秀山锰矿区梅江河沉积物重金属含量及污染特征

曾 青，杨清伟，刘雪莲，李金甫，许 媛

(1.重庆交通大学河海学院，重庆400074;2.重庆朝阳气体有限公司，重庆400081)

河流沉积物是水环境安全的指示剂，能够准确反映水体受污染的程度。纳入水体中的重金属在化学吸附、物理沉淀等作用下富集于沉积物中［1］，并在一定的条件下向水体释放［2］，造成二次污染［3-4］。重庆市秀山地区位于长江上游地区，与湖南花垣、贵州松桃并称中国“锰三角”。近年来随着锰矿的大量开采，环境污染问题日益突出。目前，有一些对秀山污染问题的调查研究，但尚未有关于河流沉积物重金属污染的研究。由于其特殊的地理位置，河流沉积物重金属可以随水体迁移通过灌溉、饮用水及食物链等方式对当地及长江下游地区的农业、食物、人体健康及生态安全产生影响。因此，研究秀山梅江河重金属元素在沉积物中的含量和分布，不仅可以揭示沉积物中重金属在秀山地区的迁移、富集规律，同时对于水资源保护与开发利用、区域环境评价及经济发展都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集与制备

笔者于2008年5月1日对秀山梅江河沿程6个点(中和镇、平凯镇、西门桥、北门桥、石板滩、河港村)进行了系统采样，其中中和镇为梅江河进入秀山县的样点，河港村为梅江河流出秀山县的样点。沉积物表层(0～10 cm)采集了6个样，柱状样采集了3个样。其中柱状样在0～20 cm之间采了4个样，20～70 cm之间采了5个样。每个点采3个子样组成1个混合样。表层底泥的采样工具为抓斗式采样器，深层底泥的采样工具为圆柱状采样器。采样按《水和废水监测分析方法》［5］中的有关要求进行。样品采集后用聚乙烯塑料袋封装，于2 h内送到实验室，自然风干，碾碎，过1 mm筛。取0.5 g过筛土样用 HNO3+HClO4(VHNO3∶VHClO4=3∶1)硝化，定容，保存。用原子吸收法对硝化液中重金属Mn、Pb、Zn、Cu、Cr和 Cd 的含量进行测定。

1.2 PLI评价及潜在生态危害评价

1980 年，Tomlinson，等［6］在重金属污染水平的分级研究中提出污染负荷指数(Pollution Load Index，PLI)评价方法。

根据某一点的实测重金属含量，进行最高污染系数(Fi)的计算:

式中:Ci为元素i的实测含量;Coi为元素i的评价标准即背景值(一般选用全球普通页岩平均值作为重金属的评价标准，见表 1［7-8］)。

表1 全球页岩元素含量Tab.1 Content of global shale element /(mg·kg-1)

某一点的污染负荷指数IP:

式中:n为评价元素的种类;m为评价元素的个数。

某一区域(流域)的污染负荷指数IPx:

式中:n为评价点的个数(即采样点的个数)。污染负荷指数一般分为4个等级，见表2［9］。

表2 污染负荷指数(IP)与相应污染分级及污染程度Tab.2 Pollution Load Index(IP)with the corresponding pollution grade and level

笔者采用瑞典学者Hakanson于1980年提出的潜在生态风险指数法［10］对不同来源沉积物中的重金属进行评价，该方法的优势在于从重金属的生物毒性角度出发，反映了多种污染物的综合影响，并定量地区分出潜在生态危害的程度。潜在生态风险指数值(RI)的计算公式如下:

表3 、Cd和RI值相对应的污染程度以及潜在生态风险程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

表3 、Cd和RI值相对应的污染程度以及潜在生态风险程度Tab.3 、Cd、and RIvalues corresponding to the degree of pollution as well as the potential ecological risk

Cif范围 单因子污染物污染程度 Cd范围 总体污染程度 Ei r范围 单因子污染物生态风险因子 RI范围低度≥1～3 中度 ≥8～16 中度 ≥40～80 中度 ≥150～300 中度≥3～6 重度 ≥16～32 重度 ≥80～160 较重 ≥300～600 重度≥6 严重 ≥32 严重 ≥160～320 重度 ≥600 严重—总潜在生态风险程度＜1 低度 ＜8 低度 ＜40 低度 ＜150—— ≥320 严重 — —

2 结果与分析

2.1 底泥重金属含量的水平分布

梅江河秀山城区段沉积物 Mn、Pb、Zn、Cu、Cr和Cd的含量水平分布见图1。就平均值而言，6种重金属含量大小顺序为:Mn(5 198 mg/kg)＞Zn(201 mg/kg)＞Pb(188 mg/kg)＞Cu(168 mg/kg)＞Cr(42 mg/kg)＞Cd(3 mg/kg)，其中，Mn的含量远远高于其他元素数10倍～数1 000倍，由此可见，该地区的矿业活动已经产生了锰在空间上的扩散。与背景值(中国土壤元素背景值)相比，除了Cr平均值低于背景值以外，其余5种重金属的含量均超过背景值。

图1 还显示了 Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 种重金属含量的沿程分布情况。可以看出，除Zn和Cu外，其他4种重金属在沿程分布上具有相似的分布规律。

