江西省貴溪市水系沉積物重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

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(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì)，江西 鷹潭 335001；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100038）

江西省貴溪市地處長(zhǎng)珠閩三角區(qū)的“黃金接點(diǎn)”，是鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市（余達(dá)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(dá)。同時(shí)，貴溪也是全國商品糧基地、國家儲(chǔ)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(huì)帶來重金屬污染，對(duì)農(nóng)業(yè)和生活帶來影響（郭路，2005；徐友寧，2005）。不少學(xué)者對(duì)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(jìn)行了研究，其涉及面有限。為評(píng)價(jià)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(cè)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(duì)研究區(qū)水系沉積物中重金屬污染狀況進(jìn)行初步分析評(píng)價(jià)，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(shì)由南北兩端向中部?jī)A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(cè)出露新元古界萬年群變質(zhì)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(zhì)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(jì)、白堊紀(jì)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(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)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(zhǎng)斑巖；11.晚侏羅世正長(zhǎng)花崗巖；12.中三疊世二長(zhǎng)花崗巖；13.頂志留世云英閃長(zhǎng)巖；14.頂志留世花崗閃長(zhǎng)巖；15.頂志留世二長(zhǎng)花崗巖；16.早志留世二長(zhǎng)花崗巖；17.花崗斑巖脈；18.石英閃長(zhǎng)斑巖脈；19.地質(zhì)界線/角度不整合界線；20. 斷層圖1 貴溪市地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)邱駿挺等，2013）Fig.1 Geological map of Guixi City

2 樣品與評(píng)價(jià)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(cè)量數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)測(cè)量單位為江西省地礦局物化探大隊(duì)、福建省地質(zhì)勘查技術(shù)院。樣品主要采集于二級(jí)水系（0.5～3 km長(zhǎng)水溝）中，采集物質(zhì)為沉積物中的中、細(xì)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(gè)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?cái)?shù)據(jù)集。

2.2 評(píng)價(jià)方法

水系沉積物重金屬污染的評(píng)價(jià)方法眾多，目前應(yīng)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(fù)荷指數(shù)法（徐爭(zhēng)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法（李仲濤，2015；馬海珍，2021）及基于GIS技術(shù)的評(píng)價(jià)方法（陳翠華等，2008）。不同的評(píng)價(jià)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)（霍文毅等，1997；張?chǎng)蔚龋?005；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(duì)貴溪水系沉積物中的重金屬污染程度進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

2.2.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法由德國學(xué)者M(jìn)uller（1969）提出，是利用重金屬含量與其背景值的關(guān)系研究重金屬污染的一種定量指標(biāo)。該方法考慮了不同地區(qū)不同地質(zhì)背景對(duì)重金屬污染的影響，能夠較科學(xué)、直觀的評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染狀況。其計(jì)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(dòng)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(jí)（表1）。

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

2.2.2 潛在危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在危害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法由瑞典學(xué)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(zhì)背景值的比值來研究重金屬污染程度的指標(biāo)。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(guān)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(yùn)用較多的重金屬污染評(píng)價(jià)方法。其計(jì)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(jí)表Tab. 3 Ecological risk coefficient，risk index and classification of risk intensity

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)

對(duì)研究區(qū)600個(gè)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)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(dāng)，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(zhì)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(jì)結(jié)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(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)水系沉積物中8種重金屬的地積累指數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jí)別，計(jì)算統(tǒng)計(jì)了各重金屬元素地積累指數(shù)分級(jí)頻率，結(jié)果見表6。結(jié)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(qiáng)污染，Cd重金屬分別有0.33%、0.17%的樣品受到了中等-強(qiáng)污染、強(qiáng)污染。以上結(jié)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(jí)頻率分析，研究區(qū)8種重金屬元素污染程度由強(qiáng)到弱依次為：Pb>Hg>As>Cd>Zn>Cu>Ni>Cr。

3.4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)水系沉積物中8種重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)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(qiáng)到弱依次為：Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。

表5 地積累指數(shù)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表Tab. 5 Evaluation results of geo-accumulation index

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

表7 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(fēng)險(xiǎn)污染級(jí)別，計(jì)算統(tǒng)計(jì)了各重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)頻率（表8）。結(jié)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(qiáng)生態(tài)危害和很強(qiáng)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(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害和極強(qiáng)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(píng)價(jià)研究區(qū)潛在生態(tài)危害，結(jié)果顯示，研究區(qū)輕微生態(tài)危害、中等生態(tài)危害和強(qiáng)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(jié)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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)頻率分布統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)方法結(jié)果比較

研究區(qū)2種水系沉積物污染評(píng)價(jià)方法的結(jié)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(qiáng)弱排序?yàn)镻b>Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr，主要重金屬污染元素為Pb；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯示研究區(qū)8種重金屬污染程度強(qiáng)弱排序?yàn)镠g>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，主要重金屬污染元素為Hg、Cd。此外，2種評(píng)價(jià)方法中各污染級(jí)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(zhì)背景的富集程度，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)背景密切相關(guān)。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(zhì)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(dòng)，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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)考慮了重金屬的生物毒性水平，對(duì)人類健康生活更具指導(dǎo)意義。其結(jié)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(dǎo)致免疫力下降等，應(yīng)對(duì)這兩種重金屬超標(biāo)加以關(guān)注和防范。