百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬空間分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

肖 晶 李秋華# 孫榮國(guó) 陳峰峰 劉送平 李小峰 鄧 龍

(1.貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550001;2.貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001;3.貴州醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001)

消落帶是指因人為調(diào)度使水庫(kù)水位周期性漲落而在庫(kù)區(qū)周?chē)纬傻奶厥鈪^(qū)域，包括周期性淹沒(méi)的回水區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)消落區(qū))和長(zhǎng)期淹沒(méi)的回水區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)淹沒(méi)區(qū))[1]。消落帶作為水陸生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶，存在水陸交叉污染問(wèn)題[2]。由于水位周期性漲落使得消落帶土壤既可能成為污染物的匯[3-5]，又可以通過(guò)溶解、離子交換、氧化還原等過(guò)程成為水體中污染物的源[6-7]。重金屬是不可降解的持久性污染物，并且易在生物體內(nèi)富集并產(chǎn)生毒害作用[8-10]，通過(guò)食物鏈富集會(huì)危及人體健康[11]。

據(jù)報(bào)道，百花水庫(kù)沉積物中重金屬濃度已經(jīng)超出了貴州省土壤重金屬背景值，Hg和Cd的污染尤其突出[12]。田林鋒等[13]研究了百花水庫(kù)水體中重金屬的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)其受人為因素的影響非常顯著。但對(duì)于百花水庫(kù)消落帶這種生態(tài)系統(tǒng)脆弱的水陸過(guò)渡地帶的重金屬空間分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究很少。本研究以百花水庫(kù)為研究對(duì)象，分析了其消落區(qū)、淹沒(méi)區(qū)和庫(kù)岸區(qū)土壤中Hg、As、Cd、Pb、Cr 5種重金屬的空間分布特征，并且對(duì)重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，旨在為水庫(kù)消落帶土壤環(huán)境保護(hù)及重金屬污染土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

百花水庫(kù)位于貴州省貴陽(yáng)市西北郊區(qū)(106°27′～106°34′E，26°35′～26°42′N(xiāo))，是1966年為建設(shè)貓?zhí)犹菁?jí)電站而形成的人工水庫(kù)，水域面積15.4 km2，蓄水量2.1×109m3，最大水深45.0 m，平均水深10.8 m，水庫(kù)回水區(qū)長(zhǎng)度為18 km。百花水庫(kù)流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候區(qū)，四季溫差小，年平均氣溫為14～15 ℃，年平均降雨量為1 226 mm，4—9月為集中降雨季，占全年降雨量的77.76%。通常，冬季人為蓄水使水庫(kù)水位上升，夏季為防洪泄水使水庫(kù)水位下降，因此出現(xiàn)了垂直高度約4.9 m的水位差，形成消落帶，其土壤以黃壤和石灰土為主。

1.2 樣品采集與分析

考慮百花水庫(kù)的地貌特征、容量以及庫(kù)區(qū)水來(lái)源等因素，設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，分別為酒廠(JC)、沙田壩(STB)、李家沖(LJC)、紅衛(wèi)橋(HWQ)、姜家鋪(JJP)和大爐廠(DLC)。每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)采樣區(qū)域，分別為庫(kù)岸區(qū)、消落區(qū)和淹沒(méi)區(qū)。2015年5月(豐水期)，每個(gè)采樣區(qū)域采用多點(diǎn)混合取樣法采集0～10 cm的土壤樣品，裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，干燥、研磨、過(guò)100目篩，等待消解分析。

圖1 百花水庫(kù)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling site around Baihua Reservoir

采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)規(guī)定的方法分析了As、Cr、Pb、Cd、Hg 5種重金屬。其中，Cr、Pb、Cd采用原子吸收法測(cè)定，儀器為美國(guó)PE公司的AA800型原子吸收光譜儀；Hg采用冷原子吸收法測(cè)定，儀器為美國(guó)Brooks Rand公司的Model Ⅲ型冷原子熒光測(cè)汞儀；As采用原子熒光法測(cè)定，儀器為AF640型非色散原子熒光光譜儀。試劑空白和標(biāo)準(zhǔn)樣品同時(shí)消解和測(cè)定，以進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)法不僅考慮了人為污染因素和背景值，還考慮了自然成巖作用引起的背景值變動(dòng)[14]。其計(jì)算公式如下：

