江西省貴溪市水系沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)風險評價

蔣起保，歐陽永棚，2,*，章敬若，饒建鋒，吳美仁，張偉

（1.江西省地質局第十地質大隊，江西 鷹潭 335001；2. 中國地質大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100038）

江西省貴溪市地處長珠閩三角區(qū)的“黃金接點”，是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的中心城市（余達錦，2010）。貴溪市礦產(chǎn)資源豐富，冶煉、化工、制藥、建材等工業(yè)發(fā)達。同時，貴溪也是全國商品糧基地、國家儲備糧基地，水稻、蔬菜、油料植物等產(chǎn)量豐厚。

礦業(yè)開發(fā)與工業(yè)發(fā)展必會帶來重金屬污染，對農(nóng)業(yè)和生活帶來影響（郭路，2005；徐友寧，2005）。不少學者對貴溪冶煉廠周圍重金屬污染狀況（孫華等，2003；胡寧靜等，2004b；龍安華等，2006；徐升等，2015）、污灌水田重金屬污染狀況（孫華等，2001；胡寧靜等，2004a）等進行了研究，其涉及面有限。為評價貴溪全市重金屬污染狀況，本次研究收集了貴溪全市1∶20萬水系沉積物測量數(shù)據(jù)，分析水系沉積物樣品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬含量分布特征，采用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)水系沉積物中重金屬污染狀況進行初步分析評價，以期為貴溪市土地利用規(guī)劃提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省北東部，全市面積2 480 km2。地處武夷山區(qū)向鄱陽湖平原過渡的中間地帶，地貌形態(tài)以丘陵、山地為主，次為小平原，海拔高程40～1 540 m，地勢由南北兩端向中部傾斜，呈馬鞍形。全區(qū)年平均氣溫18°C，年均降雨量為1 750 mm。

研究區(qū)北側出露新元古界萬年群變質巖及周坊巖體，其中萬年群主要為深海盆地相夾濁流沉積的泥砂質建造，間伴有海底火山噴發(fā)產(chǎn)物，周坊巖體為燕山期黑云母花崗巖；中部出露大面積侏羅紀、白堊紀紅色砂礫巖；南部出露大規(guī)模加里東期、燕山期中酸性巖漿巖，巖性主要為花崗斑巖、二長花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖等（邱駿挺等，2013）（圖1）。

1.第四系；2.白堊系；3.侏羅系；4.石炭系；5.寒武系；6.新元古界上部；7新元古界中部；8.新元古界下部；9.早白堊世花崗斑巖；10.早白堊世石英正長斑巖；11.晚侏羅世正長花崗巖；12.中三疊世二長花崗巖；13.頂志留世云英閃長巖；14.頂志留世花崗閃長巖；15.頂志留世二長花崗巖；16.早志留世二長花崗巖；17.花崗斑巖脈；18.石英閃長斑巖脈；19.地質界線/角度不整合界線；20. 斷層圖1 貴溪市地質簡圖（據(jù)邱駿挺等，2013）Fig.1 Geological map of Guixi City

2 樣品與評價方法

2.1 樣品數(shù)據(jù)

本次收集了貴溪市1∶20萬水系沉積物測量數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)測量單位為江西省地礦局物化探大隊、福建省地質勘查技術院。樣品主要采集于二級水系（0.5～3 km長水溝）中，采集物質為沉積物中的中、細砂，采樣密度1件/4.13 km2。為分析方便，將數(shù)據(jù)整理匯集成600個2 km×2 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，得到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬元素數(shù)據(jù)集。

2.2 評價方法

水系沉積物重金屬污染的評價方法眾多，目前應用較廣泛的有地積累指數(shù)法（賈振邦等，2000；廉雪瓊，2002；謝文平等，2012）、污染負荷指數(shù)法（徐爭啟等，2004；王婕等，2013；于霞等，2015）、潛在生態(tài)危害指數(shù)法（賈振邦等，2001；丁振華等，2006；張雷等，2011）、健康風險評價法（李仲濤，2015；馬海珍，2021）及基于GIS技術的評價方法（陳翠華等，2008）。不同的評價有各自的優(yōu)缺點（霍文毅等，1997；張鑫等，2005；丁喜桂等，2005；陳明等，2015），本文使用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對貴溪水系沉積物中的重金屬污染程度進行初步評價。

2.2.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法由德國學者Muller（1969）提出，是利用重金屬含量與其背景值的關系研究重金屬污染的一種定量指標。該方法考慮了不同地區(qū)不同地質背景對重金屬污染的影響，能夠較科學、直觀的評價沉積物中重金屬污染狀況。其計算公式為：

Igeo=log2[Ci/（kBi）]

（1）

式中：Ci為水系沉積物中某一重金屬元素的濃度，常數(shù)k是為消除巖石差異引起的背景值變動的常數(shù)，本文取k=1.5，Bi為全國水系沉積物豐度值（鄢明才，1995等）。沉積物重金屬污染程度共分為7級（表1）。

