珠江流域沉积物重金属污染特征、生态风险及来源解析

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.2.47

摘要/Abstract

摘要：

沉积物中重金属的富集威胁着珠江流域水环境的安全。研究珠江流域沉积物中重金属污染状况可以为流域沉积物重金属污染防治和水环境科学管理提供支撑。收集了2009—2022 年发表的珠江流域沉积物中重金属(As、Cd、Pb、Cr、Cu和Zn)含量的数据,运用数理统计分析、相关性分析和正交矩阵分解模型(PMF)探讨了珠江流域沉积物中重金属的分布特征和污染来源,采用地累积指数和潜在生态风险指数法对重金属污染程度和生态风险进行了评价。结果表明,珠江流域沉积物中As、Cd、Pb、Cr、Cu和Zn平均含量分别为49.29、2.76、63.97、67.44、48.72和186.60 mg·kg^-1,其中As、Cd、Pb和Zn超过了中国南方水系沉积物均值,而Cu和Cr接近中国南方水系沉积物均值。珠江流域沉积物中Cd和As污染最为严重,其中Cd主要为偏中度-中度污染,As主要为轻度-偏中度污染,其余重金属主要为轻度-无污染。沉积物重金属单因子危害指数排序为:Cd>As>Pb>Cu>Zn>Cr。Cd在整个珠江流域内都表现出较为严重的危害程度,贡献了生态风险指数的70.73%~93.73%;As在西江、南北盘江和珠江三角洲危害程度均为中等;其余重金属Pb、Cr、Cu和Zn危害程度均为轻微。PMF解析结果表明,沉积物中重金属主要来源为矿业活动和农业活动的复合污染源、燃煤和工业活动污染源、大气沉降和交通污染源以及自然源,贡献分别为21%、17%、35%和27%,其中前三者均属于人为来源,贡献累计可达73%。Cd和As主要受到矿业活动、工业活动和农业活动的影响,Pb主要来源于交通污染和矿业活动,Cr主要为自然源,而Cu和Zn来源比较复杂,受到4种来源的综合影响。

关键词: 珠江流域, 沉积物, 重金属, 生态风险, 源解析

Abstract:

The enrichment of heavy metals in sediments poses a serious threat to the aquatic environment of the Pearl River Basin. Exploring heavy metal pollution in the sediments of the Pearl River Basin is crucial for preventing and controlling such pollution and for supporting the scientific management of the aquatic environment. Data on the contents of heavy metals (As, Cd, Pb, Cr, Cu, and Zn) in the sediments of the Pearl River Basin published from 2009 to 2022 were collected. Through mathematical statistical analysis, correlation analysis, and positive matrix factorization (PMF) modeling, we discussed the distribution characteristics and pollution sources of heavy metals in the sediments of the Pearl River Basin. We also evaluated the pollution degree and ecological risk of heavy metals based on the geo-accumulation index and potential ecological risk index. The results revealed that the average content of As, Cd, Pb, Cr, Cu, and Zn in the sediments of the Pearl River Basin were 49.29, 2.76, 63.97, 67.44, 48.72, and 186.60 mg·kg^-1, respectively. Among them, As, Cd, Pb, and Zn exceeded the average values of stream sediments in southern China, while Cu and Cr were close to the average values of stream sediments in southern China. The pollution of Cd and As in the sediments of the Pearl River Basin is the most serious, with Cd classified as mild to moderate degree and As mainly at a slight degree, while the other four heavy metals showed no pollution. The order of single-factor hazard index of heavy metals in sediments was: Cd>As>Pb>Cu>Zn>Cr, with Cd showing a serious damage level throughout the Pearl River Basin, contributing 70.73% to 93.73% of the ecological risk index. The damage level of As in the Xijiang River, Nanbeipan River, and Pearl River Delta was moderate, while the damage level of other heavy metals such as Pb, Cr, Cu, and Zn was slight. The results of the PMF analysis indicated that the main sources of heavy metals in sediments were the combined pollution sources of mining activities and agricultural activities, coal and industrial activities, atmospheric deposition and traffic pollution sources, and natural sources, with contributions of 21%, 17%, 35%, and 27%, respectively. The first three were all anthropogenic sources, with a cumulative contribution of 73%. Cd and As were mainly derived from mining activities, industrial activities, and agricultural activities. Pb was primarily derived from traffic pollution and mining activities. Cr mainly originated from natural sources, while Cu and Zn were influenced by all four sources.

