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湘江长沙段底泥中重金属污染分布及风险评估

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曹俊飞姚杰杨兆光李海普邱波

摘要：本文对湘江长沙段底泥进行采样分析，研究其中V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb和As等10种重金属的空间分布规律，利用Hakanson污染程度修正指数（mCd），Nemerow综合指数（Ps）和综合潜在生态风险指数（RI）评估其环境风险。进一步的，本文还通过主成分分析（PCA）、聚类分析（HCA）和Pearsons相关性分析等多元统计方法探究重金属的可能来源。

关键词：湘江长沙段;底泥;重金属;风险评估

底泥是水体中重金属重要的汇和源，进入水体的重金属大部分会沉积进入底泥，而底泥中的重金属会随着水体环境的变化重新释放出来，或者被底栖生物吸收。[1]底泥重金属引发的生态环境风险已受到了广泛的关注。湘江长沙段的重金属污染源主要包括上游涉重金属产业的违规排放，湘江流域农业的面源污染和本地市政污水的排放。[2]随着政府近年来加大对湘江流域环境的治理，目前湘江长沙段的水质已有明显改善，但底泥中重金属的含量仍然较高，且短期内难以找到解决方案。[3-5]在此背景下，本文研究湘江长沙段底泥中重金属的时空分布并评估其环境风险，结果可以为当地政府制定相应的重金属污染防治政策提供数据支持。

1 实验方法

1.1 样品采集与前处理

实验主要地区为湘江流域长沙区域，样品皆是沿着湘江沿岸进行湘江底泥采样，皆为2018年春季采样。并且为了区分湘江流域的采样选取了洋湖湿地公园作为参考点。底泥当天运回实验室，随即置于室内干燥通风的地方自然风干一周，待样品干燥后，将样品粉碎过100目筛，然后干燥保存直至进行实验。

1.2 底泥中重金属消解方法

根据国家标准《固体废物 22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法（HJ 781-2016）》稍作修改，以电热板消解9种金属（V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb）步骤：[6]称取约0.2 g底泥样品于已加入1 mL超纯水的消解罐内，将底泥样品摇匀润湿，然后加入5 mL浓度为37%的HCl摇匀后加盖放于电热板上以140℃加热15 min。待温度降至50℃，再加入5 mL浓度为65%的HNO3，5 mL浓度为40%的HF，3 mL浓度为70%的HClO4，摇匀后加盖以140℃加热1 h，然后开盖加热2 h待溶液蒸发至2 mL左右，冷却至50℃左右添加3 mL 浓度为65%的HNO3，3 mL浓度为40%的HF，1 mL浓度为70%的HClO4，摇匀后加盖以140℃加热1 h，然后开盖加热3 h待溶液蒸发至1 mL左右，加入2 mL浓度为65% HNO3和3 mL浓度为37%的HCl，电热板以140℃加热15 min，最终将剩余消解液润洗转移至100 mL容量瓶，并用超纯水定容至刻度线。样品通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Perkinelmer 8000）进行测量。

根据国家标准《HJ 803-2016》稍作修改，对类金属As用电热板消解步骤：[6]称取约0.2 g底泥样品于已加入1 mL超纯水的消解罐内，然后加入12 mL王水以100℃加热2 h，待温度冷却至室温，将消解液润洗转移至100 mL容量瓶，并用超純水定容至刻度线。由电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent 7700）来测量。

1.3 数据分析

本章中采用的数据分析方法主要包括Pearson相关分析，分层聚类分析，主成分分析;运用软件主要是SPSS 21.0和origin 9.1;显著性水平均是在p < 0.05或者p < 0.01范围上得出。

2 结果与讨论

2.1 底泥中重金属空间分布

底泥中的重金属含量见表1。湘江流域长沙这些采样点中所测定的十种重金属的变异系数变化范围是8.27-53.66%。其中不乏重金属毒性极大地As、Cd、Pb等元素变异系数也较大5084%、45.50%、53.66%。这些采样点中Cd含量在最高处SP10为24.2 μg/g，最低处SP8为0.8 μg/g。根据国家标准《GSB-2018土壤农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，湘江的底泥中重金属Cd含量均超过了国家农用地土壤污染风险筛选值0.8 μg/g（水田，pH > 7.5），而且更是超过了湖南省的土壤Cd金属背景值在0.126 μg/g以及全国[7]土壤背景值0.097 μg/g，相较日本和英国[7]的土壤背景值（0.413μg/g和0.62 μg/g）也是很高。

