资江疏浚底泥重金属赋存形态和生态风险评价

摘要 为研究资江疏浚底泥重金属的赋存形态及其生态风险，对资江沿线18个底泥采样点的Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、As的总含量及各赋存形态含量进行分析测定，同时进行重金属生态风险评价。结果表明，Cd的污染最严重，100%的点位风险筛选值超标，66.7%的点位风险管制值超标;其次是Zn、Cu和As，风险筛选值的点位超标率分别为55.6%、50.0%和22.2%;Pb、Ni、Cr的含量均未超过风险筛选值。Cd和Zn的可交换态和碳酸盐结合态占比较大，易被生物利用。As仅以铁锰氧化物结合态和残渣态存在，Pb和Cr可交换态和碳酸盐结合态含量低且总量未超标，因此风险较低。7种重金属地累积指数中偏重度、重度和严重污染与潜在生态风险指数中的强、很强、极强生态危害的比例相似。Cd、Cu、Zn为资江较典型的重金属污染物，建议疏浚过程中进行重点监测，实施污染监控和环保处置措施，预防疏浚底泥利用过程中重金属的危害和生态风险。

关键词 重金属;赋存形态;生态风险;资江疏浚底泥

中图分类号 X826  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）01-0057-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.016

Existing Forms and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Dredged Sediments of Zijiang River

XIAO Huai-xian1，FANG Han-xiao1，YUAN Long-hu2 et al

（1.Hunan Communications Research Institute Co.， Ltd.， Changsha，Hunan 410015;2.College of Environmental Science and Engineering， Hunan University， Changsha，Hunan 410082）

Abstract In order to study the existing forms and ecological risks of heavy metals in dredged sediments of Zijiang River，the total content of Cd， Zn， Cu， Pb， Ni， Cr and As in 18 sediment sampling points along the Zijiang River and the content of each existing forms were analyzed and determined， and the ecological risk assessment of heavy metals was carried out at the same time.The results showed that Cd was the most serious heavy metal contaminant， with 100% of the sampling sites exceeding the risk screening value and 66.7% exceeding the risk intervention value. Followed by Zn， Cu and As， the point-exceeding rate of the risk screening value was 55.6%， 50.0% and 22.2% respectively;the contents of Pb， Ni and Cr didn’t exceed the risk screening value. Cd and Zn had a relatively high percentage of exchangeable state and carbonate combined state， which were easily used by creatures.As existed only in the iron-manganese oxide combined state and the residual state， the exchangeable state  and carbonate combined state of Pb and Cr was low and the total amount didn’t exceed the standard， so the risk was low.The proportion of strongly， strongly to extremely and extremely contaminated in geo-accumulation index of the seven heavy metals was similar to that of strong， very strong and extremely strong ecological hazard in potential ecological risk coefficient. Cd， Cu， and Zn were typical heavy metal contaminants of Zijiang River， it was recommended to focus on monitoring the typical contaminants during dredging， and prevent ecological risks of heavy metals when utilize the dredged sediments.

Key words Heavy metals;Existing form;Ecological risk;Dredged sediments of Zijiang River

基金项目 湖南省科技重大专项项目（2018SK1010）;湖南省交通运输厅科技进步与创新计划项目（201318）。

作者简介 肖怀宪（1992—），女，湖南浏阳人，工程师，硕士，从事交通环境保护方面的研究。

收稿日期 2021-03-19

湖南省是著名的“有色金属之乡”，有色金属产业在推动湖南省经济发展的同时，也带来了不可忽略的重金属污染问题。随着工业化和城市化进程的加快，大量含有重金属的污染物排入水体，经过一系列的吸附、絮凝和生物累积等过程后，底泥中富集了大量的重金属和N、P等营养元素及其他微量元素[1-2]。当底泥外部条件发生变化时，底泥吸附的重金属等污染物会再次释放进入水体造成二次污染。同时，底泥中的污染物可直接或间接地对水生生物造成毒害作用，并通过生物累积、食物链放大等过程进一步影响陆生生物和人类健康[3-4]。

