濁漳河北源河道沉積物中6種重金屬污染特征與源解析

侯沁文

（長治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 長治 046011）

濁漳河北源河道沉積物中6種重金屬污染特征與源解析

侯沁文

（長治學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 長治 046011）

采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對濁漳河北源河道沉積物6種重金屬的污染程度進行評價，并利用主成分分析法對其來源進行了初步解析。結(jié)果表明：濁漳河北源河道沉積物中重金屬元素As、Pb、Cr、Cu、Hg、Cd的平均含量分別為3.812、32.014、72.972、18.454、0.081、0.293 mgkg-1。重金屬元素Hg、Cd和Pb屬中度污染；Cr屬其輕度污染；Cu和As屬無污染。主成分分析表明：濁漳河北源河道沉積物中重金屬的污染主要來自燃煤釋放以及有害工業(yè)廢水的排放、生活污水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料不合理使用等。

重金屬；沉積物；污染評價；源解析

重金屬污染是指由于重金屬及其化合物含量超標(biāo)造成的環(huán)境污染，由于重金屬在環(huán)境中降解困難且在生物體內(nèi)非常容易富集，造成該環(huán)境中的生物體健康受到潛在威脅。重金屬通過工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水的排放以及含重金屬顆粒物的大氣沉降進入土壤，無機物污染物以含有Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb、Ni等重金屬元素為主[1]。隨著時間的推移，重金屬在土壤中會不斷累積，引起土壤結(jié)構(gòu)和功能變化的同時還能抑制農(nóng)作物根系生長和葉片光合作用，從而造成農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量下降[2-3]。除此之外，重金屬可經(jīng)由多種途徑對生物體以及生態(tài)系統(tǒng)安全造成一定程度的危害[4]。又因其不易降解的特性而成為環(huán)境污染評價中的重要內(nèi)容[5]。土壤重金屬的污染近年來已成為環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點問題[6-7]。

河道沉積物中重金屬的污染特征不僅能反應(yīng)河流的水質(zhì)及其受污染的程度，同時也能反應(yīng)污染物的來源。關(guān)于土壤重金屬污染評價的方法目前主要有地累積指數(shù)法、單因子指數(shù)評價法[8]、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法等[9]。而關(guān)于重金屬污染源解析的研究方法近些年研究者主要運用因子分析法（FA）、主成分分析法（FCA）、聚類分析、相關(guān)分析、化學(xué)質(zhì)量平衡法（CMB）等[10]。到目前為止，關(guān)于濁漳河的相關(guān)研究，主要集中在植物、水資源利用、水污染物等方面，如，流域內(nèi)水資源的合理配置[11]；濕地維管植物區(qū)系的分析[12]；有機污染物遺傳毒性檢測和水中NH3-N、COD、BOD等主要污染物及污染評價等[13]，而對濁漳河北源河道沉積物重金屬污染的研究至今未見報道。

鑒于此，文章選取濁漳河北源河道為實驗地點，測定河道沉積物內(nèi)重金屬含量，運用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對濁漳河北源河道沉積物重金屬的污染程度和特征進行分析評價，并采用主成分分析法對土壤重金屬的來源進行分析，從而為濁漳河流域的重金屬污染的治理及水資源保護供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究地概況與樣點設(shè)置

1.1 研究地概況

濁漳河隸屬海河流域漳衛(wèi)河水系，其上游有三大支流，俗稱北源、西源、南源。流經(jīng)山西省境內(nèi)流域面積約為1.2萬km2，流經(jīng)13個縣市區(qū)，在長治市境內(nèi)流域面積約1萬km2。濁漳河北源地處35°50′N～37°26′N、112°29′E～ll3°22′E。北源發(fā)源于山西省晉中市榆社縣柳樹溝，河流全長約116公里，向南流入武鄉(xiāng)縣境內(nèi)，再向南流入太行大峽谷的昂車關(guān)，于襄垣縣境內(nèi)與西源、南源匯入濁漳河干流。該流域的氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?7.5～12℃之間，年降水量在537.4～656.7 mm[14]。

1.2 樣點設(shè)置

樣品采集時間為2016年3月至4月，根據(jù)濁漳河流域的環(huán)境狀況、人為干擾的程度以及流域的大小，在北源河道設(shè)置12個采樣點，采樣點沿濁漳河北源河道走向選取，采樣點概況見表1。

表1 采樣點概況Tab.1 Fundamental information of the sam pling sites

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與預(yù)處理

平行線法取樣，每個取樣點分別在水中進行取樣，各采集三個樣品，采集時要注意采集污泥表層，深度不超過20 c m，每個樣品采集1.5～2 k g，采集的同時記錄采樣點坐標(biāo)。將樣品裝入聚乙烯塑料袋中密封好帶回實驗室于4℃條件下保存，在實驗室條件下作冷凍干燥處理，剔除土壤樣品中的植物根系等異物，對其進行研磨處理，過100目（0.15 mm）篩，置于塑料袋中備用。

