王 昱,李寶龍,馮 起,王之君,劉 蔚,張昕雨,孔德星,左一鋒（.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050；.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050）

近年來(lái),隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng),通過(guò)污水排放、水文循環(huán)等方式使大量重金屬污染物進(jìn)入河流,歷經(jīng)絮凝沉降、吸附解析等過(guò)程最終蓄積在河流底部沉積物中[1-2].雖然河流可通過(guò)理化和生物作用對(duì)重金屬等污染物進(jìn)行吸收、固定和轉(zhuǎn)化,但當(dāng)污染物濃度超出水生態(tài)系統(tǒng)的承載力,且泥-水界面理化性質(zhì)發(fā)生改變時(shí),沉積物中的重金屬會(huì)重新釋放到上覆水體,使得重金屬在沉積物、上覆水體之間進(jìn)行二次遷移轉(zhuǎn)化,并通過(guò)生物富集和食物鏈的放大作用而影響人體健康[3-4].大型底棲動(dòng)物具有分布廣、移動(dòng)能力差、活動(dòng)范圍小,以表層沉積物為直接生境,其群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性能有效反映河流重金屬污染狀況[5-7].大量研究表明,河流重金屬含量較高的區(qū)域,大型底棲動(dòng)物的種類及多樣性顯著降低,耐污性物種逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì),且不同物種對(duì)重金屬污染具有很好的指示性[8-11].但上述研究多集中在湖泊、長(zhǎng)江、黃河等河流及其支流上,對(duì)生態(tài)環(huán)境脆弱的內(nèi)陸河流域水體及表層沉積物重金屬的分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的研究相對(duì)較少.因此探究大型底棲動(dòng)物對(duì)河流水體及表層沉積物重金屬空間分布潛在指示性和相關(guān)性關(guān)系,對(duì)有效治理和預(yù)防河流重金屬污染具有重要實(shí)踐意義.

黑河流域作為我國(guó)第二大內(nèi)陸河,是河西走廊綠洲賴以生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要水源基地[12].長(zhǎng)期以來(lái),受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件、人們意識(shí)觀念的制約,對(duì)祁連山成礦帶的過(guò)度開(kāi)采,以及歷史遺留的尾礦及礦渣肆意堆放,長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中,易被雨水淋洗或土壤滲流直接進(jìn)入河流[13],導(dǎo)致了黑河水體及表層沉積物一定程度的重金屬污染.此外,上游干流梯級(jí)水壩對(duì)重金屬具有明顯攔截效應(yīng),水體中重金屬經(jīng)吸附、沉淀和生物吸附等作用易富集在庫(kù)區(qū)底泥中.中游工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)及生活污水的排放等也會(huì)使進(jìn)入水體中的重金屬在沉積物中沉積,加劇了河流重金屬的富集程度,對(duì)河流水環(huán)境中的水生生物造成潛在危害[14].以往關(guān)于黑河重金屬的研究多集中在土壤或水體單一方面,忽略了重金屬進(jìn)入水體后絕大部分會(huì)累積在表層沉積物中,并未從大型底棲動(dòng)物對(duì)河流水體及表層沉積物重金屬的相關(guān)關(guān)系來(lái)分析重金屬的潛在危害[13,15].

為此,本文以黑河上、中游為研究區(qū)域,采集和測(cè)定水體、表層沉積物及底棲動(dòng)物樣品,采用主成分分析法識(shí)別重金屬污染的來(lái)源,并通過(guò)綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等評(píng)價(jià)河流水體及沉積物重金屬的污染狀況;同時(shí)對(duì)大型底棲動(dòng)物與水體及表層沉積物重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析,確定重金屬污染的潛在指示生物,為生態(tài)脆弱的西北內(nèi)陸河流域重金屬污染有效治理和科學(xué)管理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)布設(shè)

