引用本文
瞿理印, 夏芳, 刘元元, 黄宏, 梅琨, 张明华. 温瑞塘河河网沉积物重金属生态风险评价[J]. 浙江农业科学, 2018,59(2):343-347  
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20180254
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温瑞塘河河网沉积物重金属生态风险评价
瞿理印1, 夏芳1, 刘元元1, 黄宏1, 梅琨1,*, 张明华1,2,*
1.温州医科大学 浙南水科学研究院,浙江省流域水环境与健康风险研究重点实验室,浙江 温州 325035
2.加州大学戴维斯分校 陆地、大气与水资源系,美国 戴维斯 95616
梅 琨(1981—),女,浙江温州人,副研究员,博士,研究方向为GIS在水环境领域的应用,E-mail:kunjuly@wmu.edu.cn;张明华(1955—),女,美国加州人,教授,博士,研究方向为水环境模型,E-mail:mhzhang@ucdavis.edu。

作者简介:瞿理印(1993—),男,浙江温州人,硕士研究生,研究方向为水环境污染物监测,E-mail:540565633@qq.com。

基金项目: 国家自然科学基金(40161554); 浙江省自然科学基金(LQ16C030004)
摘要

以温瑞塘河温州市区河道底泥沉积物中的重金属为研究对象,采用Hakanson潜在生态风险指数法评价重金属污染的综合及单项生态风险。结果表明,以温瑞平原土壤沉积物为背景值,研究区域有23个采样点的Cd污染指数超出了极强生态风险阈值,1个采样点的Cu污染指数超出极强生态风险阈值,1个采样点的Pb污染指数达到了强生态风险,Zn、Cr生态风险水平相对较低。重金属污染中心位于研究区西南方向的工业园区,电镀及皮革产业所带来的点源污染可能是其主要污染来源。Cd是温瑞塘河温州市区河道底泥沉积物中最主要的污染物,需加强对Cd污染物排放的监督与管理。

关键词: 沉积物; 重金属; 生态风险
中图分类号:X83 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2018)02-0343-05

由于快速的城市化与工业化, 人类活动对城市生态系统影响强烈, 河道沉积物中重金属污染也日益受到广泛关注[1, 2, 3]。Fe、Cu、Zn是人体必需的金属元素, 但当其超过一定限值之后将会对人体产生伤害, 而Cd、Cr、Pb等金属元素在十分微量的时候就能对人体产生不可逆的伤害[4]。与河流上覆水相比, 河道沉积物不但是重金属污染富集的主要场所, 也是许多底栖生物栖息的场所, 沉积物中的金属污染物通过水动力循环以及一系列的氧化还原反应释放到水体中, 或被底栖生物吸收, 再通过生物富集作用被各级生物链中的消费者吸收, 最终对人体健康产生危害[5]。因此, 关注沉积物中的重金属污染水平是十分必要的。

温瑞塘河位于浙江省区域中心城市之一的温州, 作为我国第一批改革开放的沿海城市, 温瑞塘河流域在经济快速发展的同时也伴随着对环境的污染。关于温瑞塘河流域沉积物重金属污染的研究已有先例[6, 7], 但主要是分析重金属的污染特征, 未能定量评价其生态风险水平。本研究以温瑞塘河温州市区段为主要研究区域, 监测和分析了城市河道沉积物重金属污染特征, 采用Hakanson潜在生态风险指数法评价该区域河流底泥沉积物中重金属的生态风险等级, 采用多元统计学方法分析可能的污染源, 深入分析沉积物重金属污染状况, 以期为城市河道重金属污染治理与防护提供一定的科学依据与数据支撑。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

温瑞塘河是温州市的母亲河, 位于瓯江以南、飞云江以北的温瑞平原, 整个流域面积740 km2, 其中温州市区段流域面积298.7 km2(图1)。温瑞塘河是温瑞平原农田的主要灌溉和排涝河道, 也是沿河城乡工矿企业的主要水源。根据温州市环境保护局所发布的《2015年温州市环境状况公报》统计, 温州市的电镀、印染、造纸、制革、化工、合成革等6大行业共计1 151家企业, 年污水排放量达40 316万t。尽管目前工业污水收集率已达到95%以上, 但是沿河垃圾和地表灰尘中的重金属, 在雨水的冲刷作用下, 仍会随着地表径流入河, 并在底泥沉积物中富集[8]。

