陳鵬飛, 李潮流*, 康世昌,2, 張強(qiáng)弓, 高少鵬

(1. 中國(guó)科學(xué)院 青藏高原研究所 青藏高原地表過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085; 2. 中國(guó)科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 冰凍圈國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

河流是陸地淡水資源的重要組成部分, 是人類生存發(fā)展的重要環(huán)境要素。對(duì)河流環(huán)境化學(xué)的研究已經(jīng)引起各國(guó)政府和科學(xué)家的廣泛關(guān)注[1–6], 其中河流沉積物中重金屬元素的含量和分布特征是一個(gè)重要研究方向[7–8]。對(duì)河流沉積物中元素含量的研究對(duì)于了解流域元素地球化學(xué)特征, 識(shí)別水體污染等具有重要意義。上述研究已經(jīng)在世界許多河流廣泛開(kāi)展[9–11], 國(guó)內(nèi)也展開(kāi)了相關(guān)河流沉積物及重金屬污染[12–16]的研究。但對(duì)青藏高原最大的河流—— 雅魯藏布江的相關(guān)研究卻很少[17–18], 尤其是缺少沉積物元素含量的研究。

本文擬對(duì)采自青藏高原南部雅魯藏布江的表層沉積物進(jìn)行全樣品化學(xué)分析, 測(cè)定樣品中主元素和微量元素含量及分布特征; 通過(guò)相關(guān)分析方法, 探討元素間的內(nèi)在聯(lián)系及元素含量與沉積物的粒徑間的關(guān)系, 并建立相關(guān)元素含量與沉積物粒徑間的回歸方程。本研究結(jié)果將為該流域的環(huán)境保護(hù)、污染監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雅魯藏布江(以下簡(jiǎn)稱為“雅江”)發(fā)源于喜馬拉雅山脈北坡海拔5200 m的杰馬央宗冰川, 由西向東流經(jīng)日喀則、拉薩、山南、林芝四個(gè)地市, 最后經(jīng)印度、孟加拉國(guó)注入印度洋(圖1)。雅江在中國(guó)境內(nèi)全長(zhǎng) 2057 km, 流域面積 2.4×105km2, 該流域是西藏經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)[19]。受印度季風(fēng)的影響雅江流域降雨主要集中在6月～9月, 相應(yīng)地, 河流最大流量也出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)期。整個(gè)流域年降雨量差別很大, 從下游(大于1000 mm)到上游逐漸遞減(小于300 mm)[20]。

1.2 研究方法

2006年10月到2007年6月, 沿雅江從上游仲巴縣到下游林芝地區(qū)在河流約30 cm水深采集0～5 cm表層沉積物樣品共16個(gè)(圖1), 樣品采集后, 裝入聚乙烯塑料袋, 密封做好標(biāo)記; 運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后在無(wú)塵環(huán)境下陰干, 利用激光粒度儀測(cè)定樣品粒徑; 用瑪瑙研缽把少量混勻的樣品研細(xì)后, 利用ICP-MS測(cè)定元素含量, 由于河流沉積物中重金屬元素的對(duì)比研究需要建立在一定的粒徑標(biāo)準(zhǔn)上, 只有這樣, 不同水體、不同元素的測(cè)定數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行有效的對(duì)比,其中小于20 μm和小于63 μm是最常用的粒級(jí)[21],因此本文分別用重力沉降法和濕篩法獲得分離出沉積物中的上述兩個(gè)粒級(jí)。

由于雅江流域山高谷深, 許多地方難以接近, 因此所采集的樣品位于比較容易接近的河段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 各個(gè)樣品的元素含量之間具有一定規(guī)律, 而且大部分樣品具有比較一致的稀土元素組成[18], 因此上述樣品能較好地代表雅江沉積物的一般特征。利用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS, X-7 Thermo Elemental)測(cè)定了沉積物全樣、小于20 μm的部分和小于63 μm的部分的32種元素的含量。參考物質(zhì)中除Cd的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為13%外, 其余元素均優(yōu)于5%。