Igeo=log2(cn/(K×Bn))

(1)

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；cn為重金屬n在沉積物中的質(zhì)量濃度，mg/kg；K為消除各地巖石差異可能引起的背景值變化系數(shù)，一般取1.5；Bn為重金屬n在沉積物中的地球化學(xué)背景值，mg/kg，本研究采用貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值[15]。

根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)，將重金屬污染程度分為7個(gè)等級(jí)：Igeo<0，無(wú)污染；0≤Igeo<1，無(wú)污染到中污染；1≤Igeo<2，中污染；2≤Igeo<3，中污染到重污染；3≤Igeo<4，重污染；4≤Igeo<5，重污染到極重污染；Igeo≥5，極重污染[16]。

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法引入了毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)相聯(lián)系，不僅可以為生態(tài)環(huán)境的改善提供參考，還能為人體健康提供科學(xué)參照[17-18]，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[19-22]。其計(jì)算公式如下：

RIn=Tn×cn/Cn

(2)

RI=∑RIn

(3)

式中：RIn為重金屬n的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tn為重金屬n的毒性響應(yīng)系數(shù)，Cr、Pb、As、Cd、Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為2、5、10、30、40；Cn為重金屬n的參考質(zhì)量濃度，本研究采用GB 15618—1995中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，Cr、Pb、As、Cd、Hg的參考質(zhì)量濃度分別為90、35、15、0.20、0.15 mg/kg；RI為多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)。

RI的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬的空間分布特征

百花水庫(kù)6個(gè)采樣點(diǎn)的庫(kù)岸區(qū)、消落區(qū)和淹沒(méi)區(qū)中重金屬濃度的空間分布如圖2所示。由于不同采樣點(diǎn)的污染源不同，因此不同重金屬的污染程度空間分布差異較大，其中Hg平均濃度為L(zhǎng)JC(0.540 mg/kg)>STB(0.511 mg/kg)>JJP(0.373 mg/kg)>HWQ(0.357 mg/kg)>DLC(0.321 mg/kg)>JC(0.126 mg/kg)，As為JJP(37.034 mg/kg)>STB(24.605 mg/kg)>LJC(23.018 mg/kg)>HWQ(21.058 mg/kg)>DLC(11.557 mg/kg)>JC(8.679mg/kg)，Cd為JC(0.655 mg/kg)>HWQ(0.642 mg/kg)>LJC(0.597 mg/kg)>STB(0.539 mg/kg)>DLC(0.323 mg/kg)>JJP(0.264 mg/kg)，Pb為DLC(14.982 mg/kg)>JJP(13.203 mg/kg)>STB(12.709 mg/kg)>JC(12.442 mg/kg)>HWQ(11.606 mg/kg)>LJC(3.808 mg/kg)，Cr為STB(133.667 mg/kg)>HWQ(106.840 mg/kg)>LJC(100.640 mg/kg)>JJP(92.967 mg/kg)>DLC(85.213 mg/kg)>JC(33.113 mg/kg)。與GB 15618—1995中的Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值(見(jiàn)表2)相比，除所有采樣點(diǎn)的Pb、JC的Hg以及DLC、JC的As和Cr平均濃度未超標(biāo)外，其他采樣點(diǎn)的其他重金屬平均濃度均超標(biāo)，Hg、As、Cd、Cr的最大值分別是GB 15618—1995中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的3.600、2.469、3.275、1.485倍。Hg和As的貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值(見(jiàn)表2)高于GB 15618—1995中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明貴陽(yáng)市受到了這兩種重金屬的污染。本研究結(jié)果與貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值相比，所有采樣點(diǎn)的Pb以及JC的Hg、As、Cr和DLC的As、Cr平均濃度小于貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值，其他重金屬平均濃度超過(guò)了貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值，Hg、As、Cd、Cr的最大值分別是貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值的3.418、1.789、5.504、1.638倍，說(shuō)明百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸受到了Hg、As、Cd、Cr 4種重金屬的污染。

表1 潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖2 重金屬質(zhì)量濃度的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of heavy metals’ mass concentrations

