江西省贵溪市水系沉积物重金属污染及其潜在生态风险评价

蒋起保，欧阳永棚，2,*，章敬若，饶建锋，吴美仁，张伟

（1.江西省地质局第十地质大队，江西 鹰潭 335001；
2. 中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100038）

江西省贵溪市地处长珠闽三角区的“黄金接点”，是鄱阳湖生态经济区的中心城市（余达锦，2010）。贵溪市矿产资源丰富，冶炼、化工、制药、建材等工业发达。同时，贵溪也是全国商品粮基地、国家储备粮基地，水稻、蔬菜、油料植物等产量丰厚。

矿业开发与工业发展必会带来重金属污染，对农业和生活带来影响（郭路，2005；
徐友宁，2005）。不少学者对贵溪冶炼厂周围重金属污染状况（孙华等，2003；
胡宁静等，2004b；
龙安华等，2006；
徐升等，2015）、污灌水田重金属污染状况（孙华等，2001；
胡宁静等，2004a）等进行了研究，其涉及面有限。为评价贵溪全市重金属污染状况，本次研究收集了贵溪全市1∶20万水系沉积物测量数据，分析水系沉积物样品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属含量分布特征，采用地积累指数法、潜在生态危害指数法对研究区水系沉积物中重金属污染状况进行初步分析评价，以期为贵溪市土地利用规划提供借鉴。

研究区位于江西省北东部，全市面积2 480 km2。地处武夷山区向鄱阳湖平原过渡的中间地带，地貌形态以丘陵、山地为主，次为小平原，海拔高程40～1 540 m，地势由南北两端向中部倾斜，呈马鞍形。全区年平均气温18°C，年均降雨量为1 750 mm。

研究区北侧出露新元古界万年群变质岩及周坊岩体，其中万年群主要为深海盆地相夹浊流沉积的泥砂质建造，间伴有海底火山喷发产物，周坊岩体为燕山期黑云母花岗岩；
中部出露大面积侏罗纪、白垩纪红色砂砾岩；
南部出露大规模加里东期、燕山期中酸性岩浆岩，岩性主要为花岗斑岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩等（邱骏挺等，2013）（图1）。

1.第四系；
2.白垩系；
3.侏罗系；
4.石炭系；
5.寒武系；
6.新元古界上部；
7新元古界中部；
8.新元古界下部；
9.早白垩世花岗斑岩；
10.早白垩世石英正长斑岩；
11.晚侏罗世正长花岗岩；
12.中三叠世二长花岗岩；
13.顶志留世云英闪长岩；
14.顶志留世花岗闪长岩；
15.顶志留世二长花岗岩；
16.早志留世二长花岗岩；
17.花岗斑岩脉；
18.石英闪长斑岩脉；
19.地质界线/角度不整合界线；
20. 断层图1 贵溪市地质简图（据邱骏挺等，2013）Fig.1 Geological map of Guixi City

2.1 样品数据

本次收集了贵溪市1∶20万水系沉积物测量数据，原数据测量单位为江西省地矿局物化探大队、福建省地质勘查技术院。样品主要采集于二级水系（0.5～3 km长水沟）中，采集物质为沉积物中的中、细砂，采样密度1件/4.13 km2。为分析方便，将数据整理汇集成600个2 km×2 km的网格数据，得到As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属元素数据集。

2.2 评价方法

水系沉积物重金属污染的评价方法众多，目前应用较广泛的有地积累指数法（贾振邦等，2000；
廉雪琼，2002；
谢文平等，2012）、污染负荷指数法（徐争启等，2004；
王婕等，2013；
于霞等，2015）、潜在生态危害指数法（贾振邦等，2001；
丁振华等，2006；
张雷等，2011）、健康风险评价法（李仲涛，2015；
马海珍，2021）及基于GIS技术的评价方法（陈翠华等，2008）。不同的评价有各自的优缺点（霍文毅等，1997；
张鑫等，2005；
丁喜桂等，2005；
陈明等，2015），本文使用地积累指数法和潜在生态危害指数法对贵溪水系沉积物中的重金属污染程度进行初步评价。

2.2.1 地积累指数法

地积累指数法由德国学者Muller（1969）提出，是利用重金属含量与其背景值的关系研究重金属污染的一种定量指标。该方法考虑了不同地区不同地质背景对重金属污染的影响，能够较科学、直观的评价沉积物中重金属污染状况。其计算公式为：

