趙曉磊，李一平，魏 進(jìn)，朱向宇

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098；2.清水源(上海)環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201107)

1 前 言

桉樹(shù)大規(guī)模種植于我國(guó)南方地區(qū)，經(jīng)過(guò)人工栽培以后，很快即可成材，這對(duì)種植地很多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益[1]。然而，桉樹(shù)卻被認(rèn)為是“抽肥機(jī)”、“霸王樹(shù)”，甚至傳言“有毒”，會(huì)對(duì)生態(tài)造成巨大危害[2]。與桉樹(shù)人工林有關(guān)的污染問(wèn)題已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者對(duì)此作了深入的研究調(diào)查。已有研究表明，普洱市37 500公頃桉樹(shù)人工林表層土壤養(yǎng)分含量均高于背景值，處于輕微污染水平，其中Cd的污染指數(shù)介于1～2之間，該研究區(qū)域呈現(xiàn)出輕度Cd污染[3]；還有研究表示，作為富集重金屬的主要植被之一，桉樹(shù)可以用于修復(fù)當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴就寥繹4]；此外，許多研究深入揭示了桉樹(shù)人工林對(duì)地表水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的影響[5-6]；并且，李一平等學(xué)者研究表明廣西桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)泛黑與季節(jié)、氣候和水體溫度分層等條件密切相關(guān)[7]。

水庫(kù)沉積物是污染物質(zhì)隱藏和遷移的重要媒介，與人類(lèi)生產(chǎn)和生活有著密切聯(lián)系[8]。它不僅是水環(huán)境的重要組成部分，更重要的還是水體中重金屬元素的匯與源[9]，記錄著庫(kù)區(qū)環(huán)境變化的豐富信息。當(dāng)重金屬元素進(jìn)入水體后，會(huì)快速積聚于底泥沉積物中[10]，并通過(guò)生物富集作用，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，甚至還會(huì)威脅到人類(lèi)的健康和生命安全[11]。此外，一些人類(lèi)活動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致表層沉積物揚(yáng)起造成庫(kù)區(qū)水體二次污染[12]。然而，還未有研究涉及到桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中重金屬垂向污染特征、變化趨勢(shì)分析以及對(duì)污染程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)針對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充研究，以期為桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)水質(zhì)保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴痉乐闻c風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)西南部，陽(yáng)光充足，氣候溫和，年均氣溫適中，年均降雨量1 304mm，平均相對(duì)濕度近80%[13]。廣西桉樹(shù)人工林發(fā)展迅速，種植量居全國(guó)第一。在南寧市擁有的750多座水庫(kù)中，有550座周?chē)N植桉樹(shù)，所占比例高達(dá)70%以上，且還在逐年增加。

那降水庫(kù)(NJ)[14]位于南寧市隆安縣的中部偏西南方向，該水庫(kù)以防洪、灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，兼顧發(fā)電以及水產(chǎn)養(yǎng)殖。水庫(kù)大壩全長(zhǎng)210米，壩高47m，頂寬6m，水庫(kù)匯水面積63km2，總庫(kù)容2 715萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1 880萬(wàn)m3，庫(kù)區(qū)桉樹(shù)種植面積高達(dá)65%。天雹水庫(kù)(TB)[15]位于南寧市西郊心圩鎮(zhèn)，總庫(kù)容1 360萬(wàn)m3，有效庫(kù)容880萬(wàn)m3，是南寧可利江的源頭，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉和景觀用水，庫(kù)區(qū)桉樹(shù)種植面積高達(dá)72%。兩個(gè)水庫(kù)是典型的桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)[16]，庫(kù)區(qū)桉樹(shù)種植面積均已達(dá)到60%以上[17]。

2.2 樣品采集

以那降水庫(kù)和天雹水庫(kù)為研究區(qū)域，并根據(jù)這兩個(gè)水庫(kù)的地形、水深以及庫(kù)區(qū)底泥空間分布特征，設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，分別為NJ1(23°12′48″N，107°43′35″E)，水深約30m；NJ2(23°13′1″N，107°43′25″E)，水深約21m；NJ3(23°12′57″N，107°43′52″E)，水深約20m；TB1(22°52′40″N，108°14′6″E)，水深約14m；TB2(22°53′1″N，108°13′43″E)，水深約20m；TB3(22°52′52″N，108°14′8″E)，水深約17m。于2016年8月在各樣點(diǎn)處使用沉積物柱狀采泥器WB-PM采集水-土界面向下20cm的沉積物柱狀樣，并使用上頂法按每5cm間隔分層將其分割4層(表層0～5cm，中層5～10cm和10～15cm，底層15～20cm)裝入自封袋冷藏，供實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 那降水庫(kù)(a)、天雹水庫(kù)(b)樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Locations of the sampling sites of Najiang reservoir(a)and Tianbao reservoir(b)