整体上，Mn、Pb、Cd、Cr 4 种重金属沿程分布呈下降趋势，但Pb、Cd、Cr 3种重金属含量在北门桥段均出现较大转折，说明在北门桥段内存在含有Pb、Cd、Cr元素的污染源;Mn在石板滩段的含量极高，说明在石板滩段存在含有Mn元素的污染源。Zn和Cu含量沿程分布趋势不明显，Cu约有升高，但二者含量沿程波动较大。在平凯镇段Zn、Cu2种重金属含量均有明显增加，说明在平凯镇段存在含有Zn、Cu元素的污染源;同时Zn在石板滩段的重金属含量也有明显增加，这与Mn的分析是一致的，进一步说明在石板滩段存在含有Mn、Zn元素的污染源，Cu在北门桥段的重金属含量也有显著增加，说明在北门桥段存在包括Cu在内的4种元素(Pb、Cd、Cr)的污染源。

2.2 底泥重金属含量的垂向分布

Mn、Pb、Cu、Cd、Zn 及 Cr含量垂直分布情况见图2。

Mn、Pb、Cr、Cd 4 种金属元素的趋势线相近，表明Mn、Pb、Cr、Cd 4种金属元素的输入过程相似。在深度0～10 cm、15～50 cm段之间，4种重金属浓度随深度的变浅而降低，表明在此深度对应的沉积时段内随着时间的进展，Mn、Pb、Cr、Cd 4种重金属向秀山梅江河沉积物中的输入量逐渐减少;而在深度50～70 cm之间，4种金属浓度随深度变浅呈上升趋势，仅Cr、Cd在深度60～70 cm之间有一个转折，含量有所回升，但总体来看，该4种金属的输入随时间变化而逐渐增加向沉积物中输入;对于深度在10～15 cm之间4种重金属的含量来说，其突然增加很多，表明这段时间重金属的输入极不稳定。

Cu、Zn 2种金属元素的趋势线相近，说明Cu、Zn具有相似的输入过程。分层表现为:0～10 cm之间2种金属的含量随深度的增加而减少，说明该时间段内Cu、Zn的含量随时间增加而增加，比较特殊的是Zn在这阶段含量增加迅速，具体原因有待进一步调查。在10～50 cm之间，Cu的浓度随深度的增加而下降但趋势较为平缓，说明对应时间段Cu的增加趋势不明显，Zn的浓度随深度增加变化不大，表现为随时间的增加其输入很少。在深度50～70 cm之间，Cu的浓度随深度增加而增加，表明该时间段内Cu的输入随时间增加而减少，Zn的浓度随深度增加呈下降趋势，表明对应时间段Zn的含量也在增加。

但总的来说，Mn、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr 6 种重金属的表层浓度都很大，这表明沉积物表层中的重金属通过水流的扰动而进入水体的含量会高于甚至远远高于表层沉积物重金属含量低的或正常的水体，其潜在污染风险也增大，因此更应重视这类沉积物的重金属污染及治理。

2.3 沉积物重金属污染程度的PLI评价和潜在生态风险评价

研究区内各采样点重金属最高污染系数和污染负荷指数见表4。

表4 水体沉积物重金属元素污染负荷指数Tab.4 Pollution load index of heavy metals in sediments

结合表2和表4可以看出各样点Ip均在1以上，其中污染最严重的是在平凯镇、中和镇和石板滩这3个样点，Ip大于3，最高为3.70，属极强度污染;北门桥、西门桥二个点IP介于2～3之间，表现为强度污染;污染最小的是河港村IP介于1～2之间为中度污染。从整个研究区域来看，极强度污染占50%，强度污染占33.33%，中度污染占16.67%;因此该研究区底泥重金属污染以强度污染及其以上污染程度为主。

本实验所测IPx值与长江重庆段［12］和武江乐昌段［13］相比，介于二者之间。相较之下，梅江河的污染比武江乐昌段的污染要轻的多，但高于长江重庆段。研究区的潜在生态风险评价见表5和表6。

表5 沉积物中重金属污染单因子评价Tab.5 Single-factor pollution evaluation of heavy metals in sediments

表6 沉积物中潜在生态风险评价Tab.6 Potential ecological risk assessment of sediments

结合表3和表5可知，综合污染程度评价为严重污染。其主要重金属污染因子为Cd，影响顺序为:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。除了Cr的值在1左右属于低度污染水平外，其余5种重金属值均大于1为中、重度污染水平。结合表3和表6可见，秀山梅江河沉积物6种重金属的潜在生态风险因子大小顺序为:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr。Cd为最主要的生态风险贡献因子，所有采样点的Cd的风险因子都超出严重污染等级值。其中，Mn、Cu、Pb、Zn、Cr的值均低于80，属于低、中度污染水平，仅Cd处于严重污染水平，这表明秀山梅江河重金属Cd的潜在生态风险最大，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

3 结论

1)秀山梅江河的沉积物重金属污染在水平、垂向分布上，Mn含量均为最高，污染也最为严重。其污染物含量排序为Mn＞＞Pb＞Cu＞Zn＞Cr＞Cd。

2)沉积物重金属污染负荷指数评价结果表明，秀山梅江河重金属Cd的潜在生态风险最大，研究区域处于中度污染、强度污染、极强度污染3个污染等级，整个区域IP值为2.6，达到强度污染等级。

3)研究区的潜在生态风险评价结果表明秀山梅江河处在严重风险等级，6种重金属的潜在生态风险因子大小顺序为:Cd＞Cu＞Pb＞Mn＞Zn＞Cr，其中Cd为最主要的生态风险贡献因子，Mn、Cu、Pb 次之，Zn、Cr最小。

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