Igeo=log2[Ci/（kBi）]

（1）

式中：Ci为水系沉积物中某一重金属元素的浓度，常数k是为消除岩石差异引起的背景值变动的常数，本文取k=1.5，Bi为全国水系沉积物丰度值（鄢明才，1995等）。沉积物重金属污染程度共分为7级（表1）。

表1 地积累指数污染程度分级表Tab.1 The geo-accumulation index and classification of pollution degree

2.2.2 潜在危害风险指数法

潜在危害风险指数法由瑞典学者Hakanson（1980）提出，是一种利用重金属生物毒性系数及沉积物中重金属含量与地质背景值的比值来研究重金属污染程度的指标。与地积累指数法相比，该方法不仅考虑了重金属含量与背景值的关系，还考虑了重金属的生物毒性，可为人们健康提供参照，是目前运用较多的重金属污染评价方法。其计算公式为：

Ei=Ti×Pi

（2）

（3）

表2 重金属的全国水系沉积物丰度值与>生物毒性系数Ti表Tab. 2 Background values of stream sediments and toxic coefficient Ti of different heavy metals

表3 潜在生态危害系数Ei、潜在生态危害指数RI与生态危害分级表Tab. 3 Ecological risk coefficient，risk index and classification of risk intensity

3.1 重金属元素含量统计

对研究区600个水系沉积物数据集中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属含量进行统计分析，结果见表4。从水系沉积物中重金属的平均含量看，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn 6种重金属的平均含量值低于全国水系沉积物背景值，Hg重金属平均含量与全国水系沉积物背景值相当，Pb重金属平均含量高于全国水系沉积物背景值，说明引起Pb污染的物质来源较多。

从变异系数看，As、Cu、Hg、Ni、Zn 5种重金属元素变异系数小于0.7，说明这5种重金属元素离散型较小，在空间分布上较为均匀；
Cr元素的变异系数接近1；
而Cd、Pb 2种元素变异系数>1.2，说明其含量变化幅度较大，在高值区形成污染的可能性较大。

表4 研究区水系沉积物中重金属元素含量统计结果表Tab.4 Statistics of heavy metals contents in surface sediments of the study area

3.2 重金属分布特征

贵溪水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种重金属元素分布特征见图2。

（1）Cd、Pb、Zn重金属含量分布规律具有相似性，整体南高北低，高值区规模较大，主要分布在冷水、耳口、樟坪及金屯等地区。Cd、Pb最高值出现在耳口南西部，最高含量分别为1 787ug/kg、780 mg/kg。Zn最高值出现在龙虎山南东部，最高含量为203 mg/kg。

（2）Cr、Ni、Cu重金属含量分布规律相似，整体分布较均匀，局部形成小规模高值区，主要分布在白田北部、周坊北东部、文坊南西部及金屯东部等地区。Cr、Ni最高值出现在文坊南西部，最高含量分别为533.3 mg/kg、71.2 mg/kg，Cu最高值出现在流口北部，最高含量为51.2 mg/kg。

（3）As重金属整体含量较低，在河潭北部、流口南部及金屯东部等地区出现小规模高值区，最高值出现在流口南部，最高含量为66 mg/kg。

（4）Hg重金属含量整体分布较均匀，仅在罗河北部及上清西部形成小规模中高值区，最高值出现在罗河北部，最高含量为292 ug/kg。

3.3 地积累指数评价结果

研究区水系沉积物中8种重金属的地积累指数计算统计结果见表5。

为了解研究区水系沉积物中各重金属地积累污染级别，计算统计了各重金属元素地积累指数分级频率，结果见表6。结果显示，研究区水系沉积物样品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn重金属轻微-中等污染频率分别为9.17%、5.0%、0.5%、1.33%、10.17%、1.0%、29.83%、2.33%；
中等污染频率分别为0.5%、0.83%、0.33%、0%、1.0%、0%、4.33%、0%；
As、Cr、Hg 3种重金属均有0.17%样品受到了中等-强污染，Cd重金属分别有0.33%、0.17%的样品受到了中等-强污染、强污染。以上结果表明，研究区水系沉积物中Pb污染频率最高，其次为Hg、As、Cd，其余重金属污染频率较低，其中Pb污染主要集中在贵溪南部的冷水、耳口、塘湾、樟坪及文坊地区。从地积累指数分级频率分析，研究区8种重金属元素污染程度由强到弱依次为：Pb>Hg>As>Cd>Zn>Cu>Ni>Cr。

