東洞庭湖濕地土壤重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

劉娜，曾靜，李旭，侯志勇，謝永宏

（中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程院重點實驗室,洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，湖南 長沙410125）

洲灘屬于水陸交叉帶，具有十分重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能，洲灘濕地土壤是濕地生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的組成部分之一，與人類的生活非常密切。然而隨著人口數(shù)量的增加、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，人們在開發(fā)利用濕地資源的同時，對其環(huán)境造成的污染破壞不容小視，大量未經(jīng)處理的城市垃圾、被污染的土壤、工業(yè)和生活污水流入江河，加上農(nóng)藥化肥的過度施用，使水體懸浮物和沉積物中的無機(jī)、有機(jī)污染物含量急劇升高，重金屬的含量不斷累積增加，嚴(yán)重影響了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康，也直接或間接的對人體健康構(gòu)成威脅[1-6]。因此，分析洲灘土壤重金屬污染特征對于合理開發(fā)利用濕地具有重要的現(xiàn)實意義。

重金屬是一種持久性有毒的污染物，進(jìn)入土壤后不能被生物降解，土壤中重金屬的富集對生物體及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的生態(tài)危害性，是嚴(yán)重危害生態(tài)安全的土壤污染物[7-13]。近年來人們越來越重視土壤環(huán)境質(zhì)量的變化，在全國很多地方都開展了針對環(huán)境質(zhì)量的土壤重金屬調(diào)查和評價[14-15]。

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是國際上重要濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)之一，具有維系長江中下游防洪安全的功能，也是廣大湖區(qū)人民賴以生存發(fā)展的基礎(chǔ)[16-17]。湘江流域是我國重金屬污染較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，由于湘江是洞庭湖水系最大的河流[18-19]，導(dǎo)致洞庭湖區(qū)水相、灘地、洲垸和耕地土壤重金屬潛在污染風(fēng)險較高[20]。目前,對洞庭湖污染方面的研究多集中在水質(zhì)污染和沉積物污染，有關(guān)洞庭湖區(qū)濕地土壤重金屬污染狀況及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價方面的研究較少[21-22]。另外，土壤是構(gòu)成環(huán)境要素的重要組成因子，土壤中的重金屬易生物富集和放大從而對生存于其中的動植物體產(chǎn)生較大的生態(tài)危害性。因此，本文以東洞庭三個洲灘區(qū)域（小西湖、六門閘和麻塘）濕地土壤為研究對象，對其土壤中的重金屬Cd、Cr、Ni、Pb、Hg、As 含量進(jìn)行測定、分析并對洞庭湖濕地土壤重金屬的污染現(xiàn)狀進(jìn)行評價，探討其潛在生態(tài)風(fēng)險，以期掌握洞庭湖濕地土壤重金屬的污染現(xiàn)狀，指導(dǎo)土地的合理利用、重金屬污染的治理和保障人群健康提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

洞庭湖位于湖南省北部（24°39′-30°08′N，108°47′-114°15′E），區(qū)域氣候溫暖濕潤，植被豐富且群落類型多樣，植被演替模式較為復(fù)雜。典型的濕地植被群落有苔草（Carex spp.）、 荻（Triarrhena sacchariflora）、 辣蓼（Polygonum hydropiper)、虉草（Phalaris arundinacea）等。濕地植被分布受水位梯度變化、洲灘淤積抬升等的影響。

本研究選擇位于東洞庭湖的小西湖、六門閘和麻塘3 個典型洲灘區(qū)域，其植物群落呈現(xiàn)由辣蓼群落、苔草群落到蘆葦群落的正向演替模式，同時植物群落沿水位梯度呈現(xiàn)明顯的帶狀分布格局。

1.2 樣品采集與處理

在3 個典型洲灘分別設(shè)置15 個1 m×1 m 的樣方，樣方間隔50 m，在樣方中按照“S”型路線采集0-20 cm 土層的樣本5-8 個點，混合均勻后用滅菌自封袋帶回實驗室。于2010 年和2012 年在同一地點取樣，總共采集土壤樣品90 個。

土壤樣品采集回室內(nèi)后，剔除土壤中的動植物殘體、石塊等雜物,于室內(nèi)自然風(fēng)干。隨后用木錘搗碎后過20 目尼龍篩,然后從中取50 g 左右,在瑪瑙研缽內(nèi)進(jìn)一步磨細(xì),過100 目尼龍篩,儲存于聚乙烯袋中待測。

