劉 俊，朱允華，胡勁松，彭國文，謝紅艷，李志良，彭翠英

(1.南華大學(xué)藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

湘江中游江段沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價

劉 俊1，朱允華1，胡勁松1，彭國文2，謝紅艷1，李志良1，彭翠英1

(1.南華大學(xué)藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

為了研究湘江中游江段沉積物中重金屬的污染特征及生態(tài)風(fēng)險，于枯水期在株洲段和衡陽段采集了6個斷面的18個沉積物；測定了沉積物中Cd、Pb、Zn、Cu 的總量、形態(tài)及生物有效性，利用地積累指數(shù)法和單因子指數(shù)法分析了其污染程度與等級，并評價了湘江重金屬污染治理的成效。結(jié)果表明：(1)湘江中游4種典型重金屬(Cd、Pb、Zn、Cu)含量遠(yuǎn)高于湖南省土壤背景值，分別為背景值的83.1～1 178.7、4.46～15.9、2.88～16.1和3.35～6.22倍；整體上看，重金屬含量由上游往下游呈逐漸增加趨勢。(2)湘江中游各采集點(diǎn)沉積物重金屬的交換態(tài)比例不高，無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)占很大比例，有較高的二次污染風(fēng)險。(3)湘江中游沉積物中各重金屬的生物可利用性差異顯著，霞灣鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn)生物可利用性最高的是Cu，其余各采集點(diǎn)均為Cd。(4)與GB 15618—1995 《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中二級標(biāo)準(zhǔn)比較，各采集點(diǎn)Cd、Pb、Zn、Cu含量均已超標(biāo)；其中污染最嚴(yán)重的是Cd，已達(dá)到強(qiáng)—極強(qiáng)的污染程度。(5)湘江流域重金屬污染的綜合治理已一定程度上降低了湘江沉積物重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險。

湘江中游；沉積物；重金屬污染；生態(tài)風(fēng)險

作為水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,沉積物為大量底棲生物提供了覓食、棲息和繁殖的場所。隨著現(xiàn)代工業(yè)與礦業(yè)的發(fā)展,大量的外源污染物通過大氣沉降、廢水排放、水土流失等途徑進(jìn)入水體,最后匯集在沉積物中。沉積物污染成為全球性的環(huán)境問題[1-5]。對污染物而言,沉積物具有源和匯的雙重功能,水環(huán)境質(zhì)量的變化與沉積物的環(huán)境質(zhì)量存在極為密切的關(guān)系[6]。沉積物中的污染物可直接或間接地對底棲生物、浮游生物產(chǎn)生毒害,并富集在水生生物體內(nèi),再經(jīng)食物鏈的傳遞對整個水生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康構(gòu)成潛在威脅[7]。

湖南省素有“有色金屬之鄉(xiāng)”的美名,礦產(chǎn)開發(fā)、冶煉和化工等工業(yè)活動促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展,但由于采礦和冶煉中的廢水、廢渣及降塵未達(dá)標(biāo)或未經(jīng)處理直接排放,造成湘江流域周圍水體、土壤和農(nóng)作物受到嚴(yán)重污染[8-16]。研究表明,湘江衡陽段底泥重金屬Cd、Pb污染特別嚴(yán)重,底泥Cd 的地積累指數(shù)(Igeo)值均為6級,已達(dá)到極強(qiáng)的污染程度,底泥Pb 的Igeo值均為2～3級,已達(dá)到極中至強(qiáng)的污染程度,存在較大的生態(tài)毒性風(fēng)險[16]。因此,湘江沉積物重金屬污染的治理和湘江水體生態(tài)系統(tǒng)被納入我國水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng);湖南省政府亦啟動了湘江流域重金屬污染的綜合治理工作,規(guī)劃期限為2011—2020年。湘江流域重金屬污染整治工作效果如何,湘江沉積物重金屬的生態(tài)風(fēng)險是否降低問題尚缺乏系統(tǒng)的研究報道。因?yàn)橄娼杏谓魏哟捕嗟[石、卵石等硬質(zhì)底,加之中游的株洲航電樞紐、衡山大源渡水電站建成蓄水,使中游水位大幅度抬升,在豐水期和平水期江中洲灘常被淹沒,不便采集江底沉積的泥沙;所以筆者選擇在洲灘露出江面的枯水期進(jìn)行采樣,以采集的湘江中游江段的沉積物為研究對象,測定沉積物中Cd、Pb、Zn、Cu總量、不同形態(tài)的含量及其比例、生物有效性等,采用單因子指數(shù)法與地積累指數(shù)法對沉積物重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行定量分析與評價,旨在了解湘江重金屬污染治理的成效,以期為今后的湘江水體污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