3.4 潜在生态风险指数评价结果

研究区水系沉积物中8种重金属元素潜在生态风险指数的计算统计结果见表7。从平均潜在生态危害系数分析，重金属Hg为中等污染，其余重金属为轻微污染，8种重金属潜在生态危害由强到弱依次为：Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn。

表5 地积累指数评价统计结果表Tab. 5 Evaluation results of geo-accumulation index

表6 地积累指数分级频率分布统计表 （%）Tab.6 The distribution of potential ecological risk index grading frequency （%）

表7 潜在生态风险指数评价统计结果表Tab.7 Evaluation results of potential ecological risk index

为了解研究区水系沉积物中各重金属潜在生态风险污染级别，计算统计了各重金属元素潜在生态风险指数分级频率（表8）。结果显示，研究区样品中As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等6种重金属元素污染程度较低，潜在生态危害较小。Hg、Cd 2种重金属在研究区的潜在生态危害性较大（图3），其中Hg重金属轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害和很强生态危害的频率分别为59.83%、35.5%、3.83%和0.83%，存在Hg重金属中等及中等以上潜在生态危害的地区主要为河潭北部、罗河北部、上清北部、塘湾中部、耳口中部及冷水中部等地区；
Cd重金属轻微生态危害、中等生态危害、强生态危害、很强生态危害和极强生态危害的频率分别为92.17%、6.17%、1.0%、0.5%和0.17%，存在Cd重金属中等及中等以上潜在生态危害的地区主要为金屯东部、耳口南西部等地区。多因子综合潜在生态危害指数RI可综合评价研究区潜在生态危害，结果显示，研究区轻微生态危害、中等生态危害和强生态危害的频率分别为96.17%、3.33%和0.5%，整体为轻微生态危害，未见大面积的潜在生态危害地区，在金屯东部、罗河北部、上清北部、冷水中部及耳口南西部存在局部潜在生态危害。综合以上结果，研究区存在局部Hg、Cd重金属潜在生态危害。

表8 潜在生态风险指数分级频率分布统计表（%）Tab.8 The distribution of potential ecological risk index grading frequency（%）

图3 水系沉积物中Hg、Cd重金属及综合潜在生态危害分布图Fig.3 Distribution of the risk index of Hg、Cd heavy metals and RI in stream sediments

3.5 两种评价方法结果比较

研究区2种水系沉积物污染评价方法的结果存在差异。地积累指数法显示研究区8种重金属污染程度强弱排序为Pb>Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr，主要重金属污染元素为Pb；
潜在生态风险指数显示研究区8种重金属污染程度强弱排序为Hg>Cd>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，主要重金属污染元素为Hg、Cd。此外，2种评价方法中各污染级别的样品频数也不同。产生差异的原因是地积累指数法主要考虑地质背景的富集程度，而潜在生态风险指数法还考虑了生物毒性的影响，如Hg、Cd的毒性系数高，其潜在生态危害程度较高，而Pb毒性系数较低，虽其地积累指数高，但潜在生态危害程度不高。

（1）贵溪市水系沉积物中重金属元素高值区的形成与地质背景密切相关。如贵溪南部出露的大面积燕山期火山岩-火山碎屑岩，地层中Pb、Zn背景值较高，已在冷水坑地区发现亚洲最大的银铅锌矿床，而Cd可类质同象置换Zn离子，从而形成了贵溪南部Cd、Pb、Zn重金属高值区；
再如白田北部、周坊北东部出露万年群地层，地层中含有基性古火山岩，基性古火山岩中富含Cr、Ni重金属元素；
文坊南西部存在多期岩浆活动，热液活化塘湾岩基并在局部萃取富集形成Cr、Ni重金属高值。

（2）潜在生态风险指数考虑了重金属的生物毒性水平，对人类健康生活更具指导意义。其结果显示研究区水系沉积物中Hg的潜在生态危害最高，其次为Cd。Hg元素可能造成神经系统损坏，Cd元素可能伤害骨骼、导致免疫力下降等，应对这两种重金属超标加以关注和防范。