黑河發(fā)源于祁連山北麓的青海省祁連縣,流域范圍為 96°42'～102°04'E,37°45'～42°40'N,是我國(guó)第二大內(nèi)陸河.流域橫跨了祁連山地、走廊平原和阿拉善高原3種不同的地貌單元,總面積達(dá)1.3×105km2,黃藏寺-鶯落峽河段為上游干流,鶯落峽-正義峽為中游.上游祁連縣-天峻縣煤銅鉛鋅規(guī)劃區(qū)是青藏高原圈定的22個(gè)重點(diǎn)礦產(chǎn)資源勘查規(guī)劃區(qū)之一,分布有鐵、鉻、鉛、鋅和銅等重金屬元素,并有煤礦、鈾礦等礦山企業(yè)和建材等非金屬礦[13].上游干流水能資源豐富,相繼開(kāi)發(fā)了 8座梯級(jí)電站.中游灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),沿途城市群密集,是鐵、銅、鉬等礦產(chǎn)原料集中區(qū),煤炭、造紙、焦化、有色金屬加工等企業(yè)均有一定的規(guī)模和歷史[16].本文于2019年8月在黑河上、中游各典型區(qū)域布設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn),其中大型底棲動(dòng)物與水樣共有樣點(diǎn)為上游支流（H1～H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H8～H10、H13）;大型底棲動(dòng)物與表層沉積物共有樣點(diǎn)為上游（H1、H3、H4）,上游干流（H5～H7）,中游（H9、H11～H13）,各采樣點(diǎn)設(shè)置如圖 1所示.

圖1 黑河流域采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Distribution sampling sites in Heihe River basin

1.2 樣品采集與測(cè)定

使用彼得遜采泥器采集0～5cm河床表層沉積物樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)采集 3個(gè)平行樣,現(xiàn)場(chǎng)混勻,裝入聚乙烯封口袋并進(jìn)行標(biāo)記,低溫 4℃保存.沉積物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)冷凍干燥,剔除雜質(zhì),用研缽研磨后過(guò)100目尼龍篩保存.取4g表層沉積物待測(cè)樣品,采用 HNO3-HF-HCLO4法進(jìn)行消解,重金屬元素鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、砷（As）、錳（Mn）采用電感耦合質(zhì)譜儀測(cè)定;同時(shí)采集 1L水樣固定后置于 4℃保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室保存.水樣中 8種重金屬密度（ρ）采用電感耦合質(zhì)譜儀測(cè)定.實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,實(shí)驗(yàn)用水為超純水.

使用 1/16m2彼得遜采泥器在各采樣點(diǎn)斷面多處采集大型底棲動(dòng)物樣品16次,折合成1m2的采樣面積;現(xiàn)場(chǎng)用鑷子挑出活體放入樣本瓶,用 4%的福爾馬林溶液固定,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室在顯微鏡下進(jìn)行觀察,計(jì)數(shù)后稱重,并根據(jù)采樣面積換算成密度（ind./m2）和生物量（g/m2）[17].

1.3 研究方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法 綜合污染指數(shù)法是將同一樣點(diǎn)重金屬看成一個(gè)整體,主要來(lái)反映各種重金屬元素相互作用情況下對(duì)水環(huán)境的影響[18],其計(jì)算公式為:

式中:Ai為重金屬元素i的污染指數(shù);Ci為重金屬元素i的實(shí)測(cè)含量;Csi為重金屬i對(duì)應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),Ni元素采用集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值;WQI為河流水體中重金屬的水質(zhì)綜合污染指數(shù),其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:WQI≤1,為無(wú)污染,1＜WQI≤2,為低污染,2＜WQI≤3,為中度污染,WQI＞3,為重度污染.潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是 Hakanson根據(jù)沉積學(xué)原理評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法,是目前國(guó)內(nèi)外沉積物及水域污染程度評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的方法之一[19],其公式為:

表1 單項(xiàng)及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Individual and general indices and grades of potential ecological risk assessment

1.3.2 大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)計(jì)算 本研究采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)3項(xiàng)生物指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物攝食功能群多樣性[21-23].具體計(jì)算公式如下:

式中:S為群落中物種數(shù)目;N為樣方中觀察到的個(gè)體總數(shù);ni為第i種物種的個(gè)數(shù).

