拉萨河谷设施农业区水环境重金属含量及污染评价

刘 勇梅 朵吴坚扎西布 多

（①②西藏自治区工程环境评估中心 ③西藏大学理学院 西藏拉萨 850000④复旦大学环境科学与工程系 上海 200043）

拉萨河谷设施农业区水环境重金属含量及污染评价

刘 勇①梅 朵②吴坚扎西③布 多④

（①②西藏自治区工程环境评估中心 ③西藏大学理学院 西藏拉萨 850000④复旦大学环境科学与工程系 上海 200043）

摘要:为了解拉萨河谷设施农业区水环境中重金属污染水平及程度，文章对拉萨河谷设施农业区地下水和地表水中17种重金属（Cd、Be、V、Tl、Hg、Cu、Pb、Co、Ni、Cr、Fe、Sb、Zn、Mn、Ba、Ti和As）含量进行研究，并采用综合污染指数法对地下水和地表水中7种重金属（Cd、Hg、Cu、Pb、Ni、Zn和As）的污染程度进行了评价。结果表明，除A8点位的Zn含量符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类标准外，拉萨河谷设施农业区其余各点位Cd、Pb、Cu、As和Zn含量均符合Ⅰ类水标准。Cr、Hg、As、Cu和Pb与pH存在显著或极显著相关性，说明pH对其有较大影响；不同重金属间有些存在相关性，说明它们之间可能具有一定的同源性。采用水体综合污染评价法表明，拉萨河谷设施农业区A1、A2和A7点位存在轻度污染，B1和B2点位为中度污染，且主要以Hg污染为主。

关键词:拉萨河谷；设施农业；水环境；重金属；污染评价

随着经济社会的快速发展和城市化进程的不断加快，水环境污染问题日益严重，尤其是其中的重金属污染。重金属具有潜伏期长、毒性大、难去除、可被富集等特点，对水体周围的生态环境、农业安全、居民健康等造成很大危害[1-2]。重金属会通过粮食、蔬菜等食物链进入人体，对人体健康造成危害，如镉污染造成的“痛痛病”和汞污染造成的“水俣病”等。另外重金属多为致癌或致突变性的有毒重金属，如汞、铅、镉、砷、铬等[3]。目前，国内学者针对水体重金属污染，采取的评价方法很多，其中重金属元素综合污染指数法应用比较广泛[4-6]，该方法不仅能够得出单重金属元素的污染指数，而且能够得出整个站位不同重金属元素的综合污染指数，从而反映重金属的综合污染程度[7]。

拉萨河谷作为世界上海拔最高的河谷之一，平均海拔为3600米，高寒、缺氧、干燥、温差大等自然环境极大限制了该区域传统农业的发展。在国家和各援藏省市的资金、技术支持下，拉萨市大力发展设施农业。截止2012年底，拉萨市日光温室已达9300栋，年产各类蔬菜24.1万吨，其中设施农业蔬菜产量达10.8万吨，在夏、秋蔬菜生产旺季时，拉萨市蔬菜自给率已达88%、在蔬菜生产淡季时（11月到次年3月）的自给率也已达六成，已基本满足拉萨市及其周边城镇的市场需求[8]。随着设施农业在拉萨河谷区的迅猛发展，农药、化肥的大量使用造成了严重的土壤及水体污染[9-10]，从而使得该区域人民的生活用水、人畜饮水等安全问题受到一定程度的威胁。因此，本研究通过对拉萨河谷水体重金属含量进行分析，并采用综合污染指数法对重金属污染程度进行评价，可为该区域水环境安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与站位设置

拉萨作为西藏自治区首府城市，是西藏政治、文化、经济、宗教中心。作为西藏粮仓的拉萨河谷包括拉萨市城关区、达孜县、堆龙德庆县和曲水县等4个区县，总面积约6280平方公里，人口50万左右，是西藏人口密度最大、经济最发达的地区。根据拉萨河谷区设施农业基地分布情况，选择确定了8个地下水采样点和2个地表水采样点（图1），分别为：堆龙德庆县乃琼镇岗德林村蔬菜基地地下水采样点（A1～A3）、乃琼镇有机蔬菜示范基地地下水采样点（A4）、羊达乡蔬菜基地地下水采样点（A5）、羊达乡蔬菜基地地表水采样点（B1）、城关区蔡公堂乡蔬菜基地地下水采样点（A6～A7）、城关区纳金乡蔬菜基地地下水采样点（A8）和城关区纳金乡蔬菜基地地表水采样点（B2），并于2012年6月进行样品采集工作。

