湘江長沙段底泥中重金屬污染分布及風險評估

曹俊飛 姚杰 楊兆光 李海普 邱波

摘要：本文對湘江長沙段底泥進行采樣分析，研究其中V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb和As等10種重金屬的空間分布規律，利用Hakanson污染程度修正指數（mCd），Nemerow綜合指數（Ps）和綜合潛在生態風險指數（RI）評估其環境風險。進一步的，本文還通過主成分分析（PCA）、聚類分析（HCA）和Pearsons相關性分析等多元統計方法探究重金屬的可能來源。

關鍵詞：湘江長沙段;底泥;重金屬;風險評估

底泥是水體中重金屬重要的匯和源，進入水體的重金屬大部分會沉積進入底泥，而底泥中的重金屬會隨著水體環境的變化重新釋放出來，或者被底棲生物吸收。[1]底泥重金屬引發的生態環境風險已受到了廣泛的關注。湘江長沙段的重金屬污染源主要包括上游涉重金屬產業的違規排放，湘江流域農業的面源污染和本地市政污水的排放。[2]隨著政府近年來加大對湘江流域環境的治理，目前湘江長沙段的水質已有明顯改善，但底泥中重金屬的含量仍然較高，且短期內難以找到解決方案。[3-5]在此背景下，本文研究湘江長沙段底泥中重金屬的時空分布并評估其環境風險，結果可以為當地政府制定相應的重金屬污染防治政策提供數據支持。

1 實驗方法

1.1 樣品采集與前處理

實驗主要地區為湘江流域長沙區域，樣品皆是沿著湘江沿岸進行湘江底泥采樣，皆為2018年春季采樣。并且為了區分湘江流域的采樣選取了洋湖濕地公園作為參考點。底泥當天運回實驗室，隨即置于室內干燥通風的地方自然風干一周，待樣品干燥后，將樣品粉碎過100目篩，然后干燥保存直至進行實驗。

1.2 底泥中重金屬消解方法

根據國家標準《固體廢物 22種金屬元素的測定 電感耦合等離子體發射光譜法（HJ 781-2016）》稍作修改，以電熱板消解9種金屬（V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb）步驟：[6]稱取約0.2 g底泥樣品于已加入1 mL超純水的消解罐內，將底泥樣品搖勻潤濕，然后加入5 mL濃度為37%的HCl搖勻后加蓋放于電熱板上以140℃加熱15 min。待溫度降至50℃，再加入5 mL濃度為65%的HNO3，5 mL濃度為40%的HF，3 mL濃度為70%的HClO4，搖勻后加蓋以140℃加熱1 h，然后開蓋加熱2 h待溶液蒸發至2 mL左右，冷卻至50℃左右添加3 mL 濃度為65%的HNO3，3 mL濃度為40%的HF，1 mL濃度為70%的HClO4，搖勻后加蓋以140℃加熱1 h，然后開蓋加熱3 h待溶液蒸發至1 mL左右，加入2 mL濃度為65% HNO3和3 mL濃度為37%的HCl，電熱板以140℃加熱15 min，最終將剩余消解液潤洗轉移至100 mL容量瓶，并用超純水定容至刻度線。樣品通過電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，Perkinelmer 8000）進行測量。

根據國家標準《HJ 803-2016》稍作修改，對類金屬As用電熱板消解步驟：[6]稱取約0.2 g底泥樣品于已加入1 mL超純水的消解罐內，然后加入12 mL王水以100℃加熱2 h，待溫度冷卻至室溫，將消解液潤洗轉移至100 mL容量瓶，并用超純水定容至刻度線。由電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent 7700）來測量。

1.3 數據分析

本章中采用的數據分析方法主要包括Pearson相關分析，分層聚類分析，主成分分析;運用軟件主要是SPSS 21.0和origin 9.1;顯著性水平均是在p < 0.05或者p < 0.01范圍上得出。

2 結果與討論

2.1 底泥中重金屬空間分布

底泥中的重金屬含量見表1。湘江流域長沙這些采樣點中所測定的十種重金屬的變異系數變化范圍是8.27-53.66%。其中不乏重金屬毒性極大地As、Cd、Pb等元素變異系數也較大5084%、45.50%、53.66%。這些采樣點中Cd含量在最高處SP10為24.2 μg/g，最低處SP8為0.8 μg/g。根據國家標準《GSB-2018土壤農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，湘江的底泥中重金屬Cd含量均超過了國家農用地土壤污染風險篩選值0.8 μg/g（水田，pH > 7.5），而且更是超過了湖南省的土壤Cd金屬背景值在0.126 μg/g以及全國[7]土壤背景值0.097 μg/g，相較日本和英國[7]的土壤背景值（0.413μg/g和0.62 μg/g）也是很高。

2.2.2 統計分析

底泥樣品中重金屬元素之間的關系用Pearson相關分析方法來分析，通過Pearson相關系數是否在p < 0.05水平內來確定數據之間的相關性是否顯著。Pearson相關分析是通過SPSS 21.0軟件來實現的。主成分分析和分層聚類分析是通過Origin 9.1軟件實現的。

由表3可看出，湘江流域長沙底泥重金屬元素Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr九種金屬含量兩兩之間存在顯著正相關性，V、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Co九種金屬含量兩兩之間也存在顯著的正相關性，而Co、Cr金屬含量同時也是存在顯著正相關性的。主成分（如圖4-A）主要存在兩個PC1，V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的主成分系數分別對應為0.31、0.31、0.30、0.25、0.34、0.33、0.32、0.33、0.33、0.33，其累積貢獻度為85.84%;PC2主要有V、Co、Ni，對應的主成分系數分別為0.40、0.75、014，其累積貢獻度為93.06%。其分層聚類分析（如圖4-B）大致可分為3類：C1組包括V、Ni、As，C2類包括Cr、Mn，C3類含有Cu、Pb、Zn、Cd，C4類為Co。C1類可能來源是城市交通生活垃圾等造成的，城市汽車等輪胎與地面摩擦等可能產生V、Ni、As等金屬，C2類可能是來源于湘潭錳礦等工業礦冶活動，C3類可能是由于株洲鉛鋅礦冶煉過程產生，C4類可能是自然環境中存在的，湖南土壤Co背景值為14.6 μg/g，比底泥中重金屬含量稍低。

3 結論

湘江長沙底泥中不同重金屬含量其在采樣點處的空間分布相差較大，其變異系數范圍8.27-53.66%，而毒性較大的Cd、As、Pb、Cr等元素在四季均發現有超出當地背景值及相關國家標準的跡象。通過Hakanson污染修正指數mCd值，Nemerow綜合指數Ps值和生態風險指數RI值等對底泥中重金屬污染進行評估發現的底泥重金屬污染程度均有中等和高度的污染水平以及中等及高度的生態風險。而通過聚類分析等統計分析方法分析得出重金屬的可能來源。

參考文獻：

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基金項目：公益性行業（農業）科研專項經費項目（No.201503108）;湖南省科技工程項目（No.2017WK2091）

作者簡介：第一作者曹俊飛（1993-），男，碩士，研究方向：湘江流域長沙重金屬污染分布研究。