中国南方典型农村地区的灌溉渠道沉积物中重金属的分布及其生态评估外文翻译资料

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中国南方典型农村地区的灌溉渠道沉积物中重金属的分布及其生态评估

Chiming Gu, Yi Liu, Dongbi Liu , Zhiguo Li , Ibrahim Mohamed , Ronghua Zhang ,Margot Brooks , Fang Chen

摘要：在灌渠底泥重金属污染水平升高可能会对作物和牲畜以及人体的健康的造成风险。在这项研究中，为了分析已存在的重金属铜，锌，铅，铬，镉和镍，以及非金属砷的含量，从中国南方的一个典型的农村地区灌溉渠道中收集的沉积物样品，消化样品并评估总浓度和污染程度。由这些元素的污染负荷指数和潜在生态风险指数用以评估污染程度和生态毒性。我们的结果表明，7种元素的含量为Zn gt; Ni gt; Cr gt; Cu gt; As gt; Pb gt; Cd。除Cr和Pb外，其他元素的浓度比其在土壤背景更高，尤其是Cd（1.79 mgbull;kg-1），As（99.61 mgbull;kg-1）和Ni（142.62 mgbull;kg-1），分别是18.49，8.89和5.30倍于其背景浓度。整个采样区域是中度污染，存在非常高潜在生态风险。耕地面积存在中度污染风险，同时附近地区的路径显示出高污染风险。整个区域的生态风险升高主要是由于镉和砷。

关键词：污染评价；重金属；污染负荷指数；潜在生态风险指数

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1.简介

许多在中国农村地区的水道是在50年代，为提高粮食生产被修建的一个主要项目。农业生产有一定程度增加，原因不仅是灌溉，而且还利用一种渠道中的泥浆作为肥料（Li et al.，2003）。此外，当地居民在供水渠道中养鱼以家用，然而曾帮人们种植粮食的水道如今由于暴露于重金属和砷污染会对环境、食品安全（拉库玛等人，2009）和人类健康（Cai et al.，2009）构成威胁(Wenzel et al., 2003)。我们的研究区域是江汉平原的典型农村地区，也是中国粮食生产重要地区。水道是于上世纪五十年代为在干旱季节维持当地农业灌溉而建造的。人口密度高和密集的水道网络，江汉平原存在严峻的环境挑战。自1950年代以来人口膨胀和工业发展如排放工业和生活污水的人类活动，已对生态系统的造成影响显著。所有的水道都是暴漏于大气并且低于地平线，许多都靠近道路和小径。由于缺乏有效监管，大量垃圾从道路和其他路径被附近居民倾倒进或直接进入水道。从养鱼场，稻田和居民区未经处理的废水被拍如渠道中，造成化学物质的沉积。因此来自道路(Legret and Pagotto, 1999)，耕地(Huanget al., 2007)，生活垃圾(Varol and Sen, 2012)和当地植物(Ma et al., 2006; Huang, 2008)的重金属和砷就会流入水渠中。其结果就是，渠道严重污染，水中重金属和砷会通过灌溉和污泥利用直接转运至作物中，最终暴漏在食物链中影响人类和动物健康（Jia et al., 2010)。由于其性质严重，重金属污染受到全世界关注。以往的评价重金属风险的研究的重点在城市地区(Chen et al., 1997; Huang et al., 2007; Wang and Zhang, 2002; Wang and Qin, 2006)，采矿业区(Bi et al., 2010)，和一些大型水库(Birch et al.,2001; Yin and Lan, 1995; Song et al., 2010)，但没有对不发达农村地区的重金属与砷污染引起足够的重视。这些水渠道的情况是尤为真实的，而污染会对农村人密切相关的日常生活构成威胁。

沉积物为重金属充当容槽(LukawskaMatuszewska et al., 2009)，因为金属有很强地通过化学反应与沉积物结合的能力(Ghazban et al., 2015)，如吸附和络合(Zeng and Wu, 2007)，也因此他们的污染过程的分配模式成时空分布(Frstner and Wittmann,1981)。沉积物的量被认为是是污染提升的一项重要指示器，因此在研究环境污染时也必须考虑在内(Kishe and Machiwa, 2003)。

