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摘要[目的]评估灌溉水源底泥重金属污染水平及其潜在的生态风险。[方法]在广东省中山市主要灌溉水源洪奇沥和横琴海沿线采集6个底泥样品，测定Pb、Cd、Cr、As、Hg 5种重金属的含量水平，分析其分布特征，并采用综合指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对底泥中重金属污染状况和潜在生态风险进行了评价。[结果]中山市主要灌溉水源底泥存在重金属复合污染情况，样品中Pb、Cd、Cr、As、Hg含量均高于参比值，洪奇沥底泥中，5种重金属富集程度从大到小依次为Hg、Cd、Cr、Pb、As，横琴海底泥中，5种重金属富集程度从大到小依次为Cd、Cr、Hg、As、Pb，5种重金属潜在生态危害从大到小依次为Hg、Cd、Cr、As、Pb，处于轻微生态风险等级。[结论]中山市洪奇沥和横琴海2条主要灌溉水源底泥存在多种重金属复合污染，污染水平处于中度至重度污染，工业园区废水排放是重金属污染的主要原因之一。
关键词重金属；底泥；污染特征；生态风险；灌溉水源
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2016）16-061-03
Abstract[Objective] The aim was to discuss heavy metal pollution level in sediments of irrigation water sources and its potential ecological risk. [Method] Collecting 6 sediment samples from Hongqili and Hengqinhai in Zhongshan City in Guangdong Province， Pb， Cd， Cr， As， Hg content was determined and distribution characteristics were analyzed. By using comprehensive index method， land accumulation index method and potential ecological harm index method， the heavy metal pollution status in sediments and potential ecological risk were evaluated. [Result] There was heavy metal compound pollution situation in sediments， the content of Pb， Cd， Cr， As， Hg in the samples was higher than reference value. In sediment of Hongqili， the order of heavy metal enrichment degree was Pb， Cd，Cr，Hg，As， in sediment of Hengqinhai， the order of enrichment degree was Cd>Cr>Hg>As>Pb， the order of potential ecological harm was Hg，Cd，Cr，As，Pb， which was in light ecological risk grade. [Conclusion] There are many kinds of heavy metal pollution in the sediment of 2 main irrigation water sources（Hongqili and Hengqinhai） in Zhongshan. The pollution level is at moderate to severe pollution， wastewater discharge of industrial park is one of the main reasons for heavy metal pollution.
Key wordsHeavy metal； Sediment； Pollution characteristics； Ecological risk； Irrigation water source