图1 采样点分布

1.2 样品采集与处理

电动抽水泵抽取地下水，让其自由流出约5分钟后，对聚四氟乙烯烧杯进行3次润洗，然后用聚四氟乙烯烧杯将待测样品经0.45μm滤膜进行现场过滤并转入60ml聚四氟乙烯样品瓶中，滴加优级纯硝酸酸化调节pH＜2。每个采样点采集2组平行样品，共采集16组地下水样品和4组地表水样品，密封保存，运回实验室置于4℃冰箱保存，用于实验室检测重金属元素。此外，同步测定盐度、水温、溶解氧（DO）、pH、溶解量性总固体（TDS）和电导率等水质参数，以了解采样点位水体的理化性质。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 重金属含量分析方法

经预处理后的水样，利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，美国Agilent7500ce型）测定样品中Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Be和V总量；电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，美国Optima 5300DV型）测定样品Ba、Co、Ni、Cr、Tl、Ti和Fe总量；原子荧光光谱仪（AFS，北京AF-610A型）测定As、Sb和Hg总量。分析过程中所用聚四氟乙烯容器均在1：1硝酸中浸泡48h以上，玻璃容器浸泡24h，高纯水冲洗后晾干。分析所用酸均为优级纯，水为高纯水。实验过程中每批样品均做全程空白，以消除在样品处理及测定过程中可能带入的污染。同时同步分析由国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的多元素标准样品（GSB 04-17667-2004）和Hg标准样品（GSBG 62069-90），以控制样品分析的精密度和准确度。重金属元素平行样品相对误差＜5%，标准物的回收率在90～120%之间。

1.3.2 水体重金属污染评价方法

重金属元素综合污染指数法是将同一站位的所要研究的重金属元素作为统一的整体，研究这些重金属元素在相互作用的情况下对环境产生的影响。本研究利用综合污染指数法[11-13]对拉萨河谷设施农业区水体重金属污染状况进行评价，其计算公式为：

式中，Ai表示重金属元素i的污染指数；Ci表示重金属元素i的实测含量；Csi表示重金属元素i的评价标准（地表水环境质量Ⅲ类标准主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通到、水产养殖区等渔业水域及游泳区；在此取地表水环境质量标准Ⅲ类标准作为拉萨河谷设施农业区各重金属元素评价标准）；n为元素个数；WQI为水质综合污染指数。

当WQI≤1时，表明该水域无重金属污染；当1＜WQI≤2时，表明该水域重金属为轻度污染；当2＜WQI≤3时，表明该水域重金属为中度污染；当WQI＞3时，表明该水域重金属为重度污染。

2 结果与讨论

图2 拉萨河谷设施农业区水体理化参数值

2.1 拉萨河谷设施农业区水体理化性质分析

图2分别为拉萨河谷设施农业区10个采样点水温、pH、DO、盐度、TDS和电导率值。由图2（a）可知，设施农业区水体温度为12.6～19.9℃，水体温度可能随采样时间的先后而有所差异；地下水pH为6.90～7.63，属于弱酸性或者弱碱性，其中最小值出现在A2点，最大值出现在A8点，B1和B2两个地表水站点pH分别为8.35和7.83，均大于地下水站点，属于偏碱性水平；同样，B1、B2站点地表水DO分别为6.18和8.43mg·L-1，均大于地下水样品中的DO（3.32～5.41mg·L-1）。由图2（b）可见地下水盐度、TDS和电导率的范围分别为2.03·10-4（A8）～3.23·10-4（A1和A6），207ppm（A4）～429ppm（A1）和389μS·cm-1（A8）～606μS· cm-1（A5），三者理化参数值均大于地表水参数值。

