乌江渡水库底泥中Cr、Cu和Pb元素分布特征及风险评价

杨 飞 田 楼 杨 阳 陈 晨 杨华强 徐 韬*

(1.贵州师范大学生命科学学院；2.贵州师范大学贵州应急管理学院，贵阳 550025)

重金属的生物毒性和生物富集能力导致其环境危害持续时间较长，能够在土壤和水体沉积物中聚集，因此具有较强的生态风险性[1]。此外，重金属还能够通过饮用水或者水体中的动植物进入人体内[2]，造成潜在的人类健康风险[3]。淡水生态系统(湖泊和水库)的沉积物是重金属的蓄积库。随着社会经济和工业的发展，大量污染物被排入水体环境中，尤其是重金属污染物，进入水体沉降后聚集在沉积物中，当水体环境发生变化时，这些重金属能够重新释放到上覆水中，成为污染源，反复造成严重的环境问题。因此，了解水体沉积物中的重金属水平对水体环境安全评价和后续环境治理有重要的指导作用。

乌江是西南地区重要的水系之一，乌江渡水库是乌江干流上梯级电站的第六级。该水库底泥中的重金属主要来源于上游的煤矿开发，生活污水和工业废水的排放。采矿是大多数重金属污染的重要来源之一。采矿活动和矿物加工过程对矿山周围环境会造成不同程度的影响, 甚至严重危害人们的身体健康[4]。乌江渡水库上游的煤矿开采，在一定程度上引起了矿区及其周围环境的污染, 尾矿、废弃矿渣等经过长期的日晒雨淋，发生了一系列物理、化学和生物化学变化，进而对周边大气、土壤及水体等造成严重污染。大量的重金属如Hg、As、Cd、Pb、Sb等重金属元素伴随着其他有害化学物质进入周边自然环境，污染土壤和水体。

此外，乌江渡水库流域面积内人口数量众多，下游有网箱养鱼的历史。偏岩河及息烽河是乌江渡水库上两条重要的一级支流，有不同的工厂分布在该区域内，来自城镇中的生活污水和工业废水向河道排放，最终流向乌江渡水库水体和底泥中，造成污染物和重金属的聚集，存在一定的污染风险[5]。由于贵州地处地球汞带区域，有许多研究集中在乌江流域汞含量和形态的分布和特征方面[6-7]，对于乌江流域重金属分布和特征的综合性研究仍然不足。

因此，本研究通过对乌江渡水库5个不同地理位置沉积物中重金属(Cr、Cu和Pb)含量的调查，采用地累积指数(Igeo)、潜在生态风险指数(RI)评价乌江渡水库沉积物重金属污染现状，并进行重金属的风险评估，旨在了解乌江渡水库沉积物中重金属污染水平，并分析其主要来源，为金属污染治理和风险管理提供前期的理论依据。

1 材料与方法

1.1 水库概况

乌江渡水库位于遵义、息烽和金沙3县交界的乌江干流上，坝址以上控制流域面积为27 790 km2，坝址多年平均流量为483 m3/s，水库总库容为23.0亿m3，有效库容为13.5亿m3，坝前最大水深达150 m，坝址前多年平均流量为502 m3/s，属于典型的峡谷型大型深水水库[8]。

1.2 采样点分布及样品采集

采样时间和样点设置：于2021年5月对乌江渡水库各采样点进行两次采样调查，依照乌江渡水库的环境特征，共设置 5个采样点分别为：1号点：江口；2号点：团林；3号点：漩塘；4号点：息烽河；5号点：偏岩河(图1)。取样点设在水库主干流与水库河道交汇处，以及一处库湾(漩塘)，避免死水和回水，且交汇处接收各地汇入水库中的生活污水和工业废水。各个点处均有生活污水和工业废水的流入，沿河流分布有息峰重钙厂等企业。其中漩塘位于河流主干道上，是主干流上的库湾区。