广东省中山市是珠三角重要的工业基地之一。随着工业的迅速发展，中山市形成了一些工业园区，大量重金属工业废水进入水体，引起水体污染[1-2]。进入水体的重金属污染物大部分由水相进入固相，最终进入水体沉积物并逐步累积。当底泥环境条件发生改变，沉积在底泥中的重金属会成为二次污染源，因此，底泥不仅是污染物，也是再污染的潜在污染源[3-5]。底泥中重金属的分布可以反映河流的污染状况，目前，重金属污染危害多采用综合指数法（内梅罗污染指数法，P）[6]、地累积指数法（Igeo）[7]、潜在生态危害指数法（RI）[8]进行评估。笔者以横琴海和洪奇沥河道底泥为研究对象，采用P指标对土壤环境进行评价，并采用Igeo、RI指标对土壤重金属污染情况及生态风险进行评估，以期为推动我国重金属污染评估提供理论依据。
1材料与方法
1.1研究区概况横琴海和洪奇沥是中山市2条最主要的灌溉水源，均南北贯穿中山市（图1），接纳中山市大部分工业污水和生活污水。随着工业的迅速发展，中山市形成了工业园区，向这2条河流中排污，大量含有重金属的工业废水进入水体造成污染。
1.2样品采集选取洪奇沥和横琴海为研究区域，按照美国环保局的方法，用抓斗式采泥器进行沉积物的采集和处理[9]。2条水源沿线布设监测点，其中，洪奇沥设横沥镇附近和沙仔村2个监测点，横琴海设埒西一、西海大桥、裕祥村、太平村4个监测点。采样深度为0～20、20～40、>40 cm，测定各采样点底泥中pH及铅、镉、汞、铬、砷含量。 1.3重金属评价方法
1.3.1综合污染指数（P）。单因子评价难以表达污染物的整体污染水平，因此常采用能够综合评价多种污染因子的内梅罗污染指数法进行评价。计算公式：
P=2+X2max2
式中，X=SiSin，Si为重金属含量监测值，Sin为环境质量标准值（土壤环境质量标准自然背景值）。污染分级标准见表1。
1.3.2地累积指数法（Igeo）。地累积指数（Igeo）通常称为Muller指数[7]，是判别人为活动对重金属污染影响的重要指数之一，计算公式：
Igeo=log2Cn1.5Bn
式中，Cn为某一重金属监测值；Bn为项目据地地页岩中地球化学元素含量（采用广东省重金属背景含量中位值[10]），地累积指数与污染程度分级标准见表2[11]。采用Pearson积差分析法[12]及SPAA 22.0软件分析各重金属之间的相关显著性。
1.3.3Hakanson潜在生态危害指数法。为了将不同重金属的毒性差异及对环境敏感性差异纳入评价范围，使用RI计算分析各重金属带来的生态影响，计算公式：式中，Eir为某种重金属的潜在生态危害；Tir为某种重金属的毒性系数[13]；Ci为某金属监测值；Cin为某金属风险背景值（采用现代工业化前全球沉积物中重金属最高背景值为参照标准[14]）。生态危害分级标准见表3[15]。
2结果与分析
2.1重金属污染现状由表4可知，洪奇沥沙仔村和横琴海裕祥村监测点的底泥为轻度污染，洪奇沥横沥镇附近监测点底泥为中污染，横琴海剩余3个监测点的底泥均为重污染，其中横琴海太平村监测点底泥的污染最严重。
2条灌溉水源底泥的重金属污染特性不同，横琴海底泥以Cr为主要污染物，5种重金属均存在高于标准值的情况，其污染程度及广泛性由高到低为Cr、Cd、Pb、Hg、As；洪奇沥底泥以Cd污染为主，5种重金属中，除As未超出标准值外，其余4种重金属均存在高于标准值的情况，其污染程度及广泛性由高到低次为Cd、Pb、Hg、Cr、As。因此，中山市主要灌溉水源底泥存在重金属复合污染情况，其特性见表5。
2.2重金属富集程度由表6可知，所有监测底泥中Pb的Igeo为0～2，属于轻度偏中度污染；洪奇沥底泥中Cr的Igeo为0～1，属于轻度污染，而横琴海底泥中Cr的Igeo为1～5，属于中度至严重污染；洪奇沥底泥中Cd的Igeo为0～1，属于轻度污染，横琴海底泥中Cd的Igeo为2～6，属于中度至极重污染；所有监测底泥中As的Igeo为0～2，属于轻度偏中度污染；洪奇沥底泥中Hg的Igeo为0～1，属于轻度污染，横琴海中Hg的Igeo为1～3，属于轻度至中度污染。综上所述，洪奇沥底泥中重金属富集程度最高的是Pb，5种重金属富集程度从大到小依次为Pb、Cd、Cr、Hg、As，横琴海底泥中富集程度最高的是Cd，5种重金属富集程度从大到小依次为Cd、Cr、Hg、As、Pb。
采用Pearson积差分析法统计了5种重金属的相关性。由表7可知，Cd与Pb在0.05水平显著相关，可能具有相同的工业来源。
2.3Hakanson潜在生态危险风险由表8可知，除Hg和横琴海西海大桥的Cd外，其余4种重金属的Eir均低于40，处于轻微风险等级；所有监测底泥中Hg含量虽然不高（表4），但其Eir为25.60～54.40，处于中级生态风险等级；所有监测底泥中RI为68.92～142.96，处于轻度生态风险等级。总体来说，洪奇沥和横琴海底泥均处于轻微生态风险等级，Eir相对较小。
44卷16期余姝洁等中山市主要灌溉水源底泥重金属污染及潜在生态风险评估3结论与讨论
