2. 贵州民族大学生态环境工程学院, 贵阳 550025;
3. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆 400716
2. College of Ecological Environmental Engineering, Guizhou Minzu University, Guiyang 550025, China;
3. Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 400716, China
沉积物是水体的重要组成部分, 重金属能够通过复杂的物理化学过程进入沉积物中.因此, 沉积物被认为是水环境中重金属等污染物的主要蓄积库[1,2].随着沉积物-水界面环境条件的变化, 沉积物中的重金属能够直接扩散或通过表层颗粒物的再悬浮进入到水体中, 对水体造成“二次污染”[3,4].因此, 沉积物可以作为水体污染的指示物, 其重金属含量能反映水体重金属的污染状况及生态风险等信息[5].
三峡水库是目前世界上最大的水利工程, 它的建成及运行使库区干流原有的水文、水动力特征发生改变.而在干流回水顶托影响下, 库区大小支流形成库湾回水区[6,7], 致使支流河口成为泥沙沉积的重要区域.在水体泥沙沉积的过程中, 污染物会因悬浮颗粒物的吸附、离子交换、絮凝、氧化还原等物理化学作用, 大都进入河口沉积物[8].近年来, 研究人员在研究长江口、黄河口以及各湖泊入湖口、海湾入海口等地区沉积物特征时发现, 在河口处沉积物重金属含量相对较高, 并且都存在一定程度的重金属污染[9~12].三峡水库腹心地带分布有32条大小不一的一级支流[13], 其河口沉积物重金属污染状况也值得关注.肖尚斌等[14]对三峡库区香溪河库湾沉积物重金属污染特征的研究发现, 该区域河口处原水与沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd等重金属均高于香溪河各点的最高值, 安立会等[15]对三峡库区大宁河与磨刀溪重金属污染特征的研究发现, 大宁河和磨刀溪的重金属含量在入江口区域含量最高.为此, 本文以位于库区腹心地带忠县的汝溪河为研究对象, 在其河口分时采集沉积物样品, 分析了8种重金属含量, 并采用地累积指数法、潜在生态风险评价指数值法和沉积物质量基准法研究沉积物中重金属污染程度和生态风险, 以期为该区域生态环境质量评价提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域汝溪河是三峡库区长江重要一级支流之一, 其发源于万州区分水镇三角凼, 流经培文镇, 在梁平县境内和汝溪河另一支流交汇, 流经忠县汝溪镇, 最后经忠县涂井乡注入长江.全流域面积720 km2, 主河道长54.5 km, 在忠县境内流域面积272.9 km2, 主河道长25.4 km.多年平均径流总量达1.49×109 m3[16], 在三峡水库175 m蓄水以后, 长江水淹没至涂井乡以上, 形成了长达15 km的汝溪河回水区[17].
1.2 样品采集与分析 1.2.1 采样点布设根据汝溪河河口与长江干流交汇处所形成的回水区特点设置河口、中游以及左右两个断面S1~S4(图 1)这4个采样点.
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图 1 研究区域及采样点分布示意 Fig. 1 Study area and sediment sampling sites |
分别于2016年7月、9月、12月和2017年3月这4个月采集样品分别代表夏、秋、冬和春季.采用SWB-1型不扰动湖泊沉积物采样器采集S1~S4样点的沉积物柱(0~10 cm), 按1 cm间距进行分割, 将样品装入自封袋中, 于4℃的车载冰箱中保存并尽快带回实验室, 经冷干机进行冷冻干燥后, 用玛瑙研钵进行研磨并过100目尼龙筛, 存放于自封袋中于4℃下保存.
样品采用HF-HNO3-HClO4三酸微波消解后, 电热板上150℃赶酸, 冷却至室温用超纯水定容至50 mL, 过0.45 μm滤膜后保存待测.采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Thermo Scientific iCAP RQ)测定Cr、Zn、Mn、Ni、Cu、As、Cd和Pb等8种重金属元素的含量.实验中所用试剂均为优级纯, 分析过程中采用平行样和标准参考物质GBW-07408进行质量控制, 各元素的回收率在90%~105%之间, 相对误差均小于10%.将每个沉积物柱状样的重金属含量均值作为该柱状样的重金属含量.
1.2.3 数据处理数据统计分析采用SPSS 19.0上进行, 图表制作采用Origin 8.0软件完成.