在枯水期(10—11月)由上游向下游在常寧市松柏鎮(zhèn)、衡南縣車江鎮(zhèn)、衡陽市東洲島、衡東縣霞流鎮(zhèn)、株洲縣淦田鎮(zhèn)、株洲市霞灣鎮(zhèn)進(jìn)行沉積物采樣(圖1)。在各斷面的江中洲灘灘尾回水區(qū)、緩水區(qū)和淺水區(qū)采集沉積物表層 0～20 cm 沉積物,每個斷面采集3個樣本,共計18個樣品,用聚乙烯封口袋封裝并標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室。將沉積物樣品轉(zhuǎn)移到潔凈的搪瓷盤中,自然風(fēng)干,剔除木屑、碩石、動植物殘體等異物,混勻后研磨處理,全部過0.150 mm孔徑篩,用廣口瓶保存?zhèn)溆肹17]。

S1～S6采樣點(diǎn)分別位于霞灣鎮(zhèn)、淦田鎮(zhèn)、霞流鎮(zhèn)、東洲島、車江鎮(zhèn)、松柏鎮(zhèn)。圖1 湘江沉積物采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution map of the sediment sampling sites along Xiangjiang River

1.2 樣品中重金屬總量與形態(tài)分析

取1.0 g沉積物風(fēng)干樣品,采用HNO3-HF-HClO4法消解,然后用原子吸收分光光度計(瓦里安AA240FS,美國)測定 Cd、Pb、Zn和Cu 含量[18]。參照 Tessier連續(xù)提取法[19],將沉積物樣品中Cd、Pb、Zn和Cu分成交換態(tài)(Ⅰ)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(Ⅱ)、無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(Ⅲ)、 有機(jī)結(jié)合態(tài)(Ⅳ)和殘?jiān)鼞B(tài)(V)5 種主要形態(tài)。采用雙平行樣和加標(biāo)回收法,各元素的加標(biāo)回收率為94.6%～104.4%,符合元素分析質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 污染生態(tài)評價及生物有效性分析

單因子指數(shù)法和MULLER[20]提出的地積累指數(shù)法(index of geoaccumulation,Igeo)是眾多水體沉積物中重金屬污染評價應(yīng)用最廣泛的方法。該研究中沉積物污染采用單因子指數(shù)法和地積累指數(shù)法進(jìn)行綜合評價。沉積物污染評價的單因子指數(shù)法計算公式如下:

Pi=Ci/Si。

(1)

式(1)中,Pi為沉積物中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測值,mg·kg-1;Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn),mg·kg-1。

地積累指數(shù)(Igeo)法計算公式如下:

Igeo=log2[Ci/(1.5×Bi)]。

(2)

式(2)中,Bi為參比值,即當(dāng)?shù)啬纲|(zhì)母巖中該元素的背景值,mg·kg-1;常數(shù) 1.5為考慮到造巖運(yùn)動可能引起的背景值變動而取的系數(shù)[17]。具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

重金屬生物有效性(K)可用下列表示[21]:K=(可交換態(tài)含量+碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量)/全量。

表1 重金屬污染指數(shù)與分級標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Indices and criteria for grading of heavy metal pollution

級別單因子污染指數(shù)(Pi)污染等級地積累指數(shù)(Igeo)污染等級0Pi<1清潔Igeo≤0無11≤Pi<2輕污染05極強(qiáng)

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2010 和 SPSS 13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,組間數(shù)據(jù)差異比較用雙重因素等重復(fù)方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 湘江中游沉積物典型重金屬含量

湘江中游江段沉積物重金屬含量測定結(jié)果如圖2所示。湘江中游沉積物中重金屬Cd、Pb、Zn和Cu污染嚴(yán)重;各采樣點(diǎn)重金屬含量差異極顯著(P<0.01);尤其是Zn含量極顯著高于其他3種重金屬。各采集點(diǎn)沉積物Cd、Pb、Zn和Cu含量遠(yuǎn)高于湖南省土壤背景值,分別為背景值的83.1～1 178.7、4.46～15.9、2.88～16.1和3.35～6.22倍。從整體上看,湘江株洲段(霞灣和淦田鎮(zhèn))重金屬含量明顯高于湘江衡陽段(東洲島、霞流鎮(zhèn)、車江鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn))重金屬含量。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一種重金屬 不同采樣點(diǎn)之間某重金屬含量差異極顯著(P<0.01)。圖2 湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物重金屬含量Fig.2 Contents of heavy metals in the sediments sampled at various sampling sites along the middle reaches of Xiangjiang River

