百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬空間分布和風險評價*

肖 晶 李秋華# 孫榮國 陳峰峰 劉送平 李小峰 鄧 龍

(1.貴州師范大學貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001;2.貴州師范大學化學與材料科學學院，貴州 貴陽 550001;3.貴州醫科大學公共衛生學院，貴州 貴陽 550001)

消落帶是指因人為調度使水庫水位周期性漲落而在庫區周圍形成的特殊區域，包括周期性淹沒的回水區(以下簡稱消落區)和長期淹沒的回水區(以下簡稱淹沒區)[1]。消落帶作為水陸生態系統的過渡地帶，存在水陸交叉污染問題[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]，又可以通過溶解、離子交換、氧化還原等過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，并且易在生物體內富集并產生毒害作用[8-10]，通過食物鏈富集會危及人體健康[11]。

據報道，百花水庫沉積物中重金屬濃度已經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]研究了百花水庫水體中重金屬的時空變化特征，發現其受人為因素的影響非常顯著。但對于百花水庫消落帶這種生態系統脆弱的水陸過渡地帶的重金屬空間分布和風險評價研究很少。本研究以百花水庫為研究對象，分析了其消落區、淹沒區和庫岸區土壤中Hg、As、Cd、Pb、Cr 5種重金屬的空間分布特征，并且對重金屬的潛在風險進行了評價，旨在為水庫消落帶土壤環境保護及重金屬污染土壤修復提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

百花水庫位于貴州省貴陽市西北郊區(106°27′～106°34′E，26°35′～26°42′N)，是1966年為建設貓跳河梯級電站而形成的人工水庫，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，水庫回水區長度為18 km。百花水庫流域屬于亞熱帶季風性氣候區，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水位上升，夏季為防洪泄水使水庫水位下降，因此出現了垂直高度約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

考慮百花水庫的地貌特征、容量以及庫區水來源等因素，設置6個采樣點(見圖1)，分別為酒廠(JC)、沙田壩(STB)、李家沖(LJC)、紅衛橋(HWQ)、姜家鋪(JJP)和大爐廠(DLC)。每個采樣點設置3個采樣區域，分別為庫岸區、消落區和淹沒區。2015年5月(豐水期)，每個采樣區域采用多點混合取樣法采集0～10 cm的土壤樣品，裝入自封袋中帶回實驗室，干燥、研磨、過100目篩，等待消解分析。

圖1 百花水庫采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling site around Baihua Reservoir

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

1.3 風險評價方法

1.3.1 地質累積指數法

地質累積指數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[14]。其計算公式如下：

Igeo=log2(cn/(K×Bn))

(1)

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

根據地質累積指數，將重金屬污染程度分為7個等級：Igeo<0，無污染；0≤Igeo<1，無污染到中污染；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 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法引入了毒性響應系數，將重金屬的生態環境效應與毒理學相聯系，不僅可以為生態環境的改善提供參考，還能為人體健康提供科學參照[17-18]，已在國內外得到廣泛應用[19-22]。其計算公式如下：

RIn=Tn×cn/Cn

(2)

RI=∑RIn

(3)

式中：RIn為重金屬n的潛在生態危害指數；Tn為重金屬n的毒性響應系數，Cr、Pb、As、Cd、Hg的毒性響應系數分別為2、5、10、30、40；Cn為重金屬n的參考質量濃度，本研究采用GB 15618—1995中的一級標準值，Cr、Pb、As、Cd、Hg的參考質量濃度分別為90、35、15、0.20、0.15 mg/kg；RI為多種重金屬的潛在生態危害指數。

RI的評價標準見表1。

2 結果與討論

2.1 重金屬的空間分布特征

百花水庫6個采樣點的庫岸區、消落區和淹沒區中重金屬濃度的空間分布如圖2所示。由于不同采樣點的污染源不同，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LJC(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類標準值(見表2)相比，除所有采樣點的Pb、JC的Hg以及DLC、JC的As和Cr平均濃度未超標外，其他采樣點的其他重金屬平均濃度均超標，Hg、As、Cd、Cr的最大值分別是GB 15618—1995中的一級標準值的3.600、2.469、3.275、1.485倍。Hg和As的貴陽市土壤重金屬背景值(見表2)高于GB 15618—1995中的一級標準值，說明貴陽市受到了這兩種重金屬的污染。本研究結果與貴陽市土壤重金屬背景值相比，所有采樣點的Pb以及JC的Hg、As、Cr和DLC的As、Cr平均濃度小于貴陽市土壤重金屬背景值，其他重金屬平均濃度超過了貴陽市土壤重金屬背景值，Hg、As、Cd、Cr的最大值分別是貴陽市土壤重金屬背景值的3.418、1.789、5.504、1.638倍，說明百花水庫消落帶及庫岸受到了Hg、As、Cd、Cr 4種重金屬的污染。

