沉积物是水体中各种污染物的蓄积库^[1]，环境中的重金属可通过大气降尘、降水、雨水冲刷、地表径流、工业废水、固体废弃物等多种途径进入水体，蓄积在沉积物中^[2]。当沉积物的氧化还原条件发生变化时，束缚于沉积物中的重金属可能重新释放到水体中，引起“二次污染”，并在生物体内累积，从而进入食物链，最终威胁人类健康^{[3, 4, 5]}。环境持久性和高毒性等特性使重金属成为水环境污染的重要指示物，沉积物中重金属污染研究引起了国内外科学家的广泛关注^{[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]}。广东中山高平工业园区曾经拥有国内最大的电镀产业园，也曾经自创出闻名全国的高污染废水处理模式。因此，本研究选取中山市高平工业园区作为研究区域，通过对该工业区周边水体沉积物中重金属分布的研究，综合解析其周边水体重金属污染现状，并通过潜在生态危害指数对该区域重金属污染蓄积状况及其潜在的生态风险进行定量评估，为当地重金属污染防控、环境管理和产业政策制定提供科学依据。 1 材料和方法 1.1 样品采集

选取工业园区周边石基河、高沙河、高平河、水字河、福龙河、洪奇沥和基沙沥七条河流为研究区域，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^[14]，采样点位置见图 1。在每个采样点周边30 m范围内，采集多个表层（0~10 cm）沉积物样品，现场过20目筛，剔除样品中的石块、贝壳、植物根茎等杂物，静置，倒掉上覆水，并将该采样点的多个沉积物样品充分混合均匀，装入聚乙烯密封袋中，放置在盛有冰袋的采样箱中，立即运送到实验室，在4 ℃下避光保存。测量时，沉积物样品经真空冷冻干燥机干燥，研钵研磨，过100目筛后待分析。

图 1 中山高平工业园区周边水体沉积物采样示意图 Figure 1 Sampling sites of surface sediments from typical industrial area of Zhongshan City

图选项

利用AA800型原子吸收分光光度计（岛津仪器公司）测定样品中Cd、Cr和Pb的含量；利用PF6-2型原子荧光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）测定样品中As和Hg的含量。质量保证采取每间隔8个样品设置平行双样，测试分析过程中作全程序空白，以检查和控制样品在处理和测试过程中可能的污染。 1.2.1 Pb、Cr和Cd的测定

准确称取沉积物样品0.5 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入20 mL硝酸后密闭微波消解，样品充分冷却后加入2~3 mL氢氟酸和2~3 mL高氯酸，加热至液体剩余1~2 mL，样品冷却后继续加入2~3 mL氢氟酸，待溶液无明显颗粒物后，加热至剩余1~2 mL，再加入5 mL硝酸继续加热至剩余1~2 mL。重复此步骤两次，将溶液转移至100 mL比色管中，定容后摇匀，过滤待测。 1.2.2 As的测定

准确称取0.5 g沉积物样品到50 mL比色管中，加入10 mL王水后放入沸水浴中加热消解120 min，冷却后加入5 mL 5%的硫脲-抗坏血酸混合液，定容后摇匀，过滤待测。 1.2.3 Hg的测定

准确称取0.5 g沉积物样品到50 mL比色管中，加入10 mL王水后放入沸水浴中加热消解120 min，冷却后加入10 mL重铬酸钾-硝酸保存液，定容后摇匀，过滤待测。 1.3 重金属污染特征评价方法

本研究采用内梅罗污染指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法分析评价研究区域沉积物中重金属的污染特征。 1.3.1 内梅罗污染指数法

通常多种污染物在环境中同时存在，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。其计算公式如下^[15]：

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式中：P为内梅罗污染指数；P_iavr为沉积物中所有污染因子污染指数的平均值；P_imax为沉积物中所有污染因子污染指数的最大值。

式（1）中单因子污染指数P_i表示如下：

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式中：ρ_i为沉积物中污染物i的实测浓度；S_i为沉积物中污染物i的评价标准。

