全 文 ：二道坊河沉积物中重金属等元素富
集特征的研究*
张淑香
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
依艳丽
刘孝义
(沈阳农业大学土化系, 沈阳 110161)
摘要
以二道坊河沉积物为研究对象,采用相关与回归分析综合地研究了 14 种元素在
沉积物中的富集特征.结果表明: 地球化学性质相近的元素, 它们在沉积物中的相关系数
大多达到了显著或极显著的水平; 通过因子分析,求出了 4 个主因子, 它们代表沉积物中
14 种元素测定信息的 85% , 以第一、二主因子对应的特征向量为 X、Y 轴将 14 个元素分
成了 3 类;建立了大部分元素与沉积物性质之间的多元回归方程.
关键词
元素富集特征
重金属
沉积物
Accumulation characteristic of heavy metals and other elements in sediments of Erdaofang
River. Zhang Shuxiang( I ns titute of App lied Ecology , A cademia Sinica, Shenyang 110015) ,
Yi Yanli and Liu X iaoyi( S henyang Agr icultural Univ ersity , Shenyang 110161) .
Chin. J .
A pp l . Ecol . , 1997, 8( 5) : 553~ 556.
This paper dealt with the accumulation characterist ics of 14 elements in the sediments of Erdao

fang River. Correlation and reg ression analysis showed that the correlation coefficients of ele

ments with similar geochemical properties in the sediments attained to a very significant or sig

nificant level. Based on factor analysis, four principal factors w hich repr esented 85% o f mea

surement information of 14 elements w ere selected. With corresponding eigenvectors of first and
second pr incipal factors as ax is X and Y, the 14 elements were div ided into three types. Mult i

regression models of most elements and sediment properties w er e established.
Key words
Element accumulation character istics, Heavy metals, Sediment .


* 辽宁省自然学基金资助项目(辽科发第 95号) .
1997年 2月 18日收稿, 4月 18日接受.
1
引

言
沉积物是一个复杂的多相体系, 主要
由有机质、铁锰铝氧化物及次生粘土矿物
组成,这些组分对进入其中的重金属离子
有很强的吸附作用, 致使进入水体中的重
金属污染物绝大部分积聚于沉积物中. 因
此,沉积物中重金属等元素的富集特征不
仅与各元素性质有关, 而且在很大程度上
受沉积物组成与特性的影响, 它们与重金
属在沉积物中迁移转化有密切关系[ 6, 7] .
位于本溪市东部山区的二道坊河由于多年
来接纳了本溪市化工厂等单位排放的废
水,致使该河流受到了严重污染,尤其是重
金属污染.关于重金属在环境中的富集特
征研究多见于部分元素与单个环境因子的
研究,而环境特征与某个元素富集特征的
综合研究较为少见. 本文以该河流沉积物
中重金属等元素为研究对象,对其在沉积
物中的富集特征进行了研究,为该河流水
体重金属污染评价和根治提供科学依据.
2
材料与方法
2. 1
样品采集
应 用 生 态 学 报
1997 年 10 月
第 8 卷
第 5 期





















CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Cct. 1997, 8( 5)!553~ 556
依二道坊河历年监测断面, 据污染源附近布
点较密的原则,从草河口化工厂排污口上游到徐
家台共采集了 19 个沉积物样品, 贮于聚乙烯塑
料袋中运回实验室, 自然风干、粉碎后, 过 100 目
尼龙筛备用.
2. 2
沉积物中元素及其性质的测定
Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Ca、Mg 采
用硝酸
盐酸
高氯酸消解, 原子吸收分光光度法
测定; Hg 采用硝酸
硫酸
五氧化二钒消解, 冷原
子吸收法测定; A s 用王水消解, 原子吸收分光光
度法测定; T l用高氯酸
硝酸
氢溴酸消解, 分光光
度法测定.沉积物性质测定参见文献[ 1, 5] .
2. 3
数据处理
全部数据处理应用 SAS 统计软件包中相应
程序在微机上进行.
3
结果与分析
3. 1
元素地球化学性质对富集特征的影
响
为阐明元素地球化学性质对各元素富
集特征的影响, 测定了 Hg 等 14个元素的
含量(表 1) , 并进行了相关分析.由表 2可
知,元素地球化学性质对元素在沉积物中
的相关性有一定的影响. 性质相似的第四
周期元素 Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、
As在该河流河道沉积物中大多表现出较
好的相关性. Ni与 Zn、Fe、As、Mn、Co, Cu
与 Fe 、Co 等它们之间的相关系数均达到
了显著与极显著水平, 尤其是第四周期的
∀B族元素 Fe、Co、Ni, 由于它们离子半径
和电负性十分接近, 在该沉积物中的迁移
过程具有相似的运动规律, 表现为它们在
该沉积物中具有高度的相关性.
亲硫元素Hg、Pb、Cu、Zn、Cd、Tl间也
表现了较好的相关性. 它们都与 S2- 具有
较强的络合力, 在环境中常以硫化物的形
式存在, 在各重金属形态研究中[ 2, 3]也表
明:这些重金属元素除 Pb 外在沉积物中
主要以硫化物的形式即残渣态存在. Pb与
Cu、Hg、Cd, Hg 与 Cu 的正相关系数达到
了显著与极显著水平, 而 T l与 Cd、Pb、Hg
表现出了显著或极显著的负相关,这可能
是由于 T 1 在地壳中属于典型的分散元
素,其分散性基于它具有亲氧性致使其化
学性质与行为表现了一定特殊性.
表 1
沉积物 14种元素的统计结果(
g#g- 1)
Table 1 Statistic results of 14 elememts in the sediments
Ni Cr Cd Pb Cu Zn Hg Co As T l Ca Mg Fe Mn
∃ 16. 88 10. 55 0. 33 45. 19 64. 92 40. 19 5. 84 7. 91 8. 81 0. 79 5. 9% 104 1. 3% 104 2. 5% 104 591. 1& 6. 90 6. 59 0. 27 23. 94 61. 44 9. 90 3. 11 4. 09 0. 92 0. 19 4. 0% 104 4. 5% 104 1. 9% 104 199. 92∋ 0. 41 0. 62 0. 82 0. 53 0. 95 0. 25 0. 53 0. 52 0. 10 0. 24 0. 68 0. 34 0. 72 0. 34

∃ .平均值 Mean, & .标准差 S . D, ∋ .变异系数 C. V.
表 2
二道坊河沉积物中各元素的相关系数
Table 2 Correlation coefficient of various elements in the sediments of Erdaofang River
Ni Cr C d Pb Cu Zn Hg Co As T l Ca Mg Fe Mn
Ni 1
Cr 0. 28 1
Cd - 0. 22 - 0. 21 1
Pb 0. 35 0. 32 0. 48* 1
Cu 0. 27 - 0. 04 0. 35 0. 60* * 1
Zn 0. 51* 0. 20 - 0. 06 0. 36 - 0. 06 1
Hg 0. 26 0. 22 0. 44 0. 69* * 0. 46* 0. 57* 1
Co 0. 77* * 0. 20 0. 03 0. 50* 0. 66* * 0. 14 0. 27 1
As 0. 65* * 0. 31 0. 08 0. 44 0. 36 0. 56* 0. 66* * 0. 50* 1
T l 0. 05 0. 04 - 0. 73* *- 0. 56* - 0. 19 - 0. 06 - 0. 48* 0. 05 - 0. 09 1
Ca 0. 31 - 0. 22 0. 60* * 0. 51* 0. 35 0. 06 0. 47* - 0. 09 0. 08 - 0. 48 1
Mg 0. 63* * 0. 24 0. 41 0. 49* 0. 10 0. 50* 0. 47* 0. 13 0. 45 - 0. 40 0. 16 1
Fe 0. 63* * 0. 08 - 0. 08 0. 34 0. 77* * 0. 04 0. 13 0. 74* * 0. 40 0. 01 - 0. 11 0. 09 1
Mn 0. 62* * 0. 32 - 0. 42 0. 01 - 0. 30 0. 51* 0. 20 0. 37 0. 47* 0. 27 - 0. 45* 0. 05 - 0. 05 1
* p< 0. 05, * * p< 0. 01.
554 应
用
生
态
学
报













