鄧渠成, 王曉飛, 尹 娟, 鄧超冰*
1.澳大利亞昆士蘭大學地球與環(huán)境科學學院, 澳大利亞 布里斯班 4072 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站, 廣西 南寧 530028 3.廣西大學, 廣西 南寧 530004 4.廣西財經學院管理科學與工程學院, 廣西 南寧 530003
西江上游有色金屬產業(yè)集聚區(qū)河流沉積物重金屬空間分布特征與來源解析
鄧渠成1, 王曉飛2,3, 尹 娟3,4, 鄧超冰2,3*
1.澳大利亞昆士蘭大學地球與環(huán)境科學學院, 澳大利亞 布里斯班 4072 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站, 廣西 南寧 530028 3.廣西大學, 廣西 南寧 530004 4.廣西財經學院管理科學與工程學院, 廣西 南寧 530003
為研究西江上游有色金屬產業(yè)聚集區(qū)對河流沉積物環(huán)境的影響,在西江上游的刁江、龍江、融江和柳江四條河流選取12個采樣點,分析測定了10種重金屬元素(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、Ni、Tl、Sb和Hg)在沉積物中的含量,采用相關分析、主成分分析、聚類分析和Pb同位素示蹤技術剖析沉積物中重金屬的分布特征與污染來源. 結果表明:①污染物含量方面,沉積物中w(As)、w(Pb)、w(Cd)、w(Ni)、w(Zn)、w(Cu)、w(Tl)、w(Hg)、w(Sb)、w(Cr)平均值分別為95.42、113.09、4.92、28.03、416.51、27.07、0.75、0.31、34.02、57.58 mgkg,w(As)、w(Sb)、w(Zn)、w(Pb)和w(Cd)的變化較大,分異顯著,受外來源影響較大. ②空間上,內梅羅指數結果顯示,刁江沉積物中重金屬污染程度最高,龍江次之,融江和柳江較低. ③污染物來源方面,As、Pb、Cd、Zn、Cu和Sb具有同源性,與西江上游有色金屬聚集區(qū)礦產開發(fā)有關,Ni、Tl、Hg和Cr具有同源性,與地質背景自然源因子有關;沉積物樣品206Pb207Pb變化范圍為1.08~1.19,4條河流沉積物Pb同位素比值與大廠、車河礦石同位素比值接近程度依次為刁江、龍江、融江、柳江. Pb同位素示蹤分析結果進一步驗證了刁江和龍江沉積物中重金屬主要受有色金屬采選冶礦業(yè)活動影響,融江、柳江沉積物中重金屬主要由地質背景自然源因子所致.
西江上游; 沉積物; 重金屬; 同位素示蹤; 污染來源
水體沉積物是重金屬的主要蓄積場所,長期累積在沉積物中重金屬含量比上覆水體中高出幾倍至幾十倍,水體沉積物蘊含著豐富的水環(huán)境質量變化信息[1- 2],成為水環(huán)境中備受關注的污染物之一. 沉積物中重金屬能在一定條件下“活化”再次釋放進入上覆水體,形成“二次污染”,并通過生物富集和放大作用對水體的生態(tài)安全構成嚴重威脅. 因此,開展湖泊[3- 4]、水庫[5- 6]、江河[7- 13]和海灣[14- 15]等水體沉積物重金屬的空間分布與污染特征,污染評價和風險評估以及重金屬來源解析[16- 18]等研究工作,對保障水體生態(tài)及飲用水安全有重要的指導意義.
隨著我國重金屬污染防治工作的深入開展,有色金屬采選冶造成流域污染及飲用水水源地的水質安全問題備受關注,當前已對湘江[18- 19]、珠江[21- 22]等大流域尺度開展了重金屬污染調查、遷移和形態(tài)分布等研究,為其流域環(huán)境污染治理提供基礎數據支撐. 而西江是僅次于長江、黃河的我國境內第三長河流,也是廣西、廣東西江下游城市飲用水的主要水源,其水質顯得尤為重要. 目前針對西江上游的龍江[22- 23]、刁江[24]、柳江[25]和融江水體及沉積物中重金屬空間分布、污染評價及其來源方面的研究報道較少. 該研究以西江上游刁江、龍江、融江和柳江沉積物為研究對象,分析10種重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Cr、Ni、Tl、Sb和Hg)的分布特征,通過相關分析、主成分分析、聚類分析以及Pb同位素示蹤等方法來探討沉積物重金屬來源,以期為西江上游的生態(tài)安全綜合整治提供依據.
