两地下河水体中HCHs同分异构体所占比例大小不同,主要是因为在环境中HCHs同分异构体的降解速度,降解速度依次为γ-HCH>α-HCH>δ-HCH>β-HCH[11]. γ-HCH和α-HCH结构较不稳定,易降解,在降解过程中可能转化为β-HCH. β-HCH和δ-HCH的物理化学性质较为稳定,难于降解[12],因此随着时间的推移,地下河中最终中占优势是β-HCH和δ-HCH.

图 2 HCHs在地下河中的组成特征 Fig. 2 Composition characteristics of HCHs in underground river

环境中的HCHs主要来自杀虫剂的使用,包括林丹和工业品HCHs. 林丹中γ-HCH占99%. 工业品HCHs含有8个同分异构体,其中α-HCH、 β-HCH、 γ-HCH、 δ-HCH、 ξ-HCH这5种比较稳定,这5种同分异构体百分组成大致分别为60%~70%、 5%~12%、 10%~12%、 6%~10%和3%~4%[13]. 环境中的六六六可以发生降解,异构体间可以相互转化,α-HCH/γ -HCH 比值相对稳定,能够用于指示 HCHs降解或输入[14]. α-/γ-HCH的组分比值在林丹中接近于0,而工业品HCH中在3~7之间. 由于α-HCH的半衰期比γ-HCH的要长,而且γ-HCH在一定的条件下会转化为α-HCH,所以工业品HCH进入环境后,α-/γ-HCH比值会增加,而林丹进入环境后,由于其99%的成分为γ-HCH. α-/γ-HCH的比值会降低. 当α-/γ-HCH小于3时,指示环境中有林丹农药输入; 当α-/γ-HCH在3~7,表明有工业品HCHs农药输入; 当α-/γ-HCH大于7时,说明没有新的HCHs存在或来源于大气远距离传输. β-HCH化学结构具有良好的对称性,其化学和物理性质较其它异构体稳定,在4种异构体中最难降解,于是若土壤中β-/(α+γ)-HCH值大于0.5,表明土壤中HCHs主要是历史污染,否则表明土壤中HCHs来自于近期农药的使用或大气的干湿沉降[15].

结合α-/γ-HCH值和β-/(α+γ)-HCH值可以较好地判断地下河中HCHs的来源途径. 老龙洞地下河系统中在老龙洞入口、 老龙洞口、 桂花湾的α-HCH/γ-HCH分别为1.05、 0.42、 1.31; 青木关地下河系统中在岩口、 姜家龙洞、 姜家泉、 大驴池的α-HCH/γ-HCH分别为0.27、 0.87、 0.78、 0.87,两地下河中α-HCH/γ-HCH的值均小于3(见表 2),表明两条地下河流域HCHs主要来自于林丹的使用. 老龙洞地下河各采样点β-/(α+γ)-HCH值介于0.42~1.31之间; 青木关地下河各采样点β-/(α+γ)-HCH值在0.37~1.70之间,只有南山地下河中老龙洞口、 青木关地下河中岩口β-/(α+γ)-HCH值小于0.5,老龙洞口是南山地下河下游,因β-HCH溶解度小,地下河中扰动较小,易于吸附于沉积物中未检出β-HCH. 青木关地下河入口处岩口的上游是大片农用地,可能存在少量新的HCHs输入,而地下河中其它采样点在地下河迁移过程中,接受来自土壤的HCHs,β-/(α+γ)-HCH均大于0.5,表明HCHs主要属于历史残留.

表 2 水样HCHs浓度1)/ng ·L-1 Table 2 HCHs concentration in water sample/ng ·L-1

2.3 DDTs组成

表 3中可知,青木关地下河中仅检出p,p′-DDD、 p,p′-DDT; 在南山老龙洞地下河中仅检出p,p′-DDD、 p,p′-DDT和o,p′-DDT. 地下河系统各采样点DDTs分别占青木关、 南山老龙洞OCPs的12.58%、 10.97%. 两地下河中DDTs的3种同分异构体比例不同,南山老龙洞地下河中p,p′ -DDT> p,p ′-DDD>o,p′-DDT; 青木关地下河中p,p′-DDT> p,p ′-DDD. 其中p,p′ -DDT占DDTs比例较大,青木关地下河中占64.42%,南山地下河中占63.65%(图 3).