2.2 樣品測定

以MA RS 6儀器對土壤樣品進行微波消解。土樣中的P b、C d、C r和Cu元素含量均采用I C P-A ES測定，H g元素含量用原子吸收光譜法測定，A s元素含量用熒光分光度計A F S-922測定[15]。

2.3 污染評價法

這兩種指數(shù)法單因子指數(shù)法[16]和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[17]?？蓪⑼寥乐亟饘傥廴緞澐譃?個等級。如表2所示。

表2 土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criteria for classification of soilheavy metalpollution

2.4 統(tǒng)計分析

采用E xcel2003和S P SS19.0分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 濁漳河北源河道沉積物重金屬污染特征

濁漳河北源河道沉積物重金屬含量見表3，結(jié)果表明：濁漳河北源河道沉積物中重金屬H g、C r、P b、C d的含量均明顯高于山西省土壤環(huán)境重金屬含量的背景值，其中重金屬H g和C d的超標(biāo)率較高，分別為156.67%和138.33%，其次為P b（111.99%），第三為C r（26.02%）。重金屬A s（-59.95%）和Cu（-24.40%）的平均含量則低于其背景值。從6種重金屬的變異系數(shù)來看，除A s（20.334%）和P b（23.135%）略大于20%，其它元素的變異系數(shù)均小于20%，說明除重金屬A s和P b外，重金屬C d、C r、H g、Cu受到外界影響的表現(xiàn)基本一致。

表3 河道沉積物重金屬含量Tab.3 Heavy metalcon centrations of the channelsediment

3.2 濁漳河北源河道沉積物重金屬污染評價

3.2.1 單因子指數(shù)法評價

結(jié)合單因子指數(shù)法中的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)可知（表4）：A s和Cu在所有12個采樣點中均未超標(biāo)，屬于安全級別；從重金屬P b、H g和C d來看，除N06樣點（南馬會村）河道沉積物中P b、H g和C d輕度污染以及N08～N12樣點P b輕度污染外，其余樣點均受到中等程度的污染，由此可見Pb、Hg和Cd為濁漳河北源河道的主要重金屬污染成分；除南馬會村濁漳河河道沉積物重金屬Cr未超標(biāo)外，其余樣點的沉積物中均有不同程度的輕微污染，其中廉村Cr污染最嚴重。綜上，濁漳河北源河道沉積物中重金屬Cu和As無污染，其它4種重金屬平均污染程度依次為Hg＞Cd＞Pb＞Cr。

表4 河道沉積物重金屬環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及污染等級Tab.4 The environmental quality index and class of pollution of heavy metals of the channel sediment

3.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價

濁漳河北源河道各樣點沉積物重金屬綜合污染指數(shù)計算結(jié)果見圖1。由圖1可知，濁漳河北源河道沉積物重金屬個樣點綜合污染等級從輕度污染到中度污染，屬輕度污染有3個樣點，分別是N06（南馬會村）、N08（吳家莊）、N09（西寨子），其中南馬會村的綜合污染指數(shù)最低；屬中度污染有9個樣點，其污染程度依次為：N04（更修村）＞N03（雙峰村）＞N05（廉村）＞N11（東邯鄲村）＞N10（監(jiān)漳村）＞N02（西河村）＞N12（尚家垛）＞N01（雙峰村水庫）＞N07（西方山村）。

圖1 河道沉積物重金屬綜合污染指數(shù)及污染等級Fig.1 The comprehensive pollution index and class of pollution of heavy metals of the channel sediment

3.3 濁漳河北源河道沉積物重金屬的主成分分析

主成分分析結(jié)果如表5所示，特征值＞1的主成分有2個，累計貢獻率達84.586%，即對前兩個主成分進行分析就可以得到關(guān)于6種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息。在因子的初始矩陣（表6）中，重金屬Pb、Cu、Hg、Cr和As在因子1（F1）中表現(xiàn)出較高的因子負荷，重金屬Cr、Hg和Cd在因子2（F2）中顯示出較高值。經(jīng)矩陣變換后，F(xiàn)1中重金屬As、Pb、Cu表現(xiàn)出較高的因子負荷，F(xiàn)2中包含的主要因子并未發(fā)生變化。說明重金屬As、Pb、Cu來自一類污染源，結(jié)合取樣點周邊無重金屬排放源，這些重金屬可能是來自生活污水、大氣顆粒物沉降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料不合理使用等，重金屬Cr、Hg和Cd來自第二類污染源，結(jié)合取樣點周邊有潛在重金屬排放源，可能是來自各類工廠燃煤釋放以及有害工業(yè)廢水的排放等。