2.3 樣品預(yù)處理

首先，將沉積物分層樣品放于通風(fēng)處自然風(fēng)干，干燥后剔除雜物，研磨混合，并裝入潔凈自封袋中貯存。然后，稱取0.100g凍干樣品，將其轉(zhuǎn)移至離心管中，加入少量超純水(Millipore)潤(rùn)濕，在離心管中加入約2滴 HNO3(優(yōu)級(jí)純)，輕微震蕩離心管，使樣品與HNO3均勻混合；然后將離心管放于消解儀上80°C時(shí)消解24h，等離心管冷卻后，取上清液進(jìn)行分析測(cè)定。

2.4 重金屬含量測(cè)定

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)[18]測(cè)定處理后的樣品中7種重金屬元素(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)的含量，為提高重金屬含量的測(cè)定精度以減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)樣品測(cè)定3次并記錄數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析使用。

2.5 地累積指數(shù)法

采用地累積指數(shù)法[19]對(duì)該研究區(qū)域沉積物中重金屬元素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，該方法廣泛應(yīng)用于重金屬的污染評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式為：

式中：Igeo表示地累積指數(shù)；Cn為實(shí)測(cè)重金屬的濃度，單位為mg/kg；Bn為該重金屬元素的地球化學(xué)背景值，單位為mg/kg；考慮到成巖作用可能引起背景值波動(dòng)這一事實(shí)，k是一個(gè)常數(shù)，通常取1.5[20]。

由上述公式可知，地累積指數(shù)(Igeo)不僅與樣品的實(shí)測(cè)濃度(Cn)有關(guān)，還和地球化學(xué)背景值(Bn)的選擇也密切相關(guān)。因此，為了使重金屬評(píng)價(jià)結(jié)果更具說(shuō)服性和更加貼近實(shí)際生活，本文使用南寧市土壤重金屬元素背景值[21]，Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb的金屬背景參考值分別為70.1、20.8、37.8、10.8、0.08、0.13和23.8mg/kg。根據(jù)地累積指數(shù)(Igeo)將重金屬污染程度分為7級(jí)(表1)。由表1可知，當(dāng)某重金屬的Igeo小于0，代表該重金屬未對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境造成污染；大于0的，代表該金屬有一定程度的污染。

表1 地累積指數(shù)(Igeo)與污染程度分級(jí)Tab.1 The geo-accumulation index and pollution degree classification

3 結(jié)果與討論

3.1 我國(guó)南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中重金屬含量及垂直分布特征

表2顯示的是研究區(qū)水庫(kù)不同深度處各樣點(diǎn)沉積物中7種重金屬(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)的含量統(tǒng)計(jì)情況?？梢钥闯?，總體上，天雹水庫(kù)沉積物中重金屬Cr、Cu、Cd和Pb污染程度較那降水庫(kù)嚴(yán)重，且該7種重金屬平均含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值，表明研究區(qū)域內(nèi)重金屬污染較為嚴(yán)重，這主要是由于那降水庫(kù)周?chē)藷熛∩?，受到外界的污染較少，而天雹水庫(kù)作為國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)，易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。由表2可以看出，南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中元素Cu和Pb的平均含量隨深度增加呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，Cu和Pb的平均含量都在中層5～10cm處出現(xiàn)下降，并都在底層15～20cm處達(dá)到最大值(分別為43.5、44.3 mg/kg)，兩者隨深度增加的增長(zhǎng)幅度分別為8.2%，11.0%；Zn和Cd的平均含量隨著深度增加呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，分別由表層0～5cm的96.5，0.28mg/kg持續(xù)增加到底層15～20cm的115.8，0.36mg/kg，增長(zhǎng)幅度分別為20.0%，28.6%，表明表層底泥受自然和人類(lèi)活動(dòng)影響較大，重金屬向底層富集；Cr、As和Hg的平均含量隨著深度增加而波動(dòng)下降，其中Cr平均含量在10～15cm深度處達(dá)到最大值(95.2 mg/kg)、As平均含量在5～10cm深度處出現(xiàn)上升(14.5 mg/kg)、Hg平均含量在10～15cm深度處出現(xiàn)下降(0.75 mg/kg)，三者隨深度增加的下降幅度分別為0.6%，10.7%，61.6%。可見(jiàn)，各類(lèi)重金屬在桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)底泥中的含量分布具有明顯差別，其中，庫(kù)區(qū)表層沉積物中Cr、Zn、As、Cd和Pb的平均含量一般低于深層沉積物，而其余兩種重金屬(Cu和Hg)在表層沉積物中的平均含量相對(duì)基本高于深層沉積物。