表1 潛在生態危害指數法的評價標準

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

但從同一采樣點的不同區域的濃度來看，重金屬污染程度基本一致，所有采樣點的最大值(除DLC的As外)均出現在淹沒區，最小值(除CJ的Cd外)均出現在消落區，與胥燾等[23]對三峽庫區香溪河消落帶土壤重金屬的研究結果一致。這可能是由于消落帶受到沖刷使粒度小的土壤從消落區向淹沒區轉移，而粒度小的土壤比表面積大，對重金屬的吸附能力強，從而使淹沒區土壤中重金屬含量更高。此外，淹水條件下土壤的物理、化學和生物學性質變化也會影響土壤中重金屬的遷移、轉化[24-25]，如淹沒區土壤氧化還原電位較低，重金屬離子易與土壤有機質厭氧分解產生的大量還原態硫形成沉淀，從而使重金屬在淹沒區累積[26]。庫岸的重金屬濃度相對較高主要是由于庫岸植被豐富，植物根系對土壤的固定作用使得庫岸土壤不易流失[27-28]，從而使庫岸土壤中的重金屬的遷移效率低。

變異系數(CV)作為反映統計數據波動大小的特征參數，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分析了相同區域的不同采樣點重金屬CV和同一采樣點的不同區域重金屬CV。通常，當CV<15%時，為弱變異；當CV為15%～35%時，為中度變異；當CV>35%時，為高度變異[29]。從表3來看，庫岸區、消落區、淹沒區的不同采樣點5種重金屬CV分別是23.0%～50.4%、43.1%～64.8%、27.7%～53.9%，其中庫岸區和淹沒區處于中度或高度變異，而消落區全部處于高度變異，說明相同區域內重金屬在不同采樣點間的濃度差異顯著。JC、STB、LJC、HWQ、JJP和DLC的不同區域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的庫岸區、消落區、淹沒區CV差異相當大，這可能與3個區域的重金屬來源以及遷移轉化機制不同有關。

2.2 百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬風險評價

用地質累積指數法對百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬進行風險評價，結果如圖3所示。庫岸區和消落區的Hg處于無污染或無污染到中污染水平，風險程度較低；但淹沒區的Hg在JJP和LJC達到了中污染水平，在STB甚至達到了中污染到重污

表2 貴陽市土壤重金屬背景值和GB 15618—1995中的一級標準值

表3 CV分析結果

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

染的水平，風險程度較高。As除JJP的庫岸區與淹沒區為無污染到中污染水平外，其他都為無污染水平，因此目前來說，百花水庫消落帶及庫岸As污染可以不必考慮。5種重金屬中，Cd的風險程度最高，所有采樣點的各個分區都存在Cd污染風險，JC和LJC的淹沒區達到了中污染到重污染水平；JC、STB、HWQ、LJC的庫岸區，JC、HWQ、LJC的消落區和STB、DLC、JJP、HWQ的淹沒區均為中污染水平；其他為無污染到中污染水平。所有采樣點的各個分區Pb都處于無污染水平。Cr的風險程度也較低，除STB的庫岸區、STB和HWQ的淹沒區為無污染到中污染水平外，其他都為無污染水平。

用潛在生態危害指數法對百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬進行風險評價，結果如圖4所示。由圖4可見，百花水庫消落帶及庫岸的重金屬潛在生態危害主要由Hg、As、Cd引起，特別是Hg和Cd；Pb和Cr對潛在生態危害指數的貢獻非常小。根據2.1節同一采樣點的不同區域重金屬濃度不難理解各個分區的RI平均值為淹沒區>庫岸區>消落區。分析多種重金屬的潛在生態危害指數發現，JC的庫岸區和JC、STB、DLC、JJP的消落區均處于低危害等級；STB、DLC、JJP、HWQ、LJC的庫岸區，HWQ、LJC的消落區和JC、DLC、JJP、HWQ的淹沒區處于中等危害等級；STB、LJC的淹沒區達到了較高危害等級。比較所有采樣點的各個分區的RIn發現，5種重金屬的潛在生態危害指數大體為Hg>Cd>As>Cr>Pb。

比較地質累積指數法和潛在生態危害指數法的評價結果可以發現，潛在生態危害指數法得出Hg為污染風險最大的重金屬，而地質累積指數法得出Cd為污染風險最大的重金屬，兩種方法的結果存在一定偏差，這是由于兩種評價方法考慮因素的側重點不同所致，但可以確定Hg和Cd為百花水庫消落帶及庫岸的主要風險重金屬。

3 結 論

(1) 百花水庫不同采樣點的Hg平均濃度為LJC(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 百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬的潛在生態危害指數Fig.4 Potential ecological risk index of heavy metals in soil from water-level-fluctuating belt and bank around Baihua Reservoir

(2) 從同一采樣點的不同區域分析，5種重金屬的各個分區平均濃度均表現為淹沒區>庫岸區>消落區，因此各個分區的RI平均值也表現出同樣的規律。

(3) 盡管地質累積指數法和潛在生態危害指數法的評價結果有一定的偏差，但可以確定Hg和Cd為百花水庫消落帶及庫岸的主要風險重金屬。

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