但從同一采樣點(diǎn)的不同區(qū)域的濃度來(lái)看，重金屬污染程度基本一致，所有采樣點(diǎn)的最大值(除DLC的As外)均出現(xiàn)在淹沒(méi)區(qū)，最小值(除CJ的Cd外)均出現(xiàn)在消落區(qū)，與胥燾等[23]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)香溪河消落帶土壤重金屬的研究結(jié)果一致。這可能是由于消落帶受到?jīng)_刷使粒度小的土壤從消落區(qū)向淹沒(méi)區(qū)轉(zhuǎn)移，而粒度小的土壤比表面積大，對(duì)重金屬的吸附能力強(qiáng)，從而使淹沒(méi)區(qū)土壤中重金屬含量更高。此外，淹水條件下土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)變化也會(huì)影響土壤中重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化[24-25]，如淹沒(méi)區(qū)土壤氧化還原電位較低，重金屬離子易與土壤有機(jī)質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生的大量還原態(tài)硫形成沉淀，從而使重金屬在淹沒(méi)區(qū)累積[26]。庫(kù)岸的重金屬濃度相對(duì)較高主要是由于庫(kù)岸植被豐富，植物根系對(duì)土壤的固定作用使得庫(kù)岸土壤不易流失[27-28]，從而使庫(kù)岸土壤中的重金屬的遷移效率低。

變異系數(shù)(CV)作為反映統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)波動(dòng)大小的特征參數(shù)，在一定程度上可以描述重金屬的空間分布差異性，因此表3分析了相同區(qū)域的不同采樣點(diǎn)重金屬CV和同一采樣點(diǎn)的不同區(qū)域重金屬CV。通常，當(dāng)CV<15%時(shí)，為弱變異；當(dāng)CV為15%～35%時(shí)，為中度變異；當(dāng)CV>35%時(shí)，為高度變異[29]。從表3來(lái)看，庫(kù)岸區(qū)、消落區(qū)、淹沒(méi)區(qū)的不同采樣點(diǎn)5種重金屬CV分別是23.0%～50.4%、43.1%～64.8%、27.7%～53.9%，其中庫(kù)岸區(qū)和淹沒(méi)區(qū)處于中度或高度變異，而消落區(qū)全部處于高度變異，說(shuō)明相同區(qū)域內(nèi)重金屬在不同采樣點(diǎn)間的濃度差異顯著。JC、STB、LJC、HWQ、JJP和DLC的不同區(qū)域5種重金屬CV分別為28.0%～92.1%、18.1%～80.2%、14.6%～77.4%、6.9%～20.2%、9.9%～48.1%、9.4%～23.0%，可以看出5種重金屬在同一采樣點(diǎn)的庫(kù)岸區(qū)、消落區(qū)、淹沒(méi)區(qū)CV差異相當(dāng)大，這可能與3個(gè)區(qū)域的重金屬來(lái)源以及遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制不同有關(guān)。

2.2 百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

用地質(zhì)累積指數(shù)法對(duì)百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖3所示。庫(kù)岸區(qū)和消落區(qū)的Hg處于無(wú)污染或無(wú)污染到中污染水平，風(fēng)險(xiǎn)程度較低；但淹沒(méi)區(qū)的Hg在JJP和LJC達(dá)到了中污染水平，在STB甚至達(dá)到了中污染到重污

表2 貴陽(yáng)市土壤重金屬背景值和GB 15618—1995中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

表3 CV分析結(jié)果

圖3 百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)Fig.3 Geoaccumulation index of heavy metals in soil from water-level-fluctuating belt and bank around Baihua Reservoir