表 3 DDTs在地下河中的分布特征1) /ng ·L-1 Table 3 Composition characteristics of DDTs in underground river/ng ·L-1

图 3 DDTs在地下河中的组成特征 Fig. 3 Composition characteristics of DDTs in underground river

工业DDTs和三氯杀螨醇是环境中DDTs的主要来源. 一般而言,工业生产的DDTs由大约75% p,p′-DDT、 15% o,p′-DDT、 约5% p,p′-DDD、 约5% p,p′-DDE和少量其它物质组成[16]. 在工业禁用后,三氯杀螨醇逐渐成为环境中“新”DDT的主要来源. 一种新的农药三氯杀螨醇,由于使用DDT作为中间体合成生产,其中也含有少量的DDT残留,两者在DDT异构体组成上有差别,工业DDT中p,p′-DDT的量大约是o,p′-DDT的5倍,而三氯杀螨醇中则是o,p′-DDT的浓度大于p,p′-DDT,且o,p′ -DDT 较之p,p′ -DDT 更易降解和挥发. 因此,环境中检测出o,p′-DDT/p,p′-DDT>1,则可判断其来源于三氯杀螨醇.

p,p′-DDE与p,p′-DDD的比值可以用来反映DDTs的降解环境[17]. 进入环境后,p,p′-DDT将发生降解,在好氧环境和厌氧中分别降解为p,p′-DDE和 p,p′-DDD,并且随着DDTs施用时间越长,p,p′-DDT所占百分比越低,降解产物p,p′-DDE和p,p′-DDD所占百分比越高. 因此,若p,p′-DDE/p,p′-DDD>1,表明该地区DDTs主要是在好氧环境中发生降解,反之,则表明该地区DDTs的降解主要是在厌氧环境中发生的. 利用(DDE+DDD)/DDTs比值可以判断环境中是否有新的DDTs输入,当(DDE+DDD)/DDTs>0.50 时,表明DDTs已大部分降解为DDE和DDD,DDTs施用时间较长,属于历史污染; 反之,当(DDE+DDD)/DDTs<0.50 时,表明近期有新的DDTs 输入[18].

两地下河中均未检出DDE,p,p′-DDT在厌氧条件下转化为p,p′-DDD,因此判断地下河中DDTs主要是在厌氧条件下发生降解. 南山地下河中(DDE+DDD)/DDTs的值介于0~0.76之间; 青木关地下河(DDE+DDD)/DDTs的值介于0~0.79之间. 在检测到p,p′ -DDD的两地下河采样点,(DDE+DDD)/DDTs比值均大于0.5,表明两地下河流域近期均无新的DDTs 输入. 检出的DDTs可能由上游土壤中受到冲刷进入落水洞而来. 南山地下河中各采样点o,p′-DDT/p,p′-DDT的值在0~0.59之间,青木关地下河中各采样点o,p′-DDT/p,p′-DDT为0,两条地下河中o,p′-DDT/p,p′-DDT均小于1,可判断地下河中的DDTs并非来自于三氯杀螨醇,而是来自于工业DDTs的输入.

