唐 黎 ,李秋華 *,陳 椽 ,王 龍 ,何 應(yīng) ,陳峰峰,高永春 ,駱 蘭 (.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 55000；.貴州醫(yī)科大學(xué),貴州 貴陽 55000；.貴州省水文水資源局,貴州 貴陽 55000)

沉積物作為水體的重要組成部分,是水環(huán)境污染的重要指示器[1].隨著工業(yè)的迅速發(fā)展,沉積物積累了大量人為排放的重金屬污染物[2].沉積物中重金屬因?yàn)樯锓e累、生物放大性而對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)具有長期的潛在影響[3-4].其危害主要表現(xiàn)為通過直接的交換性作用對(duì)底棲生物、魚類健康產(chǎn)生不利影響,或者與上覆水體進(jìn)行復(fù)雜的生物地球化學(xué)作用造成二次污染[5-6].

國內(nèi)外大量研究表明,世界范圍內(nèi)許多水體沉積物中重金屬含量已經(jīng)達(dá)到生物毒性的水平[7].例如,Gray等[8]揭示了Ballinger湖沉積物中Pb、Hg污染來源,結(jié)果表明,該湖沉積物 Pb、Hg含量在10年間提高了3個(gè)數(shù)量級(jí),指出冶煉工業(yè)污染排放是Pb、Hg高含量的主要貢獻(xiàn)者;Bachouche等[9]

普定水庫屬喀斯特人工水庫,集合了以發(fā)電為主,兼有供水、灌溉、養(yǎng)殖及旅游等多種功能.近年來,普定縣城區(qū)工業(yè)不斷發(fā)展,大量的生產(chǎn)生活廢水排進(jìn)水庫中.同時(shí),水庫周邊存著多個(gè)采礦集中區(qū)域,它們均是顯著的重金屬污染源.但迄今為止有關(guān)普定水庫重金屬污染調(diào)查仍較少[20].此外,對(duì)于沉積物中重金屬的垂直分布特征更是缺乏研究.鑒于此,本文在普定水庫典型區(qū)域采集了沉積物柱,系統(tǒng)研究了其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 等重金屬含量的水平及垂直分布特征,并對(duì)重金屬的污染水平及來源進(jìn)行了分析,旨在為普定水庫水環(huán)境污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).研究了Algiers和BouIsmail海灣表層沉積物和紅鰹魚體內(nèi)重金屬的分布和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),發(fā)現(xiàn)表層沉積物受到了重金屬的嚴(yán)重污染,而紅鰹魚肌肉和肝臟均對(duì)重金屬具有顯著生物富集并存在食用風(fēng)險(xiǎn)性;Mir等[10]評(píng)估了 Tungguk河表層沉積物重金屬含量,指出該河沉積物屬于Co和Hg污染型,強(qiáng)調(diào)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工業(yè)廢棄物循環(huán)利用的監(jiān)督;Al等[11]研究了Ziqlab水庫沉積物中痕量金屬的空間分布,并對(duì)其污染進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果顯示,該水庫沉積物Cd、Pb和Ni含量較高,其來源于上游肥料及農(nóng)藥的使用.我國的滆湖、滇池、太湖、草海、鶴地水庫等沉積物中重金屬含量均遠(yuǎn)超背景水平,其污染與人為排放密切相關(guān)[12-18].迄今為止,由于人類活動(dòng)而導(dǎo)致的沉積物重金屬污染已經(jīng)使世界近80%的人口面臨著水質(zhì)安全問題[19].因此,研究沉積物中重金屬的分布及污染特征,對(duì)了解水環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣具有重要的意義.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

普定水庫位于安順市普定縣,入庫河流為三岔河和波玉河,建于 1993年.總庫容 4.2×108m3,年徑流量 33.8×108m3,正常蓄水位時(shí)庫容2.48×108m3,正常蓄水位時(shí)水庫面積 19.25km2,平均水深約15m,最大水深約25m,屬季節(jié)性調(diào)節(jié)水庫.