1.2 样品采集与分析

2017年3— 4月在研究区域选取39个沉积物样品采集点(图1)。使用蚌式抓斗采泥器采集河道顶部沉积物, 选取中间部分密封保存于洁净的聚乙烯塑料袋内, 带回实验室低温保存。样品风干后, 剔除树枝、石子等杂物, 研磨后过160目尼龙网筛待测。

图1 温瑞塘河沉积物采样点分布

使用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解法于石墨电热板上消解沉积物样品[9], 消解后的样品用石墨炉原子吸收光谱仪(AAS)测定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr元素含量, 用标准参考物质GBW-0713进行质量控制, 保证相对标准偏差在10%以内。

1.3 生态风险评价

潜在生态风险指数考虑了不同金属元素的毒性水平与研究区域对这些污染物的敏感性, 本研究采用Hakanson潜在生态风险指数法评价温瑞塘河沉积物中重金属的单一及综合生态风险[10]。单个重金属的风险评价等级依单因子污染指数()进行划分:≤ 40, 轻微生态风险; 40~80, 中等生态风险; 80~160, 强生态风险; 160~320, 较强生态风险; > 320, 极强生态风险。综合潜在生态风险用综合污染指数(RI)表示, 计算公式为:

RI=∑I=1NEri=∑i=1nTri×cdicji。

式中:RI为综合污染指数; 为采样点某一重金属的毒性响应系数(根据Hakanson制定的标准化重金属毒性系数, Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的对应取值分别为5、1、5、30、2); 为该元素的实测含量; 为该元素的评价标准, 本研究以温瑞平原的土壤沉积物重金属背景值为参照。综合污染指数的分级标准为:< 150, 轻微生态风险; 150~300, 中等生态风险; 300~600, 较强生态风险; ≥ 600, 极强生态风险。

1.4 数据分析

在SPSS 20.0软件平台上进行描述性统计、主成分分析等。

2 结果与分析
2.1 沉积物重金属含量

采样点的重金属含量统计结果如表1所示, 沉积物中重金属平均浓度从高到低依次为Zn> Cn> Cr> Pb> Cd。与温瑞平原沉积物重金属含量背景值(表2)相比, 样品中Cr的平均含量约为背景值的2倍, Pb约为3倍, Cu和Zn的含量在10倍左右, 污染最严重的是Cd, 平均含量超过背景值约100倍。对比分析温瑞塘河温州市区段与国内其他研究区沉积物中重金属的污染情况, 除了Pb的平均浓度低于湖南湘江流域之外, Cu、Zn、Cd、Cr的平均浓度均远高于其他研究区域。

表1 温瑞塘河沉积物重金属浓度分布统计 mg· kg-1
表2 温瑞塘河与其他部分研究区沉积物重金属浓度对比 mg· kg-1
2.2 沉积物中重金属污染源

温瑞塘河沉积物中重金属的相关性分析结果如表3所示, Zn、Pb、Cd、Cu之间存在显著的相关性, 说明这4种金属可能有相同的污染来源, 而Cr和Cu之间存在一定的相关关系, 而与其他3种金属之间无相关性。