2.2 湘江中游沉積物典型重金屬形態(tài)分布

湘江中游沉積物中Cd、Pb、Zn和Cu的形態(tài)分布如圖3～4所示。

Ⅰ～Ⅴ分別為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、 有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。 直方柱上方英文小寫字母不同表示同一種重金屬不同采樣點(diǎn)之間含量差異極顯著(P<0.01)。圖3 湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物中不同形態(tài)重金屬含量Fig.3 Concentrations of heavy metals by form in the sediments sampled at various sampling sites along the middle reaches of Xiangjiang River

各采樣點(diǎn)沉積物不同形態(tài)重金屬所占比例各不相同。Cd在霞灣鎮(zhèn)以無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主,其余各采樣點(diǎn)以碳酸鹽結(jié)合態(tài)和無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主;Pb在各采樣點(diǎn)以無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主;Zn在霞灣以無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主,在淦田鎮(zhèn)以無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)為主,其余各采樣點(diǎn)以無定形鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)為主;Cu在各采樣點(diǎn)的交換態(tài)比例很小,其余各形態(tài)比例均較高。各采樣點(diǎn)沉積物中Cd、Pb和Zn交換態(tài)比例明顯高于Cu交換態(tài)比例。其中,交換態(tài)比例最低的重金屬是霞流鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn)的Cd(0.160 mg·kg-1),最高的是霞灣鎮(zhèn)的Zn(131.7 mg·kg-1)。

Ⅰ～Ⅴ分別為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、 有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。圖4 湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物中不同形態(tài)重金屬的分布比例Fig.4 Proportions of the heavy metals by form in the sediments sampled at various sampling sites along the middle reaches of Xiangjiang River

2.3 湘江中游沉積物典型重金屬生物可利用性

重金屬的生物可利用性是指重金屬能夠被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的性狀[22]。從圖5可知,湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物中重金屬的生物可利用性差異顯著(K值介于0.007～0.552之間),且沒有明顯的地域分布規(guī)律。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一重金屬不同 采樣點(diǎn)間生物可利用性差異顯著(P<0.01)。圖5 湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物中重金屬的生物可利用性Fig.5 Bioavailability of the heavy metals in the sediments of the middle reaches of Xiangjiang River

湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物 Cd 的生物可利用性差異極顯著(P<0.01),從大到小依次為淦田鎮(zhèn)、車江鎮(zhèn)、東洲島、霞流鎮(zhèn)、松柏鎮(zhèn)和霞灣鎮(zhèn),淦田鎮(zhèn)的Cd生物可利用性是霞灣鎮(zhèn)的3.22 倍;各采樣點(diǎn)Pb 的生物可利用性差異極顯著(P<0.01),從大到小依次為淦田鎮(zhèn)、松柏鎮(zhèn)、霞灣鎮(zhèn)、車江鎮(zhèn)、霞流鎮(zhèn)和東洲島,淦田鎮(zhèn)Pb的生物可利用性是東洲島的3.25倍;各采樣點(diǎn)Zn 的生物可利用性差異極顯著(P<0.01),從大到小依次為霞灣鎮(zhèn)、東洲島、淦田鎮(zhèn)、車江鎮(zhèn)、霞流鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn),霞灣鎮(zhèn)Zn的生物可利用性是松柏鎮(zhèn)的2.38倍;各采樣點(diǎn)Cu 的生物可利用性差異極顯著(P<0.01),從大到小依次為松柏鎮(zhèn)、霞灣鎮(zhèn)、東洲島、車江鎮(zhèn)、淦田鎮(zhèn)和霞流鎮(zhèn),松柏鎮(zhèn)Cu的生物可利用性是霞流鎮(zhèn)的1.64倍。在各采樣點(diǎn)中,霞灣鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn)生物可利用性最高的重金屬是Cu,其余各采樣點(diǎn)均為Cd。