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 樣品采集 本研究根據(jù)普定水庫的流域特征,于2016年5月在普定水庫的開闊水域選取5個(gè)采樣點(diǎn),分別為大壩區(qū)(S1)、梭篩區(qū)(S2)、風(fēng)景區(qū)(S3)、三岔街區(qū)(S4)、隴箐村區(qū)(S5),每個(gè)采樣點(diǎn)利用 GPS儀定位,其中,S1、S2位于一級(jí)保護(hù)區(qū),S3位于二級(jí)保護(hù)區(qū),S4、S5位于準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi),采樣位置如圖1所示.利用SWB-1型便攜式不擾動(dòng)湖泊沉積物采集器[21]采集沉積物柱狀樣品,該采樣器所采集沉積物柱能保證沉積物不被擾動(dòng),使表層沉積物保存完好.采樣過程中,分別于每個(gè)采樣點(diǎn)采集1根沉積物柱狀樣品,以4cm為間隔分層切割(其中S1、S3、S4分8層,S2分7層,S5沉積物較淺,僅分 3層),并盛裝于自封袋密封保存,帶回實(shí)驗(yàn)室后用真空冷凍干燥機(jī)(LGJ-12型冷凍干燥機(jī),-50°C)干燥,并研磨至100目以供實(shí)驗(yàn)分析.

圖1 普定水庫采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Location of sampling sites in Puding Reservoir

1.2.2 樣品測定 重金屬 Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As經(jīng)HNO3-HF-H2O2消解后,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定;Hg經(jīng)王水水浴消解后,采用冷原子熒光光譜法測定.為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GSS-5(黃紅壤)進(jìn)行質(zhì)量控制,并以10%的比例測定平行樣,平行實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于 5%,回收率為 96.8%～117.6%(表1).

表1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重金屬含量測定回收率統(tǒng)計(jì)Table 1 The recovery rates of concentrations of selceted heavy metals in certified reference materials

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,利用Origin 8.5軟件畫圖,利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、Pearson相關(guān)性分析以及主成分分析.

1.4 重金屬評(píng)價(jià)方法

為綜合體現(xiàn)普定水庫沉積物重金屬污染特征,本研究選取了地積累指數(shù)法[22]、沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(SQGs)評(píng)價(jià)方法[23],以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法[24]3種評(píng)價(jià)方法,其具體介紹如下：

1.4.1 地積累指數(shù)法 該方法是一種評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染積累程度的傳統(tǒng)方法,其公式為：

式中：Cn為沉積物中某種重金屬的實(shí)測含量,mg/kg;Bn為該種重金屬的參考標(biāo)準(zhǔn)值,mg/kg;k為因成巖作用引起重金屬背景值最小變異而設(shè)定的常數(shù),取 1.5.地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬污染程度分級(jí)如表2所示.

1.4.2 SQGs評(píng)價(jià)方法 沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)(SQGs)是評(píng)價(jià)海水及淡水沉積物環(huán)境質(zhì)量的有效工具,其評(píng)價(jià)沉積物環(huán)境質(zhì)量時(shí)制定出 2個(gè)等級(jí),分別為閾值效應(yīng)濃度(TEC)和可能效應(yīng)濃度(PEC).低于TEC時(shí),重金屬的有害生物效應(yīng)發(fā)生的可能性較小,基本沒有毒性風(fēng)險(xiǎn),高于 PEC 時(shí),有害生物效應(yīng)發(fā)生的可能性較大,具有高毒性風(fēng)險(xiǎn).介于兩者之間則有害生物效應(yīng)發(fā)生的可能性屬于中等.TEC和PEC的參考取值[25]如表3所示.