1.3.3 大型底棲動(dòng)物群落特征與重金屬的相關(guān)分析 對(duì)大型底棲動(dòng)物的密度、生物多樣性指數(shù)（H′、J、dM）、綜合污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,計(jì)算其相關(guān)系數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

為提高試驗(yàn)結(jié)果精確度和減小實(shí)驗(yàn)誤差,所有樣品分析均重復(fù) 3次,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析采用Origin9.0、SPSS24.0、Arc GIS10.6軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 黑河上、中游水體及表層沉積物重金屬的分布及空間變異性

如圖 2所示,水體中重金屬的含量整體較低,其中Mn的含量最高,其次為Zn、Ni、Cu、Pb和Cr,As和Cd最小.從空間變化來(lái)看,Mn、Zn、Ni的含量變化范圍較大（表 2）,分別為 0～1.660mg/L,0.004～0.195mg/L,0.003～0.072mg/L;As沿程逐漸增加,但其含量相對(duì)較低;Cu、Cd含量均表現(xiàn)出中游＞上游支流＞上游干流;而Cr僅在H9和H13點(diǎn)檢出.河流表層沉積物重金屬含量分布特征與表層水差異較大,8種重金屬元素含量大小依次為 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd.其中 Mn的含量顯著高于其他元素,上游干流Zn、Cr的含量明顯高于其他區(qū)域,而Cd的含量在上游干流和中游明顯低于上游支流,表明 Cd與其他兩種元素來(lái)源不同.As的含量沿河流呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),且在 H12點(diǎn)達(dá)到最高,為 24.40mg/kg,其他元素的含量均在中游最大.總體來(lái)看,水體重金屬含量在空間上變化不顯著,而表層沉積物重金屬含量表現(xiàn)出明顯的空間區(qū)域性差異.

圖2 河流水體及表層沉積物中重金屬空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of heavy metals in river water and sediment of river

研究區(qū)表層沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn含量的均值分別為14.22,0.29,130.64,37.14,761.80,60.01,26.61,151.71mg/kg（表 2）,8 種重金屬元素的平均值均超出甘肅省土壤背景值,尤其是Cd、Cr、Zn、Ni的含量均值是土壤背景值的3.33、2.66、2.26、2.10倍,表明這4種元素在表層沉積物中存在顯著的富集.8種重金屬元素的變異系數(shù)依次為 Cd＞Zn＞Ni＞Cr＞As＞Cu＞Pb＞Mn,其中強(qiáng)變異性占 75%,說(shuō)明 8種重金屬空間分布極不均勻.Cd、Zn的變異系數(shù)明顯大于其他元素,說(shuō)明這兩種元素受人為因素主導(dǎo)而產(chǎn)生的異常值,Mn、Pb的變異系數(shù)分別為 0.25和 0.35,均屬中等變異.從偏度變化來(lái)看,Cd偏度最大,其次為Zn、Ni、Mn、Pb、Cu、Cr,As 偏度最小,Cd、Zn、Ni、Mn 的偏度較其他元素高,說(shuō)明這 4種元素受人為干擾和脅迫而產(chǎn)生的正偏度[24].

表2 黑河上中游水體及表層沉積物中重金屬元素含量變化Table 2 Changes of heavy metal elements in surface water and sediments of upper and middle reaches of Heihe River

2.2 表層沉積物重金屬的相關(guān)性分析和主成分分析

相關(guān)性分析表明（表3）,表層沉積物中8種重金屬之間的相關(guān)關(guān)系較復(fù)雜,Cu-As、Mn-Cd、Pb-Cd、Pb-Cu為顯著相關(guān)（P＜0.05）,Ni-Cr和Zn-Pb為極顯著相關(guān),表明每組元素之間可能存在相同的人和自然污染源,此外,Pb和Cd、Cu、Zn存在顯著相關(guān),但Cd、Cu、Zn之間不相關(guān),說(shuō)明這3種元素來(lái)源各不相同;Cu,As,Pb均有顯著相關(guān)性,但As和Pb不相關(guān),說(shuō)明Cu來(lái)源不同.

