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

（長治學院 生物科學與技術系，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

（長治學院 生物科學與技術系，山西 長治 046011）

采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數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廢水的排放、生活污水、農業生產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造成的環境污染，由于重金屬在環境中降解困難且在生物體內非常容易富集，造成該環境中的生物體健康受到潛在威脅。重金屬通過工農業廢水、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，引起土壤結構和功能變化的同時還能抑制農作物根系生長和葉片光合作用，從而造成農作物的產量和質量下降[2-3]。除此之外，重金屬可經由多種途徑對生物體以及生態系統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境污染評價中的重要內容[5]。土壤重金屬的污染近年來已成為環境領域內研究的熱點問題[6-7]。

河道沉積物中重金屬的污染特征不僅能反應河流的水質及其受污染的程度，同時也能反應污染物的來源。關于土壤重金屬污染評價的方法目前主要有地累積指數法、單因子指數評價法[8]、潛在生態危害指數法、污染負荷指數法、內梅羅綜合污染指數法等[9]。而關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、相關分析、化學質量平衡法（CMB）等[10]。到目前為止，關于濁漳河的相關研究，主要集中在植物、水資源利用、水污染物等方面，如，流域內水資源的合理配置[11]；濕地維管植物區系的分析[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，測定河道沉積物內重金屬含量，運用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數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的理論依據。

1 研究地概況與樣點設置

1.1 研究地概況

濁漳河隸屬海河流域漳衛河水系，其上游有三大支流，俗稱北源、西源、南源。流經山西省境內流域面積約為1.2萬km2，流經13個縣市區，在長治市境內流域面積約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，向南流入武鄉縣境內，再向南流入太行大峽谷的昂車關，于襄垣縣境內與西源、南源匯入濁漳河干流。該流域的氣候屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫 7.5～12℃之間，年降水量在537.4～656.7 mm[14]。

1.2 樣點設置

樣品采集時間為2016年3月至4月，根據濁漳河流域的環境狀況、人為干擾的程度以及流域的大小，在北源河道設置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。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

這兩種指數法單因子指數法[16]和內梅羅綜合污染指數法[17]。可將土壤重金屬污染劃分為4個等級。如表2所示。

表2 土壤重金屬污染分級標準Tab.2 Criteria for classification of soilheavy metalpollution

2.4 統計分析

采用E xcel2003和S P SS19.0分析軟件對數據進行統計分析處理。

3 結果與分析

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境重金屬含量的背景值，其中重金屬H g和C d的超標率較高，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 單因子指數法評價

結合單因子指數法中的環境質量指數及重金屬污染分級標準可知（表4）：A s和Cu在所有12個采樣點中均未超標，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境質量指數及污染等級Tab.4 The environmental quality index and class of pollution of heavy metals of the channel sediment

3.2.2 內梅羅綜合污染指數法評價

濁漳河北源河道各樣點沉積物重金屬綜合污染指數計算結果見圖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于6種重金屬含量數據的大部分信息。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。經矩陣變換后，F1中重金屬As、Pb、Cu表現出較高的因子負荷，F2中包含的主要因子并未發生變化。說明重金屬As、Pb、Cu來自一類污染源，結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、農業生產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，這與周邊響應污染源有著密不可分的關系。變異系數的大小能夠說明環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]。本研究發現：除As（20.334%）和Pb（23.135%）大于20%，其它元素的變異系數均小于20%，說明Cd、Cr、Hg、Cu受到外界影響的表現基本一致，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土壤重金屬污染特征，運用單因子污染指數分析結果表明，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，金屬元素Pb、Hg和Cd含量超標嚴重，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可能與濁漳河北源河道周邊的電廠、焦化廠、采煤等企業的污水排放有著密切的關系；此外，周邊居住區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]研究分布在城鎮用地以及耕地，且沿流域沿線分布測定Pb元素發現，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含量與農業生產活動緊密相關，這與王軍等[20]人研究相一致。因此，Pb的超標部分的主要來源可能是農業生產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業生產中肥料不合理使用以及耕地的污水灌溉、燃煤釋放、有害工業廢水的排放等。

［1］陳晶中,陳杰,謝學儉,等.土壤污染及其環境效應［J］.土壤,2003,04：298-303.

［2］鄭喜珅,魯安懷,高翔,等.土壤中重金屬污染現狀與防治方法［J］.土壤與環境,2002,11(1)：79-84.

［3］張雷,秦延文,鄭丙輝,等.丹江口水庫遷建區土壤重金屬分布及污染評價［J］.2013,34(1)：108-115.

［4］張釗,黃瑾輝,曾光明,等.3MRA風險模型在鉻渣整治項目制定過程中的應用［J］.中國環境科學,2010,30(1)：139-144.

［5］Ghrefat H,Yusrf N.Assessing Mn,Fe,Cu,Zn,a nd Cd pollution in bottom sediments of Wade A-l Arab Dam,Jordan［J］.Chemosphere,2006,65(11)：2114-2121.

［6］De Kimple CR, Morel JL. Urban soil management：a growing concern［J］.Soil Sci,2000,165(1)：31-40.

［7］Lu Y,GongZ-T,ZhangG-L.Characteristics and management of urban soils［J］.Soil Environ Sci,2002,11(2)：206-209.

［8］ForstnerU.Lecture notesin earth sciences(contaminatedsediments)［M］.Belin：SpringerVerlag,1989：107-109.

［9］范拴喜,甘卓亭,李美娟,等.土壤重金屬污染評價方法進展［J］.中國農學通報,2010,17：310-315.

［10］張秀芝,鮑征宇,唐俊紅.富集因子在環境地球化學重金屬污染評價中的應用［J］.地質科技情報,2006,25(1)：65-72.

［11］段秀華.山西省濁漳河流域水資源合理配置研究［D］.太原理工大學,2008.

［12］茹文明,金山,鐵軍,等.濁漳河濕地維管植物區系分析［J］.長治學院學報,2010,05：1-4.

［13］劉瑞祥,常惠麗,任嘉紅,等.濁漳河流域主要污染物與污染評價［J］.長治學院學報,2006,02：8-10.

［14］王燁,金山,秦曉娟,等.濁漳河干流濕地草本植物群落優勢種種間關系及功能群劃分［J］.生態學雜志,2015,08：2109-2114.

［15］張燦,陳虹,余憶玄,等.我國沿海地區城鎮污水處理廠污泥重金屬污染狀況及其處置分析［J］.環境科學,2013,34(4)：1345-1350.

［16］朱宗澤,郝成元,郝園園.濁漳河流域地表水環境影響因素及防治對策［J］.水土保持研究,2012,19(2)：236-239.

［17］郭偉,孫文惠,趙仁鑫,等.呼和浩特市不同功能區土壤重金屬污染特征及評價［J］.環境科學,2013,34(4)：1561-1567.

［18］章立佳.上海城市土壤重金屬空間變異結構和分布特征［D］.上海師范大學,2011.

［19］肖鵬飛,李法云,付寶榮,等.土壤重金屬污染及其植物修復研究［J］.遼寧大學學報(自然科學學報),2004.31(3)：279-283.

［20］王軍,陳振樓,王初,等.上海崇明島蔬菜地土壤重金屬含量與生態風險預警評估［J］.環境科學,28(3)：647-653.

［21］吳紹華,周生路,楊得志,等.宜興市近郊土壤重金屬來源與空間分布研究［J］科學通報,2008,53(增刊)：162-170.

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，主要從事生態學及環境化學研究。