印度西南海岸内特拉瓦蒂-古鲁普尔河口系统柱状沉积物的沉积学特征、重金属污染及生态风险评价

《Journal of Trace Elements and Minerals》：Sedimentological Characteristics, Heavy Metal Contamination, and Ecological Risk Assessment of Core Sediments in the Nethravathi - Gurupur Estuarine System, Southwest Coast of India

　　

本研究评估了印度西南海岸内特拉瓦蒂-古鲁普尔（Nethravathi–Gurupur）河口系统沉积物柱芯的沉积学特征、地球化学性质、金属污染状况及潜在生态风险，重点关注沉积物质地、自然地质过程和人为输入对金属分布的影响。研究人员采集了两根长度分别为0.85米和1.35米的沉积物柱芯，按5厘米间隔共获取44个沉积物样品，分析了粒度分布、有机质（OM）、碳酸钙（CaCO3）以及铜（Cu）、铬（Cr）、镉（Cd）、钴（Co）、铁（Fe）、锰（Mn）、镍（Ni）、锌（Zn）和铅（Pb）的浓度。采用既定的污染与生态风险指数对沉积物污染和生态风险进行了评估。结果表明，沉积物以砂质为主，平均砂含量约90%，指示了相对高能的沉积环境。细粒沉积物组分影响了金属的积累与分布。铁和锰主要与岩源输入相关，而镉和铅的高浓度及富集则表明存在局部人为贡献。在所研究的金属中，镉表现出最高的富集程度和生态风险。总体而言，污染指数显示为低至中等程度的污染，而污染负荷指数（PLI）和潜在生态风险指数（RI）表明整体沉积物污染和生态风险较低，但镉和铅存在局部贡献。研究结论指出，沉积物质地、自然地质过程和局部人为活动共同控制了内特拉瓦蒂-古鲁普尔河口沉积物中的金属分布。建议持续开展沉积物质量监测，以识别金属积累变化及潜在生态风险。

印度西南海岸内特拉瓦蒂-古鲁普尔河口系统柱状沉积物的沉积学特征、重金属污染及生态风险评价：一项基于垂直剖面的综合研究

1. 研究背景与科学问题

环境污染是全球性重大问题，与经济增长、工业化和城市化密切相关，尤其体现在沉积物中金属含量的增加。河流系统作为地球水圈的关键组成部分，在水资源供给、农业、交通和生态平衡方面至关重要。然而，这些系统正日益受到人为压力的影响，导致其天然地球化学和沉积学特性发生深刻改变。位于印度卡纳塔克邦西南海岸曼加卢鲁附近的内特拉瓦蒂-古鲁普尔（Nethravathi–Gurupur）双河-河口系统，承受着强烈的季风径流和加剧的人为活动压力。快速的城市化、工业活动、港口运营、农业径流和污水排放已导致该区域沉积物质量逐步下降，尤其是金属浓度的升高。

沉积物既是污染物的储存库也是二次来源，记录了自然过程和人为添加随时间的变化。柱状沉积物是环境变化的历史记录，可重建过去的环境变迁与污染历史。然而，尽管已有若干研究关注该河口系统表层沉积物的金属污染状况，关于沉积物参数与金属分布在垂直剖面中的关系的数据仍然有限。以往研究主要集中于表层沉积物的空间分布、污染水平、地球化学形态、生物可利用性和迁移性。因此，本研究将沉积物质地、有机质、碳酸盐、金属含量、污染指数及多变量统计分析整合到两根沉积物柱芯中，旨在不仅对“柱状沉积物”应用传统污染指数，更重要的是探究沉积学性质和沉积特征的垂直变化对金属在沉积物柱中积累与分布的控制作用。具体目标包括：(i) 评估柱状沉积物的金属污染水平；(ii) 刻画沉积物的质地特征和地球化学性质；(iii) 评估自然和人为过程对金属分布与富集的影响；(iv) 识别金属的可能来源。