评价重金属污染的应用最广泛的模式是潜在生态风险指数（ERI）(Hakanson, 1980)，污染负荷指数（PLI）(Angulo, 1996)，地质积累指数(Muller,1981)和沉积物富集因子(Nriagu et al., 1979)。PLI广泛应用在评估土壤或河流底泥重金属污染水平中，它能反映每个被评估的元素的时空变化水平和趋势。然而,某个重金属浓度(包括砷)可能无法准确反映其潜在的污染水平,因为金属可能被颗粒物吸收,然后固定在土壤矿物的晶格,从而其生物毒性可能下降。根据Hakanson(1980), 水生系统有毒物质的沉积学的风险指数需要考虑的三个因素:(1)重金属浓度,(2)毒性因子,(3)敏感性或环境的响应。通过结合重金属含量与潜在的环境风险可以更准确地反映其污染水平(Dou et al .,2007)。通过将PLI和ERI结合在一起可以从环境化学、生物毒理学、生态学的视点定量估计污染程度。这两个指标被广泛用于评估河流(Song et al., 2010), 湖泊 (Yin and Lan, 1995),水库(Luo et al., 2011)和海洋污染(Alkan et al., 2015)。因此在这个课题中用PLI和ERI来评估被研究的污染元素。当前工作的主要目的是：（1）调查在特定农村居民区水道中受砷和重金属(Cu, Zn, Pb, Cr, Cd, 和 Ni)污染的沉积物；（2）评估当地水道沉积物中环境风险水平，为给这些渠道提供管理。

2、材料和方法

2.1、研究区域

本研究于2013年进行了在中国南方平原江汉的农村地区(经度112◦37分,纬度30◦22分，海拔29米)。实验区域是一个典型的江汉平原,有密集水道和高人口网络密度，资源和环境挑战严峻。这个区域的面积87公顷。研究领域的特点是潮湿的亚热带季风气候,年平均温度是16◦C，年平均降水量1250毫米。肥沃的土地每年生产约7.04 t 每公顷的谷物,主要作物:水稻、小麦、棉花和油菜。大部分降雨集中在四月到八月。土壤类型为水稻土。庄稼一年三熟，基于水稻庄稼轮作系统如稻-稻-麦，稻-麦-蔬，稻-油料-生蔬。

2.2样品采集及分析

采样点被道路、公路环绕，东靠近一个居民区和且西临耕地。在西北边有两个养鱼场。采样地点标号1到36。采样地点的位置污染源的分布或其公共使用(图1)。沉积物样品在水通道的底部上方0-20厘米使用塑料采集，设备和石头和外来物体用手移动。五个样品从在一个面积为1平方米的每个站点汇集,风干然后冻干并用2毫米尼龙筛筛分。沉积物用杵和臼研磨直到所有粒子通过0.149毫米尼龙筛。总砷和重金属量的分析,每个样本准确重量至0.15 g并置于聚四氟乙烯消化管。样本在5毫升硝酸和2毫升高频微波消化系统(Milestone ETHOSONE)中消化1h(Liu et al., 2014)。消化后,聚四氟乙烯管冷却到环境温度,然后放在一个约135◦C 热板上高频蒸发90分钟。冷却后，向每个试样溶液中添加超纯水至50ml。通过0.45mu;m过滤器后储存在PVC瓶中于4℃以待分析。7 种元素(Cu, Zn, Pb, Cr, Cd, As, 和Ni) 在ICP–MS中分析 (Thermo X SERIES2)。沉积物pH用置于水中pH计测量：水：土壤（1:5），沉积物中有机质用重铬酸氧化法测量(Nelson and Sommers, 1982)。

图1.样本站点分布

表1.Eri, IPLand ERI标准计算

Eri是环境风险指数；PLI是污染负荷指数；ERI是潜在生态风险指数

2.3质量保证和质量控制(QA / QC)

ICP-MS被广泛用于分析重金属环境研究(Liu et al .,2014)。QA / QC程序操作每组样品(18个样本每个两个空白,一个标准)都使用标准的参考资料(GBW07401,从中国计量科学院购进)。通过ICP-MS获得的分析数据相对标准偏差(RSD)连续三次测量标准的参考溶液。参考金属是平均恢复标准95 - 110%。

2.4评价砷和重金属污染物

2.4.1质量分数

沉积物中某种特定元素的质量分数使用下列公式计算：

, w是沉积物中元素的质量分数(mg·kg-1);i是特定元素;c是元素通过ICP-MS测量得到的浓度（mg·L-1）;n是稀释比例;m是样品的质量(kg);v是样品的体积(L)。

2.4.2污染指数

PLI按如下计算：

,Fi是元素的污染系数;Xi样本中元素含量(mg·kgminus;1);Bi是土壤中元素的背景含量(mgbull;kgminus;1)。由于试验点沉积物背景浓度缺乏, 在本研究评估污染之前土壤中测试了的元素的平均背景内容在中国被用作背景值。Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd 和 Pb背景值是61,26.9,22.6,74.2,11.2,0.1和26 mg·kgminus;1,分别(SEPAC,1990)。IPL是每个样本的污染负荷指数;n是测试元素号。