图1 乌江渡水库沉积物采样点分布图

于采样点用绳子将抓斗采泥器降到水库底面，采集底泥，收集未经扰动的表层沉积物样品置于无菌自封袋封装,贴好标签后低温避光保存，迅速运回实验室。待样品自然风干后用擀面杖碾碎至粉末状，过200目尼龙筛，过筛样品置于自封袋中常温保存直至测量分析。

1.3 沉积物重金属的测定

样品用密封高压消解罐湿法消解，准确称取0.3 g样品(称取0.3000～0.3050 g之间即可)试样于微波消解罐中，用少量水润湿后加入具有强氧化性的有机酸(10 mL浓硝酸、5 mL氢氟酸、2 mL双氧水)，同时做样品空白，消解5 h，加热破坏土壤样品中的有机物，将目标产物无机成分充分释放出来，进而形成较为稳定的无机化合物；再取出冷却至室温后，将其放在电热板上，于140℃下进行挥酸，驱赶白酸并蒸至粘稠剩最后一滴，加0.5 mL超纯水，继续挥酸剩最后一滴，将其取下，加入1 mL硝酸溶液，温热溶解可溶性残渣，转移至离心管中进行离心，过0.45 μm滤膜后，全量转移至比色管中，冷却后定容至50 ml，摇匀，留待原子吸收测定(溶液中的土壤重金属含量用WFX-210原子吸收分光光度计(北京北分瑞利公司)测定)，同时对国标土进行上述测定，国标GSS-8平行3组求平均值，计算其回收率。

每种形态设置3个空白对照组，3个平行试样，3次求取平均值，并进行对比，土壤标准样品与样品和空白样相同的工作条件和测试条件。本次实验对5种重金属(Zn、Cr、Cu、Mn、Pb)进行测定，同时用国标土进行回收率的计算(回收率在75%～125%之间为有效测定)。通过计算，国标土中Zn、Cr、Cu、Mn、Pb的回收率为65%、79%、86%、59%和100%。其中Zn、Mn回收率低于75%，因此只对土壤样品中Cr、Cu、Pb的测定结果进行分析评价。

1.4 重金属污染水平评价标准

1.4.1 地累积指数法

地累积指数法不仅考虑人为污染因素和地球化学背景值,而且将自然成岩作用引起的背景值变动等因素综合考虑在内[9]，计算公式如下：

(1)

式(1)中：Ci为土壤中重金属元素 i的含量(mg/kg)，Bi是 重金属元素 i 的土壤元素背景值(mg/kg)，常数1.5为修正系数，根据Igeo值的大小，可将底泥重金属污染程度划分为7个等级[7]。本文选取中国土壤元素背景值作为地累积指数评价参比值，Cr、Cu、Pb的背景值分别为95.9、32.0、35.2mg/kg。重金属的地累积指数污染分级和污染程度标准见表1。

表1 地累积指数分级重金属污染程度

1.4.2 潜在生态风险指数法

Hankson潜在生态风险指数法(RI)[10],该方法结合了环境科学、生态学、生物毒理学等多学科理论,引入毒性响应系数,可定量计算每种重金属元素的潜在危害程度，考虑了重金属的生物毒性效应,使风险评价结果更为全面，RI的计算过程可表示如下:

(2)

(3)

(4)

式(4)中：RI为土中多种重金属潜在生态风险指数。根据潜在生态风险系数可将土壤重金属污染分级(表2)，从而获取水库不同土壤重金属污染状况。

表2 土壤重金属污染分级

1.5 统计分析

方差分析(ANOVA)用于检测各个重金属元素在不同采样点之间含量的差异，从而判断该种元素是否存在空间异质性分布。主成分分析(PCA)用来分析三种重金属含量的相互关系，此外，Spearman相关性分析用于判断不同金属元素之间是否存在显著相关。方差分析、相关性分析和主成分分析均在R软件中完成。