2.4 湘江中游沉積物典型重金屬污染程度評價

采用全國土壤環(huán)境背景值調(diào)查成果中湖南省土壤背景值的幾何均值作為地積累指數(shù)法的參比值[23];以GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)值作為單因子指數(shù)法的評價標(biāo)準(zhǔn)[24]。湘江中游沉積物 Cd、Pb、Zn和Cu 污染程度評價與分級結(jié)果如表2所示。從單因子指數(shù)分析法可知,湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物Cd、Pb、Zn、Cu 的Pi均>1。這表明湘江中游沉積物重金屬污染極嚴(yán)重。沉積物中Cd含量超出GB 15618—1995二級標(biāo)準(zhǔn)41.9～594 倍,Pb 含量超出1.66～5.91 倍,Zn 含量超出 1.82～10.2 倍,Cu含量超出1.83～3.40 倍。從表2可知,各采樣點(diǎn)沉積物中重金屬污染最嚴(yán)重的是Cd。Cd的Igeo值均接近或超過4級,污染程度為強(qiáng)—極強(qiáng),尤其是地處株洲境內(nèi)的霞灣和淦田鎮(zhèn),達(dá)到了極強(qiáng)的污染程度;單因子指數(shù)分析表明,Cd在各采樣點(diǎn)的污染等級均為重污染。地累積指數(shù)分析表明,Pb、Zn和Cu在各采樣點(diǎn)大多屬于中度污染級別;Pb、Zn和Cu的單因子指數(shù)在各采樣點(diǎn)大多達(dá)中污染和重污染等級。

表2 湘江中游沉積物典型重金屬污染程度評價

Table 2 Evaluation of typical heavy metal pollution level of the sediments in the middle reaches of Xiangjiang River

采樣點(diǎn)地累積指數(shù)IgeoCdPbZnCuIgeo污染等級Igeo污染等級Igeo污染等級Igeo污染等級霞灣鎮(zhèn)6.67極強(qiáng)1.59中度2.38中—強(qiáng)度0.85無—中度淦田鎮(zhèn)5.32極強(qiáng)1.31中度1.81中度1.42中度東洲島4.65強(qiáng)—極強(qiáng)1.26中度1.24中度1.37中度霞流鎮(zhèn)4.50強(qiáng)—極強(qiáng)1.15中度1.02中度1.16中度車江鎮(zhèn)4.51強(qiáng)—極強(qiáng)0.93無—中度1.09中度1.14中度松柏鎮(zhèn)3.68強(qiáng)0.93無—中度0.66無—中度0.80無—中度采樣點(diǎn)單因子指數(shù)PiCdPbZnCuPi污染等級Pi污染等級Pi污染等級Pi污染等級霞灣鎮(zhèn)594.0重污染5.91重污染10.2重污染1.91輕污染淦田鎮(zhèn)154.0重污染2.75中污染5.75重污染3.40重污染東洲島78.9重污染2.01中污染3.26重污染3.21重污染霞流鎮(zhèn)67.9重污染1.95輕污染2.61中污染2.65中污染車江鎮(zhèn)68.9重污染1.77中污染2.8中污染2.55中污染松柏鎮(zhèn)29.9重污染1.41輕污染1.82輕污染1.83輕污染

3 討論

從衡陽上游的松柏鎮(zhèn)至株洲下游的霞灣鎮(zhèn),各采樣點(diǎn)重金屬污染的程度和等級逐漸加劇,這主要與當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局有關(guān),尤其與礦業(yè)、化工等產(chǎn)業(yè)沿湘江兩岸分布的格局關(guān)系密切。衡陽境內(nèi)的水口山礦區(qū)地處湘江大源渡樞紐上游,因埋藏有大量的鉛、鋅、銅等有色金屬,享有“世界鉛都”之美譽(yù)。株洲清水塘工業(yè)區(qū)大型工礦企業(yè)和株洲霞灣工業(yè)區(qū)冶煉企業(yè)等“涉重”企業(yè)也分布在湘江沿岸。這些企業(yè)在采選和冶煉等過程中,排放的廢氣、廢渣、廢水已成為湘江水系及其周邊土壤污染主要來源[25]。從上游往下游,湘江沿岸重金屬污染源逐漸增多,排放的重金屬廢棄物也越來越多;加之株洲航電樞紐和衡山大源渡樞紐水電工程導(dǎo)致水流變緩,造成株洲江段沉積物中重金屬污染物越來越多。

湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物中不同重金屬之間的含量與形態(tài)分布差異顯著。這說明湘江中游沿岸各縣市人類活動對所處江段沉積物重金屬污染具有明顯的影響。衡陽境內(nèi)的松柏鎮(zhèn)位于水口山礦區(qū)附近,該江段采沙活動頻繁。因?yàn)椴缮郴顒拥臄噭?大量流入湘江的水口山礦區(qū)污水及該江段沉積物中的重金屬隨水流漂流到下游河段或隨沙被大量轉(zhuǎn)移至其他地區(qū),故沉積物中的重金屬含量和污染程度相對較輕。東洲島地處衡陽市中心城區(qū),大量工礦企業(yè)在冶煉過程中排放的廢水和生活污水排放流入湘江,導(dǎo)致沉積物中重金屬污染嚴(yán)重。位于衡陽市城區(qū)下游的大源渡水電站的蓄水,導(dǎo)致湘江衡陽段水位深、水流緩慢,排入水體的外源性污染物易沉降至沉積物中,這可能是導(dǎo)致湘江衡陽市城區(qū)段沉積物中重金屬嚴(yán)重超標(biāo)的另一重要原因。車江鎮(zhèn)境內(nèi)礦藏豐富,地下蘊(yùn)藏大量鐵、銅礦石及煤、鈾等,開采歷史悠久,分布在該鎮(zhèn)的一系列化工企業(yè)可能是導(dǎo)致該鎮(zhèn)沉積物重金屬污染嚴(yán)重的原因。

土壤中重金屬形態(tài)是決定其生物可利用性的基礎(chǔ),且各形態(tài)在一定的環(huán)境條件下可以相互轉(zhuǎn)化[26]。雖然湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物Cd、Pb、Zn和Cu重金屬形態(tài)分布中交換態(tài)比例并不高,但其含量均達(dá)到較高水平;尤其是各重金屬的生物可利用態(tài)含量非常高。這表明湘江中游沉積物中受到的人為污染比較嚴(yán)重,沉積物中重金屬的生物危害性不容忽視。無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬在比較強(qiáng)的酸性介質(zhì)以及適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下可轉(zhuǎn)化為生物可利用態(tài),是生物可利用態(tài)重金屬的直接提供者[27]。湘江中游各采樣點(diǎn)沉積物各重金屬形態(tài)分布中,無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)占了很大比例且其含量均很高,容易釋放出來造成二次污染,這是嚴(yán)重威脅湘江中游水系生態(tài)系統(tǒng)和沿岸市民身體健康的重要的潛在因素。

劉俊等[16]研究發(fā)現(xiàn),湘江衡陽段各采樣點(diǎn)底泥Cd的Igeo值均為6 級,均已達(dá)到極強(qiáng)污染程度;各采樣點(diǎn)底泥Pb的Igeo值在2～3級,屬于中—強(qiáng)污染程度。從表2可知,衡陽段各采樣點(diǎn)底泥Cd的Igeo值均為4～5級,屬于強(qiáng)—極強(qiáng)污染程度;各采樣點(diǎn)底泥Pb的Igeo值在1～2級,屬于無—中度污染程度。這表明湘江流域經(jīng)過幾年的重金屬污染綜合治理,湘江沉積物重金屬總量有所減少,其生態(tài)風(fēng)險和污染程度也有一定程度的下降。霞灣鎮(zhèn)江段沉積物重金屬污染最為嚴(yán)重,這與朱余銀等[28]對湘江長株潭江段沉積物重金屬含量分布的研究結(jié)果一致,但其總量顯著下降;且該江段的重金屬生物可利用性并不是最高的。這說明2011年啟動的霞灣港重金屬污染治理的一期清淤工程取得了明顯成效,不但降低了沉積物中重金屬含量,其生物毒性也有所下降。

從湘江中游沉積物重金屬總量和形態(tài)分布來看,對于湘江重金屬污染的治理可以從以下這個方面實(shí)施。湘江干流的清淤工程是最直接、最有效的減少沉積物重金屬污染的方法,湘江流域眾多廠礦企業(yè)也減少了重金屬污染物排放。因?yàn)槌练e物中無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬比例和含量較高,易受到酸性介質(zhì)影響而釋放造成二次污染,所以應(yīng)減少流域內(nèi)的酸排放和酸沉降。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)是較強(qiáng)的離子鍵結(jié)合的化學(xué)形態(tài),雖不易釋放,但當(dāng)水體嚴(yán)重缺氧或其氧化還原電位降低時這種結(jié)合態(tài)重金屬鍵能被還原,從而造成對水體的二次污染。2008年10月和2010年9月湘江曾出現(xiàn)過藻類水華,爆發(fā)的藻類對水體重金屬有著高富集的特性[29]。在水華暴發(fā)后期水體嚴(yán)重缺氧時,沉積物中的重金屬有被重新釋放的風(fēng)險。因此,對于湘江沉積物重金屬污染的治理工作,還要綜合考慮減少或預(yù)防水體出現(xiàn)水華的因素。