Key words: Pearl River Basin, sediment, heavy metals, ecological risk, source analysis

中图分类号:

涂春霖, 和成忠, 马一奇, 尹林虎, 陶兰初, 杨明花. 珠江流域沉积物重金属污染特征、生态风险及来源解析[J]. 地学前缘, 2024, 31(3): 410-419.

TU Chunlin, HE Chengzhong, MA Yiqi, YIN Linhu, TAO Lanchu, YANG Minghua. Pollution Characteristics, Ecological risk and source apportionment of heavy metals in sediments of the Pearl River Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(3): 410-419.

图/表 12

图1 珠江流域沉积物采样点分布示意

Fig.1 Location and distribution of sediment sampling points in the Pearl River Basin

表1 重金属污染级别

Table 1 Levels of heavy metal contamination

污染程度	分级	I_geo	污染程度	分级	I_geo
无污染	0	≤0	偏重度污染	4	>3~4
轻度污染	1	>0~1	重度污染	5	>4~5
偏中度污染	2	>1~2	严重污染	6	>5
中度污染	3	>2~3

表2 潜在生态风险评估指标与等级划分

Table 2 Indicators and classification of potential ecological risk assessment

$E i r$	危害程度	RI	危害程度
$E i r$ <40	轻微	RI<150	轻微
40≤ $E i r$ <80	中等	150≤RI<300	中等
80≤ $E i r$ <160	强	300≤RI<600	强
160≤ $E i r$ <320	很强	RI≥600	很强
$E i r$ ≥320	极强

表2 潜在生态风险评估指标与等级划分

Table 2 Indicators and classification of potential ecological risk assessment

$E i r$	危害程度	RI	危害程度
$E i r$ <40	轻微	RI<150	轻微
40≤ $E i r$ <80	中等	150≤RI<300	中等
80≤ $E i r$ <160	强	300≤RI<600	强
160≤ $E i r$ <320	很强	RI≥600	很强
$E i r$ ≥320	极强

表3 珠江流域沉积物重金属含量描述性统计

Table 3 Descriptive statistics of heavy metal content in sediments of Pearl River Basin

统计量	各重金属统计量的值
统计量	As	Cd	Pb	Cr	Cu	Zn
最小值	0.03	0.01	1.79	2.00	4.38	11.78
最大值	388.57	46.70	267.91	221.03	276.00	977.30
均值	49.29	2.76	63.97	67.44	48.72	186.60
中值	22.51	0.89	40.30	59.50	34.22	109.26
众数	9.76^a	0.01	19.51^a	96.26	43.50	94.21^a
偏度	2.48	4.15	1.61	1.01	2.35	1.96
峰度	6.38	21.99	1.83	1.04	7.46	3.83
标准差	64.65	5.36	58.08	42.88	41.80	179.63
变异系数	1.31	1.94	0.91	0.64	0.86	0.96
珠江沉积物重金属含量^[28]	17	0.09	30	86	38	85
中国南方沉积物重金属含量^[23]	13.1	0.23	32.30	67	25	81
土壤风险筛选值	30	0.3	120	200	100	250

图2 珠江二级流域沉积物中重金属分布

Fig.2 Distribution of heavy metals in sediments of secondary watersheds in the Pearl River Basin

表4 珠江流域沉积物中各重金属地累积指数

Table 4 Average values of the geo-accumulation index of heavy metals in the sediments of the Pearl River Basin

重金属	I_geo平均值
重金属	北江流域	西江流域	东江流域	南北盘江流域	红柳江流域	郁江流域	珠江三角洲	珠江流域
As	-0.40	0.86	0.35	1.01	0.52	-0.17	0.49	0.44
Cd	2.91	1.79	1.92	-0.21	1.46	0.54	2.76	1.55
Pb	0.76	-0.07	0.09	0.07	-0.65	-0.61	0.56	-0.12
Cr	-1.33	-1.19	-1.22	-1.25	-1.32	-0.29	-0.51	-0.94
Cu	0.18	0.01	-0.33	0.11	-0.46	-0.40	0.70	-0.03
Zn	1.11	0.14	-0.46	-0.07	-0.24	-0.55	1.15	0.10
平均值	0.54	0.26	0.06	-0.06	-0.11	-0.25	0.86	0.17

图3 珠江流域沉积物重金属的地累积指数

Fig.3 Evaluation of the geo-accumulation index of heavy metals in the sediments of the Pearl River Basin