（1）中山市2条主要灌溉水源底泥存在多种重金属复合污染，污染水平处于中度至重度污染，其中，横琴海底泥以Cr为主要污染物，其污染程度及广泛性由高到低为依次为Cr、Cd、Pb、Hg、As；洪奇沥底泥以Cd污染为主，其污染程度及广泛性由高到低为Cd、Pb、Hg、Cr、As。从监测点位看，高平工业园区和龙山工业园区附近污染程度最高，工业园区废水排放是其重金属污染的主要原因之一。
（2）洪奇沥灌溉水源底泥中重金属富集程度从大到小依次为Pb、Cd、Cr、Hg、As；横琴海水源底泥中重金属富集程度从大到小依次为Cd、Cr、Hg、As、Pb。其中，Cd属于重度污染，Hg属于中度偏轻污染，As属于轻度污染。据相关性分析，Cd与Pb在0.05水平呈相关性显著，这说明可能有相同来源，这与工业园区特点相符。
（3）中山市主要灌溉水源底泥中Cd、Pb、Hg、Cr、As 5种重金属潜在生态危害从大到小依次为Hg、Cd、Cr、As、Pb，Cd的富集程度虽然高于Hg，但是由于Cd生物毒性小于Hg，其潜在生态危害小于Hg；监测底泥中RI为68.92～142.96，处于轻度生态风险等级。这可能是由于排入河流的废水都经过处理，工业园区规划较为合理，最终受到的影响较小。
参考文献
[1] 陈静生.沉积物重金属污染研究中的若干问题[J].环境科学进展，1983，4（8）：1-12.
[2] 朱栩，向黎黎，曾正强，等.都江堰（内江）水系河床底泥重金属污染调查与评价[J].四川环境，2008，27（5）：53-56.
[3] KUMAR R N，SOLANKI R，KUMAR J I N.Seasonal variation in heavy metalcontamination in water and sediments of river Sabarmati and Kharicutcanal at Ahmedabad，Gujarat[J].Environmental monitoring and assessment，2013，185（1）：359-368. [4] VINODHINI R，NARAYANAN M.Bioaccumulation of heavy metals in organsof fresh water fish Cyprinus carpio（Common carp）[J].International Journal of environmental science and technology，2008，5（2）：179-182.
[5] ZHANG L，WANG W X.Size dependence of the potential for metal biomagnification in early life stages of marinefish[J].Environmental toxicologyand chemistry，2007，26（4）：787-794.
[6] NEMEROW N L.Accelerated waste water oxidation pond pilot plant studies [J].Air and water pollution，1963，7（2/3/4）：395-397.
[7] MLLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River [J].Geo journal，1969，2（3）：108-118.
[8] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control：Asedimentological approach[J].Water research，1980，14（1）：975-1001.
[9] US EPA（U.S.Environmental Protection Agency）.Methods for measure-ing the toxicity and bioaccumulation of sediment-associated contami-nants with freshwaterinvertebrates（EPA600R99064）[M].2nd ed.Duluth，Washington，DC：Office of Research and Development，MNand Office of Science and Technology，2000：1-192.
[10] 张俊坚，张会化，刘鉴明，等.广东省区域地质背景下土壤表层重金属元素空间分布特征及其影响因子分析[J].生态环境学报，2011，20（4）：646-651.
[11] 韩倩，张丽娟，胡国成，等.中山高平工业园区周边水体沉积物中重金属污染特征及生态风险评价[J].农业环境科学学报，20015，34（8）：1563-1568.