表3 黑河上中游表層沉積物相關(guān)關(guān)系矩陣Table 3 Correlation matrix of heavy metals of upper and middle reaches of Heihe River

為進(jìn)一步探究表層沉積物中重金屬來(lái)源,將 8種重金屬進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表 4所示,前 3個(gè)主成分共解釋了總變量的82.20%,可以代表8種重金屬元素?cái)?shù)據(jù)的大部分信息（表 4）.旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣顯示,第一主成分（PC1）方差貢獻(xiàn)率為39.50%,Cu、Cr、Ni為主要成分,因子載荷分別為 0.912、0.849和 0.789;第二主成分（PC2）方差貢獻(xiàn)率為 29.10%,Cd、Pb、Mn為主要成分,因子載荷分別為0.805,0.755,-0.664;第三主成分（PC3）方差貢獻(xiàn)率為13.60%,As、Zn為主要成分,因子載荷分別為0.803,-0.487.

表4 研究區(qū)表層沉積物重金屬元素因子載荷Table 4 Factors matrix of heavy metals in surface sediments in the study area

2.3 河流水體及表層沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)

分析結(jié)果表明各采樣點(diǎn)的WQI值均小于1（表2）,表明黑河上中游水體未受到重金屬污染;同時(shí)對(duì)比地表水Ⅲ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)[25]（Ni除外）,僅Mn元素超過(guò)Ⅲ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但Mn的毒性系數(shù)較小;Ni含量未超出集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值（0.02）,總體來(lái)看水體重金屬含量對(duì)水環(huán)境影響較小.由表5可知,黑河上中游表層沉積物重金屬綜合污染程度的平均值為 16.15,整體處于較高污染水平;其中H1點(diǎn)綜合污染程度遠(yuǎn)大于其他樣點(diǎn),為高污染水平,H2、H6和H13處于中等污染水平,其余各點(diǎn)處于較高污染水平,總體為上游支流＞上游干流＞中游.從單項(xiàng)污染系數(shù)來(lái)看,各重金屬元素單項(xiàng)污染系數(shù)平均值依次為 Cd＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞As＞Pb＞Mn,8 種重金屬元素中 Cd污染系數(shù)最高（3.33）,達(dá)到較高污染水平,僅Mn為低污染水平,其他均為中等污染水平.

表5 表層沉積物重金屬元素的單項(xiàng)污染系數(shù)和綜合污染程度Table 5 Single pollution coefficient and multtiple pollution coefficient of heavy metals in surface sediments

由表 6可知,黑河上中游表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的變化范圍為 24.37～69.68,平均值為 48.03,處于低度風(fēng)險(xiǎn)水平;各采樣點(diǎn)表層沉積物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值在H2點(diǎn)最高（69.68）,其次為H6、H13、H4、H11、H3、H12、H5,H9和H1最小;就整個(gè)研究區(qū)而言,RI的平均值為上游干流＞上游支流＞中游.從單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)看,各金屬元素單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)平均值介于 0.62～17.20,大小依次為 Mn＞Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn;其中 Mn、Cd 為中度風(fēng)險(xiǎn)水平,其他元素均為低度風(fēng)險(xiǎn)水平.綜合兩種評(píng)價(jià)結(jié)果表明黑河上中游表層沉積物重金屬污染基本處于較高污染程度,但大多為低度風(fēng)險(xiǎn)水平,個(gè)別點(diǎn)處于高污染、高風(fēng)險(xiǎn)水平;此外不同區(qū)域表層沉積物綜合污染程度為上游支流＞上游干流＞中游,而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在上游干流最大,中游最小.因此黑河上中游表層沉積物重金屬污染表現(xiàn)出明顯的空間差異性.

