白龜山濕地重金屬元素分布特征及其來源分析

毛政利

摘要：指出了白龜山濕地沉積物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等重金屬元素含量相關性較高，相關系數在0.9左右，相關性高的達到0.96，說明了它們具有同源性；Mn和Ni元素與其它重金屬元素之間基本沒有相關性，說明這兩種重金屬元素的來源具有自己的獨立性。各元素的空間分布特征表明：Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等5種重金屬元素的含量分布人為影響較大，主要的污染源是魯山污水處理廠，其次是姚孟電廠；Ni的空間分布特征指示了在澎河上游可能存在Ni的污染源；而Mn元素基本上沒有人為因素的影響。

關鍵詞：沉積物；重金屬；空間分布；白龜山濕地

中圖分類號：X52

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0028-04

1 引言

濕地是地球，特別是地球陸地生態系統的重要組成部分，它與海洋和森林稱為全球三大生態系統，對整個陸地生態系統具有不可替代的綜合調節功能，濕地研究已成為當前環境研究方面的熱點之一。濕地不僅可以有效的緩解洪水壓力，更重要的是具有凈化空氣、凈化環境的功能，濕地對人類生存環境的優化具有重要意義。同時濕地又是一個復雜的生態系統，大量的底棲生物、魚類、水生和部分陸生植物在此繁殖，構成一個復雜的食物鏈。重金屬污染是當今環境污染的重要形式之一[1，2]，近幾年我國重金屬污染事故出現較多，大多數與河流濕地有關。濕地相對水域較寬闊、水流速度較慢，一般是河流的匯聚場所，是河水中顆粒物的沉積場所，也是河水中所攜帶的一些離子的地球化學障，大多數顆粒沉積物和化學元素都會在此得以富集。而重金屬元素富集到一定程度就會造成嚴重的環境污染，它可以通過復雜的濕地食物鏈，以及有機質的絡合物、氧化還原反應等過程進入上覆水[3]等影響人們的健康，威脅濕地生態系統。而且重金屬一旦進入濕地，它潛在的威脅將是長期的，因此濕地重金屬污染問題以及成為全球性的環境問題[4～7]。

重金屬元素空間分布是研究重金屬污染及其來源的重要基礎，也是重金屬污染評價的依據，歷來是重金屬污染研究的前沿和熱點。常用的研究方法主要集中在地統計[8，9]、基于GIS的空間插值[10，11]和非線性理論[12，13]等，從重金屬元素的空間分布特征探討重金屬污染的來源，以及進行重金屬污染評價。白龜山濕地水環境研究前人做了一定的工作，和書坤等[14]研究認為白龜山濕地水體富營養化程度已經達到中等偏上水平；于長立等[15 ]利用有機污染指標、氮磷和 pH等數據，分析了白龜山濕地水環境現狀及水環境污染的原因。成剛等[16]根據白龜山濕地及其入庫河流水體和沉積物中重金屬元素的含量及分布特征，利用地積累指數法和 HANKANSON生態危害指數法對沉積物重金屬的累積效應和潛在生態風險進行評價。本文利用白龜山濕地周圍入庫河流和濕地中沉積物樣品的主要重金屬含量，分析該地區重金屬空間分布特征，并結合實際情況探討該區重金屬元素的來源及其分異富集規律，為白龜山濕地的環境保護提供依據。

2 白龜山濕地概況

白龜山濕地的中心是白龜山水庫，白龜山水庫位于淮河流域沙潁河水系沙河本干上，大壩位于平頂山市新城區南部。因其攔河壩和順河壩相接處有一白龜山而得名。水庫始建于1958年，1966年8月竣工。東西長15.5 km，南北寬4.2 km，占地近70 km2，庫容量6.49億m3。上游有昭平臺水庫，下游有泥沙洼滯洪區，左臨潁河上有白沙水庫，是一座淮河流域上游重要的防洪水庫，也是綜合治理沙潁河的水利樞紐工程。

水庫控制流域面積2740 km2，其中昭平臺、白龜山水庫間流域面積1310 km2，水庫年平均降雨量900 mm，年平均徑流量4.23億m3。水庫工程按百年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核，1998年10月進行了除險加固工程，達到兩千年一遇洪水校核，總庫容達到9.22億m3，目前已成為一座以防洪為主，兼顧農業灌溉、工業和城市供水綜合利用的大型調節半平原水庫，是平頂山市新老城區生活用水的來源地。同時，近幾年平頂山市在白龜山水庫周邊進行了大規模的開發建設，現已建成為一個環境優美、空氣清新的環湖濕地公園，是平頂山市市民休閑健身的主要場所。

3 白龜山濕地重金屬元素空間分布特征

成剛等[16]以白龜山水庫為中心，在白龜山水庫庫底及其上游河段進行了較為系統的沉積物取樣分析，樣品點的分布如圖1，沉積物樣品的Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素的含量見表1。

表2是各重金屬元素在沉積物中含量的相關系數矩陣，從表中可以看出，元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素相互之間的相關系數較大，特別是Cd和Pb、Cd和Cr以及Zn和Cu之間的相關系數均大于0.95，而Mn和Ni元素和其它重金屬元素含量之間幾乎沒有相關性。這可能反映出，在白龜山濕地，重金屬元素Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等來源于同一個污染源，而且它們的遷移聚集具有相同或相似的機制和過程；而Mn和Ni元素的來源具有各自的獨立性，和其它元素沒有明顯的關聯。這進一步說明了，在白龜山濕地，重金屬污染來源不是單一的，而是具有多來源的特點。