圖1 研究區(qū)位置和采樣點(diǎn)Fig.1 Location map of the Yarlung Zangbo and sampling sites

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物中元素含量

雅江表層沉積物中32種元素的平均含量、西藏土壤元素背景值[20]及中國(guó)陸殼元素豐度[22]見(jiàn)表 1。盡管全樣中多數(shù)元素的含量與中國(guó)陸殼元素豐度值接近, 但一些元素存在異常, 如 Na、Ca、Sr和 Ba的含量低于中國(guó)陸殼元素豐度值, 主要因?yàn)镹a、Ca、Sr屬于強(qiáng)烈水遷移元素, Ba屬于中等水遷移元素,容易流失; 盡管如此, 這些元素的含量均與西藏土壤元素背景值[20]相當(dāng)。B、As、Cs、Bi含量明顯高于中國(guó)陸殼元素豐度值, 這是由于青藏高原廣泛分布著富含這些元素的頁(yè)巖、片巖、千枚巖等母巖[20]。其中雅江沉積物中 Cs的含量顯著高于西藏土壤元素背景值, 這主要是因?yàn)檠沤饔蚋缓珻s的鉀長(zhǎng)石含量高于青藏高原其他地區(qū)[23], 而且雅江處在亞歐板塊和印度板塊的縫合帶上, 強(qiáng)烈的熱液活動(dòng)也可釋放出大量Cs[24], 導(dǎo)致該元素在雅江流域基巖以及沉積物中的含量升高。

為研究雅江表層沉積物中元素含量與粒級(jí)的關(guān)系, 對(duì)比了沉積物全樣、小于63 μm和小于20 μm粒級(jí)的含量。從表 1可以看出, 多數(shù)元素的含量隨粒級(jí)增大呈遞減趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榱＜?jí)越小, 比表面積越大, 吸附的元素也就越多[25]。少數(shù)元素如Y、Zr、Hf、Th在小于63 μm的部分含量最大, 這是由于上述元素優(yōu)先在一些重礦物如鋯石、獨(dú)居石和褐簾石中富集[26], 因而反映了這些重礦物在20～63 μm 的粒徑中較高的含量[18]。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd 和 Pb等10種元素與人類活動(dòng)密切相關(guān), 具有顯著的環(huán)境意義, 本研究進(jìn)一步分析了這些元素的含量及分布特征。結(jié)果表明多數(shù)重金屬元素的含量隨沉積物粒徑增大而遞減。尤其值得關(guān)注的是 As, 全樣中 As的含量與西藏土壤元素背景值基本一致, 但為中國(guó)陸殼元素豐度值的12倍。已有的研究表明雅魯藏布江流域廣泛分布富含As的頁(yè)巖、片巖等, 因此可確定沉積物中的As主要來(lái)自富含As的母巖[27]。另外全樣中Pb的含量略高于小于63 μm粒級(jí)樣品中的含量, 這是因?yàn)镻b主要存在于粒徑較大的鉀長(zhǎng)石中。由于強(qiáng)烈物理風(fēng)化導(dǎo)致沉積物較粗的粒徑[18], 雅江沉積物中除As外的其余9種元素含量均低于長(zhǎng)江沉積物[13]中的含量。

表1 雅魯藏布江沉積物樣品中元素含量Table 1 Elemental concentrations of the Yarlung Zangbo River sediments

2.2 沉積物中元素間的相關(guān)分析

為探討雅江表層沉積物中元素含量的控制因素及元素之間的關(guān)系, 對(duì)這10種元素及粒徑進(jìn)行相關(guān)矩陣分析(表 2)。由表 2可見(jiàn), Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn之間顯著相關(guān), 可能是因?yàn)檫@些元素具有相似的地球化學(xué)行為和一致的物質(zhì)來(lái)源[28], 即主要受該流域地表組成物質(zhì)的影響。相對(duì)地, As與其他元素相關(guān)性不顯著, 但As的空間分布與表層土壤相似[27],表明雅江沉積物中 As的含量主要受不同區(qū)域的巖性的控制。