图4 珠江二级流域沉积物重金属地累积指数箱线图

Fig.4 Boxplot of geo-accumulation index of heavy metals in sediments of secondary watersheds in Pearl River Basin

表5 珠江流域沉积物中各重金属的潜在生态危害系数和总的潜在生态风险指数值

Table 5 Ecological hazard coefficient and potential ecological risk index of the heavy metals in sediments of Pearl River Basin

重金属	潜在生态危害系数 $E i r$
重金属	北江流域	西江流域	东江流域	南北盘江流域	红柳江流域	郁江流域	珠江三角洲	珠江流域
As	27.09	52.34	32.89	47.29	21.66	14.53	41.39	37.63
Cd	909.69	337.58	196.44	247.75	115.44	70.76	675.65	359.62
Pb	16.07	10.42	15.35	9.90	4.19	5.09	12.10	9.90
Cr	1.38	1.67	1.89	2.54	1.51	2.6	2.41	2.01
Cu	11.49	10	9.32	9.36	7.4	5.99	15.5	9.74
Zn	4.83	2.19	1.56	1.75	1.76	1.07	4.22	2.30
RI	970.55	414.20	257.45	318.59	151.96	100.04	751.27	421.2

表5 珠江流域沉积物中各重金属的潜在生态危害系数和总的潜在生态风险指数值

Table 5 Ecological hazard coefficient and potential ecological risk index of the heavy metals in sediments of Pearl River Basin

重金属	潜在生态危害系数 $E i r$
重金属	北江流域	西江流域	东江流域	南北盘江流域	红柳江流域	郁江流域	珠江三角洲	珠江流域
As	27.09	52.34	32.89	47.29	21.66	14.53	41.39	37.63
Cd	909.69	337.58	196.44	247.75	115.44	70.76	675.65	359.62
Pb	16.07	10.42	15.35	9.90	4.19	5.09	12.10	9.90
Cr	1.38	1.67	1.89	2.54	1.51	2.6	2.41	2.01
Cu	11.49	10	9.32	9.36	7.4	5.99	15.5	9.74
Zn	4.83	2.19	1.56	1.75	1.76	1.07	4.22	2.30
RI	970.55	414.20	257.45	318.59	151.96	100.04	751.27	421.2

图5 珠江及其二级流域沉积物重金属生态风险指数

Fig.5 Ecological risk index of heavy metals in sediments of Pearl River Basin and its secondary watersheds

表6 珠江流域沉积物各重金属相关性分析

Table 6 Correlation coefficients between the heavy metals in the sediments of Pearl River Basin

重金属	各重金属间的相关系数
重金属	As	Cd	Pb	Cr	Cu	Zn
As	1
Cd	0.41^**	1
Pb	0.59^**	0.57^**	1
Cr	0.18^**	0.14^*	0.20^**	1
Cu	0.43^**	0.27^**	0.41^**	0.43^**	1
Zn	0.59^**	0.64^**	0.68^**	0.20^**	0.49^**	1

图6 各污染源因子对沉积物中重金属含量的贡献率

Fig.6 Contribution of each source factor to the heavy metal content in the sediments of Pearl River Basin