圖2是白龜山濕地沉積物中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素含量的空間分布圖。從圖中可以看出以下分布。

（1）Cd、Pb、Cr三種重金屬含量分布圖相似程度較高，具有相似的空間分布特征，它們含量在空間上的變化趨勢也基本相同。含量的高值區在取樣點C，越往下游含量呈遞減趨勢，在取樣點E出現最低值；在水庫的下游，取樣點H附近含量再一次升高。

（2）重金屬元素Cu和Zn的分布圖相似程度相對來說最高，這與Cu和Zn之間的相關系數最高相一致。其含量在空間上的分布總體與Cd、Pb、Cr相似，都呈現在取樣點C處含量高，往下游有遞減的趨勢，在取樣點H附近含量升高。不同的是，這兩種重金屬元素含量是在取樣點F處出現最低值，樣品點E出的含量值也比較高。

（3）Mn元素的分布特征比較特殊，在取樣點A和G兩個點上有高值區，其中A點含量最高，取樣點C處含量卻不是很高，含量最低點為F點，在H點也沒出現含量升高的趨勢，G點可以認為是Mn元素的一個聚集中心。

（4）元素Ni的高值區在E點，其次是A點和G點，取樣點C處的含量相對較低，在取樣點H處有升高的趨勢。E點和G點以及G點和H點之間含量差別相對較低，而E點和H點含量差別相對小得多。

4 討論

土壤或巖石中化學元素的含量、空間分布和分配，是地質歷史長期演化的結果，在地球表層的風化巖石和土壤中，其含量和空間分布受第四紀地質作用的影響較深，同時與人類活動關系密切。因此，現今土壤中的重金屬元素含量的空間分布特征，不僅保留了原始的在地質作用過程中形成的重金屬元素含量分布特點，也記錄著人類活動在重金屬元素分異聚集過程中的作用。研究重金屬元素空間分布規律，是研究重金屬元素演化分異機制的基礎，也可以揭示重金屬元素空間分布與重金屬元素的污染源、地形、氣候等因素的關系，以及重金屬元素的遷移疊加機制。

據成剛等[16]研究，白龜山濕地表層水體中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素含量均低于《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）一七類水質標準，而且各種重金屬元素在各取樣點地表水體中的含量基本相同。這可能說明了，在白龜山濕地，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni等重金屬元素在水體中的遷移形式主要以機械搬運沉積作用為主，化學搬運作用很少或沒有。

再從白龜山濕地沉積物中各重金屬元素的相關關系來看，Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素相互之間的相關性較強，這可能指示了這五種重金屬元素具有相同的來源，而Mn和Ni元素的獨立性較強，暗示著Mn和Ni元素的來源與Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等不一致。

根據沉積物中各重金屬元素含量的空間分布特征可以認為，Cd、Pb、Cr三種重金屬元素的污染源主要為取樣點C處，該處為魯山縣的一個污水處理廠出口，這三種重金屬遷移擴散途徑主要以地表水的機械搬運為主，而且搬運距離不遠；H點的含量升高可能與H點接近姚孟火電廠有關。Cu和Zn之間的相關性較強，空間分特征與Cd、Pb、Cr等略有差別，它們在取樣點F出現最低值，E點含量也不高，可能說明了Cu和Zn的移動性比Cd、Pb、Cr等三種元素強，它們的遷移影響了沙河以及白龜山水庫，在H點這兩種重金屬元素含量也有一定程度的升高。Mn的分布整體來看相對比較均衡，不同的取樣點有一些差別，但是差別不是很大，在A點，也就是蕩澤河在昭平臺水庫的出口處含量相對較高，另外在G點，即白龜山水庫中間，Mn的含量呈現出一定的富集趨勢，在H點升高的趨勢不是很明顯，這可能指示了，Mn元素主要來源于本地區原始巖石，可能本區西部的Mn元素含量相對較高。Ni元素的分布規律基本和Mn相似，在A點和G點含量相對較高，各取樣點差異性較Mn元素大，所不同的是，Ni的含量最高值在E點，即澎河在白龜山水庫出口處，而且E點含量比A點高出很多，這可能也說明了Ni元素的來源有本地區的巖石，在澎河上游也可能存在Ni元素富集的地質體或Ni元素人為污染源。

5 結論

綜合上述對白龜山濕地重金屬元素含量的相關性分析和空間分布特征的討論，可以得出以下的初步結論。

（1）白龜山濕地重金屬元素分布受天然的原始巖石含量和后期的人為因素污染兩種因素的影響，多數重金屬元素含量受認為因素污染較為嚴重，少數重金屬元素人為影響作用不明顯。

（2）Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等五種重金屬元素含量相互之間的相關性較強，說明它們的來源具有同一性；根據它們的空間分布特征，可以認為，這五種重金屬元素來源貢獻最大的是魯山污水處理廠，即取樣點C處，同時，姚孟電廠對本區這五種重金屬元素的含量也有明顯的影響。

（3）Mn元素的空間分布相對較為均衡，與其它重金屬含量之間也沒有明顯的相關性，說明Mn元素含量主要與本區背景值有關，人為污染不明顯。

（4）Ni元素的空間分布高值區在澎河口，說明在澎河的上游可能存在Ni的污染源或含Ni高的地質體，這也是本區下一步重金屬元素污染調查的重點。

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