表1 地積累指數(shù)污染程度分級表Tab.1 The geo-accumulation index and classification of pollution degree

2.2.2 潛在危害風險指數(shù)法

潛在危害風險指數(shù)法由瑞典學者Hakanson（1980）提出，是一種利用重金屬生物毒性系數(shù)及沉積物中重金屬含量與地質背景值的比值來研究重金屬污染程度的指標。與地積累指數(shù)法相比，該方法不僅考慮了重金屬含量與背景值的關系，還考慮了重金屬的生物毒性，可為人們健康提供參照，是目前運用較多的重金屬污染評價方法。其計算公式為：

Ei=Ti×Pi

（2）

（3）

表2 重金屬的全國水系沉積物豐度值與>生物毒性系數(shù)Ti表Tab. 2 Background values of stream sediments and toxic coefficient Ti of different heavy metals

表3 潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei、潛在生態(tài)危害指數(shù)RI與生態(tài)危害分級表Tab. 3 Ecological risk coefficient，risk index and classification of risk intensity

3 結果與分析

3.1 重金屬元素含量統(tǒng)計

對研究區(qū)600個水系沉積物數(shù)據(jù)集中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬含量進行統(tǒng)計分析，結果見表4。從水系沉積物中重金屬的平均含量看，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn 6種重金屬的平均含量值低于全國水系沉積物背景值，Hg重金屬平均含量與全國水系沉積物背景值相當，Pb重金屬平均含量高于全國水系沉積物背景值，說明引起Pb污染的物質來源較多。

從變異系數(shù)看，As、Cu、Hg、Ni、Zn 5種重金屬元素變異系數(shù)小于0.7，說明這5種重金屬元素離散型較小，在空間分布上較為均勻；Cr元素的變異系數(shù)接近1；而Cd、Pb 2種元素變異系數(shù)>1.2，說明其含量變化幅度較大，在高值區(qū)形成污染的可能性較大。

表4 研究區(qū)水系沉積物中重金屬元素含量統(tǒng)計結果表Tab.4 Statistics of heavy metals contents in surface sediments of the study area

3.2 重金屬分布特征

貴溪水系沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬元素分布特征見圖2。

（1）Cd、Pb、Zn重金屬含量分布規(guī)律具有相似性，整體南高北低，高值區(qū)規(guī)模較大，主要分布在冷水、耳口、樟坪及金屯等地區(qū)。Cd、Pb最高值出現(xiàn)在耳口南西部，最高含量分別為1 787ug/kg、780 mg/kg。Zn最高值出現(xiàn)在龍虎山南東部，最高含量為203 mg/kg。

（2）Cr、Ni、Cu重金屬含量分布規(guī)律相似，整體分布較均勻，局部形成小規(guī)模高值區(qū)，主要分布在白田北部、周坊北東部、文坊南西部及金屯東部等地區(qū)。Cr、Ni最高值出現(xiàn)在文坊南西部，最高含量分別為533.3 mg/kg、71.2 mg/kg，Cu最高值出現(xiàn)在流口北部，最高含量為51.2 mg/kg。

（3）As重金屬整體含量較低，在河潭北部、流口南部及金屯東部等地區(qū)出現(xiàn)小規(guī)模高值區(qū)，最高值出現(xiàn)在流口南部，最高含量為66 mg/kg。

（4）Hg重金屬含量整體分布較均勻，僅在羅河北部及上清西部形成小規(guī)模中高值區(qū)，最高值出現(xiàn)在羅河北部，最高含量為292 ug/kg。

3.3 地積累指數(shù)評價結果

研究區(qū)水系沉積物中8種重金屬的地積累指數(shù)計算統(tǒng)計結果見表5。

為了解研究區(qū)水系沉積物中各重金屬地積累污染級別，計算統(tǒng)計了各重金屬元素地積累指數(shù)分級頻率，結果見表6。結果顯示，研究區(qū)水系沉積物樣品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn重金屬輕微-中等污染頻率分別為9.17%、5.0%、0.5%、1.33%、10.17%、1.0%、29.83%、2.33%；中等污染頻率分別為0.5%、0.83%、0.33%、0%、1.0%、0%、4.33%、0%；As、Cr、Hg 3種重金屬均有0.17%樣品受到了中等-強污染，Cd重金屬分別有0.33%、0.17%的樣品受到了中等-強污染、強污染。以上結果表明，研究區(qū)水系沉積物中Pb污染頻率最高，其次為Hg、As、Cd，其余重金屬污染頻率較低，其中Pb污染主要集中在貴溪南部的冷水、耳口、塘灣、樟坪及文坊地區(qū)。從地積累指數(shù)分級頻率分析，研究區(qū)8種重金屬元素污染程度由強到弱依次為：Pb>Hg>As>Cd>Zn>Cu>Ni>Cr。