2.4 其他有机氯农药

氯丹是持久性有机污染物中两种防治白蚁的特效药,也可用做柑橘的杀虫剂. 工业氯丹是由140多种不同成分组成的,能在环境中持久存在的主要是顺式氯丹(11%)、 反式氯丹(13%)、 七氯(5%)和反式九氯(5%)这4种成分[19]. 环氧七氯是七氯的降解产物,其毒性比七氯高4倍,持久性较强,目前七氯主要作为白蚁的杀虫剂少量使用. 老龙洞CHLs浓度范围介于2.95~8.07 ng ·L-1之间,平均值为5.02 ng ·L-1,占老龙洞地下河OCPs的16.84%; 青木关CHLs浓度范围介于17.30~40.87 ng ·L-1之间,平均值为34.12 ng ·L-1,占青木关地下河OCPs的15.94%. 在自然环境中,反式氯丹(TC)相对于顺式氯丹(CC)更易于降解,随着时间的推移,CC/TC比值将逐渐增大[20]. 新输入的氯丹,其CC/TC比值应该接近1,如果输入的时间越长,那么该比值就越大. 由表 4可知,南山、 青木关地下河 CC/TC比值分别介于0~0.52、 0~0.99之间,均小于1,同时,两条地下河入口均未检出顺式氯丹,地下河中的CHLs是由于迁移、 扩散及大气-土壤间的交换作用进入土壤,最终进入地下河.

表 4 地下河中其它类有机氯农药浓度1)/ng ·L-1 Table 4 Concentrations of other OCPs in underground rivers/ng ·L-1

表 4可见,甲氧滴滴涕属于新型有机氯类杀虫剂,其杀虫效果明显优于滴滴涕,相对于滴滴涕较易降解,因而已取代滴滴涕成为一种日益广泛使用的杀虫剂[21]. 两条地下河中甲氧滴滴涕的浓度仅次于HCHs,老龙洞地下河甲氧滴滴涕浓度范围为5.03~7.25 ng ·L-1,均值为5.91 ng ·L-1. 青木关甲氧滴滴涕浓度范围为19.9~46.7 ng ·L-1,均值为37.8 ng ·L-1. 分别占南山、 青木关地下河OCPs的19.99%、 18.84%. 艾氏剂、 异艾氏剂、 狄氏剂和异狄氏剂是高效的杀虫剂,均于1987年完全禁止. 南山地下河均有检出,ALDs浓度范围介于1.99~13.7 ng ·L-1之间,平均值为7.90 ng ·L-1. 青木关地下河中除狄氏剂未检出外,其余均有检出,ALDs浓度范围介于21.3~50.5 ng ·L-1之间,平均值为33.5 ng ·L-1,分别占南山、 青木关地下河OCPs的21.81%、 15.63%. 表明青木关流域农业活动中曾大量使用过甲氧滴滴涕和ALDs作为杀虫剂,南山相对较少.

2.5 地下河中有机氯农药来源分析

在南山地下河系统中,DDTs和OCPs浓度大小依次为老龙洞口>桂花湾>老龙洞入口; HCHs表现为桂花湾>老龙洞口>老龙洞入口. 青木关地下河系统中DDTs浓度大小依次为姜家龙洞>大驴池>岩口>姜家泉. 而 HCHs、 OCPs表现为姜家龙洞>大驴池>姜家泉>岩口. 从图 4可知,DDTs、 HCHs和OCPs在青木关、 南山地下河中浓度均呈:入口<出口. 黄桷垭和新市场位于老龙洞地下河上游,附近是居民聚居地,产生大量生活污水排入污水渠中. 渠道中污水下渗,沿途的农业用水直接汇入地下河,造成污染,污水一直沿污水渠排到石院子落水洞的同时,流域内的塑料厂、 水泥厂的污水被排入从仙女洞落水洞到下游其间的落水洞中,石院子、 仙女洞落水洞与下游的老龙洞地下河出口相连通,污水直接汇集到下游. 而青木关地下河最北端入口为岩口落水洞,沿途不断接受两侧地表水通过落水洞集中流补给,以及非饱和带的裂隙、 空隙、 裂隙水的扩散流补给. 地下河主要在流域最南端的姜家泉出露. 流域内农业活动及土壤侵蚀是该地下河污染物的主要来源. 致使两条地下河出口的OCPs、 HCHs和DDTs 浓度均出口大于入口.