[12] PEARSON K.Contributions to the math ematical theory of evolution [J].Proceedings of the royal society，1893，54：329-333.
[13] 徐争启，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.
[14] 窦磊，杜海燕，游远航，等.珠江三角洲经济区生态地球化学评价[J].现代地质，2014，28（5）：915-927.
[15] 刘子宁，朱鑫，窦磊，等.珠江三角洲典型肝癌发病区土壤重金属富集特征分析及生态风险测度[J].土壤通报，2011，42（2）：471-476.
关键词重金属；底泥；污染特征；生态风险；灌溉水源
中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2016）16-061-03
Abstract[Objective] The aim was to discuss heavy metal pollution level in sediments of irrigation water sources and its potential ecological risk. [Method] Collecting 6 sediment samples from Hongqili and Hengqinhai in Zhongshan City in Guangdong Province， Pb， Cd， Cr， As， Hg content was determined and distribution characteristics were analyzed. By using comprehensive index method， land accumulation index method and potential ecological harm index method， the heavy metal pollution status in sediments and potential ecological risk were evaluated. [Result] There was heavy metal compound pollution situation in sediments， the content of Pb， Cd， Cr， As， Hg in the samples was higher than reference value. In sediment of Hongqili， the order of heavy metal enrichment degree was Pb， Cd，Cr，Hg，As， in sediment of Hengqinhai， the order of enrichment degree was Cd>Cr>Hg>As>Pb， the order of potential ecological harm was Hg，Cd，Cr，As，Pb， which was in light ecological risk grade. [Conclusion] There are many kinds of heavy metal pollution in the sediment of 2 main irrigation water sources（Hongqili and Hengqinhai） in Zhongshan. The pollution level is at moderate to severe pollution， wastewater discharge of industrial park is one of the main reasons for heavy metal pollution.
Key wordsHeavy metal； Sediment； Pollution characteristics； Ecological risk； Irrigation water source
广东省中山市是珠三角重要的工业基地之一。随着工业的迅速发展，中山市形成了一些工业园区，大量重金属工业废水进入水体，引起水体污染[1-2]。进入水体的重金属污染物大部分由水相进入固相，最终进入水体沉积物并逐步累积。当底泥环境条件发生改变，沉积在底泥中的重金属会成为二次污染源，因此，底泥不仅是污染物，也是再污染的潜在污染源[3-5]。底泥中重金属的分布可以反映河流的污染状况，目前，重金属污染危害多采用综合指数法（内梅罗污染指数法，P）[6]、地累积指数法（Igeo）[7]、潜在生态危害指数法（RI）[8]进行评估。笔者以横琴海和洪奇沥河道底泥为研究对象，采用P指标对土壤环境进行评价，并采用Igeo、RI指标对土壤重金属污染情况及生态风险进行评估，以期为推动我国重金属污染评估提供理论依据。