表2 地積累指數(shù)與污染程度分級(jí)Table 2 Geoaccumulation index and classification of pollution level

表3 沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)中的TEC和PEC參考值(mg/kg)Table 3 The reference values of TEC, PEC in Sediment Quality Guidelines (mg/kg)

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 該方法是瑞典學(xué)者Hakanson提出的可適用于劃分沉積物重金屬污染程度的評(píng)價(jià)方法,其公式如下：

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法與污染級(jí)別的關(guān)系Table 4 The relationship between , RI and degree of contamination

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法與污染級(jí)別的關(guān)系Table 4 The relationship between , RI and degree of contamination

單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)污染程度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI污染程度＜40 輕微 ＜150 輕微40～80 中等 150～300 中等80～160 強(qiáng) 300～600 強(qiáng)160～320 很強(qiáng) 600～1200 很強(qiáng)＞320 極強(qiáng) ＞1200 極強(qiáng)

表5 重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及貴州省土壤元素背景值Table 5 The and background values of soil heavy metals in Guizhou Province

表5 重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及貴州省土壤元素背景值Table 5 The and background values of soil heavy metals in Guizhou Province

重金屬 Cr Ni Cu Zn As Cd Pb Hg毒性響應(yīng)系數(shù) iT 2 5 5 1 10 30 5 40 r貴州省土壤重金屬參考標(biāo)準(zhǔn)值(mg/kg) 95.9 39.1 32 99.5 20 0.7 35.2 0.11

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物中重金屬分布特征

普定水庫沉積物中重金屬的含量具有較大差異.重金屬平均含量的大小順序依次為 Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞As＞Cd＞Hg.其中,Zn 平均含量為(546.9±180.3)mg/kg;Pb 平 均 含 量 為 (284.9±188.5)mg/kg;Cr和 Cu平均含量分別為(151.8±24.0)mg/kg和(150.3±26.8)mg/kg;Ni和As平均含量分別為(82.1±5.4)mg/kg 和(48.7±12.1)mg/kg;Cd和 Hg平均含量分別為(3.9±2.6)mg/kg和(0.23±0.13)mg/kg.比較單個(gè)重金屬在不同庫區(qū)的平均含量可知(圖2),Cr、Ni、Cu、Cd、Pb這 5種重金屬含量具有顯著的差異性(n=34,P＜0.05),具體表現(xiàn)為：Cr在大壩區(qū)低于梭篩區(qū)(P=0.03)和隴箐村區(qū)(P=0.03),在風(fēng)景區(qū)也低于梭篩區(qū)(P=0.03)和隴箐村區(qū)(P=0.02);Ni在大壩區(qū)高于梭篩區(qū)(P=0.01)和三岔街區(qū)(P=0.02),隴箐村區(qū)也高于梭篩區(qū)(P=0.03)和三岔街區(qū)(P=0.04);Cu在大壩區(qū)高于隴箐村區(qū)(P=0.03);而 Cd(P=0.01)和Pb(P=0.03)都在梭篩區(qū)高于隴箐村區(qū).單個(gè)重金屬含量在不同區(qū)域的顯著差異表明了其在污染累積過程中存在著不均勻性.其余 3種重金屬的含量則差異較小,無顯著性(P＞0.05).

圖2 普定水庫沉積物中重金屬平均含量分布Fig.2 The average contents of heavy metals in the sediments of Puding Reservoir

圖3 普定水庫沉積物重金屬垂直分布Fig.3 Vetical distribution of heavy metals in the sediments of Puding Reservoir

重金屬在沉積物中的垂直分布可以直觀地反映出污染累積情況[27].比較普定水庫沉積物 8種重金屬的垂直分布特征(圖3),可以看到,Hg在所有采樣區(qū)域沉積物剖面中的含量都基本保持不變,在大壩區(qū) 8,20cm 處出現(xiàn)極大值,分別超過背景水平的8.1、3.9倍,而在風(fēng)景區(qū)12cm處出現(xiàn)極小值,只有背景水平的五分之一.對(duì)于其余7種重金屬而言,在大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū),Cu、Zn、As、Cd、Pb的垂直變化都表現(xiàn)為：在沉積物24～32cm基本保持穩(wěn)定,向上開始逐漸增加,而從12cm向上則降低;Cr、Ni表現(xiàn)為：在24～32cm段沉積物含量保持穩(wěn)定,12cm 處向上有所降低,而在 12～24cm 波動(dòng)較為明顯.在梭篩區(qū),Cu、Zn、As、Cd、Pb的含量以沉積物12cm處為界限,下層為含量向上增加,上層則開始降低;Cr、Ni在16cm 向下含量保持穩(wěn)定,向上則開始減少.而隴箐村區(qū)位于三岔河及白水河交匯處下游,水力沖刷致使沉積物較淺,重金屬分布受到擾動(dòng)也更大,所以上述7種重金屬垂直分布各異,不具規(guī)律性.上述 7種重金屬,除了大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū)沉積物下層的Cd、Pb含量與背景水平相差不大外,在其余剖面的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了背景水平,再結(jié)合垂直分布特征來看,表明這 7種重金屬在普定水庫沉積物中都有過較強(qiáng)的污染積累,但同時(shí)它們?cè)谏蠈映练e物的含量均開始降低,指出污染已有所減輕.