2 结果

2.1 乌江渡水库底泥重金属总量特征

乌江渡水库底泥重金属总量特征见图2。在所有采样点土壤中，Cr含量均在土壤背景值以下，而Cu和Pb的含量均超过土壤背景值。江口、团林、漩塘、息烽、偏岩底泥中Cu的含量分别是土壤背景值的1.67、1.21、1.12、1.09和1.58倍；5个采样点沉积物中Cr的含量分别是土壤背景值的0.76、0.74、0.84、0.61、0.83倍；其中Pb的含量分别是土壤背景值的2.02、1.52、1.74、2.09和2.06倍(图2)。方差分析(ANOVA)结果显示Cr在5个采样点中含量差异不显著(p=0.11)。Cu含量差异显著(p<0.001)，表现为息烽河口和偏岩河口处较高。而Pb含量在不同采样点间差异弱显著(p=0.08)，江口和偏岩河口较高。相关性分析结果显示，Cr, Cu和Pb之间均为正相关(图3a)，此外，根据主成分分析结果显示Cr与Pb直接相关性较弱(图3b)。

图2 乌江渡水库中5个采样点Cr、Cu和Pb的含量(虚线为对应元素中国土壤背景值)

图3 乌江渡水库沉积物Cr、Cu和Pb的含量相关性(a)以及主成分分析(PCA)图(b)

2.2 乌江渡水库底泥重金属地累积指数法评价

运用地累积指数法对5个采样点的重金属水平进行分析评价，结果如表3。其中Cr在5个采样点的含量均为无污染。Cu在江口和偏岩河口处为轻度污染，其他位置无污染。Pb在5个采样点均为轻度污染。

表3 地累积指数法分析评价表

2.3 乌江渡水库底泥重金属潜在风险评价

利用潜在生态风险指数法(RI)评价乌江渡水库5个采样点沉积物中重金属污染状况(表4)。三种重金属5个采样点的潜在生态风险均为轻度污染，整体生态风险水平偏低，与表中的重金属含量平均值结果相一致。江口、团林、漩塘、息烽和偏岩的重金属潜在生态风险指数RI分别为19.98、15.15、16.01、17.14、19.85，均为轻度污染。

表4 潜在生态风险指数法评价表

3 讨论

乌江渡水库沉积物中Cr含量低于土壤背景值，为无污染。Cu和Pb含量高于土壤背景值，为轻度污染水平。在乌江渡水库5个不同位置采样点中，Cu和Pb的分布存在一定程度空间异质性，即在乌江渡水库的不同地理位置存在差异。而Cr未发现有空间异质性。

地累积指数显示Cr在乌江渡水库的五个采样点的污染程度均为无污染；Cu在息烽处为无污染，在江口、团林、漩塘、偏岩4个采样点为轻度污染；Pb在五个采样点处均为轻度污染。向燕等[11]发现，在乌江流域中下游干流支流表层水中5种重金属含量没有明显的季节性变化规律，不同季节各调查位点As、Pb、Hg含量均达到I类水质标准。这与水体中重金属的来源和特性有关。息烽河和偏岩河周围人类活动较为频繁，为潜在的点源或面源污染，从而导致这些位置的污染程度较高。相关性分析发现，Cr、Cu和Pb存在正相关，暗示着这3种重金属的来源一致，结合乌江渡水库沿岸情况分析，这3种重金属主要来自于工业生产活动的污染。有研究表明Cr和Pb等污染主要来源于电镀、制造皮革、印染和金属加工等行业[12]，乌江沿岸存在许多重要的有色金属矿区，因此，可能受到矿山废水的影响。Cu一般可作为使用农药和化肥等农业活动的标志元素[13]，乌江渡水库采样区域受到不同程度的农业面源污染。此外，水体富营养化与重金属污染之间还可能存在耦合机理，流域面积内工业、农业和人类活动造成的点源和面源营养盐的差异也会影响不同重金属的污染程度[14]。

4 结论

根据地累积指数法和潜在生态风险指数法，乌江渡水库沉积物中Cr、Cu和Pb这三种重金属在该水库的生态风险水平偏低，为轻度污染。