2019, Vol. 39
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2. 湿地生态功能与恢复北京市重点实验室, 北京 100091
2. Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091
中小河流一直担负着排涝抗旱、农业灌溉、城市排污等重任, 既是大河水资源的重要补充载体, 也是大河污染物的重要来源.虽然在过去几十年里, 我国在水污染治理方面的投入不断加大, 全国范围内的河道生态治理与修复工作不断推进, 但中小河流的水质状况仍总体较差.相比于大江大河, 相关部门对中小河流的重视力度仍有所欠缺, 普遍存在监测数据缺乏、监管力度不够等现象.加之中小河流通常水量较少、流速缓慢、淤积严重, 因此一旦受到污染, 就很难恢复, 而污染物会随着水流进一步汇入到大江大河中, 从而影响整个流域的生态安全.
重金属是水体最重要的污染物之一, 其进入河流后会对河流生态系统造成极大的危害.沉积物是中小河流重金属重要的“汇”, 当外界氧化还原条件、pH值和水动力条件等发生变化时, 沉积物中的重金属会重新释放回到水体, 导致水体二次污染, 因此, 沉积物也是重金属重要的“源”.由于重金属具有难降解、高毒性、易富集等特点, 释放出来的重金属不仅会污染水体, 还会通过生物富集和生物放大作用进入食物网, 进而对生态系统健康造成危害并危及供水安全和人类健康.重金属在地表水环境中的分布、溯源及潜在生态风险评价是近年来国内外相关研究的热点, 我国的长江(沈敏等, 2006；付川等, 2007)、黄河(何江等, 2003；袁浩等, 2008)、松花江(陆继龙等, 2018；徐军等, 2018；钟震等, 2018)、淮河(罗斌等, 2010；刘振宇等, 2018)、渭河(王旭等, 2008)、辽河(张婧等, 2008；武江越等, 2014)、海河(王胜强等, 2005；王瑞霖等, 2014)和珠江(牛红义等, 2007；谢文平等, 2012)等重要水系沉积物都受到不同程度的重金属污染, 但对中小河流沉积物中重金属的污染监测与评价仍显不足.
汉江是襄阳最重要的水源地, 也是鄂西北直通长江联系武汉城市圈的重要纽带, 其干流水质多年维持在Ⅱ类.2014年南水北调中线工程通水以来, 丹江口水库下泄流量减小对汉江中下游的生态环境造成了一定程度的负面影响, 水位下降了1~3 m, 导致河底沉积物大大增加, 水体自净能力减弱, 进而严重威胁到汉江中下游的用水安全(高永年等, 2010；柏慕琛等, 2017).襄阳是汉江流域工业污染贡献最大的地级市, 对汉江中下游流域工业废水、COD及氨氮排放量贡献率分别达到53%、45%和25%(曾祉祥等, 2014), 并对汉江干流水质造成威胁, 尤其是襄阳段入江中小河流的输入将大大增加干流水质安全的潜在风险.雷沛等(2015)对汉江入江支流沉积物中重金属的调查表明, Cd、Cr和Ni处于轻度污染水平, 其中, 小清河表层沉积物中Cu、Pb和Zn处于严重污染水平.随着城市化进程的加快及人口的不断增长, 入江支流接收的废污水不断增加, 许多入河的中小河流生态用水得不到保障, 沦为排污河.污染物通过径流汇入汉江干流, 可能对汉江流域的水生态安全造成威胁.
基于此, 本文以汉江(襄阳段)入江中小河流为研究对象, 分析其表层沉积物中重金属的污染状况与分布规律, 并对其生态风险进行评估, 以期为汉江水生态风险控制及充分认识中小河流污染程度、有效提高中小河流治理效果提供基础资料.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况汉江干流流经陕西、湖北两省, 全长1532 km, 年径流量为5.91×108 m3, 流域面积为1.51×105 km2, 途经14个县市, 从武汉流入长江(潘晓洁等, 2014).襄阳地处湖北省西北部, 位于汉江中游, 干流主要流经老河口、谷城、襄阳、宜城等市县, 河长195 km.襄阳市水系发达, 支流繁多, 主要有南河、小清河、白河、唐河、唐白河、滚河、蛮河等.南河源于神农架的粉清河, 流经保康县入襄阳谷城县至格垒嘴入汉江；小清河发源于南阳淅川, 在襄州张湾镇汇入汉江；白河与唐河在龚家咀汇合称唐白河, 于张湾镇汇入汉江；滚河发源于枣阳市, 于王河乡入唐白河；蛮河源于保康聚龙山, 于宜城小河口汇入汉江.