图3 拉萨设施农业区水体重金属含量

对拉萨河谷设施农业区水体理化参数间进行相关性分析，如表1所示。可以看出，水温、DO与其他理化参数之间无显著相关性，说明水温和DO的变化对其他理化参数的影响不大；盐度、TDS和电导率三者呈现出极显著的正相关性，表明三者在水环境中的行为存在密切关系，可能与三者均在一定程度上表示水环境中溶解性盐类物质相关；pH与盐类、TDS和电导率存在极显著的负相关性，表明pH值越低，即水体酸性越强，利于水环境中盐类物质的溶解，使上述3种理化参数值升高。

表1 拉萨河谷设施农业区水体理化参数间的相关分析

2.2 拉萨河谷设施农业区水体中重金属含量的分布

图3为拉萨设施农业区水体中17种重金属Cd、Be、V、Tl、Hg、Cu、Pb、Co、Ni、Cr、Fe、Sb、Zn、Mn、Ba、Ti和As在8个地下水采样点和2个地表水采样点的含量分布。Tl、Hg、Cu、Pb、Co、Fe、Sb、Mn、Ba、Ti和As在地下水环境中的含量范围分别为：0.010～0.015μg·L-1、0.007～0.125μg·L-1、0.29～1.29μg·L-1、nd～0.61μg·L-1、0.27～0.60μg·L-1、4.50～225μg·L-1、3.17～6.06μg·L-1、0.17～2.50μg·L-1、13.0～42.2μg·L-1、0.17～1.60μg·L-1和0.55～4.77μg·L-1。地表水中上述11种重金属含量均高于对应点位地下水中重金属含量值（B1对应A5，B2对应A8），可能由于地表水在灌溉设施农业基地、渗入地下水的过程中部分重金属通过土壤吸附过滤或者土壤微生物降解而逐步去除。重金属在土壤中的富集对动植物生长安全以及人体健康等能够造成直接危害[14]，其中，B1和B2采样点Fe含量分别超出《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值（0.3mg·L-1）倍数21.1和0.67倍，表明B1点金属Fe超标严重，与刘凤等[15]研究成果一致；B1采样点Mn含量超出集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准限值0.4倍；A3、A4、A5和A6点位水体Hg含量达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准，A8点位达到Ⅱ类水标准，其他点位符合Ⅲ类水标准；Cu、Pb和As在各点位含量均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准。重金属V仅在A1和A2点位检出，含量分别为0.388μg·L-1和0.377μg·L-1，其他点位未检出。地下水重金属Be的含量范围为0.030μg·L-1（A5）～0.082μg·L-1（A1），B1点Be的含量为0.20μg·L-1，高于对应A5点位，B2点未检出。重金属Cd的最大检出量为0.053μg·L-1，远小于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类水标准限值。Zn在A8点位含量值（123.0μg·L-1）最高，且高于对应点位B2地表水含量值，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类水标准，其他点位均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类标准。B1和B2点位地表水重金属Ni和Cr含量均低于其对应点位含量值，可能与农药、化肥的大量施用，使Ni和Cr在土壤中累积[16-20]，进而通过地表径流进入地下水体有关。

2.3 拉萨河谷设施农业区水体重金属含量间及其与pH的关系

通过2.1的研究，发现pH与盐度、TDS和电导率存在显著的负相关性，盐度、TDS和电导率一定程度上可以表征重金属的含量。现选取污染相当严重，对环境和生物危害极大的Cd、Hg、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn和As等8种重金属[21-22]，对其与pH进行相关性分析，如表2所示。可以看出Cd、Ni和Zn与pH之间无显著相关关系，说明pH不是影响Cd、Ni和Zn的主要因子；pH与Cr呈现极显著负相关性，表明酸性越强Cr含量越高；Hg和As、Cu和Pb与pH分别呈现显著、极显著正相关性，说明pH对其有较大影响。

表2 拉萨设施农业区水体重金属含量与pH的相关分析

重金属Cd与Cu和Pb存在显著正相关性，与As存在极显著正相关性；Cu与Pb和As呈现极显著正相关性，与Hg呈现显著正相关性；Pb与As呈现极显著正相关性；Ni与Cr呈现显著正相关性。说明这些重金属迁移过程具有相似的规律，从地球化学的角度看，这些金属之间可能具有相似的地球化学行为，这也说明它们可能具有一定的同源性，可能主要受拉萨河流域矿产加工企业污染的影响。

