白龟山湿地重金属元素分布特征及其来源分析

毛政利

摘要：指出了白龟山湿地沉积物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等重金属元素含量相关性较高，相关系数在0.9左右，相关性高的达到0.96，说明了它们具有同源性；Mn和Ni元素与其它重金属元素之间基本没有相关性，说明这两种重金属元素的来源具有自己的独立性。各元素的空间分布特征表明：Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等5种重金属元素的含量分布人为影响较大，主要的污染源是鲁山污水处理厂，其次是姚孟电厂；Ni的空间分布特征指示了在澎河上游可能存在Ni的污染源；而Mn元素基本上没有人为因素的影响。

关键词：沉积物；重金属；空间分布；白龟山湿地

中图分类号：X52

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0028-04

1 引言

湿地是地球，特别是地球陆地生态系统的重要组成部分，它与海洋和森林称为全球三大生态系统，对整个陆地生态系统具有不可替代的综合调节功能，湿地研究已成为当前环境研究方面的热点之一。湿地不仅可以有效的缓解洪水压力，更重要的是具有净化空气、净化环境的功能，湿地对人类生存环境的优化具有重要意义。同时湿地又是一个复杂的生态系统，大量的底栖生物、鱼类、水生和部分陆生植物在此繁殖，构成一个复杂的食物链。重金属污染是当今环境污染的重要形式之一[1，2]，近几年我国重金属污染事故出现较多，大多数与河流湿地有关。湿地相对水域较宽阔、水流速度较慢，一般是河流的汇聚场所，是河水中颗粒物的沉积场所，也是河水中所携带的一些离子的地球化学障，大多数颗粒沉积物和化学元素都会在此得以富集。而重金属元素富集到一定程度就会造成严重的环境污染，它可以通过复杂的湿地食物链，以及有机质的络合物、氧化还原反应等过程进入上覆水[3]等影响人们的健康，威胁湿地生态系统。而且重金属一旦进入湿地，它潜在的威胁将是长期的，因此湿地重金属污染问题以及成为全球性的环境问题[4～7]。

重金属元素空间分布是研究重金属污染及其来源的重要基础，也是重金属污染评价的依据，历来是重金属污染研究的前沿和热点。常用的研究方法主要集中在地统计[8，9]、基于GIS的空间插值[10，11]和非线性理论[12，13]等，从重金属元素的空间分布特征探讨重金属污染的来源，以及进行重金属污染评价。白龟山湿地水环境研究前人做了一定的工作，和书坤等[14]研究认为白龟山湿地水体富营养化程度已经达到中等偏上水平；于长立等[15 ]利用有机污染指标、氮磷和 pH等数据，分析了白龟山湿地水环境现状及水环境污染的原因。成刚等[16]根据白龟山湿地及其入库河流水体和沉积物中重金属元素的含量及分布特征，利用地积累指数法和 HANKANSON生态危害指数法对沉积物重金属的累积效应和潜在生态风险进行评价。本文利用白龟山湿地周围入库河流和湿地中沉积物样品的主要重金属含量，分析该地区重金属空间分布特征，并结合实际情况探讨该区重金属元素的来源及其分异富集规律，为白龟山湿地的环境保护提供依据。

2 白龟山湿地概况

白龟山湿地的中心是白龟山水库，白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河本干上，大坝位于平顶山市新城区南部。因其拦河坝和顺河坝相接处有一白龟山而得名。水库始建于1958年，1966年8月竣工。东西长15.5 km，南北宽4.2 km，占地近70 km2，库容量6.49亿m3。上游有昭平台水库，下游有泥沙洼滞洪区，左临颍河上有白沙水库，是一座淮河流域上游重要的防洪水库，也是综合治理沙颍河的水利枢纽工程。

水库控制流域面积2740 km2，其中昭平台、白龟山水库间流域面积1310 km2，水库年平均降雨量900 mm，年平均径流量4.23亿m3。水库工程按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，1998年10月进行了除险加固工程，达到两千年一遇洪水校核，总库容达到9.22亿m3，目前已成为一座以防洪为主，兼顾农业灌溉、工业和城市供水综合利用的大型调节半平原水库，是平顶山市新老城区生活用水的来源地。同时，近几年平顶山市在白龟山水库周边进行了大规模的开发建设，现已建成为一个环境优美、空气清新的环湖湿地公园，是平顶山市市民休闲健身的主要场所。

3 白龟山湿地重金属元素空间分布特征

成刚等[16]以白龟山水库为中心，在白龟山水库库底及其上游河段进行了较为系统的沉积物取样分析，样品点的分布如图1，沉积物样品的Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金属元素的含量见表1。

表2是各重金属元素在沉积物中含量的相关系数矩阵，从表中可以看出，元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五种重金属元素相互之间的相关系数较大，特别是Cd和Pb、Cd和Cr以及Zn和Cu之间的相关系数均大于0.95，而Mn和Ni元素和其它重金属元素含量之间几乎没有相关性。这可能反映出，在白龟山湿地，重金属元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等来源于同一个污染源，而且它们的迁移聚集具有相同或相似的机制和过程；而Mn和Ni元素的来源具有各自的独立性，和其它元素没有明显的关联。这进一步说明了，在白龟山湿地，重金属污染来源不是单一的，而是具有多来源的特点。