图 4 表层水中OCPs、 HCHs和DDTs的分布 Fig. 4 Distributions of OCPs,HCHs and DDTs in the superficial water

南山地下河桂花湾和青木关地下河系统中的大驴池OCPs浓度较高,大驴池和桂花湾均位于用来种植蔬菜水果的岩溶洼地内,地下水所处环境较封闭,受气温、 降水、 光照的影响较小,而受土壤的影响较大. 由于两采样点的环境不同,N2与N3对比发现,难以降解的β-HCH和p,p′-DDD在表层岩溶泉中的浓度均大于地下河. 由于土壤是一个黏土-矿物-有机质的复杂胶体体系,已有研究表明[22],土壤有机质是影响有机氯农药迁移的最主要因素之一,因为土壤中的腐殖质、 腐殖酸和富里酸等通过分子间力、 氢键、 配位体交换或盐键等物理化学作用,对有机氯农药分子进行强烈吸附,形成稳定的有机氯农药结合物,从而影响着有机氯农药在土壤中滞留性[23]. 而地下水与土壤长时间接触,有机氯农药的浓度、 结构都会受到土壤的影响. 因而OCPs来源结构与地下河中不同. 姜家龙洞的OCPs浓度大于青木关地下河系统的其他采样点,已有研究表明[24],夏季姜家龙洞中水体来源于地下河管道和上覆土壤的垂直迁移. 对比姜家龙洞到姜家泉发现HCHs、 DDTs、 OCPs呈下降趋势,地下河管道对有机氯农药的净化作用相当显著. 主要是因为地下河管道是无光条件使光解反应无法进行,有利于有机氯农药的残留,地下河的环境介质(碳酸盐岩、 沉积物等) 对疏水性的具有吸附作用,温度较恒定的低温环境,有利于有机氯农药的吸附. 同时,结构不稳定的在地下河运移过程中被降解,夏季姜家泉较姜家龙洞高,有利于OCPs挥发,高温高湿的夏季微生物活性强,有利于OCPs的降解.

3 地下河中有机氯农药残留污染评价

表 5可知,我国的生活饮用水卫生标准对HCHs和DDTs所作限度规定分别为5 000 ng ·L-1和1 000 ng ·L-1,世界卫生组织对γ-HCH和DDTs作了限度规定均为2 000 ng ·L-1[25, 26]. 对比可知,南山老龙洞地下河和青木关地下河的有机氯农药残留量相对较低,均没超过中国和世界卫生组织的饮水水质标准,对人类健康风险影响较小.

表 5 不同地区水域中OCPs的污染水平/ng ·L-1 Table 5 Comparison of OCPs pollution among water of different areas/ng ·L-1

将研究区水体OCPs浓度与国内外地表、 地下研究相比较(见表 6). 南山地下河水体中HCHs仅大于官厅水库、 广西岩溶地下河、 印度北部地下河,DDTs仅大于广西岩溶地下河、 印度北部地下河,该结果表明,南山老龙洞地下河水体OCPs浓度比大多数地区的低,在国内外处于低等水平. 青木关地下河HCHs仅小于北京郊区、 西湖地表水以及柳州、 土耳其地下水,DDTs仅小于及柳州、 土耳其地下水,该结果表明,青木关地下河水体OCPs浓度比大多数地区的高,但与污染较重的地区比,浓度又不是很高,在国内外处于中等偏高水平.

表 6 不同地区水域中OCPs的污染水平/ng ·L-1 Table 6 Comparison of OCPs pollution among water of different areas/ng ·L-1

4 结论

(1) 青木关、 南山地下河中分别有18、 16种OCPs存在不同程度检出. 青木关地下河中HCHs和甲氧滴滴涕是主要污染物,南山老龙洞地下河中HCHs和ALDs是主要污染物.

(2) 两地下河流域HCHs主要来源是林丹的输入,南山地下河属于历史污染,青木关地下河上游的甘家槽有新的HCHs输入. DDTs来自于历史上工业DDTs的输入. 氯丹主要来自大气沉降.