1.1 研究區(qū)域概況
河池市是我國傳統(tǒng)的有色金屬生產基地,位于西江上游. 調查報告[26]顯示,河池市鉛保有資源儲量占廣西的54.75%,鋅保有資源儲量占廣西的76.55%,銻保有資源儲量占廣西的83.93%,錫保有資源儲量居廣西之首. 市內的河流主要為紅水河、龍江及其支流. 刁江系西江支流紅水河北岸一級支流,刁江車河區(qū)段以選冶為主,刁江大廠區(qū)段、金城江區(qū)段的五圩礦區(qū)以采選業(yè)為主. 龍江系西江支流柳江的最大支流,龍江上游金城江區(qū)段原有8家選冶企業(yè),均已停產,龍江上游支流環(huán)江毛南族自治縣的大環(huán)江則是采選的集聚地. 融江系柳江上游河段,其有色金屬大中礦少、小礦多、分布零散. 柳江系西江干流第二大支流,黔、桂水上交通要道,水量豐富,礦產為零星分散礦點.
河池市有色金屬產業(yè)的發(fā)展始于清朝,歷經近200年,20世紀90年代后期出現大規(guī)模開發(fā),時有涉重金屬企業(yè) 1 300 多個,由于開采冶煉歷史悠久,生產工藝落后,廢水、廢氣、廢渣排放逐年累積,環(huán)境污染問題極為突出. 2000年對礦業(yè)開發(fā)進行了全面整頓和環(huán)境治理,2012年發(fā)生龍江鎘重大污染事故,對有色金屬企業(yè)再次大整治,經過優(yōu)化整合、產業(yè)的轉型升級,刁江流域涉重金屬企業(yè)由之前的90家減少到現在的36家,龍江河流域涉重金屬企業(yè)則由之前的72家調整到現在的22家,具體分布情況見圖1.
圖1 西江上游涉重企業(yè)分布Fig.1 Distribution of plants that produce heavy metal waste in the upstream Xijiang Basin
1.2 樣品采集與預處理
西江上游沉積物采樣工作于2014年6—8月進行,使用抓斗式底泥采樣器采集樣品,用塑料勺取樣品中央未受干擾的沉積物密閉保存于聚乙烯自封袋中0~4 ℃保存. 沿河流流向共采集12個樣品,編號為S1~S12,采樣點的分布情況及具體信息見圖2和表1.
圖2 西江上游河流水系與采樣點分布情況Fig.2 Location of the river system and sampling sites in the upstream Xijiang River Basin
采樣點編號描述采樣點編號描述S1上游為大廠、車河、五圩礦冶密集區(qū)S7龍江中段S2上游及附近無工礦企業(yè)S8龍江下游S3大環(huán)江支流匯入龍江,上游有都川、雅脈、北山礦區(qū)S9柳江上游S4龍江中上游S10柳江下游S5小環(huán)江支流匯入龍江S11融江上游S6龍江中段S12融江下游
1.3 樣品測試項目與方法
沉積物樣品采用冷凍干燥后,用臼式研磨儀研磨過0.154 mm篩裝入封口袋中待測. 稱取試樣 0.100 0 g(精確至 0.000 1 g)于消解罐中,依次加入6 mL HNO3、2 mL HCl、2 mL HF,根據反應劇烈程度,放置一定的時間,待反應平穩(wěn)后加蓋擰緊,放入消解盤中,進行微波消解(Mars 6,CEM,美國). 程序運行完畢,取出冷卻15~30 min,使罐內壓力降至常壓,開蓋. 將消解罐放入配套的趕酸設備中于110~120 ℃進行趕酸,待盡干時,取下冷卻,去離子水定容至50 mL普通容量瓶中待測[25]. 消解定容后的樣品經過0.45 μm濾膜過濾后,采用電感耦合等離子體質譜儀(7700 e,Agilent,美國)分析測定沉積物中w(Cu)、w(Zn)、w(Pb)、w(Cd)、w(Cr)、w(Ni)、w(Tl),采用雙道原子熒光分光光度計(AFS- 8330,北京吉天儀器有限公司)分析測定w(As)、w(Hg)和w(Sb). 分析過程用程序空白、樣品平行樣以及標準物質(GSS27-GSS28)來保證試驗的準確性以及精確性.
1.4 數據處理
該研究使用ArcGIS 10.2軟件對西江上游有色金屬聚集區(qū)及采樣點進行描繪,數據處理使用Microsoft Office Excel 2010,數據繪圖使用SigmaPlot 12.0,相關性分析、主成分分析及聚類分析使用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件完成.