表5 沉積物重金屬含量的主成分Tab.5 Principal component analysis of heavy metal concentrations in the channel sediment

表6 沉積物重金屬元素主成分分析成分矩陣Tab.6 The component matris of principal component analysis of heavy metal concentrations of the channel

4 討論

4.1 濁漳河北源河道沉積物重金屬污染特征

環(huán)境中重金屬污染所受外界條件影響最大，在空間分布上的差異也最大，這種差異在很大程度上歸結(jié)于強烈的人類活動影響[18]。本研究表明，濁漳河北源河道沉積物重金屬元素Hg和Cr的污染最為嚴重，這與周邊響應(yīng)污染源有著密不可分的關(guān)系。變異系數(shù)的大小能夠說明環(huán)境受人類社會活動干擾程度的大小和污染物在空間分布上的差異[17]。本研究發(fā)現(xiàn)：除As（20.334%）和Pb（23.135%）大于20%，其它元素的變異系數(shù)均小于20%，說明Cd、Cr、Hg、Cu受到外界影響的表現(xiàn)基本一致，空間分布上的差異相對不顯著，顯示這四種元素在研究樣點范圍內(nèi)的來源可能具有同源性。

4.2 濁漳河北源河道沉積物重金屬污染評價

沉積物中重金屬污染物來源形式多樣，不同地區(qū)金屬污染物含量差異較大。如，郭偉等人[17]研究呼和浩特市不同功能區(qū)土壤重金屬污染特征，運用單因子污染指數(shù)分析結(jié)果表明，從沉積物重金屬污染程度來看，重金屬元素Cu最重，重金屬元素Pb最輕。而本研究表明濁漳河北源河道沉積物重金屬元素Cu的含量未超標(biāo)，金屬元素Pb、Hg和Cd含量超標(biāo)嚴重，是造成濁漳河北源河道沉積物污染的主要重金屬，這些重金屬元素的超標(biāo)可能與濁漳河北源河道周邊的電廠、焦化廠、采煤等企業(yè)的污水排放有著密切的關(guān)系；此外，周邊居住區(qū)的生活垃圾的隨意傾倒以及肥料的不合理使用也有可能是造成北源河道沉積物重金屬污染的原因。

4.3 濁漳河北源河道沉積物重金屬主成分分析

利用主成分分析重金屬污染來源，不同研究區(qū)域同一種重金屬污染差異較大，如，肖鵬飛等人[19]研究分布在城鎮(zhèn)用地以及耕地，且沿流域沿線分布測定Pb元素發(fā)現(xiàn)，重金屬元素Pb是交通污染源的指示元素。而本研究重金屬元素Pb含量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動緊密相關(guān)，這與王軍等[20]人研究相一致。因此，Pb的超標(biāo)部分的主要來源可能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中肥料的不合理使用及耕地的污水灌溉。重金屬元素Hg的含量變化與燃煤排放易于空間擴散的特征相符，這與吳紹華等[21]人研究相一致，重金屬元素Cr、Cd含量較高的樣點與化工污水廠空間分布相似性。綜上，濁漳河北源河道沉積物重金屬污染源主要來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料不合理使用以及耕地的污水灌溉、燃煤釋放、有害工業(yè)廢水的排放等。

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Characteristics and Source Apportionment of Heavy Metal Contamination in the Channel Sediment of the Northern Source,Zhuozhang River

Hou Qin-wen
（Department of Biological Sciences and Technology,Changzhi University,Changzhi Shanxi 046011）

In order to explore the characteristics and the sources of heavy metals contamination in the channel sediment of the northern source,Zhuozhang River,this paper investigated contents and distribution of six kinds of heavy metal elements (Hg,Cd,As,Pb,Cu and Cr)in sediment of the north channel,Zhuozhang River,and evaluated the level of heavy metals contamination with the single factor index method and the Nemero index of pollution method.What's more,the sources of heavy metals were basically analyzed with the principle component analysis.The results showed that the average element contents of As,Pb,Cr,Cu,Hg and Cd in the samples of channel sediment were 3.812,32.014,72.792、18.454、0.081 and 0.293 mg·kg-1 respectively,Three kinds of heavy metal elements(Hg,Cd and Pb)were to be the moderate pollution,Cr was the mild pollution,Cu and As were pollution-free.The principle component analysis shows that the heavy metal contamination of the north channel,Zhuozhang River mainly results from unreasonably using of fertilizer,coal-fired release,and the discharge of the industry sewage,etc.

heavy metal;sediment;pollution assessment;source apportionment

X53

A

1673-2014（2017）02-0017-05

（責(zé)任編輯 鐵 軍）

山西省高校人文社科重點研究基地項目（2012331）

2017—02—06

侯沁文（1975— ），男，山西沁水人，碩士，主要從事生態(tài)學(xué)及環(huán)境化學(xué)研究。