表6 表層沉積物重金屬元素的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RITable 6 Single potential ecological risk factor and potential ecological risk index of heavy metals in sediments

2.4 大型底棲動(dòng)物的分布特征

大型底棲動(dòng)物密度和生物量的變化情況如圖3所示,其平均密度和生物量分別為 83.14ind./m2和3.78g/m2.從空間變化來(lái)看,上游支流物種組成簡(jiǎn)單,密度變化范圍為 12～206ind./m2,變化幅度較大,H3點(diǎn)達(dá)到最高（206ind./m2）;生物量變化范圍為0.03～ 0.50g/m2之間,H3點(diǎn)達(dá)到最大值（0.50g/m2）.上游干流底棲動(dòng)物密度和生物變化幅度較小,分別為 7～105ind./m2和0.026～0.45g/m2.中游底棲動(dòng)物組成復(fù)雜,密度和生物量顯著高于其他區(qū)域,密度介于15～357ind./m2;生物量介于0.61～23.85g/m2,且各樣點(diǎn)的密度和生物量均維持在較高水平（除 H9、H10外）.總體上來(lái)看大型底棲動(dòng)物在不同區(qū)域分布差異較大,各典型區(qū)域密度和生物量的變化趨勢(shì)均為:中游＞上游干流＞上游支流.

圖3 黑河上中游大型底棲動(dòng)物的分布Fig.3 Distribution of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.5 大型底棲動(dòng)物的物種多樣性

黑河上中游共采集到底棲動(dòng)物 38種,隸屬于 3門7綱15目27科,節(jié)肢動(dòng)物29種,占76.32%,軟體動(dòng)物8種,占21.05%,環(huán)節(jié)動(dòng)物1種,占2.63%.上游支流 18種（47.37%）,上游干流 13種（占 34.21%）,中游30種（占 78.95%）;其中節(jié)肢動(dòng)物在區(qū)域均占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),軟體動(dòng)物以中游居多,上游干流次之,上游支流最少,僅在上游干流H6和中游H9點(diǎn)采集到環(huán)節(jié)動(dòng)物.不同區(qū)域大型底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)變化如圖4所示,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和 Pielou均勻度指數(shù)沿程變化趨勢(shì)較一致,整體上呈不斷上升的趨勢(shì),這與該流域不同大型底棲動(dòng)物的分布特征相一致.上游支流底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)增加趨勢(shì)明顯,但多樣性指數(shù)值相對(duì)其他區(qū)域較低;上游干流Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著高于Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù),變化趨勢(shì)較小,而 Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)起伏變化較大,特別是H5和H6受物種現(xiàn)存量的影響,豐富度和均勻度較低.中游各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物的物種多樣性較高,整體呈一定的增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖4 黑河上中游各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of Macrobenthos in the upper and middle reaches of Heihe River

2.6 大型底棲動(dòng)物與重金屬的相關(guān)性分析

根據(jù)黑河上中游水體重金屬含量與大型底棲動(dòng)物特征進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果可知（表 7）,蜘蛛目密度與As、Cr、Mn呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與Pb呈正相關(guān)關(guān)系;基眼目密度與 As呈正相關(guān),生物指數(shù)和其他類群與水體重金屬未表現(xiàn)出相關(guān)性.表層沉積物重金屬含量及其污染指數(shù)與大型底棲動(dòng)物特征的相關(guān)性分析結(jié)果可知（表 8）,大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)與Pb呈顯著負(fù)相關(guān);均勻度指數(shù)與Cd、Pb均呈顯著負(fù)相關(guān);豐富度指數(shù)與Cu、Ni呈顯著負(fù)相關(guān),與Cr呈極顯著負(fù)相關(guān).鞘翅目密度與Zn呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系;半翅目密度與 Cd、Cu呈顯著正相關(guān);基眼目密度與 Cd呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)系,與綜合污染程度呈顯著正相關(guān).此外,其他大型底棲動(dòng)物密度與重金屬元素含量、綜合污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)未表現(xiàn)出相關(guān)性（P＞0.05）.可見(jiàn)重金屬含量對(duì)大型底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)及個(gè)別類群的密度影響較大.