2.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果 普定水庫沉積物中重金屬的地積累指數(shù)范圍在-2.6～3.7之間,總體污染級(jí)別依次為 Pb＞Zn＞Cu＞Cd＞As＞Ni＞Hg＞Cr(圖4).其中,Cr 污染最輕,在所有區(qū)域沉積物剖面中,其地積累指數(shù)都低于1,尤其是大壩區(qū)、梭篩區(qū)、風(fēng)景區(qū)沉積物表層,以及大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū)沉積物底層都呈現(xiàn)出無污染的特征.Hg的污染也較輕,除了在個(gè)別剖面,如大壩區(qū)沉積物 8,20cm處為強(qiáng)污染和中度污染外,其余剖面的地積累指數(shù)都低于 1.污染最重的為Pb、Zn、Cd,這 3種重金屬的地積累指數(shù)在-0.1～3.7之間不等,并在某些沉積物剖面都達(dá)到了強(qiáng)污染級(jí)別.如在大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū),這 3種重金屬都在上層污染最重,為強(qiáng)污染,往下污染則減輕,呈現(xiàn)出無～中等污染.在梭篩區(qū),這3種重金屬整體都呈現(xiàn)強(qiáng)污染級(jí)別.而在隴箐村區(qū),只有Zn為強(qiáng)污染,Pb、Cd則為無污染～中等污染.剩余的重金屬,如Ni、Cu、As則處于無污染～中等污染.

2.2.2 SQGs方法評(píng)價(jià)結(jié)果 該評(píng)價(jià)方法的結(jié)果見圖3,其中 Hg的含量除了在大壩區(qū)沉積物8cm、20cm處超過了TEC值,其余剖面均低于或與TEC值相當(dāng),但所有剖面均低于PEC值,表明其可能有害效應(yīng)較小,基本沒有對(duì)水庫水生生物的毒性風(fēng)險(xiǎn).Cr、Ni的含量在所有沉積物剖面中都超過了PEC值,因此它們的可能有害生物效應(yīng)均較高,表現(xiàn)出了對(duì)水生生物的強(qiáng)毒性風(fēng)險(xiǎn).Cu的含量則在PEC值附近波動(dòng),表明它的可能有害生物效應(yīng)處于中等和較高之間,但毒性風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視.Zn、As、Cd、Pb的毒性風(fēng)險(xiǎn)在不同采樣區(qū)有所不同,比如隴箐村區(qū),Zn、As都具有較高的有害生物效應(yīng),Cd、Pb則與TEC值相差不大,風(fēng)險(xiǎn)較小.至于其余4個(gè)區(qū)域,As除了在風(fēng)景區(qū)沉積物最底層與PEC值相差不大外,其余剖面都超過了 PEC值,顯示出較高的有害生物效應(yīng).Pb的含量在梭篩區(qū)沉積物剖面都超過PEC值,而在另外3個(gè)區(qū)域的沉積物上層也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了PEC值,具有很高的危害性.Cd在4個(gè)區(qū)域沉積物上層超過PEC值.Zn除在梭篩區(qū)最上層低于PEC值外,在下層部分,以及其余 3個(gè)區(qū)域沉積物上層都超過了PEC值.綜上所述,除Hg外,其余7種重金屬都表現(xiàn)出較高的有害生物效應(yīng),而 8種重金屬總體的毒性危害大小依次為 Pb＞Ni＞As＞Cr＞Zn＞Cu＞Cd＞Hg.