2.2 采样点和采样方法 2.2.1 样品采集与处理2017年3月在汉江襄阳段入江支流北河、南河、小清河、唐白河、滚河、蛮河分别布设16个采样点(图 1), 每个采样点设3个重复.采用抓斗式采泥器采集表层沉积物样品, 现场用塑料自封袋密封, 用冷藏箱保存并尽快带回实验室进行分析.每个样品取出部分湿样用于测定含水率和有机质, 其余的沉积物样品在自然条件下风干, 去掉杂物后经玛瑙研钵研磨处理, 过100目尼龙筛储存备用.
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| 图 1 汉江襄阳段采样点示意图 Fig. 1 Sampling sites in Xiangyang City |
现场测定上覆水溶解氧(DO)、pH、水深(D)和透明度(SD).采用有机玻璃采水器采集各采样点的上覆水水样, 每个采样点采集3份水样.采集的水样经处理后过0.45 μm的醋酸纤维滤膜, 滤液装入250 mL的塑料瓶中, 加入浓硝酸酸化固定至pH值小于2.0, 密闭避光4 ℃冷藏待测.铜(Cu)、铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、锌(Zn)和镉(Cd)等指标参照《水和废水监测分析方法(第四版)》进行测定, 通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Optima 7000)测定Cu、Pb、Cr、Cd、Zn含量, 通过原子荧光光谱仪(AFS-930)测定Hg含量.所有重金属3次平行样的相对标准偏差(RSD)均小于10%.
沉积物粒径分布特征由激光粒度分析仪选用沉积物鲜样测定.有机质(OM)采用重铬酸钾容量法测定(杨洋等, 2014), 沉积物总氮(TN)和总磷(TP)采用碱性过硫酸钾消解-分光光度法进行测定.样品经HNO3-HF-HClO4消解后采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Optima 7000)测定Cu、Pb、Cr、Cd、Zn含量, 采用原子荧光光谱仪(AFS-930)测定Hg含量.分析所用试剂均为优级纯, 所用的水均为超纯水, 分析过程均加入国家标准土壤参比物质(GSS-1)进行质量控制, 其结果符合质控要求.
2.3 数据分析 2.3.1 表层沉积物重金属污染水平采用一致性沉积物质量基准(Consensus Based Sediment Quality Guidelines, CBSQGs)指数(MacDonald et al., 2000)评价表层沉积物的重金属污染状况.该指数以生物效应数据为基准, 对于每一种致污物包括两个阈值, 即临界效应浓度(Threshold effect Concentration, TEC)与可能效应浓度(Probable Effect Concentration, PEC).若沉积物中某金属含量低于TEC, 则沉积物中该金属处于未污染水平；若沉积物中某金属含量高于PEC, 则该金属处于严重污染水平；若沉积物某金属含量介于TEC与PEC之间, 表示该金属处于中等污染水平.本研究调查的6种有毒重金属CBSQGs值见表 1.
| 表 1 6种有毒重金属CBSQGs值 Table 1 CBSQGs of 6 toxic heavy metals |
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采用富集系数(Enrichment Factor, EF)和相关性分析对沉积物中重金属的来源进行分析, 并通过EF指数大小判断重金属的污染源(Acevedo-figueroa et al., 2006；Islam et al., 2015).当EF≤1.5时, 表明重金属完全源自地壳和岩石圈的自然风化过程；如果EF＞1.5, 表明人为输入源已经成为重金属的明显来源.