1.3 分析方法

稱取約0.500 0 g 加工好的樣品（精確到0.000 1 g）經(jīng)HNO3-HClO4-HF 消化處理，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）內(nèi)標(biāo)法測定土壤中的Cd、Cr、Ni、Pb。同時取土壤樣品0.250 0 g（精確到0.000 1 g）于25 ml 比色管中,加入新配（1+1）王水10 ml，于沸水浴中加熱2 h，其間要充分振搖兩次,冷卻至室溫后加入10 ml 保存液，用稀釋液定容,搖勻。該消解液用來測定汞。取靜置后的消解溶液5.00 ml于另一25 ml 比色管中,加入50 g/L 的硫脲溶液2.5 ml,鹽酸2.5 ml,定容至25 ml,該溶液用來測定砷。每個土壤樣點的重金屬含量均以兩年的平均值來計算。

1.4 污染指數(shù)評價方法

采用單向污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤污染狀況進(jìn)行評價。單項污染指數(shù)計算方法為：

式中：Pi為i 污染物的污染指數(shù)；Xi為污染物的實測值；Si為i 污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)。土壤重金屬參照GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價[22]。單項污染指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)：Pi≤1 非污染,1＜Pi≤2 輕污染，2＜Pi≤3 中污染，Pi＞3 重污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算方法為:

式中：Ij為監(jiān)測點的綜合污染指標(biāo)；Ijmax為j 監(jiān)測點所有污染物單項污染指數(shù)中的最大值；Ijave為j 監(jiān)測點所有污染物單項污染指數(shù)的平均值。綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.5 潛在生態(tài)危害評價方法

本文采用瑞典科學(xué)家提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行評價[6]。該法是根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，從沉積學(xué)角度提出來的對土壤或沉積物中重金屬污染進(jìn)行評價。不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進(jìn)行評價。潛在生態(tài)危害指數(shù)涉及到單項污染系數(shù)、重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)以及潛在生態(tài)危害單項系數(shù)，其計算公式為:

表1 土壤污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading of soil pollution indexes

式中：RI 為土壤中多種重金屬復(fù)合污染狀態(tài)下的潛在生態(tài)危害指數(shù)；Eir為i 種重金屬的潛在生態(tài)危害單項系數(shù)；Tir為i 一種金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)；Ci為表層土壤重金屬濃度實測值，Cin為計算所需的參比值。采用Hakanson 制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)為評價依據(jù),重金屬毒性水平及毒性響應(yīng)系數(shù)為Cr=2＜Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40。土壤參比值采用的是國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)。重金屬單項污染系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[24-25]。重金屬污染生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)列于表2。

表2 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級關(guān)系Table 2 Indices and grades of potential ecological risk of heavy metals pollution

2 結(jié)果與分析

2.1 東洞庭土壤重金屬的含量

東洞庭濕地土壤重金屬含量顯著高于背景值，且不同洲灘重金屬含量存在顯著差異。東洞庭三個洲灘區(qū)域（小西湖、六門閘和麻塘）土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Hg、As 的含量均以麻塘最高，其中Cd 的含量是背景值的7 倍，是小西湖和六門閘的3.8 和4.1倍；Pb 為背景值的2 倍，是其它兩個地方的1.9 倍；Hg 為背景值的4 倍，是其它兩個地方的2.3 倍；As為背景值的2 倍，是其它兩個地方的2.1 倍（表3）。

表3 東洞庭湖土壤中重金屬含量（mg/kg）Table 3 Contents of heavy metals in wetland soils around East Dongting

以國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)為參照，麻塘土壤（pH＜6.5）Cd 含量達(dá)到國家II 級標(biāo)準(zhǔn)的8 倍，Ni 超出國家II 級限值但低于III 級標(biāo)準(zhǔn)閾值，其余的重金屬都在國家II 級限值之內(nèi)；小西湖土壤（pH＞6.5）中Cd 超出國家II 級限值但低于III 級標(biāo)準(zhǔn)閾值，土壤中Ni 超出國家II 級限值但低于III 級標(biāo)準(zhǔn)閾值，其余4 種重金屬未超過國家I 級標(biāo)準(zhǔn)；六門閘土壤（pH＞6.5）中6 種重金屬都未超過國家II 級標(biāo)準(zhǔn)。