8 卷
3. 2
沉积物重金属元素的主因子分析
为了进一步揭示各元素之间的相互关
系,本文进行了主因子分析.由表 3按特征
值及其累计贡献率大于 85%的原则[ 4] , 选
取了 4个主因子, 这 4 个主因子 F1、F2、
F3、F4 对各个变量的方差贡献率分别为
37. 22%、25. 54%、16. 16%、5. 87% , 其所
含信息占总体信息的 85%(表 3) .
表 3
前 5个主因子特征值及其累积贡献率
Table 3 Eigenvalue and cumulative proportion of five fac

tors
主因子
Principal
factor
特征值
Eigenvalue
贡献率
Cont ribu

tion
累积贡献率
Cumulative
cont ribut ion
1 4. 749568 0. 3722 0. 3722
2 3. 259700 0. 2554 0. 6276
3 2. 060395 0. 1616 0. 7891
4 0. 748684 0. 0587 0. 8478
5 0. 656083 0. 0514 0. 8992
表 4
4个主因子的特征向量
Table 4 Eigenvector of four principal factors
元素
Element
F1 F2 F3 F4
Fe 0. 95576 0. 02380 0. 07578 - 0. 08128
Co 0. 85702 - 0. 00540 0. 02256 0. 43266
Cu 0. 85027 - 0. 13610 - 0. 05938 - 0. 23303
Ni 0. 62267 0. 02531 0. 40464 0. 56363
T l 0. 00466 0. 94170 - 0. 08916 0. 08159
Cd 0. 02819 - 0. 73271 0. 07901 - 0. 22359
Zn - 0. 00709 0. 03898 0. 81963 0. 35703
Mg 0. 07291 - 0. 37829 0. 70563 0. 04997
As 0. 38059 - 0. 04278 0. 46427 0. 35647
Mn - 0. 02926 0. 20058 0. 20525 0. 90366
Ca - 0. 02297 - 0. 33771 0. 06434 - 0. 24629
Pb 0. 43339 - 0. 48012 0. 3006 0. 08525
Cr 0. 05063 0. 04232 0. 12736 0. 14085
Hg 0. 17426 - 0. 36499 0. 40673 0. 17172


由表 4 可知, 第一主因子主要由 Fe、
Co、Cu、Ni所决定, 这 4 个元素在主因子
F 1上有较高的正载荷,这反映了它们的富
集特征.元素 Fe、Co、Ni属于第四周期第
∀B族, 第一主因子主要反映了第四周期
第∀B族元素的富集规律. 第二主因子 F2
主要由 Tl与 Cd决定, 其中 Tl对其有较大
的正载荷, 而 Cd则具有绝对值较高的负
载荷, 这说明 Tl、Cd在该河流沉积物中具
有相反的富集趋势, 反映了 Tl的富集与
Cd的迁移转化特征. 第三主因子 F3 主要
由 Zn、Mg 元素决定,它们对第三主因子均
具有较高的正载荷, 反映了二者富积特征
的相似性.第四主因子 F 4主要由 Mn 决定
且具有较高的正载荷, 说明第四主因子反
映了 Mn的富积特征,即 Mn较高的特性.
将第一、二主因子相应的 14个元素的
特征向量分别表示于 x、y 轴上,可将其粗
略地分成 3类(图 1) , 第 ∃类包括 Fe、Co、
Cu、Ni,代表第一主因子的含义, 反映了这
4个元素具有相似的富集特征; 第 &类仅
一元素 T l, 这说明 T l地球化学行为的独
立性;第 ∋类包含了其它所有元素,分类精
度较差,这可能是由于这些元素性质及来
源差异所致.
图 1
沉积物中测定元素的分类
Fig. 1 Classificat ion of measured elements in the sediments.
3. 3
沉积物性质对各元素富集特征的影
响
沉积物中某一元素的富积特征是沉积
物的固相物质与多种元素在一定环境条件
下相互作用的结果. 为分析各元素与沉积
5555 期