2.1 西江上游沉積物中重金屬質量分數與空間分布特征
重金屬質量分數包含沉積物地球化學的主要特征,是定量研究沉積物的基礎,變異系數則可直觀反映重金屬質量分數的離散程度. 由表2可知,研究區(qū)域沉積物中w(As)、w(Pb)、w(Cd)、w(Ni)、w(Zn)、w(Cu)、w(Tl)、w(Hg)、w(Sb)和w(Cr)分別為95.42、113.09、4.92、28.03、416.51、27.07、0.75、0.31、34.02、57.58 mgkg,變異系數排序為w(As)>w(Sb)>w(Zn)>w(Pb)>w(Cd)>w(Hg)>w(Cu)>w(Tl)>w(Ni)>w(Cr),其中w(As)、w(Sb)、w(Zn)和w(Pb)的變異系數分別為2.41、2.16、1.35和1.23,均超過1;w(Cd)的變異系數為0.90,接近于1;w(Hg)、w(Cu)、w(Tl)、w(Ni)和w(Cr)的變異系數小于0.50. 可見重金屬元素w(As)、w(Sb)、w(Zn)、w(Pb)和w(Cd)在沉積物中變化較大,分異顯著[31],受外來源影響較大. 同時,選用沉積物重金屬(平均富集系數)來評價沉積物中重金屬富集及污染狀況[32],其中AEF為所測重金屬的平均質量分數與研究區(qū)域相應重金屬質量分數背景值之比.w(Cd)、w(As)、w(Zn)、w(Pb)、w(Hg)、w(Sb)、w(Cr)、w(Ni)、w(Cu)和w(Tl)的平均值依次為廣西流水沖積物背景值[30]的38.87、8.75、5.84、5.42、2.53、2.31、1.74、1.33、1.23、0.93倍,AEF計算結果見表2. 依據Hakanson[33]對沉積物污染程度判定標準,Cd、As、Zn、Pb屬于較重污染(AEF>3),Sb、Hg屬于中污染(2≤AEF≤3). 此外選取加拿大淡水沉積物質量基準[34]從重金屬可能產生的生物效應做進一步判斷,TEL為發(fā)生負面生物效應的臨界效應濃度,PEL為發(fā)生負面生物效應的必然效應濃度,當沉積物重金屬質量分數大于TEL時,長期暴露會產生毒性效應,大于PEL時,會產生不利的急性毒性效應[35]. 12個采樣點沉積物中,w(Pb)、w(Zn)、w(Cu)、w(Hg) 低于TEL分別占33.33%、8.33%、91.67%、16.67%,負面生物效應幾乎不會發(fā)生;w(Pb)、w(Cd)、w(Ni)、w(Zn)、w(Cu)、w(Hg)、w(Cr)介于TEL和PEL之間的分別占33.33%、41.67%、83.33%、58.33%、8.33%、66.67%、100%,負面生物效應偶爾發(fā)生;w(As)、w(Pb)、w(Cd)、w(Ni)、w(Zn)、w(Hg)高于PEL分別占100%、33.33%、58.33%、16.67%、33.33%、16.67%,負面生物效應易發(fā)生. 可見,西江上游主要受重金屬元素Cd、As、Pb、Zn、Hg和Sb的污染,沉積物中各重金屬元素均有一定程度的富集.
表2 沉積物重金屬質量分數、背景值及加拿大淡水沉積物質量基準
注:—表示缺失.
運用內梅羅指數法對各采樣點沉積物重金屬污染程度進行分析,結果如圖3所示. 各采樣點重金屬污染程度順序依次為刁江S1>龍江S5>龍江S4>龍江S8>柳江S10>龍江S7>龍江S6>龍江S3>柳江S9>龍江S2>融江S12>融江S11. 四條河流沉積物中,刁江重金屬污染較為嚴重,龍江次之,融江和柳江污染較輕. 結合該研究區(qū)域產業(yè)以及重金屬進入流域的分布特征,初步判斷刁江主要污染來源于其上游大廠、車河礦冶密集區(qū)、五圩礦冶密集區(qū)的采選冶企業(yè)廢水排放、尾礦和廢渣長期堆存,龍江主要污染來源于龍江上游金城江區(qū)段選冶企業(yè)、龍江上游支流大環(huán)江礦冶密集區(qū)的采選冶企業(yè)廢水排放、尾礦和廢渣長期堆存. 相對于刁江、龍江,融江與柳江的大中礦少、小礦多、分布零散,無大規(guī)模的礦冶區(qū)域,因此污染程度較輕.
圖3 各采樣點沉積物的內梅羅指數Fig.3 Nemero index of sediments collected at sampling sites
2.2 沉積物重金屬來源
2.2.1 重金屬元素間的相關性分析
通過分析沉積物中重金屬元素之間的相關性,可判斷重金屬污染來源是否相同. 相關關系的顯著程度一般由相關系數決定,兩種重金屬元素之間的系數越接近1,表明其相關關系越顯著,同源性越好,即可能存在相同的污染源[31]. 該研究采用數理統(tǒng)計軟件SPSS 21.0進行重金屬之間的Pearson相關性分析.
