烏魯木齊水磨河沿岸土壤與河底沉積物重金屬污染研究.pdf

1、城市河流具有水源補(bǔ)給、排澇泄洪和為生物提供棲息地的作用，特別是位于干旱區(qū)核心城市中的河流還在氣候調(diào)節(jié)與景觀美化方面扮演重要角色，但由于城市生態(tài)系統(tǒng)的高度工業(yè)化與功能多樣性，導(dǎo)致作為城市血脈的河流具有很多潛在的污染源，近年來(lái)流域尺度的土壤和沉積物重金屬污染特征及評(píng)價(jià)成為污染生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　本文選擇干旱區(qū)典型城市河流烏魯木齊市水磨河為研究靶區(qū)，以水磨河河岸帶土壤及河底表層沉積物為研究對(duì)象，結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)方法理論，

2、重點(diǎn)研究了：（1）沿岸土壤重金屬污染特征及評(píng)價(jià)；（2）河底沉積物重金屬污染特征及評(píng)價(jià)；（3）土壤與沉積物重金屬的相互關(guān)系；（4）水磨河重金屬環(huán)境容量。主要研究結(jié)果如下：
　　1.沿岸土壤重金屬污染特征及評(píng)價(jià)
　　（1）水磨河沿岸土壤中砷(As)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)和釩(V)8種重金屬元素超出背景值，其中As、Pb和Zn的變異系數(shù)大于35％，為中等變異，表明水磨河沿岸存在以上

3、重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。Pb、Ni、Co和V具有較高的土壤重金屬富集系數(shù)，而Fe和Mn的富集系數(shù)平均值接近于1，說(shuō)明這兩種元素可能來(lái)自于成土母質(zhì)。水磨河沿岸區(qū)域，住宅區(qū)和工廠區(qū)具有高的土壤Pb和Zn，而工業(yè)廢棄物的排放主要包含有Pb和Zn等大量重金屬污染，路旁裸地除Co含量最高外，其余土壤重金屬元素Pb、Zn、Cu和V均處于高水平。
　?。?）在土層的垂直分層中：As、Cu和Co呈下層（40~60 cm）聚集特征；Ni、Fe、Mn、Cr和

4、V呈中層聚集（20~40 cm）特征；而Pb和Zn則表現(xiàn)出表層聚集（0~20 cm）特征。在各土層中，各重金屬元素的分布均為：土壤重金屬元素按含量大小排序?yàn)?Fe＞Mn＞Co＞V＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As。
　?。?）結(jié)合表層重金屬元素及采樣點(diǎn)分布圖發(fā)現(xiàn)，表層重金屬含量高值點(diǎn)分布位置基本相似，在河流南端（上游硫磺溝附近）高值點(diǎn)比較集中。表層As含量較少，平均值12.69 mg/kg，青格達(dá)湖往上游方向As含量整體較低，米

5、東區(qū)附近出現(xiàn)高值點(diǎn)，最大值達(dá)43.49 mg/kg；Pb和Zn分布狀況基本一致，與Cu高值點(diǎn)有一處重合，結(jié)合經(jīng)緯度發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)位于塔橋?yàn)乘畮?kù)附近，其中Pb和Zn的高值點(diǎn)還出現(xiàn)在塔橋?yàn)乘畮?kù)和九道灣水庫(kù)附近；Ni、Co、Fe、Mn、Cr及V含量的分布現(xiàn)象總體相似，高值點(diǎn)所呈現(xiàn)的規(guī)律與河道基本一致，高值點(diǎn)主要集中在青格達(dá)湖、塔橋?yàn)乘畮?kù)、九道灣水庫(kù)和硫磺溝。
　?。?）水磨河沿岸不同土層As、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr和V的單因子污染指數(shù)平

6、均值都大于1，僅有Mn的單因子污染指數(shù)平均值小于1，污染程度的順序依次為Pb＞Ni＞V＞Cu＞Zn＞As＞Cr＞Mn，說(shuō)明研究區(qū)Pb和Ni受到人類活動(dòng)的干擾較大，尤以水磨河上游干擾最大；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，水磨河沿岸不同土層的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別為4.31、3.88和4.55，均大于3，處于重污染水平；地累積指數(shù)法整體結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)土壤重金屬以清潔為主，但Pb和Ni存在一定的積累現(xiàn)象，處于輕度污染程度；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表