参考文献 53

[1]	宁增平, 蓝小龙, 黄正玉, 等. 贺江水系沉积物重金属空间分布特征、来源及潜在生态风险[J]. 中国环境科学, 2017, 37(8): 3036-3047.
[2]	散剑娣, 蔡德所, 靖志浩, 等. 龙江河沉积物重金属污染特征及生态风险评价[J]. 人民长江, 2021, 52(11): 34-41.
[3]	黄志伟, 李文静, 李伟杰, 等. 东江流域土壤重金属污染特征及潜在风险评价[J]. 农业环境科学学报, 2022, 41(3): 504-515.
[4]	尚婷, 朱赖民, 高志友, 等. 南海表层沉积物铅的环境质量状况及其来源的铅同位素示踪[J]. 地质论评, 2008, 54(1): 71-81.
[5]	SHEN F, MAO L J, SUN R X, et al. Contamination evaluation and source identification of heavy metals in the sediments from the Lishui River Watershed, southern China[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019, 16(3): 336.
[6]	SALAM M A, PAUL S C, SHAARI F I, et al. Geostatistical distribution and contamination status of heavy metals in the sediment of Perak River, Malaysia[J]. Hydrology, 2019, 6(2): 30.
[7]	周笑白, 梅鹏蔚, 彭露露, 等. 渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 452-456. DOI
[8]	靖娟利, 徐勇, 王永锋, 等. 1960—2019年珠江流域多尺度旱涝特征研究[J]. 农业现代化研究, 2021, 42(3): 557-569.
[9]	韦彬, 侯青叶, 唐志敏, 等. 珠江水系沉积物重金属元素背景值估算及污染特征分析[J]. 现代地质, 2019, 33(2): 293-304.
[10]	许振成, 杨晓云, 温勇, 等. 北江中上游底泥重金属污染及其潜在生态危害评价[J]. 环境科学, 2009, 30(11): 3262-3268.
[11]	胡金妹, 罗莹华, 周淑婷, 等. 韶关北江河沉积物重金属污染调查与评价[J]. 安徽农学通报, 2014, 20(22): 86-89.
[12]	李红玉, 赵彦龙, 梁永津, 等. 北江干流沉积物重金属污染生态风险评价[J]. 广东微量元素科学, 2014, 21(7): 1-5.
[13]	马海涛, 任重, 王丽, 等. 大燕河沉积物重金属污染特征及生态风险分析[J]. 人民珠江, 2014, 35(5): 56-59.
[14]	罗锋, 华松林, 王兴, 等. 东莞水库底泥重金属污染及潜在生态风险评价[J]. 环境科学与技术, 2018, 41(2): 183-188, 196.
[15]	王艳捷, 宋乾武, 陈洪伟, 等. 东江下游水环境重金属污染特征及现状评价[J]. 水资源保护, 2012, 28(5): 34-37, 47.
[16]	梁永津, 党永锋, 赵彦龙, 等. 贺江水系沉积物重金属污染特征及生态风险评价[C]//《环境工程》编委会. 《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册). 北京: 《工业建筑》杂志社, 2018: 168-174, 181.
[17]	阳金希, 张彦峰, 祝凌燕. 中国七大水系沉积物中典型重金属生态风险评估[J]. 环境科学研究, 2017, 30(3): 423-432.
[18]	刘孝严, 樊亚男, 刘鹏, 等. 基于文献计量分析的长江经济带农田土壤重金属污染特征[J]. 环境科学, 2022, 43(11): 5169-5179.
[19]	庞阔, 李敏, 刘璐, 等. 基于蒙特卡洛模拟与PMF模型的黄河流域沉积物重金属污染评价及源解析[J]. 环境科学, 2022, 43(8): 4008-4017.
[20]	张诗晓, 张浚茂, 张文康, 等. 泛珠江流域土地利用时空变化特征及驱动因子[J]. 应用生态学报, 2020, 31(2): 573-580.
[21]	赵良杰, 杨杨, 曹建文, 等. 珠江流域地下水资源评价及问题分析[J]. 中国地质, 2021, 48(4): 1020-1031.
[22]	刘巍, 杨建军, 汪君, 等. 准东煤田露天矿区土壤重金属污染现状评价及来源分析[J]. 环境科学, 2016, 37(5): 1938-1945.
[23]	程志中, 谢学锦, 潘含江, 等. 中国南方地区水系沉积物中元素丰度[J]. 地学前缘, 2011, 18(5): 289-295.
[24]	许艳, 王秋璐, 曾容, 等. 渤海湾表层沉积物重金属污染状况及年际变化分析[J]. 中国环境科学, 2022, 42(9): 4255-4263.
[25]	赵玉庭, 董晓晓, 王立明, 等. 海洋沉积物重金属生态风险评价方法比较及实例验证: 以莱州湾为例[J]. 海洋通报, 2019, 38(3): 353-360.
[26]	李娇, 滕彦国, 吴劲, 等. PMF模型解析土壤重金属来源的不确定性[J]. 中国环境科学, 2020, 40(2): 716-725.
[27]	柴磊, 王新, 马良, 等. 基于PMF模型的兰州耕地土壤重金属来源解析[J]. 中国环境科学, 2020, 40(9): 3919-3929.
