摘 要：為綜合評(píng)價(jià)與分析沙河底質(zhì)沉積物中的重金屬污染狀況及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，選取了沙河6個(gè)代表性站點(diǎn)，通過野外調(diào)查、樣品采集和實(shí)驗(yàn)室分析，對(duì)底泥中的重金屬元素汞（Hg）、鎘（Cd）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉛（Pb）和砷（As）進(jìn)行了測(cè)定，并引入地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，沙河沉積物中重金屬含量自上游至下游逐漸降低，主要污染元素為Hg、Cd和Zn。地質(zhì)累積指數(shù)分析表明，Hg在上游區(qū)域?yàn)橹卸任廴荆渌亟饘僭厝鏑u、Pb和As未發(fā)現(xiàn)明顯污染。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分析表明，沙河上游區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于下游，尤其是G1點(diǎn)位，其重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位，這與Hg的高含量和高毒性有關(guān)。

關(guān)鍵詞：底質(zhì)沉積物；重金屬污染；地質(zhì)累積指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

作者簡(jiǎn)介：李瑤（1997-），男，碩士，研究方向：水域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)。 E-mail：3139488828@qq.com。

通訊作者：慕建東（1981-），男，研究員，研究方向：環(huán)境評(píng)價(jià)及生態(tài)修復(fù)。 E-mail：jesse.mu@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2024.10.009

河流作為地球上重要的水體資源，不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)具有不可替代的作用，也是眾多生物的棲息地和人類文明的搖籃。然而，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，河流環(huán)境面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。河流底泥，作為水體中沉積物的重要組成部分，不僅是水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和污染物的最終歸宿地，也是水體生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要指標(biāo)。河流底泥中的重金屬污染問題，引起了國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，同時(shí)重金屬污染評(píng)價(jià)也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。河流底泥中重金屬污染主要來源于工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、城市生活污水以及大氣沉降等途徑。這些重金屬，如鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等，能夠在底泥中長(zhǎng)期積累，并通過食物鏈傳遞，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。河流底泥中的重金屬含量和分布特征，不僅反映了河流流域內(nèi)污染源的分布和強(qiáng)度，也指示了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水平。

本研究通過對(duì)沙河底質(zhì)沉積物重金屬污染的監(jiān)測(cè)和分析，評(píng)估河流底泥中重金屬的污染現(xiàn)狀，探8882fbbb119168cb0ba2ee109381e88b83d744771a905a1d1d27d45d82019815討其在河流生態(tài)系統(tǒng)中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及對(duì)生物多樣性和生態(tài)功能的影響，以期為河流環(huán)境管理和生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

沙河發(fā)源于山西省繁峙縣東白坡頭，流經(jīng)多個(gè)區(qū)域，包括吳王口和五丈灣等，最終到達(dá)王快水庫，其主要處于曲陽交界位置。本研究依據(jù)相關(guān)資料分析了沙河的形態(tài)特征，結(jié)合交通情況和人為干擾等，將一些具有代表性的河段斷面選取出來，設(shè)置了6個(gè)采樣站點(diǎn)。站位分布見表1和圖1。

1.2 調(diào)查采樣時(shí)間

于2020年春夏秋三季對(duì)沙河進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣。

1.3 樣品采集與檢測(cè)

樣品采集范圍包括上游（冀晉交界）以及下游（王快水庫入口），樣品采集區(qū)域集中在河道中心。樣品采集依據(jù)《內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查手冊(cè)》相關(guān)要求，從河道表層應(yīng)用多點(diǎn)混合法獲取底泥沉積物，之后將其置于布袋中，經(jīng)過通風(fēng)晾干、粉碎過篩等操作處理，處理完成后的樣品保存于廣口瓶中以待檢測(cè)。沉積物中的重金屬元素Zn、Pb、Cd、Cu檢測(cè)采用原子吸收分光光度法（Atomicab sorption spectrophotometry，ASS），Hg、As元素檢測(cè)采取原子熒光分光光度法（Atomic Fluorescence Spectrophotometer，AFS）。

2 沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)方法及潛在風(fēng)險(xiǎn)分析

采用地質(zhì)累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)沙河沙河底質(zhì)沉積物重金屬污染評(píng)價(jià)及潛在風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）即Muller指數(shù)，在自然地質(zhì)中分析了其形成的背景值，并將其考慮在內(nèi)，同時(shí)從人為活動(dòng)的角度考慮，分析了其引起的重金屬污染的具體情況。具體計(jì)算公式如下：

Igeo=log2CidK×Cis

式中：Cid為沉積物中重金屬i的實(shí)測(cè)值，mg/kg；K為造巖引起背景值波動(dòng)的常數(shù)，取1.5；Cis為重金屬元素的背景值，mg/kg。