1.3 重金属污染及风险评价方法本研究分别运用了地累积指数法、潜在生态风险评价指数值法和沉积物质量基准法对研究区域沉积物中重金属的污染程度及生态风险进行评价.
1.3.1 地累积指数法地累积指数(index of geoaccumulation, Igeo)法是一种对土壤和沉积物重金属污染程度进行定量评价常用方法之一, 根据Igeo值重金属的污染程度分为7级, 分级标准见表 1, 计算公式为:
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表 1 地累积指数分级标准 Table 1 Index of geoaccumulation and classification of pollution degree |
式中, Ci为重金属i在沉积物中的实际含量(mg·kg-1), k为常数, 一般为1.5; Bi为沉积物中重金属元素i地球化学背景值(mg·kg-1), 本研究以长江水系沉积物背景值作为参比值[18].
1.3.2 潜在生态风险评价指数法潜在生态危害指数法[19]是从沉积学的角度对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法.采用重金属实测值与背景值的比值, 及重金属的生物毒性系数进行加权求和得到生态危害指数, 其计算方法如下:
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式中, Ci为表层沉积物中重金属i的实测含量(mg·kg-1); Cni为重金属i的背景值(mg·kg-1), Ti为重金属i的毒性系数(As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的毒性系数分别为10、30、2、5、5和1), Ei为单个重金属的潜在生态危害系数; RI为多种重金属潜在生态风危害指数, Hakanson基于As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和PCBs 8种污染物对RI划分了4个等级.由于PCBs和Hg未在本研究中涉及, 采用原有的RI等级划分标准可能会低估重金属的生态风险, 所以本文主要采用单重金属的潜在生态危害系数Ei进行评价, 潜在生态风险指数RI值及相对应的生态危害程度见表 2.
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表 2 生态危害系数、指数与危害程度分级 Table 2 Ecological risk coefficient, risk index, and classification of risk intensity |
1.3.3 沉积物质量基准
沉积物质量基准(SQGs)主要基于生物有效性的评价指标, 用于评价沉积物中重金属的生物毒性.它是由MacDonald等[21]提出的关于淡水水体沉积物的质量基准, 包括最低效应阈值(TEC)和可能效应阈值(PEC), 当重金属含量低于TEC时, 该金属不会对底栖生物产生毒性效应, 当高于PEC时, 该金属会对底栖生物产生毒性, 若介于两者之间, 则可能会产生毒性效应[21].
2 结果与讨论 2.1 沉积物中重金属的含量与分布研究区域4个采样点沉积物中重金属的含量变化见图 2.Cr、Zn、Mn、Ni、Cu、As、Cd和Pb的含量范围分别为14.19~75.34、6.77~87.14、116.82~657.14、6.658~33.382、4.84~21.14、2.82~11.10、0.132~0.394和4.844~17.900 mg·kg-1. 4个采样点Mn、As和Cd含量均超过了三峡库区沉积物重金属背景值242.8、5.84和0.13 mg·kg-1[22], S2点河口处Mn (453.07 mg·kg-1)和Cd (0.29 mg·kg-1)超过背景值的两倍. 8种重金属含量均表现为河口处高于中游及左右两个断面, 该结论与刘恩峰等[23]和王健康等[24]的研究基本一致.其主要原因为河口处由于干流水体以倒灌异重流的形式进入支流与其进行水交换, 水动力作用减弱伴随细颗粒物、有机物等的吸附沉淀作用, 有研究表明[25], 自然成因的重金属主要存在于沉积物和土壤的细粒级部分, 在没有人为影响的情况下, 沉积物和土壤的质地越细则其中金属含量越高, 而细颗粒物主要由黏土矿物和有机物质组成, 其对重金属元素的吸附交换能力较强, 能够更多地“捕获”水体中的重金属, 从而成为较强的“汇”, 使得河口处重金属比中游和左右断面要高.
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图 2 沉积物重金属的含量分布 Fig. 2 Concentrations of heavy metals in sediments |
S1~S4这4个采样点重金属含量随季节的变化分级结果见图 3, 结果显示:Cr、Zn、Mn、Ni、Cu、As、Cd和Pb这8种重金属含量均随季节的变化呈现规律性的下降, 大小依次为春季>夏季>秋季>冬季, 这与许多研究学者[26~28]对湖泊的重金属含量随季节的变化结论不一致, 而研究区域与湖泊所不同的是, 三峡库区每年9月开始蓄水, 10月底蓄水至高程175 m水位, 次年的3月开始退水, 5月降至防洪水位145 m, 本研究采样的春季正值3月, 经过半年的蓄水, 水体的滞留时间最长, 随时间的增加, 加速了水体中的悬浮物的沉积, 而水体中的重金属因易于吸附在水体颗粒物上而沉降.同时, 沉积物中的黏土矿物和有机物质等从水体中吸附重金属也是导致其含量增加的更重要原因, 因此导致春季的沉积物重金属含量高于其它季节.