從不同重金屬含量變異系數(shù)的垂向變化(表2)來(lái)看，不同深度處的沉積物Hg含量變異系數(shù)均大于相應(yīng)深度的其他重金屬，其次是Pb和As，而Zn、Cd、Cr和Cu變異系數(shù)則相對(duì)較低，這表明研究區(qū)水庫(kù)沉積物中不同深度的Hg含量空間差異相對(duì)較大，Zn、Cd、Cr和Cu含量分布較為均勻，而Pb和As含量分布的空間變異性介于前面二者之間。隨著沉積深度增加，桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中Cr、Cu、Cd和Pb含量變異系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度依次達(dá)到44.4%，50%，61.5%，60.9%；As含量變異系數(shù)呈下降趨勢(shì)，其下降幅度達(dá)到18.2%；Zn和Hg含量變異系數(shù)呈波動(dòng)性變化，即Zn和Hg含量變異系數(shù)在中層5～10cm和10～15cm深處出現(xiàn)波動(dòng)變化，而南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物在底層15～20cm處的Zn和Hg含量變異系數(shù)和表層0～5cm深處基本一致。這說(shuō)明，As含量空間差異在桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)表層沉積物中表現(xiàn)相對(duì)明顯，沉積物深層的Cr、Cu、Cd和Pb含量空間變異性較為顯著，Zn和Hg含量空間差異程度在中層沉積物呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。由表2可見(jiàn)，各樣點(diǎn)不同深度7種重金屬含量的變異系數(shù)均介于0.10～0.70之間，Hg的變異系數(shù)都大于0.45，離散程度較高，這說(shuō)明Hg容易受到自然行為和人類(lèi)活動(dòng)的影響；其余6種重金屬含量變異系數(shù)都在0.10～0.45之間，離散程度相對(duì)較低。

表2 沉積物中重金屬含量Tab.2 Heavy metal concentrations in the sediment (mg/kg)

續(xù)表2

深度(cm)采樣編號(hào)CrCuZnAsCdHgPbTB3127.4 46.7 105.6 8.2 0.43 0.59 56.8 平均值95.2 40.1 112.8 13.1 0.34 0.75 41.1 變異系數(shù)0.25 0.14 0.17 0.38 0.20 0.70 0.31 15～20NJ170.3 33.5 101.9 9.3 0.29 0.37 29.6 NJ264.7 51.4 104.8 10.5 0.23 0.16 31.0 NJ345.1 20.0 103.5 8.7 0.17 0.08 14.7 TB185.8 54.3 125.4 12.5 0.48 0.37 51.1 TB2139.8 50.6 142.3 12.8 0.50 0.57 73.8 TB3110.7 51.3 116.8 11.5 0.49 0.41 65.9 平均值86.1 43.5 115.8 10.9 0.36 0.33 44.3 變異系數(shù)0.26 0.15 0.23 0.36 0.21 0.50 0.37 背景值70.120.837.810.80.080.1323.8

