巢湖小流域表層沉積物重金屬污染分析與評價

單 宇 陳 俊 吳 克 金 杰 宋永蓮

（1.合肥學院 生物與環境工程系，安徽 合肥 230601；2.安徽中環環保科技股份有限公司，安徽 合肥 230022；3.安徽省環境污染防治與生態修復協同創新中心，安徽 合肥 230601）

0 引言

河道沉積物是天然水體中重金屬的主要儲存媒介，在重金屬遷移轉化過程中起著重要的作用[1]。河流水體重金屬污染危害程度遠遠高于其他類型污染，隨著工業化城市化快速發展，進入水體的重金屬量也大大增加，并最終富集于河道沉積物中[2]。一旦環境條件改變，如河流流速、流量、溫度等，重金屬會再次釋放進入水體產生二次污染[3]。河道內的重金屬也會通過食物鏈進入人體對人體健康產生危害[4]。因此，對控制河流重金屬污染必須從源頭進行減量控制，并做好生態風險評價。

河道沉積物組分相對穩定，且能夠較為準確的反映水體污染現狀，因此，對河道沉積物進行分析能夠準確反映水體污染信息。沉積物中潛在生態風險較大的污染物為各類重金屬離子，對其進行源解析及生態風險評價就能從源頭切斷入河路徑，重點控制潛在生態風險最高的污染物質。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

選擇巢湖市東南部向陽南路段區域小流域，依據《水質采樣方案設計技術規定》HJ 495－2009，將河道由上游至下游劃分10個采樣斷面，每個斷面使用抓斗式底泥采樣器采集3份底泥樣品（約15 cm），混合放入塑封袋。對樣品進行常溫風干去除動植物殘體及細小石塊壓散后，研磨后過100目篩置于自封袋中避光、密封保存。

沉積物有機質采用灼燒法，全氮測定采用凱氏法，總磷采用堿熔-鉬銻抗分光光度法，重金屬分析采用王水提取-電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法進行分析。

1.2 重金屬評價方法

1.2.1 富集系數法

沉積物重金屬富集系數（EF指數）能夠反映重金屬富集程度，判斷污染源是否與人類活動相關[5]。計算方法如下：

式中，[Me/Fe]Sample為沉積物中重金屬含量與Fe元素含量比值，[Me/Fe]Background是沉積物中某重金屬元素背景值含量與Fe元素土壤背景值含量比值，采用安徽省表層土壤重金屬及Fe含量算術平均值數據作為背景值（表1）[6]。

表1 安徽省表層土壤重金屬及Fe含量

EF值在0.5至1.5之間時，表明重金屬完全來自于自然源；EF值大于1.5時，表明人為源已經成為重金屬的重要來源[7]。

1.2.2 重金屬污染嚴重度指數

污染嚴重度指數CSI（Contamination SeverityIndex）用于評價河道沉積物重金屬污染嚴重程度[8]（如表2），計算公式如下：

式中，Wi重金屬權重，Ci為重金屬含量，ERLi和ERMi為各個重金屬基準值[9]（如表3），其中重金屬權重利用因子分析的載荷和特征值計算。

表3 沉積物中重金屬基準值

1.2.3 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法RI（The Potential Ecological Risk Index）用于評價河道沉積物中重金屬危害程度[10]（如表 4），計算公式如下：

RI（潛在生態風險指數）：

表4 潛在生態風險評價指數與分級標準

2 結果與討論

2.1 沉積物有機質、全氮、總磷分布特征

由表層沉積物有機質、全氮、總磷含量（圖1）可以看出，表層沉積物中有機質含量基本與全氮含量變化趨勢相符，由上游采樣斷面逐漸升高，中上游至中游斷面開始下降，中游至下游小幅上升，總磷主要在上下游采樣斷面含量較高。

2.2 沉積物重金屬含量分析

圖1 表層沉積物有機質、全氮、總磷含量

圖2 表層沉積物中重金屬含量空間分布

表5 表層沉積物重金屬描述性統計結果

由表層沉積物重金屬含量空間分布（圖2）可以看出，各個重金屬含量在各斷面的分布較為均勻，沒有出現明顯差異，從表層沉積物重金屬描述性統計結果（表 5）也可以看出 Cr、Ni、Cu、As、Cd、Pb 平均含量分別為 51.66，22.97，36.41，7.68，0.40，33.14 mg·kg-1，其中除 Cu、Cd、Pb 含量分別超過安徽省表層土壤背景值 1.73、6.01、1.26倍外，其他重金屬含量均未超過安徽省土壤背景值[6]，且變異系數均小于30%，說明各個重金屬含量空間分布較均勻。