张淑香等:二道坊河沉积物中重金属等元素富集特征的研究





物性质的相互关系及确定各性质对元素富
集的影响程度, 进行了多元回归分析,并建
立了数学模型(表 5) . Zn、As与自变量的
回归方程未达到统计学上显著水平, 未能
建模, 说明这 2个元素的富集与本研究中
性质的相关性较差,或受其它性质的影响.
其它各元素所建的数学模型及其选入的变
量均达到了统计学上的极显著或显著水
平,所建方程的决定系数R2大多在 0. 9以
上,这充分反映了所建模型的可靠性.
表 5
沉积物中各元素与其性质的数学模型
Table 5 Mathematic models between various elements and sediment properties
数学模型
Math emat ic models
R2 F 各变量的决定系数
Variable R2
Ni= 5. 96+ 4. 54B( < 0. 05) + 1. 38CEC( < 0. 01) 0. 87 22. 56* * CEC 0. 71, B 0. 15
Cr= 16. 57- 1. 24P1( < 0. 05)+ 6. 8% 10- 3Fe2( < 0. 01) 0. 96 29. 47* * Fe2 0. 25, Mn1 0. 29

- 9. 5% 10- 2Mn1( < 0. 01) - 3. 8% 10- 3Al1( < 0. 01) Al1 0. 35, P1 0. 06
Cd= - 0. 20+ 0. 12P1( < 0. 05) 0. 49 7. 55* *
Pb= - 0. 73+ 12. 81OM( < 0. 01) + 0. 013Fe2( < 0. 01) 0. 90 17. 12* * OM 0. 60, Fe2 0. 14 Mn1 0. 16

- 0. 17Mn1( < 0. 05)
Cu= 5. 56+ 84. 23B( < 0. 01) 0. 67 16. 04* *
Hg= 2. 04+ 1. 86% 10- 3Al2( < 0. 01) 0. 66 15. 34* *
Co= - 6. 69+ 7. 3% 10- 3Mn( < 0. 01) + 0. 83OM( < 0. 01) 0. 98 80. 10* * Fe1 0. 84,OM 0. 067Mn1 0. 065

+ 1. 5% 10- 3Fe1( < 0. 01)
T l= 1. 16- 0. 076P1( < 0. 01) + 6. 6% 10- 4Mn1( < 0. 05) 0. 95 35. 03* * P1 0. 45, Al1 0. 43 Mn1 0. 0656

- 5. 9% 10- 3Al1( < 0. 01)
B:比表面 Specif ic surface, CEC:阳离子代换量 Exchange capacity, P1: 粘粒含量 Clay, P2:粉粒 S ilt, OM:有机质 Organic
matter, Fe:总 Fe含量 T otal Fe, Fe1:游离氧化铁Free ferricoxide, Fe2:无定形氧化铁 Amorphic ferricoxide, Mn:总 Mn含量 Total Mn ,M n1:游离氧化锰 Free manganese oxide, Mn2:无定型氧化锰 Amorphic manganese oxide, Al1:游离氧化铝
Free aluminium oxide, Al2:无定型氧化铝 Amorphic aluminium oxide.


由表 5可以看出, Ni主要由阳离子交
换量和比表面决定, 尤其是阳离子代换量
对其有较大的贡献, 这表明沉积物中 Ni吸
附量主要由阳离子代换量决定; Cr 主要由
无定型氧化铝、游离氧化锰、无定型氧化铁
决定, 其决定系数差异不大; Cd 主要由粘
粒决定,其贡献率为 0. 49, 这也说明 Cd主
要集中在粘粒部分; Pb 主要由有机质、游
离氧化锰、无定型铁氧化物决定,尤其是有
机质对其有较大的贡献率, 这反映了有机
质对 Pb有较强的吸附能力; Cu 主要由比
表面决定; Hg 由无定型氧化铝决定, 说明
无定型氧化铝对 Hg 有较强的吸附作用;
Co 主要由游离氧化铁决定,这反映沉积物
中Co主要受游离氧化铁决定, 可见游离
氧化铁对 Co 有较强的吸附作用. 从各方
程选入参数出现频率可以看出, 以有机质
出现次数最多, 其次是粘粒的含量、游离氧
化锰、无定形氧化铝等;从各参数的相对贡
献看则以 Fe、Al金属氧化物作用最大,它
们对各元素的吸附起着重要作用.这充分
揭示了各元素在沉积物中富集特征的差异
性与一致性.
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556 应
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生
态
学
报













8 卷