引江濟(jì)淮輸水通道派河沉積物重金屬形態(tài)分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

劉剛 范博博 王育來 等

摘要 利用電熱板消解和連續(xù)提取法（BCR）對”引江濟(jì)淮”重要輸水通道派河11個(gè)表層沉積物樣品中Cr、Cd、As、Ni、Cu和Pb的總量和形態(tài)進(jìn)行調(diào)查研究，并根據(jù)地積累指數(shù)法和次生相與原生相比值法（RSP）對派河沉積物中6種重金屬的污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：派河河段大部分采樣點(diǎn)沉積物Cd和Cu濃度值均超出背景值，Igeo值≥1，污染風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng);僅派河中間河段Cr的濃度值超出背景值，但I(xiàn)geo值=1，污染風(fēng)險(xiǎn)低;派河沉積物中As、Ni和Pb含量均低于背景值，Igeo值=0，無污染風(fēng)險(xiǎn)。巢湖口沉積物Cr、Cu、Ni、As ?4種元素的次生相的比例最高，中間河段次之，上游河段及下游河段最低，存在二次釋放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);大部分采樣點(diǎn)沉積物Cd的RSP均遠(yuǎn)大于3，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極高;Pb元素則在上中游河段存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 調(diào)水工程;沉積物;地累積指數(shù);連續(xù)提取法;潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào) X834文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）04-0090-05

Abstract The total amount and fractions of Cr，Cd，As，Ni，Cu and Pb in 11 surface sediments from Pai River as an important water conveyance passage Leading Water from Yangtze to Huaihe Riverin Hefei，were investigated by using the digestion and sequential extraction procedure.The pollution degrees and potential ecological risks of 6 heavy metals in the sediments were calculated according to the geoaccumulation indexes and the rations secondary phase and primary phase of elements.The results showed that the concentrations of Cd and Cu in the most sampling sites from the Pai River were higher than their background values，and the pollution risk was intense （Igeo≥1）; The concentration of Cr in the middle of the river exceeded the background value，but its Igeo was 1，which suggested it was of low pollution risk; and As，Ni and Pb contents in the river sediments were lower than the background values （Igeo=0），and no pollution risk was found for them.The secondary phases mass fraction of Cr，Cu，Ni and As were the ?highest at entrance of Chaohu Lake，lowest in the upper and the lower，next was the middle of river，which exist the ecological risk of releasing from sediment into water .The RSP of Cd in the sediments was far greater than 3，and its potential ecological risk was very high; there was potential ecological risk in the upper and middle river for Pb element.

Key words Water diversion project; Sediment; Geoaccumulation index; Sequential extraction procedure; Potential ecological risk

河流湖泊沉積物是環(huán)境污染物的自然沉降物，易受環(huán)境污染的影響[1]，所以水體沉積物的污染程度可以作為環(huán)境污染的指示[1-2]。進(jìn)入到環(huán)境中的重金屬由于難以被微生物利用降解，水體中的重金屬通過遷移、吸附、絡(luò)合及沉降等方式進(jìn)入沉積物中，導(dǎo)致水體沉積物受到重金屬污染[3]。由于其具有毒性、持久性和易被生物富集的特點(diǎn)，使得水體沉積物重金屬污染問題受到越來越多的重視[4]。

以往經(jīng)常將重金屬總量作為評判重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，隨著對重金屬污染機(jī)理的深入探索，認(rèn)識(shí)到重金屬的生物有效性和遷移特征受到重金屬形態(tài)的影響[5]，僅僅依靠重金屬總量勢必夸大重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)。同時(shí)，不同重金屬形態(tài)對環(huán)境的影響和作用機(jī)制也不盡相同[6]。因此，除了將沉積物重金屬總量作為判斷重金屬污染程度的重要指標(biāo)之外，勢必需要考慮重金屬形態(tài)特征，進(jìn)而科學(xué)、全面地評價(jià)沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬形態(tài)分級常用的方法是BCR法（即3步提取法）[5]，通過BCR法分級得到的重金屬形態(tài)包括：可交換態(tài)和弱酸溶解態(tài)、Fe-Mn氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[7]。其中前3種形態(tài)為有效態(tài)，可反映沉積物中重金屬的污染危害程度[8]。當(dāng)前，國內(nèi)外評價(jià)沉積物中重金屬污染與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的常用方法有基于重金屬總量的，如潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法和地積累指數(shù)法等[9];也有基于重金屬形態(tài)的評價(jià)方法，如次生相與原生相分布比值法（RSP）和風(fēng)險(xiǎn)評估指數(shù)法（RAC）等[10]?？删C合利用沉積物重金屬的總量和形態(tài)特征數(shù)據(jù)綜合分析沉積物中重金屬的污染和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。

Cu、Cr、Ni、Pb 5種元素在不同點(diǎn)位離散程度較大以及周邊有人類活動(dòng)區(qū)域分布，說明派河沉積物中這5種金屬元素可能已經(jīng)受到人類生產(chǎn)生活的影響或干擾，即人類活動(dòng)和工業(yè)廢水的排放是該區(qū)域中部分河段重金屬含量較高的原因。而11個(gè)采樣點(diǎn)的As和Pb元素含量均低于背景值，且采樣區(qū)域內(nèi)As元素濃度離散程度小，說明人類活動(dòng)及排放的廢水中As元素含量低。目前As和Pb在派河中沒有明顯的累積效應(yīng)。