2.3 重金屬來源解析

2.3.1 沉積物重金屬富集系數

圖3 表層沉積物重金屬富集系數

表層沉積物重金屬富集系數（圖3）表明，沉積物中重金屬富集系數在各個采樣斷面中，僅Cu和Cd的富集系數大于1.5，且Cd的富集系數遠超其他重金屬，說明Cu和Cd的富集與人類活動密切相關[12]。

2.3.2 沉積物重金屬相關性及主成分分析

利用SPSS 25數據統計軟件將沉積物有機質、全氮、總磷和各重金屬含量進行Pearson相關性分析（結果如表6），發現在0.05水平上，Cr與TP，Cu與Cd，Pb與OM存在顯著的正相關性，可知Cu與Cd的來源可能存在一致性。在0.01水平上，Cd與OM，Pb與TN，OM與TN存在顯著的正相關性。

主成分分析結果（如表7），通過最大方差旋轉過后提取了3個特征值大于1的主成分，累計貢獻率為86.5%。由表6可知，主成分1包括Ni、Cu、Cd、Pb、OM、TN，貢獻率為 49%；主成分 2 包括Cr、TP，貢獻率為25.7%；主成分3為As，貢獻率為11.9%。其中，主成分1中包含了富集系數較高的Cu和Cd，因此，其來源很可能為人類活動排放，Cu主要與汽車尾氣排放和農藥殺菌劑有關[13-14]，Cd主要與工業和農藥化肥使用有關[15]。主成分2和3貢獻率和富集系數較低可能為自然源。

表6 表層沉積物中重金屬含量Pearson相關系數

2.4 沉積物重金屬污染評價

2.4.1 重金屬污染嚴重程度評價

利用主成分分析結果計算重金屬權重系數結果（如表8），由于主成分1為人為源且貢獻率最高，因此選取主成分1的載荷和特征值計算重金屬權重系數[8]。重金屬污染嚴重程度指數計算結果（如圖4），可知研究區域內個采樣點重金屬污染程度指數均小于1，說明各采樣點污染嚴重程度屬輕微污染。

2.4.2 重金屬潛在生態風險評價

根據單個及綜合潛在生態風險評價指數與分級標準（如表 2），Cr、Ni、Cu、As 和 Pb 的單項潛在生態風險指數（如表9）均小于40，處于低風險，但Cd的單項潛在生態風險指數在各個采樣斷面除6、7、8號點外均超過150小于320，處于重度風險，單項潛在生態風險大小依次為：Cd＞Cu＞As＞Pb＞Ni＞Cr。 綜合潛在生態風險等級除 7、8號采樣斷面為輕微等級外，其余采樣斷面風險等級均為中等，顯然，導致總體潛在生態風險等級升高的主因是Cd的生態風險指數過高，控制Cd污染是降低潛在生態風險的關鍵。

表7 表層沉積物中重金屬主成分分析結果

表8 重金屬權重系數

3 結論

（1）Cr、Ni、Cu、As、Cd、Pb 平均含量分別為 51.66，22.97，36.41，7.68，0.40，33.14 mg·kg-1，其中 Cu、Cd、Pb含量分別超過安徽省表層土壤背景值1.73、6.01、1.26倍。各重金屬在各個斷面分布無明顯差異，空間分布均勻。

圖4 各采樣點CSI值

（2）根據富集系數、相關性和主成分分析結果，可以得出沉積物中重金屬污染主要為Cr，其次為Cu，且與人類活動密切相關。Pb含量雖然超過安徽省土壤背景值，但富集系數小于1.5，可能屬于自然源。

（3）根據重金屬污染嚴重度指數和潛在生態危害指數結果，沉積物中的主要重金屬污染為Cd且污染程度偏強，但總體污染程度不高，生態風險等級為中等。

（4）重金屬污染嚴重度指數結果與潛在生態危害指數結果存在差異，可能是由于計算潛在生態危害指數時引入的安徽省土壤背景值，而研究區域遠遠小于安徽省范圍可能存在地區環境差異，重金屬污染嚴重度指數不考慮背景值影響，因此二者可能結果在一定范圍內存在差異。

4 建議

（1）對沉積物分析發現Cd具有一定潛在生態風險，因此對河道沉積物進行修復的重點應放在降低Cd含量上。

表9 各采樣點潛在生態風險指數、綜合潛在生態風險指數分級

（2）應增加對環巢湖地區重金屬含量背景值的調查與研究，提高對小流域重金屬生態評價的準確性，排除局部地區背景值差異的影響。