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图 3 表层沉积物重金属含量的季节变化 Fig. 3 Heavy metal contents distribution in surface sediment in different seasons |
确定重金属的来源对有效控制重金属的污染至关重要.利用SPSS Pearson相关分析对研究区域的沉积物中金属含量进行了相关性分析(表 3), 结果显示沉积物中8种元素均呈现显著性的正相关性(P<0.01), 说明该研究区域沉积物中8种重金属元素具有相似的元素地球化学性质或来源[29].研究区域周边没有工厂, 没有人为因素, 如农业和渔业活动等直接污染源, 可以判断,重金属极有可能来源于上游来水、农田的面源污染及样点周边区域地表径流携带泥沙的沉积影响.
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表 3 表层沉积物中重金属的相关性 Table 3 Correlation of the heavy metal contents in surface sediment |
2.4 研究区沉积物重金属污染评价
采用地累积指数对该支流河口沉积物重金属污染程度进行评价分析, 结果见图 4所示, S1~S4这4个采样点中Cr、Zn、Mn、Ni、Cu、As和Pb这7种重金属地累积指数均小于0, 仅Cd为轻度污染状态, 即研究区域属于重金属Cd的轻微污染类型, 这与王健康等[24]对三峡库区表层沉积物的重金属污染研究一致.
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图 4 表层沉积物重金属污染的地累积指数 Fig. 4 The Igeo of heavy metals pollution in the surface sediments |
同时计算研究区域沉积物中重金属元素的潜在生态危害系数Ei和潜在生态危害综合指数RI(表 4).从单因子潜在生态危害系数Ei看, Cr、Zn、Cu、As和Pb这5种污染物均属于低潜在生态风险, Cd在4个采样点均为中等潜在生态风险, 从重金属的综合潜在生态风险指数分析, 4个采样点RI均低于150, 总体都处于低潜在生态风险, 但Cd的Ei对RI的权重贡献最大, 是首要的潜在生态风险因子.总体来说, 该支流河口沉积物的潜在生态风险的来源主要是Cd.
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表 4 表层沉积物的重金属风险评价 Table 4 Risk assessment of heavy metals in the surface sediments |
如图 5所示, 参照沉积物质量基准(SQGs)的最低效应阈值(TEC)和可能效应阈值(PEC), 研究区域Cr、Zn、Cu、As、Cd和Pb这6种重金属含量均低于TEC阈值(图 5).仅S2点(与干流交界的河口处)Ni的含量介于TEC和PEC之间, 根据SQGs生态风险等级标准[19], Ni可能会对底栖生物产生毒性效应.综合Ei和SQGs评价结果, 并参考重金属的污染程度, 研究区域表层沉积物中重金属Cd具有中等潜在生态风险, 只根据SQGs法, Cd的潜在生态风险会被低估, Ni的生态风险会被高估, 因此, 采用多种生态风险评方法进行对比分析, 能够减小单一评估方法带来的不确定性, 提供更加可靠的评估结果.
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图 5 沉积物重金属含量与沉积物质量基准法阈值(TEC和PEC) Fig. 5 Heavy metal concentration in the sediment and the thresholds of sedment quality guidelines (TEC and PEC) |
(1) 汝溪河支流河口沉积物中8种重金属元素的来源无明显人为污染源, 其主要来源于干流及周边区域地表径流携带泥沙的沉积.
(2) 8种重金属含量均随季节的变化呈现规律性变化, 其中春季最高, 主要原因为经过半年蓄水, 水体的滞留时间最长, 时间的增加加速了水体中的悬浮物的沉积以及沉积物的黏土物质和有机物质对重金属的吸附.
(3) 从单个重金属生态风险看, Cd处于中等生态风险状态, 其余重金属处于低生态风险状态, 沉积物除Cd为轻度污染, Ni可能对底栖生物有毒性效应外, 其余6种重金属含量均处于安全水平.
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