Forstner等根據(jù)Igeo值分為7個(gè)級(jí)別，如表2所示。

2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Risk Index）是一種評(píng)估土壤或沉積物中重金屬污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)潛在風(fēng)險(xiǎn)的量化工具。Hkanson于1980年提出的方法，通過計(jì)算不同重金屬的污染負(fù)荷和毒性反應(yīng)單位，綜合得出一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，用以評(píng)估污染的嚴(yán)重程度。

基于該方法，結(jié)合我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量：農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）和《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4284—2018）等土壤及沉積物重金屬污染整治過程中常用參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。在分析過程中，使用河北省土壤重金屬背景值作為參照，對(duì)沉積物中常見的6種有害重金屬：As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)沉積物中重金屬的RI值，將潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí)（見表3）。

具體計(jì)算公式如下：

Cif=CisCi0

Eif=Tif·Cif

RI=∑ni=1Eif

式中：Cif為i元素的污染指數(shù)；Cis為i元素濃度的實(shí)測(cè)值；Ci0為i元素的背景值；Eif為i元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tif為i元素的毒性響應(yīng)系數(shù)；RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉積物重金屬地質(zhì)累積指數(shù)法

對(duì)沙河不同區(qū)域采集的表層底泥樣品分析了各重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)，結(jié)果表示沙河表層底泥中Cu、Pb、As金屬元素地質(zhì)累積指數(shù)均小于0，都沒有產(chǎn)生相應(yīng)的元素污染情況。除此之外，Zn元素從G1到G6，Igeo值在逐漸增大，但污染程度不高，并未達(dá)到中度污染。對(duì)于Cd元素，僅有G6點(diǎn)位Igeo值處于0～1，其它均小于0，因此可判斷出污染級(jí)別，即無-中度污染。對(duì)于Hg元素，其在沙河上游區(qū)域G1、G2、G3點(diǎn)位Igeo值均大于1，污染級(jí)別為中度污染，沙河下游三個(gè)點(diǎn)位Igeo值均小于1，為無-中度污染。根據(jù)上述評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)重金屬污染情況排序，從大到小為： Hg、Zn、Cd、Cu、Pb、As，因此分析出該地區(qū)的主次要污染元素，分別是Hg和Cd、Zn。具體地質(zhì)累積指數(shù)及污染級(jí)別如表4所示。

3.2 沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)6種常見有害重金屬（ As、Cd、Cu、Hg、Pb 和 Zn） 在沙河沉積物中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示，表層沉積物重金屬RI均值高低次序依次為：G1 （352.92）＞G3 （193.76）＞G2 （ 169.77）＞G6 （160.51）＞G5 （ 85.47）＞G4 （47.59）。從各金屬對(duì)RI的平均貢獻(xiàn)看，單個(gè)金屬風(fēng)險(xiǎn)值占RI的比例高低次序如圖3（封三）所示：Hg （78.74% ）＞Cd （17.33% ）＞As （1.41% ）＞Zn （1.13% ）＞Pb（0.95% ）＞Cu（0.44% ）?？傮w上沙河上游區(qū)域的RI值要高于下游接近王快水庫的區(qū)域，與各金屬含量趨勢(shì)相近，但由于各金屬毒性響應(yīng)系數(shù)的差Zr5PWjXHOsuYA5Br3A6dww==異，導(dǎo)致RI趨勢(shì)有一定的波動(dòng)。除了G1點(diǎn)位外，其余各點(diǎn)位表層沉積物重金屬RI均值均小于300，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，G1點(diǎn)位位于沙河上游的起始點(diǎn)，水流來自山體泉水沉降，富含多種礦物質(zhì)與重金屬，沉積物重金屬RI值高于300，具有高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Hg金屬的RI值達(dá)到了333.92，達(dá)到極高水平，占比達(dá)到78.74%，是潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的金屬元素。結(jié)合上述重金屬含量分析結(jié)果，該點(diǎn)位各種金屬含量均較高，尤其是對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大的Hg金屬含量顯著高于其他點(diǎn)位，并且該金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)較高，導(dǎo)致該點(diǎn)位潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更為突出。