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果 普定水庫沉積物8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的范圍為 153～868,平均為 356,其中,大壩區(qū)、梭篩區(qū)、風(fēng)景區(qū)和三岔街區(qū)都表現(xiàn)出強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),而隴箐村區(qū)則為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大小依次為 Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cu＞Ni＞Zn＞Cr(圖5).其中,Cr、Ni、Cu、Zn、As對(duì) RI值的貢獻(xiàn)均較低,僅占 1.06%～7.71%不等,它們?cè)谒袇^(qū)域沉積物剖面的污染都表現(xiàn)為輕微,屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).Pb占RI值為10.38%,其在沉積物剖面中的污染為輕微～中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),呈現(xiàn)出上層沉積物污染較高的特征.Hg占RI值的比例較高,為25.52%,整體呈現(xiàn)出輕微～中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),但在個(gè)別沉積物剖面呈現(xiàn)出了強(qiáng)～極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).Cd對(duì)RI值的貢獻(xiàn)最高,占 42.40%,其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高,在大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū)沉積物上層以及梭篩區(qū)沉積物下層都達(dá)到了強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

圖4 普定水庫沉積物重金屬地積累指數(shù)Fig.4 Geoaccumulation indexes of heavy metals in sediments of Puding Reservoir

3種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果具有差異性和綜合性.其差異性表現(xiàn)為地積累指數(shù)法指出了Zn為主要重金屬污染物,但潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法則評(píng)價(jià) Zn的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為輕度污染.此外,Ni在SQGs方法的評(píng)價(jià)結(jié)果中為主要重金屬污染物,而其余2種評(píng)價(jià)方法都顯示它的污染程度較低.但在另一方面,地積累指數(shù)和SQGs均指出Pb的污染程度最高,表現(xiàn)出一致的評(píng)價(jià)結(jié)果,而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)指出 Cd最具有危害性,因此綜合3種評(píng)價(jià)方法可以得出,Pb、Cd是普定水庫沉積物中主要重金屬污染物.

圖5 普定水庫沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Fig.5 Ecological risk indexes of heavy metals in sediments of Puding Reservoir

2.3 重金屬相關(guān)性及主成分分析

根據(jù)分層對(duì)應(yīng)原則計(jì)算了重金屬之間的Pearson相關(guān)性,分析結(jié)果如表6所示.重金屬之間的相關(guān)性比較明顯,其相關(guān)性關(guān)系具體為：Cr、Zn之間顯著正相關(guān);Ni、Zn之間具有顯著正相關(guān)性;Cu、Zn、As、Cd、Pb這 5種重金屬之間均呈現(xiàn)兩兩顯著正相關(guān)的特征(P＜0.01);Hg與其余7種重金屬不具有相關(guān)性.

表6 普定水庫沉積物重金屬相關(guān)性矩陣Table 6 Correlation matrix of heavy metals in sediments of Puding Reservoir

圖6 普定水庫沉積物中重金屬主成分分析空間載荷Fig.6 Spatial loading(PCA) of heavy metals in the sediments of Puding Reservoir

主成分分析從8種重金屬之間提取出2個(gè)主成分,共解釋了總方差的 76.5%(圖6).主成分1對(duì)總方差的貢獻(xiàn)最大,為56.0%,是控制沉積物重金屬分布及來源的最主要因子,從圖中重金屬與坐標(biāo)軸的截距來看,該主成分主要由 Zn、As、Cd、Pb構(gòu)成,結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果,可以推測出這4種重金屬的污染來源可能相同.主成分2能解釋總方差的20.5%,是次要重金屬分布控制因子,它主要由Cr、Ni構(gòu)成,表明該2種重金屬可能同源.