内梅罗污染指数重金属污染程度等级划分见文献^[15]。 1.3.2 地累积指数法

地累积指数法（I_geo）由德国科学家Müller在1979年提出^[16]，计算公式如下：

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式中：C_n为沉积物中元素n的含量，mg·kg^-1；B_n为普通页岩中元素n的地球化学背景值，mg·kg^-1，本文采用广东地带性土壤环境背景值作为参照标准^[17]；k为考虑各地岩石差异可能会引起的背景值的变动而取的系数，一般取1.5^[18]。

按照地累积指数法，沉积物重金属污染可划分为7个等级，如表 1所示。

表 1 地累积指数与污染程度分级 Table 1 Index of geoaccumulation and classification of pollution degree

表选项

潜在生态危害指数法（Potential Ecological Risk Index）由瑞典学者Häkanson提出^[19]，由于考虑到不同重金属的毒性差异及环境对重金属污染的敏感程度，能够更准确地表示重金属对生态环境的影响。其计算公式为：

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式中：C_i为单一重金属元素实测值，mg·kg^-1；C_nⁱ为单一重金属元素参比值，mg·kg^-1，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^[20]；T_rⁱ为第i种重金属元素的毒性系数；E_rⁱ为第i种重金属的潜在生态危害系数。

潜在生态危害分级见表 2。

表 2 潜在生态危害风险分级标准 Table 2 Grades of potential ecological risk

表选项

采用SPSS 19.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）进行数据统计分析。重金属元素之间的相关显著性采用Pearson积差相关分析，差异显著性水平为0.05。 2 结果与讨论 2.1 沉积物中重金属污染水平

中山工业园区周边水体沉积物中重金属的分布特征及内梅罗综合污染指数见表 3。可以看出，各采样点沉积物样品重金属含量变化范围差别较大，Cr、Pb、As、Cd、Hg的含量范围分别为54.2~518、35~399、 1.14~5.87、0.26~2.26、0.14~0.497 mg·kg^-1，五种重金属的含量由高到低依次为Cr>Pb>As>Cd>Hg。所有沉积物样品中As的含量全部低于参比值，Cr只有1个样品低于参比值，Hg有2个样品低于参比值，Cd有4个样品低于参比值，Pb的含量全部高于参比值。可以看出，除高平河GP-1采样点沉积物样品的内梅罗指数大于7，为重度污染外，其他采样点的内梅罗指数在1~7之间，表明研究区域绝大部分采样点重金属污染处于轻度污染至中度污染程度。与我国其他电器工业区相比，研究区域各采样点Pb、Cr的含量与深圳一工业园区附近河流沉积物中Pb（11.63~814.9 mg·kg^-1）、Cr（54.39~908.7 mg·kg^-1）的含量处于同一水平，而As（4.89~68.21mg·kg^-1）、Cd（0.11~24.49 mg·kg^-1）的含量则较低^[21]。此外，研究区域各采样点重金属含量低于佛山顺德容桂街工业园区周边河涌沉积物中重金属的含量^[22]。这可能与高平工业园区重视工业废水处理有关。高平工业园区内建有规划设计处理水量153万t·a^-1的高平电镀污染处理有限公司和规划设计处理水量389万t·a^-1的高平织染废水有限公司，分别分类收集整个工业园区电镀行业的工业废水和纺织印染行业的工业废水，按照国家规定的排放标准集中处理后排入园区外的河道中。

表 3 沉积物中重金属含量及相应的内梅罗指数 Table 3 Content and Nemerow indices of heavy metals in surface sediments

表选项

七条河流表层沉积物中各种重金属的地累积指数（I_geo）以及污染分级（R）情况如表 4所示。所有沉积物样品中As的I_geo均小于0，表明此区域受As污染较轻，属于清洁水平；Hg的I_geo小于1，处于清洁至轻度污染水平；Cd的I_geo值小于2，处于清洁至偏中度污染水平；Cr在水字河SZ-1和SZ-3这两个采样点沉积物中的富集程度最高，I_geo值在2~3之间，处于中度污染水平，其他沉积物样品中Cr的I_geo值小于2，处于清洁至偏中度污染水平；Pb在该地区是重要的污染元素，仅基沙沥JS-1样品I_geo值小于零，其他沉积物样品中Pb的I_geo值在0~4之间，处于轻度至偏重污染水平，尤以高平河GP-1采样点沉积物中的富集程度最高，I_geo值在3~4之间。综上所述，研究区域七条河流沉积物样品中Pb、Cr的富集程度较高，As富集程度最低，五种重金属富集程度强弱顺序为Pb>Cr>Cd>Hg>As。