2.3.3 重金属生态风险评价运用潜在生态危害指数法对沉积物中重金属进行生态风险评价(Hakanson, 1980).以湖北省土壤背景值为基础, 结合重金属的生物毒性系数、生态效应计算出重金属的生态危害指数.
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(1) |
式中, Ci为沉积物中第i种重金属的实测含量(mg · kg-1)；Bi为重金属i的参比值(mg · kg-1), 本文取湖北省土壤重金属背景值；Ei为重金属i的潜在生态危害系数；Ti为重金属i的毒性相应参数, Hg、Cd、Cr、Pb、Zn和Cu的毒性响应参数分别为40、30、2、5、1和5(Hakanson, 1980；徐争启等, 2008)；RI为多种重金属潜在生态风险危害指数.潜在危害指数法分级划分标准见表 2.
| 表 2 沉积物环境质量潜在生态风险评价指标和分级关系 Table 2 Index and rankings of potential ecological risk for sediments |
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统计分析采用SPSS 20.0完成, 图表采用软件Origin 8.0绘制.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 上覆水中重金属分布特征襄阳入江中小河流水体中重金属含量如表 3所示.整体来看, 水体中的重金属含量均处于较低水平, 优于地表水Ⅱ类水, 其中, Hg、Cd、Cr和Pb在所有水样中均未检出, Zn和Cu仅在唐白河和滚河中检出, 唐白河水体中Cu和Zn的含量分别为(0.64±0.32)和(0.41±0.12) mg · L-1, 滚河水体中Cu和Zn的含量分别为(0.38±0.07)和(0.34±0.09) mg · L-1.
| 表 3 襄阳入江中小河流水体中重金属含量 Table 3 Heavy metal contents in water of the middle and small rivers in Xiangyang section, Hanjiang River |
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襄阳入江中小河流表层沉积物中各重金属污染程度不同(表 4), 除Cr以外, 其余5种重金属均超过湖北省土壤背景值, Hg、Cd、Pb、Zn和Cu分别为湖北省土壤元素背景值的2.87、10.17、5.09、2.07和1.46倍.各重金属超标样点所占比例排序为：Cd>Zn>Cu>Hg>Pb>Cr, 其中, Cd在所有样点均超过了背景值, Zn的样点超标比例超过90%, Hg、Pb和Cu的超标率均大于65%.从变异系数来看, Hg、Pb、Zn和Cu均为高度变异(CV>36%, 马群等, 2010), 说明这6种重金属的空间分布差异较大, 尤其是Hg和Pb高度离散, 说明这两种重金属分布极不平均, 可能与襄阳城区人类活动及工业分布差异有关(刘德新等, 2014；王洪涛等, 2016), Cd的变异系数最小, 为13.8%, 说明襄阳入江中小河流Cd污染普遍存在, 且污染水平比较一致.
| 表 4 襄阳入江中小河流表层沉积物重金属含量统计及与相关河流对比 Table 4 Heavy metal contents in surface sediments of the middle and small rivers in Xiangyang section, Hanjiang River and other rivers |
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整体来看, 襄阳入江河流表层沉积物的重金属污染现象不容忽视.与汉江流域上游相比, 襄阳入江河流表层沉积物中Cd、Pb、Zn和Cu平均含量分别为汉江上游汉中段的13.46、5.98、2.00和2.51倍(赵佐平, 2014)；与长江水系相比, Cd、Cr、Zn和Cu的平均含量比长江水系低, 但Hg和Pb的平均含量分别是长江水系的1.44和2.26倍(王岚等, 2012)；与全国水系相比, 调查区Hg、Cd、Pb、Zn和Cu的平均含量分别为全国水系的5.75、12.50、1.27、5.43、2.55和2.13倍(朱青青等, 2012).与流域内2014年的调查相比, 小清河沉积物中Zn和Cu的污染状况虽已明显改善, 但铅含量却增加了近9倍(雷沛等, 2014).