1材料与方法
1.1研究区概况横琴海和洪奇沥是中山市2条最主要的灌溉水源，均南北贯穿中山市（图1），接纳中山市大部分工业污水和生活污水。随着工业的迅速发展，中山市形成了工业园区，向这2条河流中排污，大量含有重金属的工业废水进入水体造成污染。
1.2样品采集选取洪奇沥和横琴海为研究区域，按照美国环保局的方法，用抓斗式采泥器进行沉积物的采集和处理[9]。2条水源沿线布设监测点，其中，洪奇沥设横沥镇附近和沙仔村2个监测点，横琴海设埒西一、西海大桥、裕祥村、太平村4个监测点。采样深度为0～20、20～40、>40 cm，测定各采样点底泥中pH及铅、镉、汞、铬、砷含量。 1.3重金属评价方法
1.3.1综合污染指数（P）。单因子评价难以表达污染物的整体污染水平，因此常采用能够综合评价多种污染因子的内梅罗污染指数法进行评价。计算公式：
P=2+X2max2
式中，X=SiSin，Si为重金属含量监测值，Sin为环境质量标准值（土壤环境质量标准自然背景值）。污染分级标准见表1。
1.3.2地累积指数法（Igeo）。地累积指数（Igeo）通常称为Muller指数[7]，是判别人为活动对重金属污染影响的重要指数之一，计算公式：
Igeo=log2Cn1.5Bn
式中，Cn为某一重金属监测值；Bn为项目据地地页岩中地球化学元素含量（采用广东省重金属背景含量中位值[10]），地累积指数与污染程度分级标准见表2[11]。采用Pearson积差分析法[12]及SPAA 22.0软件分析各重金属之间的相关显著性。
1.3.3Hakanson潜在生态危害指数法。为了将不同重金属的毒性差异及对环境敏感性差异纳入评价范围，使用RI计算分析各重金属带来的生态影响，计算公式：式中，Eir为某种重金属的潜在生态危害；Tir为某种重金属的毒性系数[13]；Ci为某金属监测值；Cin为某金属风险背景值（采用现代工业化前全球沉积物中重金属最高背景值为参照标准[14]）。生态危害分级标准见表3[15]。
2结果与分析
2.1重金属污染现状由表4可知，洪奇沥沙仔村和横琴海裕祥村监测点的底泥为轻度污染，洪奇沥横沥镇附近监测点底泥为中污染，横琴海剩余3个监测点的底泥均为重污染，其中横琴海太平村监测点底泥的污染最严重。
2条灌溉水源底泥的重金属污染特性不同，横琴海底泥以Cr为主要污染物，5种重金属均存在高于标准值的情况，其污染程度及广泛性由高到低为Cr、Cd、Pb、Hg、As；洪奇沥底泥以Cd污染为主，5种重金属中，除As未超出标准值外，其余4种重金属均存在高于标准值的情况，其污染程度及广泛性由高到低次为Cd、Pb、Hg、Cr、As。因此，中山市主要灌溉水源底泥存在重金属复合污染情况，其特性见表5。
2.2重金属富集程度由表6可知，所有监测底泥中Pb的Igeo为0～2，属于轻度偏中度污染；洪奇沥底泥中Cr的Igeo为0～1，属于轻度污染，而横琴海底泥中Cr的Igeo为1～5，属于中度至严重污染；洪奇沥底泥中Cd的Igeo为0～1，属于轻度污染，横琴海底泥中Cd的Igeo为2～6，属于中度至极重污染；所有监测底泥中As的Igeo为0～2，属于轻度偏中度污染；洪奇沥底泥中Hg的Igeo为0～1，属于轻度污染，横琴海中Hg的Igeo为1～3，属于轻度至中度污染。综上所述，洪奇沥底泥中重金属富集程度最高的是Pb，5种重金属富集程度从大到小依次为Pb、Cd、Cr、Hg、As，横琴海底泥中富集程度最高的是Cd，5种重金属富集程度从大到小依次为Cd、Cr、Hg、As、Pb。
采用Pearson积差分析法统计了5种重金属的相关性。由表7可知，Cd与Pb在0.05水平显著相关，可能具有相同的工业来源。
2.3Hakanson潜在生态危险风险由表8可知，除Hg和横琴海西海大桥的Cd外，其余4种重金属的Eir均低于40，处于轻微风险等级；所有监测底泥中Hg含量虽然不高（表4），但其Eir为25.60～54.40，处于中级生态风险等级；所有监测底泥中RI为68.92～142.96，处于轻度生态风险等级。总体来说，洪奇沥和横琴海底泥均处于轻微生态风险等级，Eir相对较小。
44卷16期余姝洁等中山市主要灌溉水源底泥重金属污染及潜在生态风险评估3结论与讨论
（1）中山市2条主要灌溉水源底泥存在多种重金属复合污染，污染水平处于中度至重度污染，其中，横琴海底泥以Cr为主要污染物，其污染程度及广泛性由高到低为依次为Cr、Cd、Pb、Hg、As；洪奇沥底泥以Cd污染为主，其污染程度及广泛性由高到低为Cd、Pb、Hg、Cr、As。从监测点位看，高平工业园区和龙山工业园区附近污染程度最高，工业园区废水排放是其重金属污染的主要原因之一。
（2）洪奇沥灌溉水源底泥中重金属富集程度从大到小依次为Pb、Cd、Cr、Hg、As；横琴海水源底泥中重金属富集程度从大到小依次为Cd、Cr、Hg、As、Pb。其中，Cd属于重度污染，Hg属于中度偏轻污染，As属于轻度污染。据相关性分析，Cd与Pb在0.05水平呈相关性显著，这说明可能有相同来源，这与工业园区特点相符。