由表3可以看出,沉積物中w(Cd)、w(As)、w(Pb)、w(Zn)、w(Hg)和w(Sb)在0.01的置信水平上顯著相關,表明該6種重金屬元素污染來源可能相同.w(Ni)與w(Tl)、w(Cr)均在0.01的置信水平上顯著相關,w(Tl)與w(Hg)在0.01的置信水平上顯著相關,表明這4種重金屬元素具有較好的同源性.
表3 沉積物重金屬的相關分析
注:** 表示在0.01水平(雙側)上顯著相關;*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關.
2.2.2 重金屬元素的主成分分析
主成分分析(principal components analysis,PCA)是可將沉積物中復雜重金屬成分重新組合,并歸結為幾個主成分,用以解釋重金屬元素的主要污染物來源等[36]. 因此,根據因子荷載矩陣信息進一步確定西江上游河流沉積物中重金屬的地球化學特征,各因子特征值、總方差、因子載荷矩陣見表4、5所示.
根據特征值大于1的原則[37],篩選出兩個因子共解釋了88.215%的原有信息. 主成分1對總方差的貢獻率為64.526%,As、Pb、Cd、Ni、Zn、Cu均具有較高荷載,荷載變化范圍為0.893~0.965,主成分2對總方差的貢獻率為23.688%,Tl、Hg、Sb、Cr的荷載變化范圍為0.459~0.504,相對于主成分1的荷載低. 在旋轉后的因子載荷矩陣中,主成分1中Cd、As、Pb、Zn、Hg和Sb的載荷變化范圍為0.871~0.991,主成分1中Cd、As、Pb、Zn、Hg和Sb的載荷變化范圍為0.737~0.956.
表4 沉積物重金屬主成分分析的總方差解釋
表5 沉積物重金屬主成分分析的因子載荷矩陣
圖4 沉積物中重金屬主成分載荷圖Fig.4 Loading plots of heavy metals in sediments
由圖4可知,Cd、As、Pb、Zn、Hg和Sb這6種重金屬元素是一類,Ni、Tl、Cr和Hg為另一類. 結合相關分析和主成分分析結果,可推斷同一主成分的重金屬元素具有相似的地球化學特征和物質來源. 主成分1中6種重金屬元素同研究區(qū)域聚集的鉛鋅礦、錫礦、銻礦等多種有色金屬礦物開采生產有關,其采選冶廢水中受Pb、Zn、Cd、As、Zn、Sb等不同程度的污染;而區(qū)域的尾礦中富含黃鐵礦(主要化學成分為FeS2)、毒砂(主要化學成分為FeAsS)、脆硫銻鉛礦(主要化學成分為Pb4FeSb6S14)、閃鋅礦(主要化學成分為ZnS)、錫石(主要化學成分為SnO2),并且尾礦渣主要以角礫、砂、泥質形式存在,易隨流水或揚塵搬運從而造成流域沉積物含量增加. 因此主成分1可以視為人類活動導致的沉積物污染. 主成分2中重金屬元素在沉積物中濃度與廣西流水沖積物背景值接近,且分布比較均勻,因此該4種重金屬元素以自然沉積為主,受到人為干擾較弱,可能與巖石風化釋放或周圍土壤侵蝕有關.
2.2.3 重金屬元素的聚類分析
為進一步確定西江上游沉積物的地球化學特征與來源,采用聚類分析(cluster analysis,CA)分析沉積物中各重金屬之間的疏遠距離,依據距離的長短表征元素間來源的差異程度[38],結果見圖5所示. 10種重金屬聚為兩大類,第一類是As、Pb、Cd、Zn、Cu和Sb,第二類是Ni、Tl、Cr和Hg. 聚類分析進一步解釋了沉積物重金屬間的內在關系,并且與相關分析及主成分分析的結果一致.
圖5 沉積物重金屬聚類分析結果Fig.5 Hierarchical dendrogram of heavy metals in sediments
2.3 沉積物的鉛同位素組成特征及其污染來源
水體中的Pb來源主要為自然風化和人為兩種,人為來源的Pb可明顯改變Pb的同位素組成,所以根據Pb的同位素“指紋”特征可有效識別Pb的自然來源或人為來源[17- 18]. Sturges等[39]指出自然源的206Pb207Pb一般較高(>1.20),而人為源的206Pb207Pb較低(0.96~1.20). 由表6可知,西江上游采樣點沉積物的206Pb207Pb變化范圍為1.08~1.19,表明流域中沉積物的Pb含量已受到不同程度的人類活動的影響.