表7 河流水體重金屬含量與大型底棲動(dòng)物特征相關(guān)性Tble 7 Correlation between heavy metal content in river water and characteristics of macrobenthos

表8 表層沉積物重金屬含量、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與大型底棲動(dòng)物特征相關(guān)性Table 8 Correlation between heavy metal content,potential ecological risk index and characteristics of macrobenthos in surface sediments

3 討論

3.1 水體及表層沉積物重金屬分布特征及來(lái)源解析

河流水體及表層沉積物重金屬的分布受區(qū)域成土母質(zhì)等自然因素及人類活動(dòng)的雙重制約[26-27],致使河流水體及表層沉積物重金屬污染呈現(xiàn)出一定的空間分異[28].黑河上中游水體重金屬中 Mn的含量最高,其次為 Zn、Ni、Cu、Pb和 Cr,As和 Cd最小.造成這種現(xiàn)象的原因一方面是黑河上中游頁(yè)巖、泥巖等及錳鐵礦、鉛鋅礦、銅礦等礦業(yè)分布廣泛,其主要元素是Mn、Cu、Zn、Ni等金屬元素[13];另一方面上中游分布有工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)生的污染物均使水體中Zn、Cu、Cd有一定的積累.而Zn、Cu、Cd的含量在上游干流較少,可能是庫(kù)壩區(qū)相對(duì)河流有較長(zhǎng)的水力滯留時(shí)間和較高的沉積速率,水體重金屬易被懸浮有機(jī)顆粒吸附、絮凝、沉淀于庫(kù)底,導(dǎo)致上部水體重金屬含量較少[29].Cr的含量較低,分布范圍小,主要是其賦存形態(tài)主要為氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài),易與有機(jī)質(zhì)形成絡(luò)合物而沉淀[30].此外,水體中Mn、Zn、Ni等金屬含量與表層沉積物沿程分布特征較為一致,且表層沉積物重金屬含量＞水體,說(shuō)明重金屬有從沉積物中二次釋放的可能,尤其是庫(kù)區(qū)水體中溶解氧含量較低時(shí)Mn、Zn、Ni等元素會(huì)大量釋放到水體,造成二次污染[31].

河流表層沉積物重金屬的分布呈空間區(qū)域性分布,8種重金屬元素濃度大小依次為 Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd,這與補(bǔ)建偉等[13]對(duì)黑河源區(qū)土壤重金屬含量的分布特征較為一致.結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果表明,Cu、Cr、Ni受人類活動(dòng)影響較大,且有可能來(lái)自不同人為源.Lv等[32]研究表明,化肥和農(nóng)藥是 Cu等重金屬元素的主要來(lái)源;黑河中游綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),農(nóng)藥、化肥中含有大量的 Cu等重金屬隨農(nóng)藥的施用進(jìn)入土壤,并在土壤中累積,最終經(jīng)水文過(guò)程流入河流,增加了表層沉積物重金屬污染程度;一般來(lái)說(shuō)Cr和Ni是土壤中含量相對(duì)較低的元素[32],但本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)其濃度較高,這可能是區(qū)域周邊分布的有色金屬加工業(yè)和造紙、化工及農(nóng)副產(chǎn)品加工等所排放的涉重廢水中含有較多 Cr和Ni有關(guān).Pb在不同主成分上均有一定的正載荷值,可以認(rèn)為其既有自然來(lái)源,也有外部污染源的影響,如采礦業(yè)、鋼鐵冶煉等可能是其主要外部輸入源[33];而Cd和Mn的變異系數(shù)較小,但均值都超過(guò)了土壤環(huán)境背景值.其中 Mn的較高值主要分布在中游,且為負(fù)載荷因子,表明其受自然作用較弱,極大程度來(lái)源于錳礦等采礦業(yè);Cd常源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)、生活污水、礦渣及尾礦滲濾液[26,34];其高值主要分布在上游支流,該區(qū)域農(nóng)業(yè)活動(dòng)少,采礦等工業(yè)大多處于關(guān)停或廢棄狀態(tài),加之該區(qū)域土壤中Cd含量極小,自然源的可能極小;故 Cd有可能來(lái)自礦渣及其滲濾液.As的較高值主要分布在中游,該區(qū)域分布有張掖、高臺(tái)等重要城鎮(zhèn),生活污水排放可能是導(dǎo)致As含量較高的原因之一;另外梨園河為集中礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)區(qū),鋼鐵冶煉、焦化產(chǎn)業(yè)、煤炭燃燒等也被認(rèn)作是產(chǎn)生 As和Zn的主要因素[18,35].