区域污染负荷指数可以按如下计算： ；Iplzone是区域污染负荷指数，n是样品号；

ERI按如下计算： ：

Fi是特定元素的污染系数;Xi是沉积物中元素含量;Bi是土壤中元素i背景含量;Eri是沉积物中的特定元素环境风险指数,Ti是元素i的毒性反应参数;ERI是元素i的潜在生态风险指数

。元素污染负荷指数水平标准和生态风险水平由安古洛(1996)和Hakanson(1980)定义,如表1所示。

3.结果和讨论

3.1沉积物中元素质量分数

在选择的站点元素的相对浓度是按照以下顺序：Zn gt; Ni gt; Cr gt; Cu gt; As gt; Pb gt; Cd (表2)。与土壤背景水平相比,除了铬和铅,其他测试元素的浓度均高于背景值。特别是As和Cd其浓度要远高于土壤背景值。Cd、As和Ni的平均浓度,达到1.79mg·kgminus;1,99.61mg·kgminus;1和142.62mg·kgminus;1,分别是18.49、8.89和5.30倍土壤中的背景。沉积物中每个元素的浓度之间对于土壤背景的比率是按照以下顺序: Cd gt; As gt; Ni gt; Zn gt; Cu gt; Cr gt; Pb。在36个站点中的7个中的测试元素的总浓度超过1000 mg kgminus;1。61%的样本站点在500-1000 mg·kgminus;1波动且22%的站点低于500 mg·kgminus;1。24号站点有最高总浓度1607.29 mg·kgminus;1、站点32值是最低的为329.475 mg·kgminus;1。样品中元素总污染物含量的平均值是699.79 mg·kgminus;1，是3.15倍在土壤背景值。

研究中测试元素的总含量及其分布如图2所示。7种元素的主要分布位于附近的东路径(站点15、25、26和36),路径的交点(站点10和11号)和靠近公路边的西南角(站点5、7、18、30)。东区的站点(15,26 和36号),接近居民区沉积物有比西边更高的污染物元素含量,表明居民区可能会引起更严重的污染。农村地区人口密度的增加会导致大量垃圾被直接丢弃进河道之中。在雨后，垃圾又从公路、小路中被冲刷进渠道(Varol and Sen, 2012)，以上所有最终都成为沉积物的组成部分(Legret and Pagotto, 1999)。

表2.沉积物中元素质量分数

图2.重金属含量和分布

表3 每种元素与土壤底值之间的关联

3.2重金属(和砷)浓度和土壤性质之间的相关性

土壤属性和测试的元素含量之间的皮尔逊相关系数分析(表3)。相关分析的结果表明,镍和铬及锌和镉之间显著相关。这表明,他们有类似的污染源(Cheng et al .,2013)和地球化学行为(Song et al .,2010)。大量测试发现元素和SOM或pH值之间没有明显相关性。

附近的一个垃圾堆站点显示出较高含量的镍和铬(站点13,23,35和36)沿着一个居民区发现可能是由于固体生活垃圾从居民区丢弃到环境中,这两个元素之间的显著相关性证实了这一点(Varol and Sen, 2012)。在位于耕地的24号站点发现最高含量的锌和Cd。显著的相关性表明这两个元素主要来自化肥和农药使用的农田。(Huang et al. 2007)发现,肥料中镉和锌含量是0.009 、2.58mg·kgminus;1,主要在磷酸盐肥料中,也普遍存在含磷酸盐的岩石的杂质中。此外,污水灌溉(Nan and Li,2001)和通道泥浆使用作为肥料（Li et al .,2003) 在中国是很常见的,尤其是中国南方(Wen and Bian,1996)。重金属可以通过废水灌溉或泥浆使用渗入耕地 (Cheng 2003)。粮食生产促使使用更多的化肥、农药和水的浪费,导致重金属以及砷在耕地积累, 通过食物链直接威胁到人类的健康 (Rajkumar et al., 2009)。

3.3污染负荷指数

通过重金属和砷的污染系数条形图的说明我们发现Cd污染系数最大,即17.94(图3),导致沉积物中Cd的含量高于土壤中的背景值。铅的污染系数最低(0.07)。这些元素污染系数的数量级是: Cd gt; As gt; Ni gt; Zn gt; Cu gt; Cr gt; Pb。除铬和铅,其余5元素的污染系数均大于1,这表明这些沉积物中元素的含量比土壤背景值高。因此,沉积物是由这些元素污染的。最高污染负荷指数是24号,即3.55 (极高的污染程度) (表4),而最低的是记录在21号站点,值为1.14(中等污染水平)。根据我们的结果

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