表 4 沉积物中重金属元素地累积指数和划分等级 Table 4 Indices of geoaccumulation for and pollution classification of heavy metals in surface sediments

表选项

由内梅罗指数法、地累积指数法对本文研究区域水体沉积物重金属污染分析结果可知，研究区域水体沉积物中重金属污染基本处于中等水平，沉积物中Pb、Cr和Cd的富集程度较高，As和Hg富集程度较低。由重金属含量之间的相关程度可判断重金属的来源是否相同。表层沉积物中各重金属总量之间的相关系数见表 5。可以看出，Cr和Hg显著相关，Cd和Hg显著相关，As和Hg显著相关，而其他重金属之间未发现显著相关性。这表明本研究区域沉积物中Cr和Hg、Cd和Hg、As和Hg可能为相同的来源，而其他重金属来源不同。

表 5 中山某工业区周边水体沉积物中重金属的相关系数 Table 5 Pearson correlation coefficients of heavy metals in surface sediments

表选项

根据表层沉积物重金属含量分析结果，采用瑞典学者Häkanson提出的潜在生态风险指数法评价沉积物重金属的潜在生态风险，计算研究区域水体表层沉积物中重金属污染的潜在生态危害系数E_rⁱ和风险指数RI，结果如表 6所示。

表 6 中山某工业区表层沉积物E_rⁱ和 RI 值 Table 6 Potential ecological risk coefficients and risk indices of heavy metals in surface sediments

表选项

对照表 6的评价标准可以看出，采样区域全部沉积物样品中Cr和As两种重金属元素的E_rⁱ值均小于40，处于轻微的生态风险等级，无潜在生态风险影响。只有高平河GP-1采样点沉积物中Pb的E_rⁱ值在40~80之间，处于中等生态风险等级，其他沉积物样品中Pb的E_rⁱ值均小于40，处于轻微的生态风险等级，无潜在生态风险影响。不同河流沉积物中Hg的分布有较小区别。石基河三个沉积物样品中的Hg分别处于轻微、中等和强生态风险等级；高沙河、高平河、洪奇沥、基沙沥四条河流沉积物样品中Hg的值在40~80之间，处于中等生态风险等级；采自水字河和福龙河沉积物样品中的Hg均为一半处于中等生态风险等级，另外一半样品处于强生态风险等级。七条河流沉积物样品中Cd的含量虽然不高，但由于其毒性系数较高，导致沉积物中Cd的潜在生态风险系数较高。水字河、福龙河、洪奇沥沉积物中Cd的值在40~80之间，处于中等生态风险等级；石基河、高沙河、基沙沥沉积物都是只有一个样品处于轻微生态风险等级，其他样品均处于中等生态风险等级或强生态风险等级；高平河沉积物中Cd处于中等生态风险至强生态风险等级。所有沉积物样品中五种重金属的RI在57.85~253.79之间，其中有55%的采样点沉积物中重金属的RI在150~300之间，处于中等潜在生态危害等级。 3 结论

（1）中山工业区周边水体存在重金属复合污染，除As外绝大多数沉积物样品中Cr、Pb、Cd和Hg的含量均高于参比值。五种重金属的含量由高到低依次为Cr>Pb>As>Cd>Hg。水体沉积物中Cr和Hg、Cd和Hg、As和Hg之间可能具有共同的污染来源。

（2）五种重金属在中山工业区周边河流表层沉积物中的地累积污染程度不同；重金属富集程度强弱顺序为Pb>Cr>Cd>Hg>As。

（3）五种重金属潜在生态风险由强到弱依次为Cd>Hg>Pb>Cr>As。所有沉积物样品中五种重金属的RI在57.85~253.79之间，其中有55%的采样点沉积物中重金属的RI在150~300之间，处于中等潜在生态危害等级。