7、明，研究區(qū)As、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、V和Mn單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均低于12，遠(yuǎn)小于40；研究區(qū)土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害程度都較低，處于低水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；指示克里格方法表明，整體來(lái)看水磨河沿岸土壤環(huán)境質(zhì)量尚好，但Pb和V已成面狀分布，應(yīng)引起重視。
　　2.河底沉積物重金屬污染特征及評(píng)價(jià)
　?。?）從水磨河的表層沉積物的重金屬含量等值線分布圖可知，土壤重金屬As的含量表現(xiàn)為下游含量高于上游，有一定的富集作用；另外在

8、人類活動(dòng)頻繁以及工業(yè)區(qū)Pb、Zn和Cu的含量會(huì)急劇增加；而重金屬元素Ni則表現(xiàn)的有所不同；重金屬元素Fe在整個(gè)研究范圍內(nèi)含量分布趨于均一；重金屬元素Mn、Cr與V在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布無(wú)明顯規(guī)律。河底沉積物重金屬污染嚴(yán)重的地方是七道灣至葦湖梁附近。通過(guò)聚類分析得到，水磨河河底表層沉積物主要受到As、Zn、Cu和Fe的污染。
　?。?）地累積指數(shù)表明，除Mn、Cr處于偏中度及中度水平，其余6種元素均處于輕度水平，可見(jiàn)及時(shí)的防御措施介入，

9、對(duì)水磨河沿岸沉積物的重金屬污染控制的必要性；污染負(fù)荷指數(shù)法結(jié)果表明，水磨河流域河底表層沉積物整體上受到中度污染；單一重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)顯示，5種重金屬的風(fēng)險(xiǎn)因子程度分級(jí)都處于低值水平，說(shuō)明單一重金屬對(duì)水域的潛在威脅較??；從總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)看，水磨河流域沉積物對(duì)水域環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處在較低水平，只有Pb和As對(duì)水域環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分別處在中度及較高水平；沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)法結(jié)果表明，Cu和Ni對(duì)水磨河生物會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的危害，其它重金屬元

10、素對(duì)水磨河生物潛在危害性不強(qiáng)。
　　3.沿岸土壤與河底沉積物重金屬相互關(guān)系
　　（1）對(duì)河岸帶表層土壤與其沉積物的相關(guān)性進(jìn)行研究表明，河岸帶表層土壤中Cu含量與沉積物中重金屬Cu含量呈顯著正相關(guān)性（P＜0.05），而河岸帶表層土壤中Cr含量與沉積物中重金屬Cr含量達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。
　?。?）對(duì)河岸帶表層土壤重金屬含量和河流沉積物中的Zn、Cu、Ni、Cr和 V等5種重金屬進(jìn)行回歸分析，得知Cu和Cr均隨

11、著沿岸土壤重金屬含量的升高而升高，其中Cu為顯著相關(guān)，Cr達(dá)到極顯著相關(guān)；其余三種重金屬元素（Zn、Ni和V）在兩種介質(zhì)中擬合函數(shù)均符合二次函數(shù)，沉積物中重金屬元素含量隨著河岸帶表層土壤中的含量升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，其決定系數(shù)分別為0.1726、0.1266和0.1515。
　　4.水磨河重金屬環(huán)境容量
　　（1）靜態(tài)年容量方法分析水磨河沿岸土壤重金屬，結(jié)果顯示水磨河沿岸不同深度土層的土壤靜態(tài)年容量排序?yàn)椋篜b＞Cr(水

12、田)＞Zn＞Cr(旱地)＞Cu＞Ni＞As(旱地)＞As(水田)。其中Pb的靜態(tài)環(huán)境容量最大，最大值達(dá)743.57 kg/hm2，而As(水田)的靜態(tài)環(huán)境容量最小，最小值為15.08 kg/hm2。
　?。?）動(dòng)態(tài)年容量方法分析水磨河沿岸土壤重金屬。其土壤重金屬元素的平均動(dòng)態(tài)年容量的順序依次為：Pb＞Cr(水田)＞Zn＞Cr(旱地)＞Cu＞Ni＞As(旱地)＞As(水田)；水磨河沿岸土壤中各重金屬元素的年環(huán)境容量控制上限依次為：P

13、b:87.50 kg/(hm2·a)、Zn:75.00 kg/(hm2·a)、Cu:25.00 kg/(hm2·a)、Ni:15.00 kg/(hm2·a)、Cr(旱地):62.50kg/(hm2·a)、Cr(水田):87.50 kg/(hm2·a)、As(旱地):6.25 kg/(hm2·a)和As(水田):5.00 kg/(hm2·a)?？刂颇晗逓?0 a至25 a的動(dòng)態(tài)環(huán)境容量降幅較大；50 a、75 a和100 a時(shí)，各土層重金