3.4 潛在生態(tài)風險指數(shù)評價結果

研究區(qū)水系沉積物中8種重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)的計算統(tǒng)計結果見表7。從平均潛在生態(tài)危害系數(shù)分析，重金屬Hg為中等污染，其余重金屬為輕微污染，8種重金屬潛在生態(tài)危害由強到弱依次為：Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。

表5 地積累指數(shù)評價統(tǒng)計結果表Tab. 5 Evaluation results of geo-accumulation index

表6 地積累指數(shù)分級頻率分布統(tǒng)計表 （%）Tab.6 The distribution of potential ecological risk index grading frequency （%）

表7 潛在生態(tài)風險指數(shù)評價統(tǒng)計結果表Tab.7 Evaluation results of potential ecological risk index

為了解研究區(qū)水系沉積物中各重金屬潛在生態(tài)風險污染級別，計算統(tǒng)計了各重金屬元素潛在生態(tài)風險指數(shù)分級頻率（表8）。結果顯示，研究區(qū)樣品中As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等6種重金屬元素污染程度較低，潛在生態(tài)危害較小。Hg、Cd 2種重金屬在研究區(qū)的潛在生態(tài)危害性較大（圖3），其中Hg重金屬輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強生態(tài)危害和很強生態(tài)危害的頻率分別為59.83%、35.5%、3.83%和0.83%，存在Hg重金屬中等及中等以上潛在生態(tài)危害的地區(qū)主要為河潭北部、羅河北部、上清北部、塘灣中部、耳口中部及冷水中部等地區(qū)；Cd重金屬輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害、強生態(tài)危害、很強生態(tài)危害和極強生態(tài)危害的頻率分別為92.17%、6.17%、1.0%、0.5%和0.17%，存在Cd重金屬中等及中等以上潛在生態(tài)危害的地區(qū)主要為金屯東部、耳口南西部等地區(qū)。多因子綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可綜合評價研究區(qū)潛在生態(tài)危害，結果顯示，研究區(qū)輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害和強生態(tài)危害的頻率分別為96.17%、3.33%和0.5%，整體為輕微生態(tài)危害，未見大面積的潛在生態(tài)危害地區(qū)，在金屯東部、羅河北部、上清北部、冷水中部及耳口南西部存在局部潛在生態(tài)危害。綜合以上結果，研究區(qū)存在局部Hg、Cd重金屬潛在生態(tài)危害。

表8 潛在生態(tài)風險指數(shù)分級頻率分布統(tǒng)計表（%）Tab.8 The distribution of potential ecological risk index grading frequency（%）

圖3 水系沉積物中Hg、Cd重金屬及綜合潛在生態(tài)危害分布圖Fig.3 Distribution of the risk index of Hg、Cd heavy metals and RI in stream sediments

3.5 兩種評價方法結果比較

研究區(qū)2種水系沉積物污染評價方法的結果存在差異。地積累指數(shù)法顯示研究區(qū)8種重金屬污染程度強弱排序為Pb>Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr，主要重金屬污染元素為Pb；潛在生態(tài)風險指數(shù)顯示研究區(qū)8種重金屬污染程度強弱排序為Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，主要重金屬污染元素為Hg、Cd。此外，2種評價方法中各污染級別的樣品頻數(shù)也不同。產(chǎn)生差異的原因是地積累指數(shù)法主要考慮地質背景的富集程度，而潛在生態(tài)風險指數(shù)法還考慮了生物毒性的影響，如Hg、Cd的毒性系數(shù)高，其潛在生態(tài)危害程度較高，而Pb毒性系數(shù)較低，雖其地積累指數(shù)高，但潛在生態(tài)危害程度不高。

4 討論

（1）貴溪市水系沉積物中重金屬元素高值區(qū)的形成與地質背景密切相關。如貴溪南部出露的大面積燕山期火山巖-火山碎屑巖，地層中Pb、Zn背景值較高，已在冷水坑地區(qū)發(fā)現(xiàn)亞洲最大的銀鉛鋅礦床，而Cd可類質同象置換Zn離子，從而形成了貴溪南部Cd、Pb、Zn重金屬高值區(qū)；再如白田北部、周坊北東部出露萬年群地層，地層中含有基性古火山巖，基性古火山巖中富含Cr、Ni重金屬元素；文坊南西部存在多期巖漿活動，熱液活化塘灣巖基并在局部萃取富集形成Cr、Ni重金屬高值。

（2）潛在生態(tài)風險指數(shù)考慮了重金屬的生物毒性水平，對人類健康生活更具指導意義。其結果顯示研究區(qū)水系沉積物中Hg的潛在生態(tài)危害最高，其次為Cd。Hg元素可能造成神經(jīng)系統(tǒng)損壞，Cd元素可能傷害骨骼、導致免疫力下降等，應對這兩種重金屬超標加以關注和防范。