端元物質與該研究沉積物的Pb同位素比值對比分析結果如圖6所示. 刁江采樣點沉積物Pb同位素比值與大廠、車河礦石比值接近,龍江采樣點沉積物
表6 各采樣點沉積物中Pb同位素比值
Pb同位素比值發(fā)散分布于大廠、車河礦石比值附近,且刁江、龍江Pb同位素比值遠離背景土壤的比值.而柳江、融江采樣點沉積物Pb同位素比值介于大廠、車河礦石與背景土壤比值之間. 依據Pb同位素比值特征接近程度[36]可知,刁江和龍江沉積物重金屬來源相似,主要受礦業(yè)生產等人類活動影響,尤其是尾礦長期堆存、廢渣隨意堆放,導致大量廢水和廢渣向下游遷移沉積. Pb同位素分析結果進一步明確西江上游沉積物的來源,刁江流域沉積物中主要受Cd、As、Pb、Zn、Hg和Sb污染,該現象與宋書巧等[38]調查發(fā)現刁江沿岸土壤的污染情況相吻合,河流兩岸土壤的污染主要是由于受礦業(yè)活動污染的河水灌溉形成[40];龍江主要污染因子為Cd、As、Pb、Zn等重金屬元素,龍江與大環(huán)江匯合(S3采樣點)后的沉積物中重金屬含量較高,同時龍江中下游S6、S7和S8采樣點受2012年廣西龍江Cd污染事件處置影響造成其河底沉積物的重金屬富集[23],龍江流域沉積物重金屬含量成為較高區(qū)域;融江和柳江下游沉積物重金屬主要地質背景自然源因子影響,尤其是融江和龍江匯合后對柳江起到稀釋作用,柳江作為柳州水源保護地,其飲用水源水水流循環(huán)能力強,故柳江沉積物的重金屬含量較低,為較清潔區(qū)域.
圖6 沉積物與主要端元物質Pb同位素比值對比Fig.6 Comparison between sediments and the known sources for the Pb isotope ratios
a) 西江上游沉積物中w(As)、w(Pb)、w(Cd)、w(Ni)、w(Zn)、w(Cu)、w(Tl)、w(Hg)、w(Sb)和w(Cr)平均值分別為95.42、113.09、4.92、28.03、416.51、27.07、0.75、0.31、34.02、57.58 mgkg,其中w(As)、w(Sb)、w(Zn)、w(Pb)和w(Cd)變化較大.w(Cd)、w(As)、w(Zn)、w(Pb)、w(Hg)、w(Sb),分異顯著,受外來源影響較大. 流域沉積物空間分布,刁江沉積物中重金屬污染程度較高,龍江屬于沉積物中重金屬含量次之,融江和柳江沉積物中重金屬含量較低.
b) 重金屬元素之間的相關分析、主成分分析和聚類分析表明,As、Pb、Zn、Cu、Cd和Sb之間有較好的相關性,具有同源性,主要受有色金屬采選冶礦業(yè)活動所致;Ni、Tl、Hg和Cr具有同源性,受自然地質背景與部分人類活動的雙重影響. Pb同位素示蹤法分析結果進一步驗證了刁江和龍江沉積物中重金屬污染主要來源于有色金屬采選冶礦業(yè)活動,融江、柳江沉積物中重金屬主要由地質背景自然源因子所致.
[1] FU Chuan,GUO Jinsong,PAN Jie,etal.Potential ecological risk assessment of heavy metal pollution in sediments of the Yangtze River within the Wanzhou section,China[J].Biological Trace Element Research,2009,129(1):270- 277.
[2] ZHU Xiaolei,SHAN Baoqing,TANG Wanzhong.Heavy metal in sediment of Ziya River in northern China:distribution,potential risk,and source apportionment[J].Environment Science Pollution Resource,2016,23:23511- 23521.
[3] HOU Dekun,HE Jiang,LU Changwei,etal.Distribution characteristics and potential ecological risk assessment of heavy metals(Cu,Pb,Zn,Cd)in water and sediments from Lake Dalinouer,China[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2013,93(1):135- 144.
[4] ZAHRA A,HASHMI M Z,MALIK R N,etal.Enrichment and geo-accumulation of heavy metals and risk assessment of sediments of the Kurang Nallah-feeding tributary of the Rawal Lake Reservoir,Pakistan[J].Science of the Total Environment,2014,470/471:925- 933.