从襄阳入江中小河流表层沉积物中重金属含量分布可以看出, 大部分重金属元素的高值主要分布在小清河和唐白河.Hg、Pb和Cu元素含量的空间分布具有一定的相似性(图 2).将重金属含量与沉积物质量基准做比较(图 2), 以判断襄阳入江中小河流表层沉积物中重金属的污染程度.整体来看, 调查区内6种重金属元素的平均含量均处于TEC和PEC之间, 为中等污染水平.不同河流的重金属污染程度不同：北河的Hg、Cr、Pb和Zn, 南河的Hg、Cr、Pb, 唐白河的Pb, 滚河的Hg、Zn和Cu的平均含量均低于TEC, 处于未污染水平；而小清河Pb的平均含量高于PEC, 为严重污染水平, 尤其是5号点位的Pb含量甚至已超过PEC 10倍以上, 表明此处Pb污染十分严重, 潜在的生物毒性很大.
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| 图 2 表层沉积物中重金属含量及效应阈值 Fig. 2 Heavy metal contents and related effects limits in the surface sediments |
襄阳入江中小河流表层沉积物中的重金属存在不同程度的富集(图 3), Hg、Cd、Cr、Pb、Zn和Cu的平均EF分别为2.71±0.39、9.81±0.19、0.55±0.03、5.03±2.09、2.00±0.18和1.40±0.11.除Cr和Cu以外, 其余4种重金属的EF都大于1.5, 表明这4种重金属的来源以人为输入为主, Cr和Cu的EF均值虽然小于1.5, 但Cu的个别点EF值超过1.5, 表明已受到不同程度的人为影响.小清河Pb的EF均值高达21.5, Cd的EF均值为10.8, Hg的EF均值为4.8.该河主要为Pb, Hg和Cd的复合污染, 这可能与该区域近代的工业发展密切相关.
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| 图 3 表层沉积物中重金属元素富集系数 Fig. 3 Enrichment factors of heavy metals in the surface sediments |
襄阳入江中小河流表层沉积物重金属的综合潜在生态风险指数RI的平均值为461.2, 整体处于高风险水平.6条河的综合生态风险指数RI平均值排序为：小清河(627.5)>蛮河(579.5)>唐白河(468.2)>滚河(385.9)>南河(332.5)>北河(320.9), 其中, 小清河处于很高生态风险水平, 其他河流处于高生态风险水平.各采样点的表层沉积物重金属的综合潜在生态风险指数见图 4, 其中, 7号和9号采样点处于很高生态风险水平, 其他所有采样点都处于高风险水平.7号和9号点位分别位于小清河的下游和唐河, 表明这两条河的重金属污染较重, 潜在生态风险很高.小清河和蛮河的RI从上游至下游逐渐升高, 唐白河水系则是在唐河和白河更高, 唐白河中较低.北河(ANOVA, p=0.551)、南河(ANOVA, p=0.758)和滚河(ANOVA, p=0.519)水系内不同采样点的RI无显著差异.
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| 图 4 表层沉积物中重金属生态风险 Fig. 4 Ecological risk of heavy metals in the surface sediments |
各重金属元素的单一潜在生态危害指数Eri平均值大小顺序为：Cd(304.6)>Hg(113.6)>Pb(32.4)>Cu(7.3)> Zn(2.1)>Cr(1.1).其中, Cd危害程度最高, 为很强生态危害, Hg为强生态危害, 其余为轻微生态危害.
3.4 沉积物的重金属含量与其理化性质的关系沉积物重金属、有机质、总氮、总磷、中值粒径(D50)间的Pearson相关分析(表 5)表明, 在0.01水平上Hg和Cd之间, Cd和Cu之间, Cu和Zn之间都存在显著的正相关关系, 且相关系数都大于0.6, 表明这些金属的输入来源可能相似.
| 表 5 重金属元素与表层沉积物理化特征的相关性 Table 5 The relationship between six heavy metals concentration and physicochemical characteristics of surface sediments |
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襄阳入江中小河流沉积物的OM、TN和TP平均含量分别为1.62%、0.27%和0.05%.沉积物的颗粒组成中, 沙粒(＞63 μm)、粉粒(4~63 um)、粘粒(＜4 μm)的平均质量分数分别为23.7%、66.7%和9.6%, 中值粒径为32.57 μm.OM与6种重金属均存在显著相关(p < 0.01), TP与Cd、Cr、Zn和Cu显著正相关(p < 0.01), 沉积物中值粒径与Cr在0.01水平上显著负相关, 与Hg和Cd在0.05水平上显著负相关.
