基于介形類生態特征評價湖南某鈾礦山地表水放射性環境

陳 亮，夏良樹，劉 江，劉 珊，黃 偉，王正慶，謝焱石，唐振平,*

(1.南華大學 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.衡陽市核燃料循環地質理論與技術重點實驗室，湖南 衡陽 421001；3.南華大學 核科學技術學院 博士后流動站，湖南 衡陽 421001)

鈾礦開采與選冶所產生的環境影響尤其是輻射環境影響一直受到國際組織、各國政府及廣大科研人員的高度重視[1-3]。鈾礦開采是導致鈾礦冶地域地表水放射性污染的重要因素[4-6]。湖南某鈾礦是我國重要鈾資源生產基地之一，為我國國防與核電事業發展作出了重要貢獻，同時該鈾礦冶地域生態環境不可避免地遭受了一定程度的放射性污染，亟需保護與治理。

目前，地表水環境污染評價方法主要有兩種：理化評價和生物評價。生物評價較理化評價具有全面、直接、科學、簡單及經濟的優勢[7-9]，故日益受到重視。介形類是生存于各類水體中的一類底棲小型甲殼動物[10-11]，是一重要微體生物，其分布廣、物種豐富[12]、數量眾多[13]、易于收集，作為水生生態系統的組成部分，其生物多樣性能敏感地反映水環境的健康狀況[14-16]。

目前，對湖南某鈾礦冶地域地表水放射性污染評價僅采用理化方法，未采用生物方法，故其評價結果可能存在不夠全面客觀的問題。為此，本文在分析該礦冶地域介形類分布與生態特征基礎上，利用該生物評價本區地表水放射性污染，為該鈾礦冶地域生態環境保護與治理提供數據支持。

1 材料與方法

2018年5月在湖南某鈾礦周邊共采集15個介形類樣本，其中3個溪流樣本，12個河流樣本(圖1)。3個溪流樣本取樣點大致為等間距分布。12個河流樣本中，距鈾礦較近河段取樣點分布較密集，距鈾礦較遠河段取樣點分布相對稀疏。利用抓斗采泥器采集400 cm2表層沉積物，取其最上層1 cm 作為介形類樣品。取50 cm3濕樣用于介形類分析，先用75 μm 篩子濕篩，在60 ℃下烘干24～48 h后再用125 μm篩子干篩，取長度大于125 μm的介形類進行分析。介形類挑樣在體視顯微鏡下完成，因為樣品中介形類豐度相對不高，故每個個體均挑出。絕大部分介形類的殼體為單瓣殼，很少有雙瓣殼。在介形類豐度統計中，每個單瓣殼或雙瓣殼作為1個介形類[12,17-18]。

圖1 鈾礦區采樣點分布Fig.1 Sampling point distribution of uranium mine

采集1 L地表水用于物化分析。水溫、溶氧量、pH值及電導率均為現場測試，鈾、釷含量采用ICP-MS測試。

生物多樣性指數計算方法如下：

H=-∑pilnpi

(1)

E=exp(H)/S

(2)

其中：H為Shannon-Wiener物種多樣性指數；pi為第i個屬種的相對豐度，i的取值范圍為大于等于2的自然數；E為均勻度指數；S為屬種數。

2 結果與討論

2.1 溪流樣本介形類分布與水環境參數

研究區地表水體物化參數、介形類豐度及生物指數的空間分布特征列于表1。溪流水體與河流水體相比，具有如下明顯特征：低pH值(6.31～7.63)、高電導率(370～430 μS/cm)、高U(11.350～49.780 μg/L)及高Th(0.193～2.859 μg/L)含量。溪流中介形類總豐度低((2～6)/50 cm3)，且僅有Cypridopsisvidua。對應的河流水體數據如下：pH值，7.69～8.62；電導率，44～80 μS/cm；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。河流中介形類總豐度為(4～46)/50 cm3，包含Cypridopsisvidua(C.v)與Helerocyprisincongruens(H.i) 2種介形類。該鈾礦在采冶過程中廣泛使用硫酸，故其產生的廢水pH值較低。礦山酸性廢水中礦物質含量一般偏高，電導率也相應較高。溪流水體距鈾礦近，水流量小，稀釋作用相對較小，因此，具有低pH值、高電導率、高U及高Th含量的特征。溪流水體U及Th含量隨與礦冶區距離的增加明顯降低，對應沉積物中介形類豐度則有所增大。

表1 鈾礦周邊地區地表水體物化參數、介形類豐度及生物指數的空間分布特征Table 1 Spatial distribution characteristics of physical and chemical parameter of surface water and abundance and bio-index of ostracode from surrounding area of uranium mine