2. 关键技术方法

研究人员在内特拉瓦蒂-古鲁普尔河口系统两个代表性位置，利用配备PVC衬管的手动取芯器采集了两根相对未受扰动的沉积物柱芯（Core-1长0.85米，Core-2长1.35米）。在实验室纵向剖开柱芯后，按5厘米均匀间隔进行分样，共获得44份子样品。主要分析方法包括：采用湿筛法和移液管法进行粒度分析；运用Walkley–Black湿氧化法测定有机碳（OC）；采用酸中和滴定法测定碳酸钙（CaCO₃）含量；使用王水消解结合原子吸收分光光度法（AAS, PerkinElmer AAnalyst 400）测定Cu、Cr、Cd、Co、Fe、Mn、Ni、Zn、Pb九种金属浓度。质量控制方面，采用NIST SRM 1646a（河口沉积物标准参考物质）进行方法验证，元素回收率在85%-107%之间，均在80%-120%的可接受范围内。基于上述数据计算了污染因子（CF）、地累积指数（I_geo）、富集因子（EF）和污染负荷指数（PLI）等多项污染与生态风险指标。

3. 研究结果

3.1 沉积物粒度组成与分类

Core-1和Core-2的沉积物均以砂组分为主，平均砂含量分别约为93%和88%，表明整个柱芯剖面处于相对高能的沉积环境。三元图解分类显示，绝大多数样品属于砂质沉积物类型。Core-1的粉砂和粘土平均含量分别为4.06%和2.94%，Core-2则分别为7.00%和5.05%。Core-2中较高的细粒组分含量可能与其靠近河口混合区、水动力条件相对较弱有关。

3.2 有机碳（OC）和碳酸钙（CaCO₃）分布

Core-1的OC含量范围为0.08%-0.93%（均值0.44%），Core-2为0.08%-1.01%（均值0.42%）。两根柱芯的OC含量均随深度增加呈现波动性降低趋势，反映了表层有机质输入和早期成岩作用的共同影响。CaCO₃含量在Core-1中为0.92%-5.84%（均值2.73%），Core-2中为0.47%-5.29%（均值2.44%），其垂直变化可能与生物碎屑输入和陆源稀释作用有关。

3.3 金属浓度及其垂直分布

Core-1中金属平均浓度排序为：Fe > Mn > Zn > Cr > Ni > Cu > Co > Pb > Cd；Core-2为：Fe > Mn > Zn > Cr > Ni > Cu > Co > Pb > Cd。Fe和Mn在所有样品中占主导地位，主要来源于岩石风化等自然岩源输入。Cd和Pb在特定深度出现明显峰值，指示了局部的点源人为输入。相关性分析表明，大多数金属与细粒沉积物（粉砂+粘土）和OC呈显著正相关，证实了细颗粒和有机质对金属吸附的重要控制作用。

3.4 污染指数评价

污染因子（CF）：Cd在Core-1和Core-2的部分层位达到中等至较高污染级别，Pb在个别层位表现为中等污染，其他金属主要为低污染水平。地累积指数（I_geo）：Cd在两根柱芯的部分层位达到轻度至中度污染等级，其余金属均为无污染状态。富集因子（EF）：Cd在多数样品中表现为显著富集至极强富集，Pb在部分样品中表现为中等富集，指示了明显的人为来源贡献。污染负荷指数（PLI）：Core-1和Core-2的PLI值均小于1，表明整体处于无污染状态。

3.5 潜在生态风险

单个金属的潜在生态风险系数（E_rⁱ）显示，Cd的生态风险最高，在Core-1和Core-2的部分层位达到中等甚至较高风险水平，而其他金属的生态风险均较低。综合潜在生态风险指数（RI）表明，两根柱芯的整体RI值均低于150，属于低生态风险等级，但Cd的贡献占据了主导地位。

4. 总结与讨论

多元统计分析（主成分分析和聚类分析）进一步揭示了金属来源的差异性：Fe、Mn、Co、Ni、Cr和Cu主要归因于自然岩源（如西高止山脉结晶岩的风化产物）；而Cd和Pb则明显受到人为活动影响，可能与曼加卢鲁地区的城市径流、工业废水排放和港口活动有关。Zn呈现出混合来源特征。研究强调，沉积物质地（尤其是细粒组分含量）和有机质是控制金属分布的关键天然因素，而局部人为输入则在Cd和Pb的异常富集中扮演了重要角色。

5. 研究结论

本研究表明，沉积物质地、自然地质过程和局部人为活动共同控制了内特拉瓦蒂-古鲁普尔河口沉积物中的金属分布。铁和锰主要源于岩源输入，而镉和铅的富集则反映了局部人为污染贡献。镉是所研究金属中富集程度最高、生态风险最大的元素。总体而言，污染负荷指数和潜在生态风险指数显示整体沉积物污染和生态风险处于低水平，但镉和铅存在局部贡献。建议持续开展沉积物质量监测，以便及时识别金属积累的变化趋势和潜在的生态风险。