论文部分内容阅读
城市河流具有水源补给、排涝泄洪和为生物提供栖息地的作用，特别是位于干旱区核心城市中的河流还在气候调节与景观美化方面扮演重要角色，但由于城市生态系统的高度工业化与功能多样性，导致作为城市血脉的河流具有很多潜在的污染源，近年来流域尺度的土壤和沉积物重金属污染特征及评价成为污染生态学的热点问题。 本文选择干旱区典型城市河流乌鲁木齐市水磨河为研究靶区，以水磨河河岸带土壤及河底表层沉积物为研究对象，结合经典统计学与地统计学相关方法理论，重点研究了：（1）沿岸土壤重金属污染特征及评价；（2）河底沉积物重金属污染特征及评价；（3）土壤与沉积物重金属的相互关系；（4）水磨河重金属环境容量。主要研究结果如下： 1.沿岸土壤重金属污染特征及评价 （1）水磨河沿岸土壤中砷(As)、铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)和钒(V)8种重金属元素超出背景值，其中As、Pb和Zn的变异系数大于35％，为中等变异，表明水磨河沿岸存在以上重金属污染风险。Pb、Ni、Co和V具有较高的土壤重金属富集系数，而Fe和Mn的富集系数平均值接近于1，说明这两种元素可能来自于成土母质。水磨河沿岸区域，住宅区和工厂区具有高的土壤Pb和Zn，而工业废弃物的排放主要包含有Pb和Zn等大量重金属污染，路旁裸地除Co含量最高外，其余土壤重金属元素Pb、Zn、Cu和V均处于高水平。 （2）在土层的垂直分层中：As、Cu和Co呈下层（40~60 cm）聚集特征；Ni、Fe、Mn、Cr和V呈中层聚集（20~40 cm）特征；而Pb和Zn则表现出表层聚集（0~20 cm）特征。在各土层中，各重金属元素的分布均为：土壤重金属元素按含量大小排序为 Fe＞Mn＞Co＞V＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As。 （3）结合表层重金属元素及采样点分布图发现，表层重金属含量高值点分布位置基本相似，在河流南端（上游硫磺沟附近）高值点比较集中。表层As含量较少，平均值12.69 mg/kg，青格达湖往上游方向As含量整体较低，米东区附近出现高值点，最大值达43.49 mg/kg；Pb和Zn分布状况基本一致，与Cu高值点有一处重合，结合经纬度发现该点位于塔桥湾水库附近，其中Pb和Zn的高值点还出现在塔桥湾水库和九道湾水库附近；Ni、Co、Fe、Mn、Cr及V含量的分布现象总体相似，高值点所呈现的规律与河道基本一致，高值点主要集中在青格达湖、塔桥湾水库、九道湾水库和硫磺沟。 （4）水磨河沿岸不同土层As、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr和V的单因子污染指数平均值都大于1，仅有Mn的单因子污染指数平均值小于1，污染程度的顺序依次为Pb＞Ni＞V＞Cu＞Zn＞As＞Cr＞Mn，说明研究区Pb和Ni受到人类活动的干扰较大，尤以水磨河上游干扰最大；内梅罗综合污染指数计算结果表明，水磨河沿岸不同土层的内梅罗综合污染指数分别为4.31、3.88和4.55，均大于3，处于重污染水平；地累积指数法整体结果来看，研究区土壤重金属以清洁为主，但Pb和Ni存在一定的积累现象，处于轻度污染程度；潜在生态风险评价表明，研究区As、Pb、Zn、Cu、Ni、Cr、V和Mn单因子潜在生态风险系数均低于12，远小于40；研究区土壤中重金属的潜在生态危害程度都较低，处于低水平的生态风险；指示克里格方法表明，整体来看水磨河沿岸土壤环境质量尚好，但Pb和V已成面状分布，应引起重视。 2.河底沉积物重金属污染特征及评价 （1）从水磨河的表层沉积物的重金属含量等值线分布图可知，土壤重金属As的含量表现为下游含量高于上游，有一定的富集作用；另外在人类活动频繁以及工业区Pb、Zn和Cu的含量会急剧增加；而重金属元素Ni则表现的有所不同；重金属元素Fe在整个研究范围内含量分布趋于均一；重金属元素Mn、Cr与V在整个区域内的分布无明显规律。河底沉积物重金属污染严重的地方是七道湾至苇湖梁附近。通过聚类分析得到，水磨河河底表层沉积物主要受到As、Zn、Cu和Fe的污染。 （2）地累积指数表明，除Mn、Cr处于偏中度及中度水平，其余6种元素均处于轻度水平，可见及时的防御措施介入，对水磨河沿岸沉积物的重金属污染控制的必要性；污染负荷指数法结果表明，水磨河流域河底表层沉积物整体上受到中度污染；单一重金属生态风险指数显示，5种重金属的风险因子程度分级都处于低值水平，说明单一重金属对水域的潜在威胁较小；从总的潜在生态风险看，水磨河流域沉积物对水域环境的潜在生态风险处在较低水平，只有Pb和As对水域环境的潜在生态风险分别处在中度及较高水平；沉积物环境质量基准法结果表明，Cu和Ni对水磨河生物会产生较强的危害，其它重金属元素对水磨河生物潜在危害性不强。 3.沿岸土壤与河底沉积物重金属相互关系 （1）对河岸带表层土壤与其沉积物的相关性进行研究表明，河岸带表层土壤中Cu含量与沉积物中重金属Cu含量呈显著正相关性（P＜0.05），而河岸带表层土壤中Cr含量与沉积物中重金属Cr含量达到极显著水平（P＜0.01）。 （2）对河岸带表层土壤重金属含量和河流沉积物中的Zn、Cu、Ni、Cr和 V等5种重金属进行回归分析，得知Cu和Cr均随着沿岸土壤重金属含量的升高而升高，其中Cu为显著相关，Cr达到极显著相关；其余三种重金属元素（Zn、Ni和V）在两种介质中拟合函数均符合二次函数，沉积物中重金属元素含量随着河岸带表层土壤中的含量升高呈先增大后减小的趋势，其决定系数分别为0.1726、0.1266和0.1515。 4.水磨河重金属环境容量 （1）静态年容量方法分析水磨河沿岸土壤重金属，结果显示水磨河沿岸不同深度土层的土壤静态年容量排序为：Pb＞Cr(水田)＞Zn＞Cr(旱地)＞Cu＞Ni＞As(旱地)＞As(水田)。其中Pb的静态环境容量最大，最大值达743.57 kg/hm2，而As(水田)的静态环境容量最小，最小值为15.08 kg/hm2。 （2）动态年容量方法分析水磨河沿岸土壤重金属。其土壤重金属元素的平均动态年容量的顺序依次为：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属元素的年环境容量控制上限依次为：Pb: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)。控制年限为10 a至25 a的动态环境容量降幅较大；50 a、75 a和100 a时，各土层重金属元素的动态年环境容量已近相等。 （3）沉积物对某种重金属元素的承载力主要有：在23个河底表层沉积物的样品中，元素As在13个点位Cec＞1，有较高的承载力；Pb在近96%的样点均具备高承载力能力；Zn在12号位Cec＜0、Ni在4号位Cec＜0，说明土壤对它们已没有承载力，已经超标；Cu在26%的样点具有高承载力特征；Ni在4号位已无承载力，但26%的样点具有较高的环境承载力；Cr在近70%的样点具备高承载能力。