2.3 沉積物中元素含量與粒徑關(guān)系

通常, 重金屬元素主要在細(xì)顆粒的黏土礦物中富集, 而在粗顆粒中含量很小, 我們的研究結(jié)果也表明大部分重金屬元素和粒徑間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 即粒徑越小元素含量越高, 因而可以通過(guò)它們的相關(guān)關(guān)系建立一個(gè)方程。由于目前雅江流域沒(méi)有大的工業(yè)污染源, 之前的研究也表明該河仍然是一條自然河流[17], 因此本研究的重金屬元素含量可以作為參照, 以后在該流域進(jìn)行沉積物重金屬元素含量研究時(shí), 把測(cè)得的元素含量和粒徑代入建立的方程, 可以為評(píng)價(jià)該元素是否受到人類活動(dòng)的影響提供參考。從表2可以看出, 10種元素中Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 與粒徑之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, Cr、Cd與粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此, 本研究選擇與粒徑相關(guān)程度高的Fe、Co、Cu、Zn元素, 對(duì)這些元素含量和粒徑相關(guān)性做分析, 并給出兩者之間的線性方程(圖2), 同樣, Mn和Ni與粒徑間也顯著相關(guān),線性方程分別為: yMn= –3.186x + 903.33 (R2=0.4295), yNi= –0.3962x + 87.294 (R2= 0.4597)。盡管該流域巖性復(fù)雜, 但由于沉積物在傳輸過(guò)程中的混合作用, 元素組成在不同區(qū)域比較一致, 因此雅江流域大部分元素的含量主要受到粒徑的控制。其中個(gè)別元素的含量受不同支流巖性的影響較大, 如沉積物全樣Y1中As的高含量就是由于這一地區(qū)的母巖中As的含量較高引起的[20]。雅江沉積物As元素的含量遠(yuǎn)高于其下游河流的含量, 說(shuō)明雅江的沉積物對(duì)其下游的影響還比較小; 同時(shí), 雅江沉積物 Cd元素含量與西藏土壤背景值相當(dāng)而遠(yuǎn)低于其下游的含量, 說(shuō)明雅江受到人類活動(dòng)的影響較小。

3 結(jié) 論

(1) 本文給出了雅江表層沉積物的基本元素特征。多數(shù)元素與西藏土壤元素背景值相差不大, 但Cr、Ni、As和 Cs高于中國(guó)陸殼元素豐度值, 其中As含量約為上地殼元素豐度值的 12倍, 這些富集的元素均來(lái)自雅江流域的母巖。

(2) 沉積物全樣中10種重金屬元素的含量分布分別為: 15.59～130.8 mg/kg、320.1～827.9 mg/kg、11870～37810 mg/kg、3.64～17.1 mg/kg、9.74～87 mg/kg、8.78～43.74 mg/kg、28.7～106 mg/kg、14.01～35.25 mg/kg、0.06～0.18 mg/kg、22.19～53.45 mg/kg, 相應(yīng)地, 小于20 μm和小于63 μm部分的元素含量更高。

表2 雅魯藏布江沉積物中元素和粒徑相關(guān)性分析Table 2 Correlation coefficients among elements and the mean grain size in the Yarlung Zangbo River bulk sediments

圖2 元素與粒徑相關(guān)趨勢(shì)圖Fig.2 The relationship between elemental concentrations and the mean grain size

(3) Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 之間相關(guān)性很強(qiáng), As與其他元素均不相關(guān), Cd與Zn、Pb顯著相關(guān), 與其他元素不相關(guān)。

(4) 多數(shù)元素與沉積物粒徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,即粒徑越小元素含量越高。計(jì)算出Cu、Zn、Fe、Co的含量與粒徑關(guān)系方程式分別為 yCu= –0.2481x +51.44, yZn= –0.5348x + 122.63, yFe= –191.35x +48336, yCo= –0.0958x + 20.861, yMn= –3.186x +903.33, yNi= –0.3962x + 87.294, 可以為評(píng)價(jià)雅江表層沉積物中這些元素是否受到人類影響提供參考。

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