染的水平，風(fēng)險(xiǎn)程度較高。As除JJP的庫(kù)岸區(qū)與淹沒(méi)區(qū)為無(wú)污染到中污染水平外，其他都為無(wú)污染水平，因此目前來(lái)說(shuō)，百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸As污染可以不必考慮。5種重金屬中，Cd的風(fēng)險(xiǎn)程度最高，所有采樣點(diǎn)的各個(gè)分區(qū)都存在Cd污染風(fēng)險(xiǎn)，JC和LJC的淹沒(méi)區(qū)達(dá)到了中污染到重污染水平；JC、STB、HWQ、LJC的庫(kù)岸區(qū)，JC、HWQ、LJC的消落區(qū)和STB、DLC、JJP、HWQ的淹沒(méi)區(qū)均為中污染水平；其他為無(wú)污染到中污染水平。所有采樣點(diǎn)的各個(gè)分區(qū)Pb都處于無(wú)污染水平。Cr的風(fēng)險(xiǎn)程度也較低，除STB的庫(kù)岸區(qū)、STB和HWQ的淹沒(méi)區(qū)為無(wú)污染到中污染水平外，其他都為無(wú)污染水平。

用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸的重金屬潛在生態(tài)危害主要由Hg、As、Cd引起，特別是Hg和Cd；Pb和Cr對(duì)潛在生態(tài)危害指數(shù)的貢獻(xiàn)非常小。根據(jù)2.1節(jié)同一采樣點(diǎn)的不同區(qū)域重金屬濃度不難理解各個(gè)分區(qū)的RI平均值為淹沒(méi)區(qū)>庫(kù)岸區(qū)>消落區(qū)。分析多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)發(fā)現(xiàn)，JC的庫(kù)岸區(qū)和JC、STB、DLC、JJP的消落區(qū)均處于低危害等級(jí)；STB、DLC、JJP、HWQ、LJC的庫(kù)岸區(qū)，HWQ、LJC的消落區(qū)和JC、DLC、JJP、HWQ的淹沒(méi)區(qū)處于中等危害等級(jí)；STB、LJC的淹沒(méi)區(qū)達(dá)到了較高危害等級(jí)。比較所有采樣點(diǎn)的各個(gè)分區(qū)的RIn發(fā)現(xiàn)，5種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)大體為Hg>Cd>As>Cr>Pb。

比較地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，潛在生態(tài)危害指數(shù)法得出Hg為污染風(fēng)險(xiǎn)最大的重金屬，而地質(zhì)累積指數(shù)法得出Cd為污染風(fēng)險(xiǎn)最大的重金屬，兩種方法的結(jié)果存在一定偏差，這是由于兩種評(píng)價(jià)方法考慮因素的側(cè)重點(diǎn)不同所致，但可以確定Hg和Cd為百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸的主要風(fēng)險(xiǎn)重金屬。

3 結(jié) 論

(1) 百花水庫(kù)不同采樣點(diǎn)的Hg平均濃度為L(zhǎng)JC(0.540 mg/kg)>STB(0.511 mg/kg)>JJP(0.373 mg/kg)>HWQ(0.357 mg/kg)>DLC(0.321 mg/kg)>JC(0.126 mg/kg)，As為JJP(37.034 mg/kg)>STB(24.605 mg/kg)>LJC(23.018 mg/kg)>HWQ(21.058 mg/kg)>DLC(11.557 mg/kg)>JC(8.679 mg/kg)，Cd為JC(0.655 mg/kg)>HWQ(0.642 mg/kg)>LJC(0.597 mg/kg)>STB(0.539 mg/kg)>DLC(0.323 mg/kg)>JJP(0.264 mg/kg)，Pb為DLC(14.982 mg/kg)>JJP(13.203 mg/kg)>STB(12.709 mg/kg)>JC(12.442 mg/kg)>HWQ(11.606 mg/kg)>LJC(3.808 mg/kg)，Cr為STB(133.667 mg/kg)>HWQ(106.840 mg/kg)>LJC(100.640 mg/kg)>JJP(92.967 mg/kg)>DLC(85.213 mg/kg)>JC(33.113 mg/kg)。

圖4 百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.4 Potential ecological risk index of heavy metals in soil from water-level-fluctuating belt and bank around Baihua Reservoir

(2) 從同一采樣點(diǎn)的不同區(qū)域分析，5種重金屬的各個(gè)分區(qū)平均濃度均表現(xiàn)為淹沒(méi)區(qū)>庫(kù)岸區(qū)>消落區(qū)，因此各個(gè)分區(qū)的RI平均值也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

(3) 盡管地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的偏差，但可以確定Hg和Cd為百花水庫(kù)消落帶及庫(kù)岸的主要風(fēng)險(xiǎn)重金屬。

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