[5] 李佳璐,姜霞,王書航,等.丹江口水庫沉積物重金屬形態(tài)分布特征及其遷移能力[J].中國環(huán)境科學,2016,36(4):1207- 1217. LI Jialu,JIANG Xia,WANG Shuhang,etal.Heavy metal in sediment of Danjiangkou Reservoir:chemical speciation and mobility[J].China Environmental Science,2016,36(4):1207- 1217.
[6] 王祖?zhèn)?王袆瑋,侯迎迎,等.于橋水庫水源地水體沉積物重金屬空間分異與景觀格局的關系[J].環(huán)境科學,2016,37(9):3423- 3429. WANG Zuwei,WANG Yiwei,HOU Yingying,etal.Relationship between landscape pattern and spatial variation of heavy metals in aquatic sediments in headwaters area of Yuqiao Reservoir[J].Environmental Science,2016,37(9):3423- 3429.
[7] APRILE F M,BOUVY M.Distribution and enrichment of heavy metals in sediments at the Tapacura River Basin,northeastern Brazil[J].Brazilian Journal of Aquatic Science and Technology,2008,12(1):1- 8.
[8] PRAIPIPAT P,RODENBURG L A,CAVALLO G J.Source apportionment of polychlorinated biphenyls in the sediments of the Delaware River[J].Environmental Science & Technology,2013,47(9):4277- 4283.
[9] LI Xiangdong,SHEN Zhenguo,WAI O W H,etal.Chemical forms of Pb,Zn and Cu in the sediment profiles of the Pearl River Estuary[J].Marine Pollution Bulletin,2001,42(3):215- 223.
[10] SINGH K P,MALIK A,SINHA S,etal.Estimation of source of heavy metal contamination in sediments of Gomti River(India)using principal component analysis[J].Water Air and Soil Pollution,2005,166(1):321- 341.
[11] TANG Wenzhong,ZHAO Yu,WANG Chao,etal.Heavy metal contamination of overlying waters and bed sediments of Haihe Basin in China[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2013,98(12):317- 323.
[12] SURESH G,RAMASAMY V,MEENAKSHIUNDARAM V,etal.Influence of mineralogical and heavy metal composition on natural radionuclide concentrations in the river sediments[J].Applied Radiation and Isotopes,2011,69:1466- 1474.
[13] ROIG N,SIERRA J,MORENO-GARRIDO I,etal.Metal bioavailability in freshwater sediment samples and their influence on ecological status of river basins[J].Science of the Total Environment,2016,540:287- 296.
[14] GUO Weihua,LIU Xianbin,LIU Zhangguang,etal.Pollution and potential ecological risk evaluation of heavy metals in the sediments around Dongjiang Harbor,Tianjin[J].Procedia Environmental Sciences,2010,2(1):729- 736.
[15] 吳文成,任露陸,蔡信德,等.茅尾海沉積物重金屬空間分布特征與生態(tài)風險[J].環(huán)境科學研究,2014,27(2):147- 156. WU Wencheng,REN Lulu,CAI Xinde,etal.Spatial pattern and ecological risk of heavy metals in sediments from Maowei Sea,southern China[J].Research of Environmental Sciences,2014,27(2):147- 156.
[16] OWENS P N,BLACK W H,GASPARA L,etal.Fingerprinting and tracing the sources of soils and sediments:earth and ocean science,geoarchaeological,forensic,and human health applications[J].Earth-Science Reviews,2016,162:1- 23.
[17] HU Ningjing,HUANG Peng,ZHANG Hui,etal.Tracing the Pb origin using stable Pb isotope ratios in sediments of Liaodong Bay,China[J].Continental Shelf Research,2015,111:268- 278.
[18] SUN Guoxin,WANG Xinjun,HU Qinhong.Using stable lead isotopes to trace heavy metal contamination sources in sediments of Xiangjiang and Lishui Rivers in China[J].Environmental Pollution,2011,159(12):3406- 3410.
[19] ZHANG Zhao,TAO Fulu,DU Juan,etal.Surface water quality and its control in a river with intensive human impacts:a case study of the Xiangjiang River,China[J].Journal of Environmental Management,2010,91(12):2483- 2490.
[20] 謝文平,王少冰,朱新平,等.珠江下游河段沉積物中重金屬含量及污染評價[J].環(huán)境科學,2012,33(6):1808- 1815. XIE Wenping,WANG Shaobing,ZHU Xinping,etal.Residues and potential ecological risk assessment of metal in sediments from lower reaches and estuary of Pearl River[J].Environmental Science,2012,33(6):1808- 1815.
[21] LIAO Jianbo,CHEN Jian,RU Xuan,etal.Heavy metals in river surface sediments affected with multiple pollution sources,South China:distribution,enrichment and source apportionment[J].Journal of Geochemical Exploration,2017,176:9- 19.