2.4 拉萨河谷设施农业区水环境重金属污染评价

选取《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中涉及的6种重金属（Cd、Hg、Cu、Pb、Zn和As），通过公式（1）和（2）计算得到拉萨河谷设施农业区水环境重金属综合污染指数（见表3）。结果表明，A3、A4、A5、A6和A8样点，WQI值均小于1，表明该水体无重金属污染；A1、A2和A7样点WQI值介于1～2之间，表明该采样点为轻度污染；仅地表水B1和B2样点2＜WQI≤3，其中2个采样点的AHg分别为1.85、和2.85，表明该采样点为中度污染，且主要污染物质为Hg。综上所述：除A1、A2和A7点为轻度污染外，其他地下水样点均表现为无重金属污染；而地表水B1和B2样点为中度污染，且重金属Hg污染问题比较突出，需要引起注意，并采取相关措施加以有效管理与控制。

表3 拉萨河谷设施农业区水体重金属元素的综合污染指数

3 结论

3.1 拉萨河谷设施农业区各采样点水体pH呈现弱酸或者弱碱性，且与盐度、TDS和电导率呈现极显著负相关性，表明水体酸性越强，越利于水环境中盐类物质的溶解。

3.2 地下水A5和A8点位重金属Tl、Hg、Cu、Pb、Co、Fe、Sb、Mn、Ba、Ti和As均小于对应地表水点位B1和B2，其中地表水B1点位Fe含量严重超标，而重金属Ni和Cr则大于对应采样点地表水样品含量；除A8点位Zn符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅱ类标准外，其余各点位Cd、Pb、Cu、As均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅰ类标准。

3.3 Cr、Hg、As、Cu和Pb与pH存在显著或极显著相关性，说明pH对其有较大影响；有些重金属间存在相关性，表明其可能具有相似的地球化学行为。

3.4 采用水体综合污染评价法对拉萨河谷设施农业区水体重金属污染状况进行评价，结果表明，除A1、A2和A7点为轻度污染外，其他地下水样点均表现为无重金属污染；而地表水B1和B2样点为中度污染，且重金属Hg贡献最大，应加大对该区域重金属Hg的监测力度，查找污染源，以更好地保障当地居民的生产、生活。

参考文献

[1]Nunes,M.L.,E.F.Da Silva and S.De Almeida,Assessment of water quality in the Caima and Mau River basins(Portugal)using geochemical and biological indices[J].Water air and soil pollution,2003,149(1-4):227-250.

[2][4]蔡文贵,林钦,贾晓平,等.考洲洋重金属污染水平与潜在生态危害综合评价[J].生态学杂志,2005，24(3):343-347.

[3]王显炜,徐友宁,杨敏乔,等.国内外矿山土壤重金属污染风险评价方法综述[J].中国矿业,2009,18(10):54-56.

[5]中华人民共和国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)[S].

[6][11]林洪瑛,韩舞鹰.珠江口伶仃洋枯水期十年前后的水质状况与评价[J].海洋环境科学,2001,20(2):28-31.

[7]陈奎,周勇华,张怀静.东昌湖水体和表层沉积物重金属元素污染评价[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2012,42(10):97-105.

[8]中国质量新闻网.西藏拉萨市已经基本实现旺季蔬菜供应自给自足[EB/OL].http://www.cqn.com.cn/news/xfpd/szcj/ dflb/707489.html.

[9]周维博,李佩成.我国农田灌溉的水环境问题[J].水科学进展,2001,12(3):413-417.

[10]唐莲,白丹农业活动非点源污染与水环境恶化[J].环境保护,2003(3):18-20.

[12]廖为,权姜齐.水质评价的浓度级数法[J].水文,1992(3):25-32.

[13]沈春燕,冯波卢,伙胜.茂名放鸡岛海域水体重金属的分布与污染评价[J].海洋通报,2008,27(5):116-120.

[14]McLaughlin,M.J.,D.R.Parker,et al.Metals and micronutrients-food safety issues[J].Field corps research,1999,60(1-2):143-163.

[15]刘凤,李梅,张荣飞,等.拉萨河流域重金属污染及健康风险评价[J].环境化学,2012,31(5):580-585.

[16]杨军,陈同斌,郑袁明,等.北京市凉凤灌区小麦重金属含量的动态变化及健康风险分析——兼论土壤重金属有效性测定指标的可靠性[J].环境科学学报,2005,25(12):1661-1668.