图2是白龟山湿地沉积物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金属元素含量的空间分布图。从图中可以看出以下分布。

（1）Cd、Pb、Cr三种重金属含量分布图相似程度较高，具有相似的空间分布特征，它们含量在空间上的变化趋势也基本相同。含量的高值区在取样点C，越往下游含量呈递减趋势，在取样点E出现最低值；在水库的下游，取样点H附近含量再一次升高。

（2）重金属元素Cu和Zn的分布图相似程度相对来说最高，这与Cu和Zn之间的相关系数最高相一致。其含量在空间上的分布总体与Cd、Pb、Cr相似，都呈现在取样点C处含量高，往下游有递减的趋势，在取样点H附近含量升高。不同的是，这两种重金属元素含量是在取样点F处出现最低值，样品点E出的含量值也比较高。

（3）Mn元素的分布特征比较特殊，在取样点A和G两个点上有高值区，其中A点含量最高，取样点C处含量却不是很高，含量最低点为F点，在H点也没出现含量升高的趋势，G点可以认为是Mn元素的一个聚集中心。

（4）元素Ni的高值区在E点，其次是A点和G点，取样点C处的含量相对较低，在取样点H处有升高的趋势。E点和G点以及G点和H点之间含量差别相对较低，而E点和H点含量差别相对小得多。

4 讨论

土壤或岩石中化学元素的含量、空间分布和分配，是地质历史长期演化的结果，在地球表层的风化岩石和土壤中，其含量和空间分布受第四纪地质作用的影响较深，同时与人类活动关系密切。因此，现今土壤中的重金属元素含量的空间分布特征，不仅保留了原始的在地质作用过程中形成的重金属元素含量分布特点，也记录着人类活动在重金属元素分异聚集过程中的作用。研究重金属元素空间分布规律，是研究重金属元素演化分异机制的基础，也可以揭示重金属元素空间分布与重金属元素的污染源、地形、气候等因素的关系，以及重金属元素的迁移叠加机制。

据成刚等[16]研究，白龟山湿地表层水体中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金属元素含量均低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）一七类水质标准，而且各种重金属元素在各取样点地表水体中的含量基本相同。这可能说明了，在白龟山湿地，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金属元素在水体中的迁移形式主要以机械搬运沉积作用为主，化学搬运作用很少或没有。

再从白龟山湿地沉积物中各重金属元素的相关关系来看，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五种重金属元素相互之间的相关性较强，这可能指示了这五种重金属元素具有相同的来源，而Mn和Ni元素的独立性较强，暗示着Mn和Ni元素的来源与Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等不一致。

根据沉积物中各重金属元素含量的空间分布特征可以认为，Cd、Pb、Cr三种重金属元素的污染源主要为取样点C处，该处为鲁山县的一个污水处理厂出口，这三种重金属迁移扩散途径主要以地表水的机械搬运为主，而且搬运距离不远；H点的含量升高可能与H点接近姚孟火电厂有关。Cu和Zn之间的相关性较强，空间分特征与Cd、Pb、Cr等略有差别，它们在取样点F出现最低值，E点含量也不高，可能说明了Cu和Zn的移动性比Cd、Pb、Cr等三种元素强，它们的迁移影响了沙河以及白龟山水库，在H点这两种重金属元素含量也有一定程度的升高。Mn的分布整体来看相对比较均衡，不同的取样点有一些差别，但是差别不是很大，在A点，也就是荡泽河在昭平台水库的出口处含量相对较高，另外在G点，即白龟山水库中间，Mn的含量呈现出一定的富集趋势，在H点升高的趋势不是很明显，这可能指示了，Mn元素主要来源于本地区原始岩石，可能本区西部的Mn元素含量相对较高。Ni元素的分布规律基本和Mn相似，在A点和G点含量相对较高，各取样点差异性较Mn元素大，所不同的是，Ni的含量最高值在E点，即澎河在白龟山水库出口处，而且E点含量比A点高出很多，这可能也说明了Ni元素的来源有本地区的岩石，在澎河上游也可能存在Ni元素富集的地质体或Ni元素人为污染源。

5 结论

综合上述对白龟山湿地重金属元素含量的相关性分析和空间分布特征的讨论，可以得出以下的初步结论。

（1）白龟山湿地重金属元素分布受天然的原始岩石含量和后期的人为因素污染两种因素的影响，多数重金属元素含量受认为因素污染较为严重，少数重金属元素人为影响作用不明显。

（2）Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五种重金属元素含量相互之间的相关性较强，说明它们的来源具有同一性；根据它们的空间分布特征，可以认为，这五种重金属元素来源贡献最大的是鲁山污水处理厂，即取样点C处，同时，姚孟电厂对本区这五种重金属元素的含量也有明显的影响。

（3）Mn元素的空间分布相对较为均衡，与其它重金属含量之间也没有明显的相关性，说明Mn元素含量主要与本区背景值有关，人为污染不明显。

（4）Ni元素的空间分布高值区在澎河口，说明在澎河的上游可能存在Ni的污染源或含Ni高的地质体，这也是本区下一步重金属元素污染调查的重点。

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