3 討論

3.1 沉積物重金屬的分布特征

天然沉積物中重金屬含量較低而表現(xiàn)為背景水平,其分布主要受到土壤、巖石母質(zhì)等成分的影響,但當(dāng)沉積物受到人為污染影響時(shí),其中的重金屬往往表現(xiàn)出較高的水平[28].對(duì)照貴州省土壤重金屬背景值可得(表5),普定水庫沉積物中8種重金屬在平均含量上均超過了背景值,顯示出較高的積累水平,這表明普定水庫沉積物重金屬受到了人為活動(dòng)的影響.與其它水體沉積物的比較可以發(fā)現(xiàn)(表7),其中,相對(duì)于貴州省的其它水體來說,如草海[15-17]、阿哈水庫[29]、紅楓水庫[30],它們沉積物中 8種重金屬含量與普定水庫都存在著一定的差異.研究表明,上述3個(gè)水體中,草海沉積物重金屬污染相對(duì)較輕,這歸因于草海為國家自然保護(hù)區(qū),人為的保護(hù)減輕了草海的污染[16].阿哈水庫、紅楓水庫沉積物重金屬污染較為嚴(yán)重且主要重金屬污染物相似,然而它們與普定水庫雖都屬于烏江流域,但主要重金屬污染物卻并不一樣,表明普定水庫沉積物中重金屬污染來源可能具有區(qū)域獨(dú)特性.對(duì)比滆湖[12]、滇池[13]、太湖[14]以及渤海沉積物[31],普定水庫沉積物重金屬污染水平低于污染較重的滆湖和滇池,但高于太湖和渤海.研究表明,水體沉積物重金屬污染與所處地域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的關(guān)系[32].滆湖、滇池都位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域,所以受人為污染的影響更大.太湖沉積物重金屬含量低則是由于底泥疏浚的原因.而渤海沉積物重金屬含量低于周邊河口沉積物,受到的污染較輕[33],所以明顯低于普定水庫.綜上所述,普定水庫沉積物重金屬含量較高,且受人為影響較大.

表7 普定水庫沉積物重金屬含量與其它水體的對(duì)比(mg/kg)Table 7 The contents of heavy metals (mg/kg) in sediments of Puding Reservoir compared with those in other water system

3.2 沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

對(duì)比 3種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)它們之間具有差異性.比如,地積累指數(shù)法得出 Hg整體污染較低,而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法則顯示它為主要的重金屬污染物.SQGs方法得出Ni具有較高的有害毒性效應(yīng),但另外2種方法都表明Ni的污染較輕.這種結(jié)果的不一致性可能與各自評(píng)價(jià)方法的定義與側(cè)重點(diǎn)具有重要的關(guān)系.例如地積累指數(shù)法主要偏重于重金屬在沉積物中富集程度,并且與重金屬的背景含量具有重要的相關(guān)性[34].SQGs方法則是根據(jù)對(duì)底棲生物的毒性實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,它并沒有考慮到重金屬背景含量以及沉積物的性質(zhì),且各國所制定的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異性,適用范圍也有一定的局限.此外,運(yùn)用該方法評(píng)價(jià)不同重金屬的毒性效應(yīng)時(shí),其結(jié)果的準(zhǔn)確性并不相同,比如對(duì) Hg的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性就較低,因?yàn)榧谆嵌拘宰顝?qiáng)的汞化合物,但它對(duì)底棲生物的直接毒性卻較小[35].潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法則主要考慮了各種重金屬對(duì)生物的毒理性,其評(píng)價(jià)結(jié)果更側(cè)重于毒理方面[36],從評(píng)價(jià)結(jié)果中可以看出,由于Hg的毒性系數(shù)是Pb的8倍,所以潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示出Hg污染比Pb更為嚴(yán)重,與地積累指數(shù)法結(jié)果相異.但綜合3種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果可得,Pb、Cd是普定水庫沉積物中主要重金屬污染物,而兩者之間也具備顯著相關(guān)性(P＜0.01),因此,3種評(píng)價(jià)方法能綜合反映出普定水庫沉積物重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn),可以為水庫的重金屬污染防治提供較為全面的參考.