将表层沉积物的6种重金属含量作为功能指标, DCA排序结果显示4个排序轴长度都小于3, 因此, 选择RDA方法对重金属与沉积物理化性质进行相关性分析.表层沉积物重金属与沉积物有机质及粒径分布的相关关系的79.87%体现在第一排序轴上(表 6), 有机质、总氮、总磷和粒径分布共解释了32.8%的总特征值, 表明沉积物的理化性质对表层沉积物重金属含量有一定影响.
| 表 6 表层沉积物重金属与沉积物特征的RDA排序结果 Table 6 Redundancy analysis results for heavy metals and physicochemical characteristics of surface sediments |
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图 5中第1排序轴从右到左, 随着沉积物OM、TN和TP的增加、粒径的降低, 沉积物中各重金属的含量相应增加, 第一排序轴对表层沉积物中重金属积累的影响顺序为：Cr>Zn>Cd>Cu>Pb>Hg.第2排序轴由上到下, 随着TN和粒径的增大, Pb和Zn含量相应增加, 而Cd和Cr含量则相应减少, 第2排序轴对表层沉积物中重金属积累的影响顺序为：Zn>Cd>Cr>Pb>Hg>Cu.
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| 图 5 表层沉积物重金属与有机质、氮磷和粒径的冗余分析 Fig. 5 RDA of heavy metals, OM, TN, TP and sediment grain size |
城市河流表层沉积物中的重金属来源十分广泛, 与生活、工业废水、废弃物、交通活动、燃料燃烧、采矿冶炼等人为污染源排放密切相关.襄阳入江中小河流表层沉积物中Hg、Cd、Pb和Zn元素都发生了较大程度的积累(EF>1.5), 可以推测出这些金属在一定程度上受到了人为活动的影响.襄阳作为湖北省第二大工业城市, 2016年的工业产值为6456亿元, 行业结构以汽车产业、装备制造、电子信息、新能源新材料等企业为主.汽车工业园区和高新技术园区主要分布在小清河水系周边, 园区内分布有大量的汽车及其相关产业，还有机电、航空航天、新材料、制药等产业(襄阳国家高新技术产业开发区管委会, 2015).除了工业园, 宜城的蛮河周围、枣阳的滚河上游也都有汽车配件制造厂、新能源、新材料产业分布, 未妥善处理的废水和废渣都可能造成河流沉积物中重金属的累积.而且, 襄阳还是全国十大夏粮主产区和20个商品粮基地市之一, 是湖北省第一畜牧生产城市, 猪、牛、羊出栏量均为全省第一.其中, 稻虾共作示范基地达到5万亩以上, 主要分布于唐白河、滚河水系；百万头生猪产业化项目已培育千头以上养殖大户350家, 广泛分布于小清河、唐白河、滚河和蛮河水系, 而在种植和养殖过程中也会造成一定的重金属污染.Cd污染来源很多, 工业源包括电镀、化工业、电子业等, 农业源包括农药和化肥(Elias et al., 2018), Hg、Zn和Cu污染源包括金属加工、机械制造、电镀和化工等.Pb通常来源于煤炭燃烧和汽车尾气排放等.除此以外, Pb也是汽车制造业的重要原料, 被广泛用在配件制作、合金、有机材料、玻璃材料等的添加剂, 以及安全气囊引爆剂等(李兴虎, 2005年).襄阳中小河流表层沉积物重金属中Cd污染广泛地分布在各条河流；Hg、Zn和Cu污染主要分布于小清河、唐白河和蛮河水系；Pb污染主要分布在小清河和蛮河水系.结合襄阳的产业分布可以看出, Hg、Cd和Pb的分布与汽车及其相关产业分布较为一致, Cu和Zn与农业生产、养殖业的分布较为一致.