(3) 南山地下河中的OCPs、 HCHs、 DDTs均远小于青木关地下河,与流域的土地利用类型有关. 两地下河中OCPs浓度均呈现出口大于入口,雨季雨水冲刷表土,OCPs直接进入地下河,在迁移过程中受土壤下渗影响. 土壤中的OCPs很容易直接进入到表层岩溶泉中,南山的桂花湾表层岩溶泉和青木关的大驴池裂隙泉易被污染.

(4) 与国内外水体中HCHs、 DDTs相比较,南山地下河水体中HCHs、 DDTs浓度处于低等水平,青木关地下河处于中等偏高水平,均未超过中外饮水标准. 建议污染较重的青木关地区禁止农田施用有机氯农药,保护地下河生态环境.

参考文献
[1] 李江, 徐特秀. 水中34种有机氯农药和氯苯类化合物测定的固相萃取-气相色谱-质谱分析法[J]. 污染防治技术 , 2015, 28 (3) : 56–61.
[2] 郑晓燕, 刘咸德, 刘文杰, 等. 卧龙自然保护区土壤中有机氯农药的浓度水平及来源分析[J]. 科学通报 , 2009, 54 (1) : 33–40.
[3] 杨梅, 张俊鹏, 蒲俊兵, 等. 重庆典型岩溶区地下河水体有机氯农药污染初步研究[J]. 中国岩溶 , 2009, 28 (2) : 144–148.
[4] Jones K C, De Voogt P. Persistent organic pollutants (POPs):state of the science[J]. Environmental Pollution , 1999, 100 (1-3) : 209–221. DOI:10.1016/S0269-7491(99)00098-6
[5] 朱英月, 刘全永, 李贺, 等. 辽东与山东半岛土壤中有机氯农药残留特征研究[J]. 土壤学报 , 2015, 52 (4) : 888–901.
[6] Tao S, Liu W X, Li Y, et al. Organochlorine pesticides contaminated surface soil as reemission source in the Haihe Plain,China[J]. Environmental Science&Technology , 2008, 42 (22) : 8395–8400.
[7] Zabik J M, Seiber J N. Atmospheric transport of organophosphate pesticides from California's Central Valley to the Sierra Nevada Mountains[J]. Journal of Environmental Quality , 1993, 22 (1) : 80–90.
[8] Jantunen L M, Helm P A, Kylin H, et al. Hexachlorocyclohexanes (HCHs) in the Canadian Archipelago.2.air-water gas exchange of α-and γ-HCH[J]. Environmental Science&Technology , 2007, 42 (2) : 465–470.
[9] Yuan D X, Zhu D H, Weng J T. Karst of China[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1993 .
[10] 袁道先, 蔡桂鸿. 岩溶环境学[M]. 重庆出版社, 1988 .
[11] Willett K L, Ulrich E M, Hites R A. Differential toxicity and environmental fates of hexachlorocyclohexane isomers[J]. Environmental Science&Technology , 1998, 32 (15) : 2197–2207.
[12] 王英辉, 祁士华, 李杰, 等. 广西岩溶洞穴大气中有机氯农药分布与传输[J]. 环境科学 , 2010, 31 (3) : 586–590.
[13] 唐访良, 张明, 徐建芬, 等. 钱塘江(杭州段)水中有机氯农药残留污染特征及健康风险评价[J]. 环境科学学报 , 2015, 35 (11) : 3595–3603.
[14] 孙剑辉, 王国良, 张干, 等. 黄河中下游表层沉积物中有机氯农药含量及分布[J]. 环境科学 , 2007, 28 (6) : 1332–1337.
[15] 窦磊, 杨国义. 珠江三角洲地区土壤有机氯农药分布特征及风险评价[J]. 环境科学 , 2015, 36 (8) : 2954–2963.
[16] Zhou R B, Zhu L Z, Chen Y Y. Levels and source of organochlorine pesticides in surface waters of Qiantang River,China[J]. Environmental Monitoring and Assessment , 2008, 136 (1-3) : 277–287.
[17] Ran D, Lu J J, Yao X R, et al. Distribution and risk assessment of organochlorine pesticides (OCPs) in soils of typical agricultural regions in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering , 2012, 28 (3) : 225–229.