3.3 沉積物重金屬污染特征分析

為揭示普定水庫沉積物重金屬的來源,本研究運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)分析重金屬之間的顯著相關(guān)性,初步揭示重金屬之間可能具有的同源關(guān)系.并在此基礎(chǔ)上利用主成分分析將顯著相關(guān)的重金屬置于同一主成分下,以便作出更加合理的解釋[37].分析結(jié)果表明,主成分1控制著Zn、As、Cd、Pb的分布,表明這4種重金屬可能同源,或者在污染積累過程中因地球化學(xué)行為相似而產(chǎn)生了復(fù)合效應(yīng).而Pearson相關(guān)性分析也表明這4種重金屬具有顯著的關(guān)聯(lián)(P＜0.01).根據(jù)地域分布特征,普定水庫的西北、北部及東北區(qū)域遍布著各種鉛鋅礦及煤礦開采場.從礦產(chǎn)的形成原則上看,Cd具有親硫性,它可作為分散元素被賦存在閃鋅礦中,因此與鋅具有共生性[38].而 As的硫化物雄黃因低溫?zé)嵋鹤饔枚欣赑bS、ZnS沉淀,因此與鉛鋅成礦也具有密切關(guān)聯(lián)[39].同時(shí),也有研究表明,Cd、As污染與煤礦冶煉活動(dòng)頻繁相關(guān)[40].因此推測普定水庫周圍的鉛鋅礦及煤礦開采冶煉是其沉積物中Zn、As、Cd、Pb高含量的主要貢獻(xiàn)者.此外,由于鉛鋅礦及煤礦分布較密集,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染廢水能夠從不同入庫河流同時(shí)進(jìn)入水庫,污染較為均勻,因此這可能是As、Zn在沉積物中的分布沒有差異的主要原因.重金屬從污染源進(jìn)入水體并在沉積物中積累,這個(gè)過程會(huì)受到諸多因素的影響[41].普定水庫屬于喀斯特人工水庫,較高的巖石祼露率使得重金屬污染物更容易大量流入水體而不被截留,這種情況在水庫的猛普河附近更加顯著.水體懸浮質(zhì)能吸附重金屬,并能在水流的帶動(dòng)下作遠(yuǎn)距離遷移甚至被帶出水庫[42].大壩區(qū)、三岔街區(qū)位于水流交匯處,而隴箐村區(qū)則位于水庫河流段,其水力條件明顯高于其余兩個(gè)區(qū)域.因此,地質(zhì)及水力條件可能會(huì)導(dǎo)致沉積物中重金屬含量的分布不均勻.主成分2由Cr、Ni構(gòu)成,表明這2種重金屬可能具有相同來源,但相關(guān)性分析卻顯示這 2種重金屬并沒有顯著相關(guān)性(P＞0.01).一般來說,Cr、Ni的污染主要與金屬加工、電鍍行業(yè)密切相關(guān)[43].普定縣基礎(chǔ)設(shè)施較落后,工業(yè)生產(chǎn)中排出的廢棄物未經(jīng)處理直接排入地表,其中的Cr、Ni污染物在雨水的沖刷下最終匯集到水庫,因此對(duì)Cr、Ni污染貢獻(xiàn)較大.而Cr、Ni都屬于親鐵性元素,可以在地球化學(xué)過程中作共同遷移[16],相關(guān)性分析中表明 Cr、Ni分別與 Zn具有顯著相關(guān)性,而 Zn的化學(xué)性質(zhì)與鐵相似[44],所以主成分2表明Cr、Ni這2種重金屬可能因?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)行為相似而在遷移過程中產(chǎn)生了復(fù)合污染.對(duì)于剩余的 2種重金屬,Cu在主成分1及主成分2中載荷的絕對(duì)值都較高且大小一致,表明主成分 1及主成分 2對(duì)它的污染都產(chǎn)生了貢獻(xiàn),這可能與 Cu在地殼中的含量變化范圍較大有關(guān).而與趙馨等[20]的研究結(jié)果相比,本研究中的 Hg含量只有微弱的增長,表明近年來 Hg的輸入較小,但其在大壩處沉積物8cm和20cm處出現(xiàn)了極大值,而Zn、As、Cd和Pb等同樣出現(xiàn)了極大值,表明汞可能與這些重金屬在這兩處產(chǎn)生了復(fù)合性沉積.