4 結(jié)論

(1) 湘江中游Cd、Pb、Zn和Cu含量遠(yuǎn)高于湖南省土壤背景值,分別為背景值的83.1～1 178.7、4.46～15.9、2.88～16.1和3.35～6.22倍,其中Cd含量超標(biāo)嚴(yán)重;整體上看,重金屬含量由上游至下游呈逐漸增加趨勢。

(2) 湘江中游各采樣點(diǎn)各重金屬形態(tài)分布中交換態(tài)比例不高,但是無定型鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)占比很大,有較強(qiáng)的二次污染風(fēng)險。

(3) 湘江中游沉積物中各重金屬的生物可利用性差異顯著(K值介于0.007～0.552之間),霞灣鎮(zhèn)和松柏鎮(zhèn)生物可利用性最高的重金屬是Cu,其余各采樣點(diǎn)生物可利用性最高的均為Cd。

(4) 與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)比較,各采樣點(diǎn) Cd、Pb、Zn和Cu均已超標(biāo);其中污染最嚴(yán)重的是Cd,各采樣點(diǎn)均達(dá)到強(qiáng)—極強(qiáng)的污染程度。

(5) 湘江流域重金屬污染的綜合治理已一定程度上降低了湘江沉積物重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險。

[1] 李娟英,石文瑄,崔昱,等.滴水湖水體及沉積物中重金屬和多環(huán)芳烴的污染分析與評價[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2016,32(1):96-101.[LI Juan-ying,SHI Wen-xuan,CUI Yu,etal.Analysis and Evaluation of Heavy Metal and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Water and Sediment of Lake Dishui[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2016,32(1):96-101.]

[2] HUANG Xian-fei,HU Ji-wei,LI Cun-xiong,etal.Heavy-Metal Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Sediments From Baihua Lake,Guizhou P.R.China[J].International Journal of Environmental Health Research,2009,19(6):405-419.

[3] NAGLAA F S,SAMIR M N,MOHAMED A O.Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Sediments From the Mediterranean Coast,Egypt[J].Journal of Environmental Health Science and Engineering,2015,13(1):70.

[4] CHRISTOPHORIDIS C,DEDEPSIDIS D,FYTIANOS K.Occurrence and Distribution of Selected Heavy Metals in the Surface Sediments of Thermaikos Gulf in Greece:Assessment Using Pollution Indicators[J].Journal of Hazardous Materials,2009,168(2/3):1082-1091.

[5] FATMA C,MüNIR Z L G,OSMAN B D,etal.An Assessment of Metal Pollution in Surface Sediments of Seyhan Dam by Using Enrichment Factor,Geoaccumulation Index and Statistical Analyses[J].Environmental Monitoring and Assessment,2009,152(1/2/3/4):309-317.

[6] ZHANG Lei,LIAO Qian-jia-hua,SHAO Shi-guang,etal.Heavy Metal Pollution,Fractionation,and Potential Ecological Risks in Sediments From Lake Chaohu (Eastern China) and the Surrounding Rivers[J].International Journal of Environmental Research and Public Health,2015,12(11):1415-1431.

[7] ADAMS W J,KIMERLE R A,BARNETT J J W.Sediment Quality and Aquatic Life Assessment[J].Environmental Science and Technology,1992,26(10):1864-1875.

[8] 劉俊,胡自強(qiáng).湘江中游江段軟體動物的種類組成及其多樣性[J].生態(tài)學(xué)報,2007,27(3)1153-1160.[LIU Jun,HU Zi-qiang.The Species Composition and Diversity of Mollusca in the Middle Reaches of Xiang River[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(3)1153-1160.]

[9] LI Y,LIN T,QIN Y,etal.Distribution and Sources of Organochlorine Pesticides in Sediments of the Xiangjiang River,South-Central China[J].Environmental Monitoring and Assessment,2013,185(11):8861-8871.

[10]秦普豐,雷鳴,郭雯.湘江湘潭段水環(huán)境主要污染物的健康風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(4):190-195.[QIN Pu-feng,LEI Ming,GUO Wen.Health Risk Assessment of Main Water Pollutants of Xiangjiang River in Xiangtan City[J].Research of Environmental Sciences,2008,21(4):190-195.]

[11]LIU Hong-yu,PROBST A,LIAO Bo-han.Metal Contamination of Soils and Crops Affected By the Chenzhou Lead/Zinc Mine Spill(Hunan,China)[J].Science of the Total Environment,2005,339(1/2/3):153-166.