3.2 黑河上中游水環(huán)境重金屬污染評(píng)價(jià)

綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明:黑河上中游表層沉積物重金屬污染水平表現(xiàn)出明顯的空間差異,潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以低度風(fēng)險(xiǎn)為主,個(gè)別點(diǎn)處于高污染、高風(fēng)險(xiǎn)水平.其中綜合污染程度主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起,這主要是上游位于祁連山成礦帶,礦產(chǎn)資源豐富,歷史時(shí)期大量的開(kāi)采剝離了表層土壤和基巖,加速巖石風(fēng)化,使得其成土過(guò)程中含有較多Cd、Zn等元素;加之中游工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),人類活動(dòng)強(qiáng)烈,增加了Cr、Ni等元素污染.黑河上中游主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自Mn和Cd,且表現(xiàn)為上游干流＞上游支流＞中游.這主要是 Mn在上中游表層沉積物中分布較廣,其濃度遠(yuǎn)高于其他元素,增加了 Mn的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù).Cd在上游分布差異較大,濃度相對(duì)較低,可能與 Cd生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（達(dá)到 3.33）和污染系數(shù)高于其他元素,且毒性響應(yīng)系數(shù)最高有關(guān).另外上游干流風(fēng)險(xiǎn)較高主要是隨著梯級(jí)電站運(yùn)行年限的增加,庫(kù)區(qū)表層沉積物將具有較高的重金屬背景值,且重金屬含量會(huì)有上升的趨勢(shì)[36-37],在一定程度上增加該區(qū)域重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).上游支流風(fēng)險(xiǎn)較中游較高主要是該區(qū)域Cd的含量明顯大于其他元素,且其毒性系數(shù)較高,潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加.中游重金屬元素分布較多,但生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小,可能與該區(qū)域分布的Mn、Zn、Cr等元素的毒性系數(shù)較小及相關(guān)部門對(duì)重金屬污染的有效控制有關(guān).因此,在對(duì)黑河上中游重金屬污染治理應(yīng)重點(diǎn)考慮 Mn和 Cd的生態(tài)威脅,控制Cr、Zn、Ni的外源輸入;同時(shí)將庫(kù)壩區(qū)重金屬污染作為重金屬污染防治的重點(diǎn)區(qū)域,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平;上游支流應(yīng)著重對(duì)廢棄礦井集中整治,消除其對(duì)水環(huán)境的潛在危害;中游表層沉積物重金屬來(lái)源廣泛,人為干擾較強(qiáng),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)管工農(nóng)業(yè)及生活污水排放.

3.3 黑河上中游重金屬含量及其污染指數(shù)與大型底棲動(dòng)物特征的關(guān)系

河流重金屬的分布會(huì)對(duì)不同類群大型底棲動(dòng)物產(chǎn)生不同的影響,且大型底棲動(dòng)物對(duì)河流重金屬污染具有一定的指示作用[9,38].黑河上中游水體重金屬含量與大型底棲動(dòng)物的相關(guān)性分析結(jié)果可知:蜘蛛目密度與As、Cr、Mn的含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與Pb的含量呈正相關(guān)關(guān)系;基眼目密度與As的含量呈正相關(guān),生物指數(shù)和其他類群與重金屬未表現(xiàn)出相關(guān)性.由于黑河上中游蜘蛛目均為水蜘蛛,常生活在水氣交界處或近岸邊,為較清潔物種,故As、Cr、Mn和Pb對(duì)蜘蛛目產(chǎn)生不利影響.基眼目均為螺類,螺類具有較強(qiáng)的耐污性,對(duì)As比較耐污,其可以作為黑河上中游水體重金屬污染的潛在指示生物.