2.2.2 统计分析

底泥样品中重金属元素之间的关系用Pearson相关分析方法来分析，通过Pearson相关系数是否在p < 0.05水平内来确定数据之间的相关性是否显著。Pearson相关分析是通过SPSS 21.0软件来实现的。主成分分析和分层聚类分析是通过Origin 9.1软件实现的。

由表3可看出，湘江流域长沙底泥重金属元素Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Cr九种金属含量两两之间存在显著正相关性，V、Mn、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Co九种金属含量两两之间也存在显著的正相关性，而Co、Cr金属含量同时也是存在显著正相关性的。主成分（如图4-A）主要存在两个PC1，V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的主成分系数分别对应为0.31、0.31、0.30、0.25、0.34、0.33、0.32、0.33、0.33、0.33，其累积贡献度为85.84%;PC2主要有V、Co、Ni，对应的主成分系数分别为0.40、0.75、014，其累积贡献度为93.06%。其分层聚类分析（如图4-B）大致可分为3类：C1组包括V、Ni、As，C2类包括Cr、Mn，C3类含有Cu、Pb、Zn、Cd，C4类为Co。C1类可能来源是城市交通生活垃圾等造成的，城市汽车等轮胎与地面摩擦等可能产生V、Ni、As等金属，C2类可能是来源于湘潭锰矿等工业矿冶活动，C3类可能是由于株洲铅锌矿冶炼过程产生，C4类可能是自然环境中存在的，湖南土壤Co背景值为14.6 μg/g，比底泥中重金属含量稍低。

3 结论

湘江长沙底泥中不同重金属含量其在采样点处的空间分布相差较大，其变异系数范围8.27-53.66%，而毒性较大的Cd、As、Pb、Cr等元素在四季均发现有超出当地背景值及相关国家标准的迹象。通过Hakanson污染修正指数mCd值，Nemerow综合指数Ps值和生态风险指数RI值等对底泥中重金属污染进行评估发现的底泥重金属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态风险。而通过聚类分析等统计分析方法分析得出重金属的可能来源。

参考文献：

[1]刘锦军.湘江底泥重金属污染特征研究[D].湘潭大学，2016.

[2]Liu，J.，Y.Xu，Y.Cheng，et al.，Occurrence and risk assessment of heavy metals in sediments of the Xiangjiang River，China[J].Environ Sci Pollut Res Int，2017.24（3）：2711-2723.

[3]李刚.加强湘江流域保护与治理的对策与建议[J].四川水泥，2018（10）：339.

[4]张乐红，陈宇平.湖南省湘江流域综合治理发展思路[J].湖南水利水电，2017（03）：51-53+59.

[5]刘俊，朱允华，胡劲松，等.湘江中游江段沉积物重金属污染特征及生态风险评价[J].生态与农村环境学报，2017.33（02）：135-141.

[6]Zhang，Z.，Y.Lu，H.Li，et al.，Assessment of heavy metal contamination，distribution and source identification in the sediments from the Zijiang River，China[J].Sci Total Environ，2018.645：235-243.

[7]魏复盛，陈静生，吴燕玉，等.中国土壤环境背景值研究[J].环境科学，1991（04）：12-19+94.

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[9]Ma，L.，Z.Yang，L.Li，et al.，Source identification and risk assessment of heavy metal contaminations in urban soils of Changsha，a mine-impacted city in Southern China[J].Environ Sci Pollut Res Int，2016.23（17）：17058-66.

[10]Hakanson，L.，An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J].Water Research，1980.14（8）：975-1001.

[11]徐爭启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术，2008.31（2）：112-115.

基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费项目（No.201503108）;湖南省科技工程项目（No.2017WK2091）

作者简介：第一作者曹俊飞（1993-），男，硕士，研究方向：湘江流域长沙重金属污染分布研究。

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