4 結(jié)論與建議

本研究對(duì)沙河底質(zhì)沉積物中的重金屬污染狀況進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)和分析，通過地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)估。研究結(jié)果揭示了沙河沉積物中重金屬含量的分布特征和污染現(xiàn)狀，并評(píng)估了其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。沙河沉積物中的重金屬含量自上游至下游呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。這表明上游地區(qū)可能是污染物的主要輸入點(diǎn)，隨著河流的流動(dòng)，污染物濃度逐漸降低。根據(jù)地質(zhì)累積指數(shù)法的分析結(jié)果，沙河沉積物中的主要污染元素為汞（Hg）、鎘（Cd）和鋅（Zn）。其中，汞在上游區(qū)域表現(xiàn)出中度污染，而鎘（Cd）和鋅（Zn）雖然在某些點(diǎn)位的地質(zhì)累積指數(shù)值較高，但整體污染程度并未達(dá)到中度污染。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的分析顯示，沙河上游區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)普遍高于下游區(qū)域。特別是G1點(diǎn)位，由于其高含量的汞和相應(yīng)的高毒性，表現(xiàn)出極高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于研究結(jié)果，建議對(duì)沙河上游地區(qū)實(shí)施更為嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管措施，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)排放和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的監(jiān)控，以減少重金屬的輸入。同時(shí)，開展針對(duì)性的污染源調(diào)查，確定高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位的具體污染源，并采取相應(yīng)的治理措施。為了降低沉積物中的重金屬含量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，建議推廣清潔生產(chǎn)技術(shù)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐，減少重金屬的排放。此外，加強(qiáng)公眾教育，提高對(duì)重金屬污染的認(rèn)識(shí)和預(yù)防意識(shí)，也是降低污染風(fēng)險(xiǎn)的重要措施?？紤]到河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，建議建立長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)機(jī)制，定期評(píng)估沙河沉積物中重金屬的含量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的持續(xù)跟蹤和管理。

通過本研究，不僅對(duì)沙河沉積物中的重金屬污染有了更深入的了解，而且為制定有效的環(huán)境保護(hù)策略和管理措施提供了科學(xué)依據(jù)。未來的研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注沙河及其他類似河流的重金屬污染狀況，以促進(jìn)水環(huán)境的持續(xù)改善和生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

王衛(wèi)星，曹淑萍，李攻科，等.天津市州河水質(zhì)及其底泥重金屬污染評(píng)價(jià).物探與化探，2017，41（2）：322-327.

范成新，朱育新，吉志軍，等.太湖宜溧河水系沉積物的重金屬污染特征. 湖泊科學(xué)，2002，14（3）： 235-241.

ZHANG M K，KE Z X.Heavy metals，phosphorus and some other elements in urban soil of Hangzhou City.China Pedosphere，2004，14（2）：177-185．

方盛榮，徐穎，魏曉云，等.典型城市污染水體底泥中重金屬形態(tài)分布和相關(guān)性.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（6）：2066-2070.

張歡.基于地質(zhì)累積指數(shù)法的晉中市榆次區(qū)城市農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià).華北自然資源，2022（5）：142-144.

劉成，黃蔚，古小治，等.白洋淀沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及生物可利用性分析.湖泊科學(xué)，2022，34（6）：1980-1996.

張麗婷，成杭新，謝偉明，等.河北省土壤化學(xué)元素的背景值與基準(zhǔn)值.環(huán)境科學(xué)，2023，44（5）：2817-2828.

徐爭(zhēng)啟，倪師軍，庹先國(guó)，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008（2）：112-115.

Evaluation of heavy metal pollution in the sediments of Shahe River and analysis of potential risks

LI Yao1，2，LIU Zhaoning1，2，YANG Chaochen1，2，MU Jiandong1，2

（1.Hebei Ocean and Fisheries Science Research Institute， Qinhuangdao 066200， China;

2. Hebei Key Laboratory of Marine Biological Resources and Environment， Qinhuangdao 066200， China）

Abstract：To comprehensively evaluate and analyze the heavy metal pollution status and potential ecological risks in the sediments of the Shahe River， six representative sampling sites were selected. Through field investigation， sample collection， and laboratory analysis， the heavy metal elements such as mercury （Hg）， cadmium （Cd）， zinc （Zn）， copper （Cu）， lead （Pb）， and arsenic （As） in the sediment were determined. The3a3a3cef2fc1bfe3150cf1b84baf57e5708e9ebd29b32e761263db0983f2fc02 geo-accumulation index method and potential ecological risk index method were introduced to assess the degree of pollution and ecological risks. The results showed that the content of heavy metals in the sediments of the Shahe River gradually decreased from upstream to downstream， with the main polluting elements being Hg， Cd， and Zn. The geo-accumulation index analysis indicated that Hg showed moderate pollution level in the upstream area， while other heavy metals such as Cu， Pb， and As showed no significant pollution. The potential ecological risk index analysis indicated that the ecological risk in the upstream area of the Shahe River was higher than that in the downstream area， especially at site G1， where the potential ecological risk index of heavy metals was much higher than those of other sites， which was related to the high content and high toxicity of Hg.

Key words：sediment; heavy metal pollution; geo-accumulation index; potential ecological risk

（收稿日期：2024-07-22）