2.2 派河表層沉積物重金屬形態(tài)分布特征

派河表層沉積物重金屬形態(tài)（包括殘?jiān)鼞B(tài)、可氧化態(tài)、可還原態(tài)和酸提取態(tài)）分布特征如圖3所示。由圖3可知，Cd元素除了P09點(diǎn)位僅存在17.8%質(zhì)量百分比的殘?jiān)鼞B(tài)、P04和P11未檢出之外，其由此可見采樣點(diǎn)不同，重金屬總量不同，其有效態(tài)和穩(wěn)定態(tài)所占比例也有所差異，但是有效態(tài)和總量變化趨勢相同，都與采樣點(diǎn)位有關(guān)。有效態(tài)含量較多的采樣點(diǎn)均集中在上中游位置，這可能是受到人類活動(dòng)及工業(yè)生產(chǎn)的影響，其沉積物中的重金屬對環(huán)境的毒性較大，受到pH條件的影響有二次釋放的可能性，并通過遷移、食物鏈富集影響生物及人體健康[16-17]。

2.3 派河表層沉積物重金屬污染程度評價(jià)

2.3.1 從重金屬總量角度評價(jià)污染程度。采用地積累指數(shù)法計(jì)算各采樣點(diǎn)重金屬元素的污染程度（表3）。派河表層沉積物中重金屬污染程度大小依次為Cd、Cu、Cr、As、Ni、Pb。其中，Cd為主要污染物，在中間河段達(dá)到“強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染”的污染程度，而在采樣的上游河段達(dá)到“無污染到中污染”或者“中污染到強(qiáng)污染”的污染程度;Cu除了在進(jìn)入巢湖附近河段沒有污染之外，其余各點(diǎn)達(dá)到“無污染到中污染”或者“中污染”的程度;Cr則是在中間河段，即P05、P06、P07的位置處有“中污染”的風(fēng)險(xiǎn)，其余各采樣點(diǎn)均無風(fēng)險(xiǎn);而依據(jù)地積累指數(shù)法As、Ni、Pb 3種元素均無污染風(fēng)險(xiǎn)。該研究中采用地積累指數(shù)得到的污染級別與各重金屬的含量呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系，可說明6種重金屬的污染狀況[18]。然而，由于不同形態(tài)的重金屬的毒性和影響不同，該研究進(jìn)一步采用RSP法進(jìn)一步分析派河沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[19-20]。

2.3.2 從重金屬形態(tài)角度評價(jià)潛在風(fēng)險(xiǎn)。采用次生相與原生相分布比值（RSP）對派河11個(gè)樣點(diǎn)表層沉積物中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)（表4）。RSP與重金屬各有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，即RSP值呈隨重金屬有效態(tài)含量先增加后降低的趨勢，除了P11點(diǎn)位的異常情況。如Cr、As、Cu、Ni的次生相與原生相的比值均呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，Cr對派河所研究河段的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的趨勢是“無污染—輕度污染—中度污染—重度污染—中度污染—輕度污染—無污染”，其他3種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)存在同樣的變化趨勢。而Cd和Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比于其他4種元素更強(qiáng)，除了個(gè)別采樣點(diǎn)的沉積物未檢測出Cd和Pb元素之外，大部分點(diǎn)位沉積物中的重金屬的RSP值均較大或者為無窮大，可以更加直觀地反映重金屬形態(tài)的含量特征，以此分析得出派河采樣點(diǎn)最下游點(diǎn)中間重金屬污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)最強(qiáng)，中間河段次之，上游和下游潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最低。

3 結(jié)論

以“引江濟(jì)淮”工程中“江淮溝通”唯一水道——派河為研究對象，從沉積物重金屬總量和形態(tài)層面綜合分析其污染程度，科學(xué)評價(jià)了沉積物重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為“引江濟(jì)淮”工程水生態(tài)安全和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)評價(jià)提供參考。

（1）基于沉積物重金屬總量分析和地積累指數(shù)評價(jià)法，派河河段除了下游P09、P10、P11采樣點(diǎn)沉積物中Cd和Cu以及P04點(diǎn)的Cd濃度低于背景值之外，其余各點(diǎn)的Cd和Cu濃度值均超出背景值（Igeo值≥1），對環(huán)境存在不同程度的污染風(fēng)險(xiǎn);而Cr與Cd、Cu的相同點(diǎn)在于僅在派河中間河段的濃度值超出背景值，但Cr的污染程度較低（Igeo值=1）;派河沉積物中雖然含有As、Ni和Pb元素，但是其含量均低于背景值（Igeo值=0），無污染風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基于重金屬形態(tài)特征和次生相與原生相的比值（RSP）法分析可知，派河沉積物中中游河段Cr、Cu、Ni、As 4種元素的次生相（有效態(tài)）值含量明顯高于上游和下游（下游P11點(diǎn)除外），中間河段次之，上游河段及下游河段最少，但除As及Cr上下游的RSP<1之外，其余河段及元素均有不同程度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);除了P04和P10點(diǎn)位未檢測出Cd之外，其余各點(diǎn)Cd的RSP均遠(yuǎn)大于3，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極高;Pb元素則在上中游河段存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

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