[12]雷鳴,曾敏,鄭袁明,等.湖南采礦區(qū)和冶煉區(qū)水稻土重金屬污染及其潛在風(fēng)險評價[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008,28(6):1212-1220.[LEI M,ZENG M,ZHENG Y M,etal.Heavy Metals Pollution and Potential Ecological Risk in Paddy Soils Around Mine Areas and Smelting Areas in Hunan Province[J].Acta Scienia Circumstaniae,2008,28(6):1212-1220.]

[13]郭朝暉,肖細(xì)元,陳同斌,等.湘江中下游農(nóng)田土壤和蔬菜的重金屬污染[J].地理學(xué)報,2008,63(1):3-11.[GUO Zhao-hui,XIAO Xi-yuan,CHEN Tong-bin,etal.Heavy Metal Pollution of Soils and Vegetables From Midstream and Downstream of Xiangjiang River[J].Acta Geographica Sinica,2008,63(1):3-11.]

[14]郭振華,彭青林,劉春華,等.湘江株潭長段江水(枯水期) 和沉積物中汞的分布和形態(tài)[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(1):113-119.[GUO Zhen-hua,PENG Qing-hua,LIU Chun-hua,etal.Distribution and Species of Mercury in Water and Sediments From Xiangjiang River Section Flowing Through Zhuzhou,Xiangtan,Changsha[J].Environment Science,2011,32(1):113-119.]

[15]王鳴宇,張雷,秦延文,等.湘江表層沉積物重金屬的賦存形態(tài)及其環(huán)境影響因子分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,31(11):2447-2458.[WANG Ming-yu,ZHANG Lei,QIN Yan-wen,etal.Speciation of Heavy Metals in Sediments From Xiang River and Analysis of Their Environmental Factors[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2011,31(11):2447-2458.]

[16]劉俊,李靜,趙運(yùn)林,等.湘江大源渡樞紐底泥中鎘、鉛的污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2011,27(6):9-13.[LIU Jun,LI Jing,ZHAO Yun-lin,etal.Pollution Characteristics and Potential Ecological Risk Assessment of Cd,Pb in the Sediments of Dayuandu Hydropower Station of Xiangjiang River[J].Environmental Monitoring in China,2011,27(6):9-13.]

[17]許振成,楊曉云,溫勇,等.北江中上游底泥重金屬污染及其潛在生態(tài)危害評價[J].環(huán)境科學(xué),2009,30(11):3262-3268.[XU Zhen-cheng,YANG Xiao-yun,WEN Yong,etal.Evaluation of the Heavy Metals Contamination and Its Potential Ecological Risk of the Sediments in Beijiang River’s Upper and Middle Reaches[J].Environment Science,2009,30(11):3262-3268.]

[18]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,1999:205-214.[LU Ru-kun.Soil Agricultural Chemical Analysis Method[M].Beijing:China′s Agricultural Science and Technology Press,1999:25-214.]

[19]TESSIER A,CAMPBELL P G C,BISSON M.Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Trace Metals[J].Analytical Chemistry,1979,51(7):844-851.

[20]MULLER G.Index of Geoaccumulation in Sediments of the Rhine River.[J].Geo Journal,1969,2(3):108-118.

[21]郭觀林,周啟星.污染黑土中重金屬的形態(tài)分布與生物活性研究[J].環(huán)境化學(xué),2005,24(4):383-388.[GUO Guan-lin,ZHOU Qi-xing.Speciation Distribution and Bioactivity of Heavy Metals in Contaminated Phaiozem[J].Environmental Chemistry,2005,24(4):383-388.]

[22]雷鳴,廖柏寒,秦普豐.土壤重金屬化學(xué)形態(tài)的生物可利用性評價[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(5):1551-1556.[LEI Ming,LIAO Bo-han,QIN Pu-feng.Assessment of Bioavailability of Heavy Metal in Contaminated Soils With Chemical Fractionation[J].Ecology and Environment,2007,16(5):1551-1556.]

[23]魏復(fù)盛,陳靜生,吳燕玉,等.中國土壤環(huán)境背景值研究[J].環(huán)境科學(xué),1991,12(4):12-19.[WEI Fu-sheng,CHEN Jing-sheng,WU Yan-yu,etal.Study on the Background Contents on 61 Elements of Soils in China[J].Chinese Journal of Environmental Science,1991,12(4):12-19.]

[24]GB 15618—1995,土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].[GB 15618—1995,Environmental Quality Standards for Soils[S].]