疏浚是全球范围内应用广泛的水系管理行为，能够维持航道容量、去除底泥污染、减轻洪灾风险等[5]。港口航道及江河湖库疏浚、清淤工程产生了大量疏浚底泥，仅“十三五”期间长江口深水航道疏浚土总产量预计约3.15亿m3[6];我国每年产生约1.8亿t的疏浚土并以6%～8%的速率增长[7]，仅台湾高雄港口每年就疏浚出约100万t沉积物[8];法国、德国、荷兰、英国每年产生3万～5万m3的疏浚土，美国则每年产生20万～50万m3[9]。比利时斯凯尔特河产生的疏浚土受Cr、Zn、Cu、Pb的污染严重，并成为冲积平原的重要污染来源[10]。高雄港每年倾倒约50万t疏浚底泥于高雄海洋疏浚废弃物处理场，并使得处理场的重金属浓度有所提升[11]。如何安全合理地处置疏浚底泥成为疏浚工程能否顺利实施的关键因素之一[12]。

对疏浚土进行综合利用不仅能减少二次污染，而且实现了资源再利用。在众多疏浚底泥资源化利用的途径中，土地利用被认为是最具发展潜力的方式[13]。已有研究表明，污染程度低的疏浚底泥可以作为生态修复中的基地改良剂[14];杨丹等[15]研究发现疏浚底泥与土壤结构性质相近，合理加入底泥可以改善土壤性质，提高土壤肥力和土壤孔隙率、凝聚度等。然而，在疏浚底泥综合利用过程中，重金属的潜在风险不容忽视。

资江是湖南四大水系之一，以往学者对底泥重金属的研究多集中在湘江和洞庭湖[16-18]，部分学者对资江的研究聚焦于底泥中重金属总量[19]或流域内土壤中重金属有效态含量[20]，缺乏对资江疏浚底泥中重金属赋存形态的报道。该研究通过对资江疏浚底泥进行采样并测试其重金属及各赋存形态含量，同时运用地累积指数法和潜在生态风险指数法评估底泥的环境生态风险，以期获得疏浚底泥的污染状况和生态风险水平，为今后该河道疏浚底泥的管控与综合利用提供科学的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

资江属于洞庭湖水系，长江支流，流经邵阳、新化、安化、桃江、益阳等市县。该研究从安化县开始往下游共设置了18个采样点，采样点分布在资江的中下游，如图1所示。

1.2 样品的采集与处理

采样工作于2019年11月上旬完成。以深水采样器为采样工具，采样过程中尽量避开砂石;每个点位的采样深度在60 cm以内，并将底泥样品深度按照0～10、10～20、20～40、40～60 cm的间距分层，分别装入洁净的密封袋中并进行编号，每个深度的泥样不少于500 g，避光条件下送至实验室。

样品放在阴凉通风口处自然风干，除去土样中石子和动植物残体等异物，用玛瑙棒磨碎，土样研磨至全部通过100目尼龙筛，混匀，装入密封袋于干燥器中保存待测。

1.3 样品的测试指标与方法

底泥样品的测试指标包括镉（Cd）、锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）、铬（Cr）和砷（As）。采用改进的BCR连续提取法分别提取重金属的可交换态和碳酸盐结合态（F1）、铁锰氧化物结合态（F2）、有机物和硫化物结合态（F3）、残渣态（F4）[21]。所有重金属及其各赋存形态均采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行测定。

1.4 重金属风险评价方法

1.4.1 地累积指数法。

地累积指数法是由德国科学家Müller于1969年提出的评价沉积物中重金属富集程度的定量指标[22]。地累积指数（Igeo）的计算公式如下：

Igeo=log2Cn1.5Bn（1）

式中，Cn是元素n在沉积物中的测量值（μg/g）;Bn是元素n在沉积物中的地球环境背景值（μg/g）;1.5为常数。地累积指数法将重金属污染程度分为0～6级共7个等级，如表1所示。

1.4.2 潜在生态风险指数法。

潜在生态风险指数（RI）法由瑞典科学家Hakanson提出[23]，被广泛应用于评价重金属的生态危害，该方法考虑的影响因素有重金属的种类、浓度、毒性水平以及生物对重金属的敏感性[24-27]，其计算方法如下：

重金属i的潜在生态风险系数（Eri）：

Eri=Tri×Cri（2）

疏浚底泥样品中多种重金属综合潜在生态风险指数（RI）：

RI=ni=1Eir=ni=1TirCisCin（3）

式中，Cir为重金属i的污染系数;Cis为重金属i的测定浓度;Cin为重金属i的参比值，采用工业化以前沉积物中重金属的最高背景值;Tir为重金属i的毒性系数[28]，反映的是重金属的毒性水平和生物对该重金属的敏感程度，如表2所示。疏浚底泥重金属综合潜在生态风险的程度划分标准见表3。