水庫沉積物深度的增加是一個(gè)逐漸積累的過程,其不同深度對(duì)應(yīng)的歷史時(shí)期不同[45].從垂直分布特征上看,Cu、Zn、As、Cd、Pb在大壩區(qū)、梭篩區(qū)、風(fēng)景區(qū)及三岔街區(qū)沉積物24cm向上至 12cm 階段,含量都開始大量積累,明顯高于下層沉積物,Cr、Ni在大壩區(qū)、風(fēng)景區(qū)、三岔街區(qū)12～24cm也有所積累,而在梭篩區(qū)16cm以下沉積物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了背景水平,表明普定水庫沉積物在這一時(shí)期受到了 7種重金屬的嚴(yán)重污染,根據(jù) Pearson相關(guān)性及主成分分析結(jié)果,從而推測這一時(shí)期正對(duì)應(yīng)了普定水庫周邊鉛鋅礦開采以及工業(yè)的大力發(fā)展階段,在這一時(shí)期,礦產(chǎn)業(yè)及工業(yè)的發(fā)展對(duì)水庫沉積物中重金屬污染具有極重要的影響.但從沉積物 12cm向上,7種重金屬的含量均開始下降,表明污染已有所減輕,這可能是因?yàn)槠斩ㄋ畮熳鳛樗达嬘玫?人為設(shè)置保護(hù)區(qū)有效降低了重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn).然而通過 3種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果可知,上層沉積物中 7種重金屬仍顯示出不同程度的污染水平,表明周圍礦產(chǎn)開采及工業(yè)生產(chǎn)仍對(duì)普定水庫具有重要影響,因此應(yīng)當(dāng)加大保護(hù)措施的力度.

4 結(jié)論

4.1 普定水庫沉積物中 Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 含量分別為(151.8±24.0),(82.1±5.4),(150.3±26.8),(546.9±180.3),(48.7±12.1),(3.9±2.6),(284.9±188.5),(0.23±0.13)mg/kg,均高于貴州省土壤背景水平,表明受到人為排放影響;垂直分布特征表明 8種重金屬均發(fā)生過污染積累,但表層已有所緩解.

4.2 地積累指數(shù)、SQGs方法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示普定水庫沉積物重金屬污染較重,Pb、Cd為主要污染物.Pearson相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果表明周邊礦產(chǎn)開采以及工業(yè)排放對(duì)普定水庫沉積物中 Zn、As、Cd、Pb和Cr、Ni貢獻(xiàn)較大.

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《中國環(huán)境科學(xué)》喜獲中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目資助

《中國環(huán)境科學(xué)》2015年6月獲得中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目資助.中國科協(xié)精品科技期刊TOP50項(xiàng)目按照“以獎(jiǎng)促建”的原則,通過以獎(jiǎng)代補(bǔ)方式,遴選支持一批高端精品科技期刊,形成學(xué)科導(dǎo)航期刊集群.推動(dòng)其加快成長為促進(jìn)科技知識(shí)生產(chǎn)傳播的重要渠道、促進(jìn)學(xué)術(shù)交流的重要平臺(tái)和促進(jìn)學(xué)術(shù)生態(tài)建設(shè)的苗圃花壇,為我國科技期刊的發(fā)展發(fā)揮示范引領(lǐng)作用.經(jīng)過專家評(píng)審和公示,最終確定入選的期刊均為學(xué)術(shù)影響力強(qiáng)、引證指標(biāo)好、在學(xué)術(shù)交流與學(xué)科建設(shè)中起到重要作用、服務(wù)科技工作者成效顯著、學(xué)術(shù)出版道德規(guī)范的優(yōu)秀中文科技期刊.