[22] 張永祥,蔡德所,吳攀高.廣西龍江河沉積物重金屬污染特征及生態(tài)風險評價[J].中國農村水利水電,2014(6):50- 53. ZHANG Yongxiang,CAI Desuo,WU Pangao.Assessment of the pollution characteristic of heavy metal in the sediment and ecological risk in Longjiang river of Guangxi[J].China Rural Water and Hydropower,2014(6):50- 53.
[23] 朱飛,李彥旭,許振成,等.龍江河水體與沉積物鎘污染特征與潛在生態(tài)風險評價[J].環(huán)境污染與防治,2013,35(11):56- 61. ZHU Fei,LI Yanxu,XU Zhencheng,etal.Evaluation of the cadmium contamination and its potential ecological risk of the sediments in Longjiang River[J].Environmental Pollution and Control,2013,35(11):56- 61.
[24] 蹇麗,黃澤春,真增強,等.刁江水體多相介質中As、Zn和Pb的空間和季節(jié)分布規(guī)律[J].環(huán)境科學研究,2010,23(4):445- 451. QIAN Li,HUANG Zechun,ZHEN Zengqiang,etal.Spatial and seasonal distribution rules of As,Zn and Pb in multi-phase mediums of Diaojiang River[J].Research of Environmental Sciences,2010,23(4):445- 451.
[25] WANG Shaopeng,WANG Yinghui,ZHANG Ruijie,etal.Spatial variation and source analysis of heavy metals in surface sediments of the Hejiang River,China[J].Applied Mechanics and Materials,2014,522- 524:71- 74.
[26] 廣西環(huán)境保護科學研究院.廣西鉛鋅等有色產業(yè)環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展調查研究報告[R].南寧:廣西環(huán)境保護科學研究院,2016:1- 30.
[27] 蘇榮,王曉飛,洪欣,等.微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定土壤中10種重金屬元素[J].現代化工,2015,35(1):175- 177. SU Rong,WANG Xiaofei,HONG Xin,etal.Determination of 10 elements in soil by Inductive Coupled Plasma-Mass Spectrometry with microwave digestion[J].Modern Chemical Industry,2015,35(1):1 75- 177.
[28] WANG Yinxi,YANG Jiedong,CHEN Jun,etal.The Sr and Nd isotopic variations of the Chinese Loess Plateau during the past 7 Ma:implications for the East Asian winter monsoon and source areas of loess[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2007,249(3/4):351- 361.
[29] 路遠發(fā).Geokit:一個用VBA構建的地球化學工具軟件包[J].地球化學,2004,33(5):459- 464. LU Yuanfa.Geokit:a geochemical toolkit for Microsoft Excel[J].Gecochimica,2004,33(5):459- 464.
[30] 廣西自治區(qū)環(huán)境保護局.廣西壯自治區(qū)土壤環(huán)境背景值圖集[M].成都:成都地圖出版社,1992:1- 80.
[31] BASTAMI K D,BAGHERI H,KHERIRABADI V,etal.Distribution and ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments along southeast coast of the Caspian Sea[J].Marine Pollution Bulletin,2014,81(1):262- 267.
[32] COBELOGARCIA A,PREGO R.Influence of point sources on trace metal contamination and distribution in a semi-enclosed industrial embayment:the Ferrol Ria(NW Spain)[J].Estuarine Coastal and Shelf Science,2004,60(4):695- 703.
[33] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J].Water Research,1980,14(8):975- 1001.
[34] 蔣豫,吳召仕,趙中華,等.陽澄湖表層沉積物中氮磷及重金屬的空間分布特征及污染評價[J].環(huán)境科學研究,2016,29(11):1590- 1599. JIANG Yu,WU Zhaoshi,ZHAO Zhonghua,etal.Spatial distribution and pollution assessment of nitrogen,phosphorus and heavy metals in surface sediment of Lake Yangcheng,Jiangsu Province,China[J].Research of Environmental Sciences,2016,29(11):1590- 1599.
[35] MACDONALD D D,CARR R S,CALDER F D,etal.Development and evaluation of sediment quality guidelines for Florida coastal waters[J].Ecotoxicology,1996,5(4):253- 278.
[36] 陳同斌.區(qū)域土壤環(huán)境質量[M].北京:科學出版社,2015:289- 292.
[37] YANG Xiaohui,WU Pengbao,YIN Aijing,etal.Distribution and source analysis of heavy metals in soils and sediments of Yueqing Bay Basin,East China Sea[J].Marine Pollution Bulletin,2016,115(1/2):489- 497.