襄阳入江中小河流表层沉积物重金属元素的相关分析进一步表明, Hg与Cd之间, Cd与Cu之间, Cu与Zn之间可能有相同的污染源.Hg与Cd相似, 在很多工业生产过程中作为添加剂或催化剂被广泛使用, 如电池、荧光灯生产等(孙阳昭等, 2013).而Cd与Cu相同的污染来源可能源于汽车零配件加工、电镀等产业, 除此以外, Cd和Cu也可能来自于化肥和农药的施用.因为Cd作为磷矿石的杂质存在于磷肥中, 可随磷肥施入土壤, 再通过雨水冲刷汇入河流(鲁如坤等, 1992)；而铜作为广普杀菌剂, 在农业上也广泛应用(蔡道基等, 2001).由于Cu可以促进动物生长, 提高饲料利用率, Zn可以有效控制疾病, 促进动物发育(于炎湖, 2003), 因此, 畜禽养殖中多使用高铜、高锌饲料, 而未利用的饲料和畜禽粪便会随养殖废水或雨水进入河流中.因此, Cu和Zn的相同污染源可能来自于养殖业.
4.2 沉积物理化性质对表层重金属分布的影响河流表层沉积物重金属的分布不仅受自然和人为源影响, 还与沉积物自身理化性质有密切的关系(Suresh et al., 2015).襄阳沉积物有机质含量与6种重金属含量均呈正相关关系(p＜0.01), 表明襄阳入江中小河流的有机质一定程度上影响重金属的含量, 这是因为有机质可以参与重金属的络合作用, 进而影响重金属的富集(蒋疆等, 2001).TN与Cr、Zn、Cu显著正相关, TP与Cd、Cr、Zn和Cu显著正相关, TN、TP均与Pb、Hg不相关.这也在一定程度上反映了沉积物重金属的污染源, 氮、磷的污染源多为农业污染和生活污染, 说明襄阳河流中的Pb、Hg并非来自农业污染与生活废水等, 而主要来自于工业污染.沉积物粒径只与Cr在0.01水平上显著负相关, 与Hg和Cd在0.05水平上显著负相关, 表明襄阳入江中小河流Cr、Hg和Cd遵循“粒度控制率”, 随着粒径的增大, 重金属元素含量降低.而Pb、Cu和Zn则不受沉积物粒径的影响, 这可能是由于河段表层沉积物中Pb、Cu和Zn的人为来源改变了粒级分布与重金属元素含量之间的内在比例关系(乔永民等, 2009), 使两者之间的相关性不再显著.
5 结论(Conclusions)1) 襄阳入江中小河流水体中的重金属均处于较低水平, 优于地表水Ⅱ类水, 其中, Hg、Cd、Cr和Pb在所有水样中均未检出, Zn和Cu仅在唐白河和滚河中检出, 含量分别为ND~1.22 mg · L-1和ND~0.62 mg · L-1.
2) 虽然水体重金属含量相对较低, 但襄阳入江中小河流表层沉积物受到不同程度的重金属污染, 除Cr外, Hg、Cd、Pb、Zn和Cu分别是湖北省土壤元素背景值的2.87、10.17、5.09、2.07和1.46倍, 且6种重金属空间分布差异较大, 小清河、唐白河和蛮河重金属污染程度较高, 重金属污染源主要来自于人类活动, 具体包括汽车制造及相关产业、农业和养殖业等.
3) 襄阳入江中小河流表层沉积物重金属不仅受自然和人为源影响, 还与沉积物的有机质、总氮和总磷含量呈显著正相关(p < 0.01), 表层沉积物中的Cr、Hg和Cd与沉积物的中值粒径呈显著负相关(p < 0.05).
4) 襄阳入江中小河流表层沉积物重金属的综合潜在生态风险指数RI的平均值为461.2, 整体处于高风险水平, 其中, 小清河处于很高生态风险水平, 其他河流处于高生态风险水平.襄阳入江中小河流重金属综合治理刻不容缓, 尤其是需加强对小清河、唐白河和蛮河等重点河段相关企业的排污整治, 并开展相应的治理工程.
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