表3 沉积物中重金属的相关性分析

一般地, 重金属主要来源为母质背景和人为活动。通过主成分分析能在一定程度上分辨重金属的污染来源。研究区重金属污染源的主成分分析结果(图2)显示, 前2个主成分特征值分别为3.259和1.081, 累计贡献率达到了86.8%, 能够较好地反映研究区重金属污染的主要变异特征。主成分1的贡献率为57.4%, Zn、Pb、Cd在主成分1上有较大载荷。研究表明[16, 17, 18], Zn、Pb、Cd、Cu主要受人类活动的影响, 电镀工业生产过程中产生的废气、废水、废渣等含有大量的Zn、Pb、Cd、Cu等重金属。结合Zn、Pb、Cd、Cu之间的高度相关性, 认为主成分1主要代表了研究区与工业活动相关的人为污染源。主成分2的贡献率为29.4%, Cr和Cu在主成分2上有较大载荷。由Cr在研究区底泥中的含量可知, 其污染水平较低, 因此认为其主要受风化、侵蚀、沉积等自然因素的影响[19]。Cu除了在第二主成分中有较大荷载外, 在第一主成分中也呈现中等载荷, 表明流域底泥中的Cu同时受到人为和自然因素的影响。

图2 沉积物中重金属的主成分分析

2.3 潜在生态风险

Hakanson潜在生态风险评价结果如图3所示, 各采样点的RI在76.52~56 208.53, 其中:14个采样点属于极强生态风险, 15个样点处于较强生态风险, 1个采样点处于中等生态风险, 1个采样点属于轻微生态风险。

所有采样点的Cr污染指数都小于40, 处于轻微生态风险等级。大部分采样点的Zn、Pb风险等级也较低, 仅1个采样点(B31)的Zn为中等生态风险(69.87), Pb为强生态风险(83.92)。中部地区样点的Cu达到中等生态风险, 其中, 1个采样点(B18)达到极强生态风险等级, 其污染指数较其他采样点高出10~20倍。Cd的生态风险是所有调查金属元素中最高的:有23个采样点达到了极强生态风险水平, 其中有6个采样点的污染指数是极强生态风险标准的100倍以上; 有12个采样点达到了较强生态风险水平, 3个采样点处于强生态风险水平, 1个采样点处于中等生态风险水平。从平均风险等级来看, 温瑞塘河的重金属污染程度为Cd> Cu> Pb> Zn> Cr。

从图3结果来看, 研究区域RI的空间分布特征与重金属Cd的污染指数相似, 主要是由于Cd是研究区最主要的污染元素, 且生态风险等级高。如图3所示, 高风险区主要位于研究区西南角(Cu除外), 主要是由于B31点及其周围采样点(B25、B28、A4、A5、B32)的重金属含量相对其他点位高, 是研究区的重金属污染热点区。根据Chen等[20]对该流域土地利用所做的前期工作, B31地处工业园区附近, 该地区的工业用地比例为46.51%, 尽管大部分的工业废水已经进入温州市截污纳管系统, 但是漏排、管道渗漏、地表径流、大气沉降等, 也会造成工业活动区域重金属污染现象; 因此, 工业生产过程中产生的“ 三废” (废气、废水、固体废弃物)仍然是导致底泥中重金属含量过高的主要原因[21]。B18采样点所属的子流域中工业用地面积占所有用地面积的38.29%, 在所有采样点中仅次于B31, 因此该地区的Cu污染可能同样源自于工业生产排放。

图3 温瑞塘河沉积物重金属生态风险空间分布

3 小结

本研究显示, 温瑞塘河流域温州市区段沉积物中重金属含量较高, 采样点平均浓度远高于当地背景值, Cd约为背景值的100倍, Cu、Zn是背景值的10倍左右, Pb、Cr是背景值的2~3倍。39个采样点中有14个采样点属于极强生态风险, 15个采样点属于较强生态风险。分元素来看, 各采样点中Cr、Zn都处于中等生态风险水平以下, Cu和Pb分别在B18和B31采样点处达到极强生态风险水平与强生态风险水平。Cd污染最为严重, 有23个采样点达到了极强生态风险水平, 12个采样点达到了较强生态风险水平, 3个采样点处于强生态风险水平。根据主成分分析结果, 研究区域内Zn、Pb、Cd的污染主要受人类活动的影响, 温州市区发达的电镀、皮革产业可能是其主要来源。Cu在一定程度上受到工业污染影响, 但受成土母质及风化、侵蚀等自然因素的影响更大。Cr受人为影响有限, 主要来自于自然环境。

The authors have declared that no competing interests exist.

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