表層沉積物重金屬含量及其污染指數(shù)與大型底棲動(dòng)物特征的相關(guān)性分析結(jié)果表明:重金屬含量對(duì)大型底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)及個(gè)別類群的密度影響較大.其中大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)與Pb呈顯著負(fù)相關(guān);均勻度指數(shù)與 Cd、Pb均呈顯著負(fù)相關(guān);豐富度指數(shù)與Cu、Ni呈顯著負(fù)相關(guān),與Cr呈極顯著負(fù)相關(guān).表明Pb、Cd、Cu、Ni和Cr的含量對(duì)底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)和生物指數(shù)均有一定的影響,尤其是敏感型物種,如四節(jié)蜉等蜉游目、石蠅等襀翅目、大蚊等雙翅目和秀麗白蝦等長(zhǎng)臂蝦屬對(duì)重金屬的耐受性差,易導(dǎo)致物種單一化.這種關(guān)聯(lián)性也體現(xiàn)在空間變化上,多樣性指數(shù)較高的中游表層沉積物重金屬綜合污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均較小,而多樣性指數(shù)較低的上游支流表層沉積物重金屬 Cd的RI值相對(duì)較高,究其原因是不同類群對(duì)重金屬的耐受能力不同,耐污型物種（搖蚊科,耳蘿卜螺等螺類,水絲蚓）對(duì)重金屬污染適應(yīng)性強(qiáng),并逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì),而敏感物種逐漸消亡或逃離,從而導(dǎo)致大型底棲動(dòng)物的多樣性在不同區(qū)域表現(xiàn)出明顯的差異,這與淀山湖和于橋水庫(kù)的研究結(jié)果較為一致[11,39].除此之外,鞘翅目密度與Zn呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系;半翅目密度與Cd、Cu呈顯著正相關(guān);基眼目密度與Cd呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)系,與綜合污染程度呈顯著正相關(guān).這說(shuō)明重金屬含量較高的區(qū)域,分布有較多的鞘翅目、半翅目和基眼目,不利于其他類群生存.由于鞘翅目和半翅目均為耐污類群為主,對(duì)Zn、Cd、Cu含量變化的適應(yīng)性較強(qiáng);基眼目以耐污性高的螺類為主,對(duì)Cd含量變化和綜合污染指數(shù)具有較強(qiáng)指示作用.因此鞘翅目、半翅目和基眼目可以作為黑河上中游表層沉積物重金屬污染的潛在指示生物.

4 結(jié)論

4.1 黑河上中游水體重金屬含量整體較低,空間上變化不顯著.表層沉積物中 w（Mn）,w（Zn）,w（Cr）,w（Ni）,w（Cu）,w（Pb）,w（As）,w（Cd）均高于水體和土壤背景值,其均值分別為背景值的 1.36,2.26,2.66,2.10,1.98,1.85,1.89和3.33倍.8種重金屬元素中強(qiáng)變異性占 75%,表明黑河上中游表層沉積物重金屬空間差異較大.

4.2 相關(guān)性和主成分分析表明:表層沉積物中Cu、Cr、Ni可能來(lái)源于農(nóng)藥、化肥和有色金屬加工等工業(yè)廢水排放;Cd、Pb、Mn可能來(lái)源于礦渣及其滲濾液和自然背景的疊加影響,As、Zn可能與生活及工業(yè)污水排放有關(guān).

4.3 綜合污染指數(shù)分析表明,黑河上中游水體重金屬污染水平極低,且不會(huì)對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生毒害作用.表層沉積物重金屬污染主要由Cd、Cr、Zn、Ni引起;變化趨勢(shì)為上游支流＞上游干流＞中游.表層沉積物中Mn和Cd的RI值分別為17.20和12.30,屬高風(fēng)險(xiǎn)水平,其他元素均為低度風(fēng)險(xiǎn)水平.

4.4 黑河上、中游大型底棲動(dòng)物的現(xiàn)存量及多樣性的變化趨勢(shì)為中游＞上游干流＞上游支流;基眼目與水體中As呈正相關(guān);鞘翅目、半翅目和基眼目的密度及3種多樣性指數(shù)均與表層沉積物重金屬含量呈顯著性相關(guān);可以作為黑河水體和表層沉積物的潛在指示生物.