[38] 劉良,張祖陸.南四湖表層沉積物重金屬的空間分布、來源及污染評價[J].水生態(tài)學雜志,2013,34(6):7- 15. LIU Liang,ZHANG Zulu.Spatial distribution,sources and pollution assessment of heavy metals in the surface sediments of Nansihu Lake[J].Journal of Hydroecology,2013,34(6):7- 15.
[39] STURGES W T,BARRIE L A.Lead 206/207 isotope ratios in the atmosphere of North America as tracers of US and Canadian emissions[J].Nature,1987,329(6135):144- 146.
[39] 宋書巧,吳歡,黃釗,等.刁江沿岸土壤重金屬污染特征研究[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(1):34- 37. SONG Shuqiao,WU Huan,HUANG Zhao,etal.The characteristics of heavy metals in soils along Diaojiang River[J].Ecology and Environment,2005,14(1):34- 37.
[40] 李曉燕,華珞,李瓊,等.云南大紅山銅礦周圍河流中銅及其伴生重金屬分布特征及評價[J].首都師范大學學報(自然科學版),2009,30(4):84- 87. LI Xiaoyan,HUA Luo,LI Qiong,etal.Distribution and evaluation of copper and its association metals in the surface water around Dahongshan Copper Mine[J].Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition),2009,30(4):84- 87.
Spatial Distribution and Source Analysis of Heavy Metals in Sediments of the Upstream Xijiang Basin within Nonferrous Metal Accumulation Areas
DENG Qucheng1, WANG Xiaofei2,3, YIN Juan3,4, DENG Chaobing2,3*
1.School of Earth and Environmental Science, University of Queensland, Brisbane 4072, Australia 2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Environmental Monitoring Center, Nanning 530028, China 3.Guangxi University, Nanning 530004, China 4.Department of Management Science and Engineering, Guangxi University of Finance and Economics, Nanning 530003, China
This study aimed to investigate how the development of the non-ferrous metals industry impacted sediment deposition in the upstream Xijiang Basin. Twelve sampling sites were selected on four tributaries in the upstream Xijiang Basin, namely, Diaojiang River, Longjiang River, Rongjiang River, and Liujiang River. Contents of Cu, Zn, Pb, Cd, As, Cr, Ni, Tl, Sb and Hg in sediments were measured in the twelve sampling sites, then correlation, clustering, and lead isotope tracing analyses were used to evaluate the distribution and sources of the measured heavy metals in sediments. The results showed that: (1) the average contents of As, Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Tl, Hg, Sb and Cr in sediments were 95.42, 113.09, 4.92, 28.03, 416.51, 27.07, 0.75, 0.31, 34.02 and 57.58 mgkg, respectively. The river sediments have been seriously polluted by Cd, As, Zn and Pb, moderately polluted by Hg and Sb, and slightly polluted by Cr, Ni, Cu and Tl. (2) From a spatial perspective, the order of pollution degrees of sediments in the four tributaries was Diaojiang, Longjiang, Rongjinag, and Liujiang. (3) Regarding the source of contamination, As, Pb, Cd, Zn, Cu and Sb in the sediments were related to the mineral exploitation of nonferrous metal accumulation areas in the upstream Xijiang Basin. Ni, Tl, Hg and Cr in sediments mainly came from the natural geological background. The range of206Pb207Pb ratio was 1.08 to 1.19 in the sediments. The order of similarity between lead isotope ratio in the sediments of the four tributaries and ore of Dachang and Chehe was Diaojiang, Longjiang, Rongjiang, and Liujiang. Lead isotope tracing analysis further revealed that heavy metals in the sediments of Diaojiang and Longjiang Rivers originated from non-ferrous mining and smelting activities, and those in Rongjiang and Liujiang Rivers were mainly contributed by the geological background in the sites.
upstream Xijiang Basin; sediment; heavy metals; isotope tracing; pollution source
2017-02-16
2017-03-17
廣西自然科學基金重大項目(2013GXNSFEA053001)
鄧渠成(1990-),男,廣西南寧人,deng.quch@gmail.com.
*責任作者,鄧超冰(1962-),男,廣西北海人,教授級高工,博士,博導,主要從事環(huán)境污染控制技術研究,dcb715@sina.com
X14
1001- 6929(2017)08- 1221- 09
A
10.13198j.issn.1001- 6929.2017.02.20
鄧渠成,王曉飛,尹娟,等.西江上游有色金屬產業(yè)集聚區(qū)河流沉積物重金屬空間分布特征與來源解析[J].環(huán)境科學研究,2017,30(8):1221- 1229.
DENG Qucheng,WANG Xiaofei,YIN Juan,etal.Spatial distribution and source analysis of heavy metals in sediments of the upstream Xijiang Basin within nonferrous metal accumulation areas[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(8):1221- 1229.