（3）中山市主要灌溉水源底泥中Cd、Pb、Hg、Cr、As 5种重金属潜在生态危害从大到小依次为Hg、Cd、Cr、As、Pb，Cd的富集程度虽然高于Hg，但是由于Cd生物毒性小于Hg，其潜在生态危害小于Hg；监测底泥中RI为68.92～142.96，处于轻度生态风险等级。这可能是由于排入河流的废水都经过处理，工业园区规划较为合理，最终受到的影响较小。
参考文献
[1] 陈静生.沉积物重金属污染研究中的若干问题[J].环境科学进展，1983，4（8）：1-12.
[2] 朱栩，向黎黎，曾正强，等.都江堰（内江）水系河床底泥重金属污染调查与评价[J].四川环境，2008，27（5）：53-56.
[3] KUMAR R N，SOLANKI R，KUMAR J I N.Seasonal variation in heavy metalcontamination in water and sediments of river Sabarmati and Kharicutcanal at Ahmedabad，Gujarat[J].Environmental monitoring and assessment，2013，185（1）：359-368. [4] VINODHINI R，NARAYANAN M.Bioaccumulation of heavy metals in organsof fresh water fish Cyprinus carpio（Common carp）[J].International Journal of environmental science and technology，2008，5（2）：179-182.
[5] ZHANG L，WANG W X.Size dependence of the potential for metal biomagnification in early life stages of marinefish[J].Environmental toxicologyand chemistry，2007，26（4）：787-794.
[6] NEMEROW N L.Accelerated waste water oxidation pond pilot plant studies [J].Air and water pollution，1963，7（2/3/4）：395-397.
[7] MLLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River [J].Geo journal，1969，2（3）：108-118.
[8] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control：Asedimentological approach[J].Water research，1980，14（1）：975-1001.
[9] US EPA（U.S.Environmental Protection Agency）.Methods for measure-ing the toxicity and bioaccumulation of sediment-associated contami-nants with freshwaterinvertebrates（EPA600R99064）[M].2nd ed.Duluth，Washington，DC：Office of Research and Development，MNand Office of Science and Technology，2000：1-192.
[10] 张俊坚，张会化，刘鉴明，等.广东省区域地质背景下土壤表层重金属元素空间分布特征及其影响因子分析[J].生态环境学报，2011，20（4）：646-651.
[11] 韩倩，张丽娟，胡国成，等.中山高平工业园区周边水体沉积物中重金属污染特征及生态风险评价[J].农业环境科学学报，20015，34（8）：1563-1568.
[12] PEARSON K.Contributions to the math ematical theory of evolution [J].Proceedings of the royal society，1893，54：329-333.
[13] 徐争启，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.
[14] 窦磊，杜海燕，游远航，等.珠江三角洲经济区生态地球化学评价[J].现代地质，2014，28（5）：915-927.
[15] 刘子宁，朱鑫，窦磊，等.珠江三角洲典型肝癌发病区土壤重金属富集特征分析及生态风险测度[J].土壤通报，2011，42（2）：471-476.