3.2 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2表現(xiàn)的是桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)各樣點(diǎn)不同深度7種重金屬的地累積指數(shù)(Igeo)及污染分級(jí)。由圖2可知，7種重金屬污染程度由大到小為Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>As。結(jié)果表明，南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中造成污染最嚴(yán)重的重金屬元素是Hg，其地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果基本在1～3之間，屬于中度污染程度；其次是Cd和Zn，其地累積指數(shù)主要介于0～2之間，污染程度為輕度-偏中度；Cu地累積指數(shù)含量范圍為-1～1，污染分級(jí)介于清潔和輕度污染之間；Pb地累積指數(shù)在那降水庫(kù)庫(kù)區(qū)樣點(diǎn)處(NJ1、NJ2和NJ3)均小于0，這表明那降水庫(kù)清潔無(wú)Pb污染，而在天雹水庫(kù)庫(kù)區(qū)樣點(diǎn)處(TB1、TB2和TB3)則受到輕微污染；Cr在樣點(diǎn)TB2的地累積指數(shù)介于0～1之間，污染分級(jí)為輕度污染，在其余五個(gè)樣點(diǎn)處的地累積指數(shù)都小于0，污染分級(jí)為清潔無(wú)污染產(chǎn)生；As元素的地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果基本都小于0，這表明南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)并沒(méi)有As污染。對(duì)于Hg的地累積指數(shù)值的變化，在NJ1、NJ2和NJ3樣點(diǎn)處隨沉積深度的增加Hg的地累積指數(shù)呈波動(dòng)減小的趨勢(shì)，而在TB1、TB2和TB3樣點(diǎn)處，隨著沉積物深度的增加，Hg的地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果逐漸減小，即地累積指數(shù)有逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這說(shuō)明了Hg污染有逐年加重的趨勢(shì)；Cd、Zn和Cu的地累積指數(shù)隨沉積深度增加變化較為一致，在NJ1、NJ2和NJ3樣點(diǎn)處隨沉積深度的增加Cd、Zn和Cu元素的地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有顯著變化，而在TB1、TB2和TB3樣點(diǎn)處隨沉積深度的增加地累積指數(shù)均有增大的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，南方桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中污染最嚴(yán)重的重金屬是Hg，而且有逐年加重的趨勢(shì)，其余6種重金屬雖然對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境也有一定程度的污染，但污染并不嚴(yán)重，且有逐年減緩的趨勢(shì)。

對(duì)比圖2中(a)、(b)、(c)與(d)、(e)、(f)可以發(fā)現(xiàn)，除了Zn外，天雹水庫(kù)受到的其余6種重金屬污染要強(qiáng)于那降水庫(kù)。Cr和Pb在NJ1、NJ2和NJ3樣點(diǎn)處的地累積指數(shù)基本小于0，說(shuō)明對(duì)那降水庫(kù)并未造成污染，而在TB1、TB2和TB3樣點(diǎn)處的地累積指數(shù)介于0～1之間，說(shuō)明對(duì)天雹水庫(kù)造成了輕度污染，這表明由于人類(lèi)活動(dòng)，天雹水庫(kù)受到的污染要強(qiáng)于那降水庫(kù)；其相似點(diǎn)是兩個(gè)水庫(kù)沉積物中Hg和Cd的污染都較為嚴(yán)重，達(dá)到中度污染水平，并且As元素對(duì)兩個(gè)水庫(kù)都未產(chǎn)生污染，污染分級(jí)處于清潔程度。

4 結(jié) 論

4.1 天雹水庫(kù)沉積物中重金屬元素Cr、Cu、Cd和Pb污染程度較那降水庫(kù)嚴(yán)重，且那降水庫(kù)和天雹水庫(kù)中7種重金屬(Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)平均含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值，表明研究區(qū)域內(nèi)重金屬污染較為嚴(yán)重，這主要是由于那降水庫(kù)周?chē)藷熛∩伲艿酵饨绲奈廴据^少，而天雹水庫(kù)作為國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)，易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。

4.2 水庫(kù)沉積物中重金屬含量垂向分布規(guī)律表明，隨著沉積深度的增加，Cu和Pb的平均含量呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度分別為8.2%和11.0%；Zn和Cd的平均濃度呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度分別達(dá)到20.0%和28.6%；Cr、As和Hg的平均含量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，下降幅度分別為0.6%、10.7%和61.6%。由此可見(jiàn)，各類(lèi)重金屬元素在桉樹(shù)人工林區(qū)水庫(kù)沉積物中的含量分布具有明顯差別。

4.3 從重金屬含量變異系數(shù)垂向變化來(lái)看，不同深度處的沉積物中Hg含量變異系數(shù)均大于其他重金屬，這表明研究區(qū)水庫(kù)沉積物中Hg含量空間差異相對(duì)較大，并且Hg的變異系數(shù)都大于0.45，離散程度較高，這說(shuō)明Hg容易受到自然行為和人類(lèi)活動(dòng)的影響。

4.4 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，7種重金屬污染程度由大到小為Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Cr>As。

圖2 6個(gè)采樣點(diǎn)的7種重金屬地累積指數(shù)Fig.2 The geo-accumulation indexes of seven heavy metals in sediments of six sampling sites

污染最嚴(yán)重的重金屬元素是Hg，污染分級(jí)為中度污染，且有逐年加重的趨勢(shì)；其余6種重金屬污染程度不高，且有逐年減緩的趨勢(shì)。此外，天雹水庫(kù)受到的重金屬污染要強(qiáng)于那降水庫(kù)，這是由于天雹水庫(kù)相對(duì)于那降水庫(kù)更易受人類(lèi)活動(dòng)的影響。