2.2 河流樣本介形類分布與水環境參數

研究區河流樣本介形類豐度、生物指數及其與地表水體物化參數的相關系數列于表2。由于溪流樣本與河流樣本在生物豐度、生物指數、U及Th含量、電導率與pH值方面存在明顯差異，故相關性分析時河流樣本與溪流樣本分別進行計算，考慮溪流樣本數量很少(僅3個)，進行相關性分析的意義不大，因而，只對河流樣本進行了相關性分析。

介形類豐度及其生物指數受水體鈾濃度的影響十分明顯，其相關系數的絕對值均不低于0.82，均為負相關，其余物化參數影響不明顯。C.v豐度、H.i豐度、總豐度、H與E，這五者互相間均顯著相關，C.v與H及E的相關性相對較低(相關系數絕對值分別為0.68與0.69)，H與E的相關性最高(相關系數絕對值為1)。pH值與水溫和電導率呈顯著相關(相關系數絕對值均為0.62)，U及Th含量受水環境參數影響不明顯。

研究區鈾與介形類豐度及相關生物指數的空間分布特征示于圖2。由于僅鈾濃度對介形類的影響十分顯著，故圖2中物化參數僅顯示該參數。E與H變化趨勢完全一致，因而圖2僅顯示H的波動趨勢。

表2 河流樣本介形類豐度、生物指數及其與地表水體物化參數的相關系數 Table 2 Correlation between abundance and bio-indexes of ostracod and physical and chemical parameter from surface water of river sample

圖2 鈾含量與介形類豐度及相關生物指數的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution feature of uranium and abudance and bio-index of the ostracod

R01樣點位于溪流與河流交匯點的上游，該點受鈾礦的影響不大，其鈾濃度明顯低于與之緊鄰的河流樣本。在溪流與河流交匯點的下游，除R05取樣點為水體鈾含量峰值外，其他取樣點鈾含量隨與礦區距離的增大總體下降。距交匯點較近的樣本(R02～R07)，鈾濃度隨與礦區距離的增大下降幅度較大，遠離交匯點的樣本(R08～R12)下降幅度較小。

2.3 介形類分布與生態特征

C.v和H.i均為全球分布種，均具有較強的抗污能力[12,17,19-20]。C.v在所有樣本中均有分布，豐度變化于(2～26)/50 cm3，其分布水域的理化參數如下：pH值，6.31～8.62；電導率，44～430 μS/cm；溶解氧濃度，5.37～8.38 mg/L；水溫，18.6～23.3 ℃；U含量，0.384～49.780 μg/L；Th含量，0.120～2.859 μg/L。H.i僅在河流樣本中分布，溪流樣本未發現，豐度變化于(1～21)/50 cm3，其分布水域的理化參數如下：pH值，7.69～8.62；電導率，44～80 μS/cm；溶解氧，7.10～8.30 mg/L；水溫，18.6～20.6 ℃；U含量，0.384～2.941 μg/L；Th含量，0.120～0.471 μg/L。

2.4 利用介形類評價地表水鈾污染

介形類各屬種豐度及總豐度均與水體鈾濃度呈顯著負相關(圖2)，說明可利用C.v與H.i豐度及總豐度變化指示水體鈾濃度的變化，豐度越小，鈾含量越大，反之亦然。鈾兼具重金屬毒性與放射性危害，易導致介形類豐度與其濃度呈負相關，如C.v豐度與水體Ni、Cd濃度均顯著負相關，Herpetocyprischevreuxi豐度與水體Cr濃度明顯負相關[21]；Chrissiahalyi豐度隨水體Pb濃度升高而降低[22]。C.v與H.i豐度均不高，前者最高為26/50 cm3，后者不超過21/50 cm3，說明研究區地表水鈾污染對生物界產生了較明顯的影響。一般情況下，生物多樣性指數隨屬種數的增加而增大，其大小與水體污染程度呈反比[21,23]。本文H與水體鈾濃度呈明顯負相關，與該結論一致。其值變化于0.562～0.693之間，明顯偏低，說明研究區水環境質量需要改善。

3 結論

溪流水體與河流水體相比，具有低pH值、高電導率、高U及高Th含量的特征。溪流與河流水體鈾含量隨與礦區距離的增大總體下降。U及Th含量受水環境參數影響不明顯。C.v在溪流與河流中均有分布，分布區U含量為0.384～49.780 μg/L，Th含量為0.120～2.859 μg/L。H.i僅發現于河流，分布區U含量為0.384～2.941 μg/L，Th含量為0.120～0.471 μg/L。利用C.v與H.i豐度及總豐度變化可指示水體鈾濃度的變化，豐度越小，鈾含量越大，反之亦然。H與水體鈾濃度呈明顯負相關，表明也可利用該生物指數指示水體鈾濃度。H明顯偏低，說明該區域地表水環境質量需要改善，放射性污染應引起足夠重視。