[17]Voutsa,D.,A.Grimanis and C.Samara.Trace elements in vegetables grown in an industrial area in relation to soil and air particulate matter[J].Environment international,1996,94(3):325-335.

[18]李波,林玉锁,张孝飞,等.宁连高速公路两侧土壤和农产品中重金属污染的研究[J].农业环境科学学报,2005,24(2):266-269.

[19]Nicholson,F.A.,et al.,An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J].Science of the total environment,2003,311(1-3):205-219.

[20]Yang,Q.W.,et al.,Lead in paddy soils and rice plants Lechang and its potential health risk around lead/zinc Mine,Guangdong,China[J].Environment international,2004,30(7):883-889.

[21]李真熠,赵超凡,杨志敏,等.重庆市土壤重金属污染的功能分异评价[J].农业环境与发展,2013,30(4):35-40.

[22]李艺红,王宏,刘瑞志,等.锦州湾表层沉积物重金属潜在生态风险评价[J].沈阳理工大学学报,2013,32(5):17-22.

[责任编辑：索郎桑姆]

中图分类号:X321

文献标识码:A

文章编号:1005-5738(2014)01-021-07

收稿日期：2014-03-15

基金项目：2011年度西藏大学青年科研培育基金项目“羊八井地热水化学特征及其环境影响分析”（项目号：ZD111PZ03）；2008年度国家自然科学基金项目“拉萨河流域水体重金属污染及其控制对策的研究”（项目号：20767005）；2012年度国家自然科学基金项目“西藏雅鲁藏布江流域生态系统重金属迁移及风险评估”（项目号：21267021）；2011年度院地合作项目“拉萨河谷设施农业与水土环境协调发展研究”（项目号：XBCD-2011-017）；2012年度西藏自治区自然科学基金项目“西藏拉萨河谷主要湿地水化学特征及环境净化功能现状研究”（项目号：Z2012A02G02/00）；2009年度环境化学与生态毒理学国家重点实验室开放基金课题“拉萨河谷主要湿地水体重金属分布及风险评估”（项目号：KF2009-19滚）阶段性成果。

第一作者简介：刘勇，男，汉族，重庆人，西藏自治区工程环境评估中心讲师，主要研究方向为环境化学与环境影响评价。

通讯作者简介：布多，男，藏族，西藏林芝人，复旦大学环境科学与工程系博士研究生，西藏大学环境科学研究所副教授，主要研究方向为环境化学与环境监测。

Assessment of Pollution and Content of Heavy Metals in the Water in Facility Agriculture Region in the Lhasa River Valley,Tibet, China

Liu Yong①Mei Duo②Wujian-Zhaxi③Bu Duo④

(①②The Tibet autonomous region engineering environmental assessment center;③School Science,Tibet university,Lhasa 850000,Tibet;④Environment science&engineering department of Fudan university,shanghai,200433)

Abstract:The aim of the current paper is to explore the pollution level and degree of heavy metals in water of facility agriculture region in the Lhasa River Valley.The contents of Cd,Be,V,Tl,Hg,Cu,Pb,Co,Ni,Cr,Fe,Sb, Zn,Mn,Ba,Ti and As in ground water and surface water of the facility agriculture region in the Lhasa River Valley were analyzed respectively to explore the pollution level and degree of heavy metals in water of the region. The integrated pollution index were used to evaluate the contamination degree of Cd,Hg,Cu,Pb,Ni,Zn and As. Compared with GB 3838-2002,Cd,Pb,Cu,As and Zn at all the sampling sites fit the standards of category I water,while Zn content exceed the standards of category I water.The significant results also indicated that the pH could has large influence on the distribution of Cr,Hg,As,Cu and Pb.Significant positive correlations were found between some elements,which implied that these elements probably had common pollution sources.The integrated pollution index assessment showed that the water quality in the A1,A2 and A7 sampling sites state in light pollution level while sampling sites B1 and B2 are moderately polluted with heavy metal.Hg was the main pollution element in water at the facility agriculture region in the Lhasa River Valley.

Keywords:Lhasa River Valley;facility agriculture;water environment;heavy metal;pollution assessment