[28]	迟清华, 鄢明才. 应用地球化学元素丰度数据手册[M]. 北京: 地质出版社, 2007.
[29]	比拉力·依明, 阿不都艾尼·阿不里, 师庆东, 等. 基于PMF模型的准东煤矿周围土壤重金属污染及来源解析[J]. 农业工程学报, 2019, 35(9): 185-192.
[30]	WANG Y Z, DUAN X J, WANG L. Spatial distribution and source analysis of heavy metals in soils influenced by industrial enterprise distribution: case study in Jiangsu Province[J]. Science of the Total Environment, 2020, 710: 134953.
[31]	刘庆, 王静, 史衍玺, 等. 浙江省慈溪市农田土壤重金属污染初步研究[J]. 农业环境科学学报, 2007, 26(2): 639-644.
[32]	宋波, 杨子杰, 张云霞, 等. 广西西江流域土壤镉含量特征及风险评估[J]. 环境科学, 2018, 39(4): 1888-1900.
[33]	朱爱萍, 陈建耀, 江涛, 等. 北江流域横石河-翁江沿岸土壤重金属污染特征分析[J]. 中国环境科学, 2015, 35(2): 506-515.
[34]	高磊, 陈建耀, 柯志庭, 等. 东莞石马河流域重金属污染及生态毒性的时空差异[J]. 环境科学, 2013, 34(8): 3079-3087.
[35]	宁增平, 肖青相, 蓝小龙, 等. 都柳江水系沉积物锑等重金属空间分布特征及生态风险[J]. 环境科学, 2017, 38(7): 2784-2792.
[36]	李旗, 白凯华, 姜大伟, 等. 漓江上游青狮潭灌区干支渠沉积物重金属分布规律及来源解析[J]. 中国农村水利水电, 2022(7): 16-24.
[37]	蓝小龙, 宁增平, 肖青相, 等. 广西龙江沉积物重金属污染现状及生物有效性[J]. 环境科学, 2018, 39(2): 748-757.
[38]	李杰, 王英辉, 刘枝刚, 等. 漓江桂林市区段沉积物重金属环境地球化学特征[J]. 地球与环境, 2011, 39(4): 456-463.
[39]	XU L, DAI H P, SKUZA L, et al. Integrated survey on the heavy metal distribution, sources and risk assessment of soil in a commonly developed industrial area[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2022, 236: 113462.
[40]	朱青青, 王中良. 中国主要水系沉积物中重金属分布特征及来源分析[J]. 地球与环境, 2012, 40(3): 305-313.
[41]	钟晓宇, 吴天生, 李杰, 等. 柳江流域沉积物重金属生态风险评价及来源分析[J]. 物探与化探, 2020, 44(1): 191-198.
[42]	李勇, 周永章, 窦磊, 等. 基于多元统计和傅立叶和谱分析的土壤重金属的来源解析及其风险评价[J]. 地学前缘, 2010, 17(4): 253-261.
[43]	王增辉. 鲁西南平原区大气干湿沉降元素输入通量及来源浅析: 以巨野县为例[J]. 物探与化探, 2020, 44(4): 839-846.
[44]	王学松, 秦勇. 徐州城市表层土壤中重金属元素的富积特征与来源识别[J]. 中国矿业大学学报, 2006, 35(1): 84-88.
[45]	邵莉, 肖化云, 吴代赦, 等. 交通源重金属污染研究进展[J]. 地球与环境, 2012, 40(3): 445-459.
[46]	成晓梦, 孙彬彬, 吴超, 等. 浙中典型硫铁矿区农田土壤重金属含量特征及健康风险[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 442-453.
[47]	马舒欣, 乔永民, 唐梦瑶, 等. 广州市主要湖泊沉积物重金属污染与生态风险评价[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(5): 600-607.
[48]	汤新武, 蔡德所, 姚文婷, 等. 贺江中下游硅藻群落特征及其与重金属的关系[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2014, 36(6): 28-32.
[49]	李星谕, 李朋, 苏业旺, 等. 汤逊湖表层沉积物重金属污染与潜在生态风险评价[J]. 环境科学, 2022, 43(2): 859-866.
[50]	夏学齐, 季峻峰, 杨忠芳, 等. 母岩类型对土壤和沉积物镉背景的控制: 以贵州为例[J]. 地学前缘, 2022, 29(4): 438-447. DOI
[51]	CHEN H Y, TENG Y G, LU S J, et al. Contamination features and health risk of soil heavy metals in China[J]. Science of the Total Environment, 2015, 512/513: 143-153.
[52]	谢学锦, 程志中, 张立生, 等. 中国西南地区76 种元素地球化学图集[M]. 北京: 地质出版社, 2008.
[53]	谢文平, 王少冰, 朱新平, 等. 珠江下游河段沉积物中重金属含量及污染评价[J]. 环境科学, 2012, 33(6): 1808-1815.