[18] Castelo-Grande T, Augusto P A, Barbosa D. Removal of pesticides from soil by supercritical extraction-a preliminary study[J]. Chemical Engineering Journal , 2005, 111 (2-3) : 167–171. DOI:10.1016/j.cej.2005.02.008
[19] Mattina M J I, Iannucci-Berger W, Dykas L. Chlordane uptake and its translocation in food crops[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 2000, 48 (5) : 1909–1915. DOI:10.1021/jf990566a
[20] 周密, 李晓明. 北京郊区地表水质状况及有机氯农药残留特征[J]. 水土保持学报 , 2016, 30 (1) : 337–344.
[21] Pesando D, Robert S, Huitorel P, et al. Effects of methoxychlor,dieldrin and lindane on sea urchin fertilization and early development[J]. Aquatic Toxicology , 2004, 66 (3) : 225–239. DOI:10.1016/j.aquatox.2003.09.007
[22] Brunninger B M, Mano D M S, Scheunert I, et al. Mobility of the organochlorine compound dicofol in soil promoted by Pseudomonas fluorescens[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety , 1999, 44 (2) : 154–159. DOI:10.1006/eesa.1999.1813
[23] 徐建明, 蒋新, 刘凡, 等. 中国土壤化学的研究与展望[J]. 土壤学报 , 2008, 45 (5) : 817–829.
[24] 贺秋芳, 杨平恒, 袁文昊, 等. 微生物与化学示踪岩溶地下水补给源和途径[J]. 水文地质工程地质 , 2009, 36 (3) : 33–38.
[25] GB 5749-2006,生活饮用水卫生标准[S].
[26] World Health Organization. Guidelines for drinking-water quality:recommendations[M]. Geneva: World Health Organization, 2004 .
[27] GB 3907-1997,海水水质标准[S].
[28] GB 11607-1989,渔业水质标准[S].
[29] 万译文, 康天放, 周忠亮, 等. 北京官厅水库水体中挥发性有机物健康风险评价[J]. 环境科学研究 , 2009, 22 (2) : 150–154.
[30] 李娟娟, 陈家玮, 刘晨, 等. 北京郊区土壤中DDT (滴滴涕)残留调查及评价[J]. 地质通报 , 2008, 27 (2) : 252–256.
[31] Mahmood A, Malik R N, Li J, et al. Levels,distribution pattern and ecological risk assessment of organochlorines pesticides (OCPs) in water and sediments from two tributaries of the Chenab River,Pakistan[J]. Ecotoxicology , 2014, 23 (9) : 1713–1721. DOI:10.1007/s10646-014-1332-5
[32] 韦丽丽, 郭芳, 王健哲, 等. 柳州岩溶地下河水体有机氯农药分布特征[J]. 中国岩溶 , 2011, 30 (1) : 16–21.
[33] 张俊鹏, 祁士华, 姚慧丽. 广西岩溶地下河水体中有机氯农药浓度分布特征研究[J]. 环境污染与防治 , 2011, 33 (4) : 54–57.
[34] 胡英, 祁士华, 兰兰, 等. 岩溶地下河中HCHs和DDTs的分布特征与健康风险评价[J]. 中国环境科学 , 2010, 30 (6) : 802–807.
[35] Masih A, Lal J K, Patel D K. Contamination and exposure profiles of persistent organic pollutants (PAHs and OCPs) in groundwater at a Terai Belt of North India[J]. Water Quality,Exposure and Health , 2014, 6 (4) : 187–198. DOI:10.1007/s12403-014-0126-6
[36] Turgut C. The contamination with organochlorine pesticides and heavy metals in surface water in Küçük Menderes River in Turkey,2000-2002[J]. Environment International , 2003, 29 (1) : 29–32. DOI:10.1016/S0160-4120(02)00127-7