[25]陳一清,黃鐘霆,畢軍平,等.湘江干流沉積物中鉛和鎘的污染特征與評價[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2014,30(2):62-66.[CHEN Yi-qing,HUANG Zhong-ting,BI Jun-ping,etal.Pollution Characteristics and Assessment of Pb,Cd in the Sediments of Xiangjiang[J].Environmental Monitoring in China,2014,30(2):62-66.]

[26]NIU Yong,JIAO Wei,YU Hui,etal.Spatial Evaluation of Heavy Metals Concentrations in the Surface Sediment of Taihu Lake[J].International Journal of Environmental Research and Public Health 2015,12(12):15028-15039.

[27]薛紀(jì)渝.信江中游河水、懸浮物、底泥中Cu,Pb,Zn元素的形態(tài)分布特征[M]∥環(huán)境中重金屬研究文集.北京:科學(xué)出版社,1998:161-165.[XUE Ji-yu.Distribution of Various Species of Cu,Pb,Zn in Water Suspended Substance and Bottom Mud in the Middle Reaches of the Xinjiang River[M]∥Research Corpus of Heavy Metals in the Environment.Beijing:Science Press,1998:161-166.]

[28]朱余銀,戴塔根,吳塹紅.湘江長株潭段底泥重金屬污染現(xiàn)狀評價[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,43(9):3710-3717.[ZHU Yu-yin,DAI Ta-gen,WU Qian-hong.Assessment on Heavy Metals Contamination in Sediments of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan Section of Xiangjiang River[J].Journal of Central South University (Science and Technology),2012,43(9):3710-3717.]

[29]李杰,彭福利,丁棟博,等.湘江藻類水華結(jié)構(gòu)特征及對重金屬的積累[J].中國科學(xué):生命科學(xué),2011,41(8):669-677.[LI Jie,PENG Fu-li,DING Dong-bo,etal.Characteristics of Phytoplankton Community and Bioaccumulation of Heavy Metals During Algae Bloom in Xiangjiang River (Hunan,China)[J].Scientia Sinica Viate,2011,41(8):669-677.]

(責(zé)任編輯： 陳 昕)

Characteristics and Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metal Pollution in the Sediments of Middle Reaches of Xiangjiang River.

LIUJun1,ZHUYun-hua1,HUJing-song1,PENGGuo-wen2,XIEHong-yan1,LIZhi-liang1,PENGCui-ying1

(1.College of Pharmacy and Life Science, University of South China, Hengyang 421001;2.College of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001， China)

In order to study characteristics and ecological risk of heavy metal pollution in the sediments of the middle reaches of Xiangjiang River,18 sediment samples were collected from 6 cross-sections of the Zhuzhou and Hengyang Sections of the river (3 samples per cross section) during the dry season for analysis of heavy metals and their total contents, chemical forms and bioavailabilities. Heavy metals pollution was analyzed by degree and graded with the geoaccumulation index method and single-factor index method, and effect of governance of the Xiangjiang River was evaluated. Results show as follows: (1)The contents of four typical heavy metals (Cd, Pb, Zn and Cu)were much higher than their respective background values in the soil of Hunan Province, being 83.1-1 178.7, 4.46-15.9, 2.88-16.1 and 3.35-6.22 times as high, respectively. On the whole, contents of the heavy metals rose gradually from the upper reaches to lower reaches; (2)Of the heavy metals in the sediment samples, the fraction of exchangeable form was rather low in proportion and the fraction of amorphous Fe-Mn oxides was in dominance, posing a high risk of secondary pollution; (3)The heavy metals in the sediments differed sharply in bioavailability. In the cross-sections at Xiawan Town and Songbai Town, the element the highest in bioavailability was Cu and in the other cross-sections, it was Cd; (4)According to Grade II criteria ofthe China Environmental Quality Standard for Soils (GB 15618-1995), Cd, Pb, Zn and Cu all exceeded the threshold values, with Cd in particular, which reached the severe-extremely severe level; and (5)After years of comprehensive pollution control, heavy metal pollution in the sediment of the river has been lowered by a certain degree and hence their ecological risks.

the middle reaches of Xiangjiang River; sediments; heavy metal pollution; ecological risk

2016-04-12

湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15A168);國家自然科學(xué)基金(51574152)

X824

A

1673-4831(2017)02-0135-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.02.006

劉俊(1976—),男,湖南湘鄉(xiāng)人,副教授,博士,研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)學(xué)和環(huán)境生物學(xué)。E-mail: nhuliujun@126.com