東洞庭三個洲灘區(qū)域，麻塘Cd 富集非常顯著，形成了以Cd 為主的多種重金屬復(fù)合污染的特征。麻塘處于湘江航道邊緣與湘江航道相連，一年有6個月的洪水浸泡期，長期有積水，采樣時土壤含水量最高。六門閘、小西湖洪水期較短，一年有4 個月的洪水浸泡期，無長期積水，遠(yuǎn)離湘江航道。另外，麻塘區(qū)域采礦冶煉工業(yè)并不發(fā)達(dá)，表明麻塘重金屬污染可能主要受到上游湘江水的影響[26]，尹春艷等[27]通過主成分分析也證實湘江河口沉積物中Cd、Pb 主要源于湘江水的輸入。這個結(jié)果也與朱奇宏等[28]對環(huán)洞庭湖區(qū)蔬菜基地土壤重金屬含量的研究結(jié)論相一致。

2.2 東洞庭湖土壤重金屬現(xiàn)狀評價

按照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)II 級標(biāo)準(zhǔn)，對采樣點中各元素進(jìn)行單項污染分級統(tǒng)計。麻塘以Cd 污染最為突出，單向污染指數(shù)高達(dá)8，達(dá)到重度污染。其次是Ni 的單向污染指數(shù)為1.34，屬于輕度污染；小西湖Cd 和Ni 的單項污染指數(shù)分別為1.05 和1.11，為輕度污染；六門閘所有重金屬單向污染指數(shù)均小于1，沒有達(dá)到污染的程度。從綜合污染指數(shù)來看，麻塘的綜合污染指數(shù)為2.23，達(dá)到中度污染，小西湖和六門閘處于警戒線（表4）。整體而言，研究區(qū)重金屬污染程度依次為Cd＞Ni＞Hg＞As＞Pb＞Cr，并且麻塘最嚴(yán)重，小西湖次之，六門閘基本不存在污染。

表4 東洞庭湖土壤重金屬污染程度評價與分級Table 4 Evaluation and grading of heavy metal pollutions in the wetland soil of East Dongting Lake

麻塘因與湘江航道相連受湘江水質(zhì)影響，Cd 富集非常顯著，在麻塘地區(qū)形成了以Cd 為主的多種重金屬復(fù)合污染特征。

2.3 東洞庭濕地土壤重金屬污染評價及潛在的生態(tài)危害

根據(jù)“沉積學(xué)毒性系數(shù)”，對小西湖、六門閘和麻塘3 個采樣點典型洲灘濕地土壤重金屬元素污染潛在生態(tài)危害系數(shù)和污染分級分析，Cd、Hg 污染嚴(yán)重，麻塘Cd 和Hg 的潛在污染系數(shù)分別為240.77和188.60，都已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害；小西湖、六門閘Hg 的潛在污染系數(shù)分別為100.6 和101.62，為較強(qiáng)生態(tài)危害，其余均為輕度污染。從元素潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)來看，小西湖RI=55.15，六門閘RI=60.12，達(dá)到低度生態(tài)危害；麻塘RI=152.91，已經(jīng)達(dá)到中度生態(tài)危害（表5）?？傮w來說，小西湖、六門閘、麻塘三個地方重金屬Cd、Hg 污染嚴(yán)重，麻塘Cd 已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害，Hg 達(dá)到較強(qiáng)生態(tài)危害。從綜合指數(shù)和總的潛在風(fēng)險程度來看麻塘重金屬污染是中度生態(tài)危害。因此東洞庭湖洲灘濕地土壤，土壤中Cd、Hg污染問題值得高度關(guān)注，尤其是麻塘地區(qū)，以免加重污染。

表5 東洞庭土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價結(jié)果Table 5 The ecological hazard in urban soils of East Dongting Lake

3 結(jié)論

東洞庭區(qū)域麻塘、六門閘和小西湖3 個洲灘濕地土壤受到不同程度的重金屬污染，其中Cd 和Hg是最主要的污染元素；受湘江水的影響，麻塘區(qū)域濕地土壤Cd 和Hg 已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害程度，形成了以Cd 為主的多種重金屬復(fù)合污染的特征。小西湖和六門閘土壤重金屬污染達(dá)到低度生態(tài)危害，麻塘土壤重金屬污染則達(dá)到中度生態(tài)危害。因此，東洞庭湖洲灘濕地土壤，尤其是與湘江航道相連的地區(qū)，土壤重金屬污染問題值得高度關(guān)注，需采取合理措施進(jìn)行治理。

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