黃河濕地（小白河片區(qū)）土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

韓劍宏+杜方圓+李衛(wèi)平+高靜湉+王曉云+鮑交琦+樊愛萍

摘要：為了加強(qiáng)包頭黃河濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理，測(cè)定了黃河濕地小白河片區(qū)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量，采用地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)濕地土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并采用相關(guān)分析和因子分析對(duì)濕地重金屬的來源進(jìn)行了初步的探討。結(jié)果表明，黃河濕地小白河土壤7種重金屬平均含量Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。濕地土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，多種重金屬為中度和偏中度污染，黃河濕地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等。最后，討論了黃河濕地小白河片區(qū)土壤重金屬的可能來源，表明濕地重金屬主要來源于人為影響因素。

關(guān)鍵詞：黃河濕地；重金屬；因子分析；地累積指數(shù)評(píng)價(jià)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： X53文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0239-04

濕地土壤中往往含有毒性較強(qiáng)的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn 等重金屬，其富集對(duì)環(huán)境變化具有重要的指示意義。在人類活動(dòng)頻繁的白洋淀和洞庭湖濕地，濕地土壤中重金屬超過其土壤背景值或土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，Cd、Cr 污染較為嚴(yán)重[1-2]，人為干擾較小的青海湖和西溪濕地土壤重金屬污染相對(duì)較輕[3-4]，生態(tài)環(huán)境良好。

內(nèi)蒙古包頭黃河濕地地處我國寒區(qū)、干旱半干旱區(qū)，是包頭市乃至西北寒旱地區(qū)1個(gè)得天獨(dú)厚寶貴的自然資源。目前，對(duì)于黃河濕地土壤的研究還有所欠缺，因此，該研究加強(qiáng)對(duì)濕地土壤重金屬的研究，以期為濕地的生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供理論依據(jù)，對(duì)濕地科學(xué)發(fā)展具有重要意義。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1采樣與樣品分析方法

內(nèi)蒙古包頭黃河濕地（圖1）位于包頭市南側(cè)，黃河北岸，由昭君島、小白河、南海湖、共中海和敕勒川5個(gè)片區(qū)組成，總面積12 222 hm2。其中，小白河片區(qū)西起昆都侖河?xùn)|岸、南至黃河中心線、東至畫匠營子水源地保護(hù)區(qū)東界、北至小白河應(yīng)急分洪區(qū)現(xiàn)狀水域北界及分洪區(qū)內(nèi)島嶼南側(cè)，總面積 2 257 hm2。

2015年5月，該研究以黃河濕地的小白河片區(qū)（圖2）為主要研究對(duì)象，自西向東分布了10個(gè)樣方（S1～S10），每個(gè)樣方按網(wǎng)格布點(diǎn)選取了5個(gè)點(diǎn)位，并將5個(gè)點(diǎn)位0～20 cm和20～40 cm土層的土壤分別混合均勻、裝袋、做好標(biāo)記。

將土壤自然風(fēng)干、磨碎、過篩。參照《土壤農(nóng)化分析》方法[5]消解土壤，并采用ICP-AES測(cè)量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As這7種重金屬元素的含量。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS和Excel對(duì) Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、 Ni、As這7種土壤重金屬元素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；運(yùn)用地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法分別定量的描述黃河濕地土壤重金屬污染超標(biāo)的程度和對(duì)生物危害程度；利用相關(guān)分析和因子分析探討重金屬的來源。

1.2土壤重金屬污染地累積方法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

為了更好的描述重金屬污染的水平及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，采用2種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以便相互補(bǔ)充和借鑒，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。

1.2.1地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法地累積指數(shù)評(píng)價(jià)法（geoaceumulation index，Igeo），是科學(xué)家Muller提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標(biāo)[6]。地累積指數(shù)法實(shí)質(zhì)是以現(xiàn)在的重金屬含量除去相應(yīng)的天然含量或背景含量，從而得到因人為活動(dòng)而造成的金屬總富集程度[7]。其公式為：

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn為某元素n在灰塵及土壤中的實(shí)測(cè)含量值，mg/kg；Bn為沉積巖中的地球化學(xué)背景值，mg/kg；K為修正指數(shù)，一般為1.5。按受污染程度強(qiáng)弱，將地質(zhì)累積指數(shù)分為7個(gè)級(jí)別（表1）。

1.2.2潛在生態(tài)危害指數(shù)法生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指1個(gè)種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個(gè)景觀的正常功能受到外界脅迫，是其在目前和將來的健康狀況、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值受到影響的可能性及其程度[8]。瑞典科學(xué)家Hakanson 提出采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)（表2）[9]。該方法作為國際上土壤（沉積物）中重金屬研究的先進(jìn)方法之一，采用具有可比的、等價(jià)屬性指數(shù)分級(jí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)

式中：Cif為重金屬的富集系數(shù)，Cif=Cir÷Cin；Cir為第i個(gè)采樣點(diǎn)土壤單元素含量實(shí)測(cè)值；Cin為參比值；Eir為重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)；RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tir為重金屬i的毒性系數(shù)（經(jīng)Hakanson研究[9]，有關(guān)重金屬元素毒性系數(shù)為 As=10、Cd=30、Cr=2、Cu=5、Ni=5、Pb=5、Zn=1）。

2結(jié)果與分析

2.1土壤重金屬含量

對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層的7種重金屬元素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見表3。

由表3可知，0～20 cm的土壤重金屬含量高于20～40 cm 土壤含量，重金屬受人為干擾較強(qiáng)[2]。其中As含量高于國家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd含量、表層Pb含量、Zn含量高于國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cr含量、表層Ni含量、下層Pb高于背景值低于國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，Cu含量、下層Ni含量低于背景值[11-12]。7種重金屬含量從大到小的順序?yàn)閆n>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。

2.2地累積指數(shù)評(píng)價(jià)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與地累積指數(shù)法相互補(bǔ)充和借鑒，以求進(jìn)一步的完善[13]。采用雙重評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14]進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，綜合分析濕地土壤重金屬污染情況。

2.2.1地累積指數(shù)評(píng)價(jià)根據(jù)污染指數(shù)評(píng)價(jià)公式（1）及河套地區(qū)土壤背景值和我國GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)自然背景值，對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土壤層次重金屬含量進(jìn)行地累積指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。

從研究區(qū)域各重金屬的Igeo總平均值看，0～20cm 土層中重金屬元素Cu無污染，Cr、Ni、Pb為輕微污染，Cd、Zn為偏中度污染，As為中度污染；在20～40 cm 土層，Cu、Ni屬無污染水平，Cr、Pb屬輕污染水平，Cd、Zn屬偏中度污染水平，As屬于中度污染水平。

從元素的平均地累積指數(shù)來看，0～20 cm土層的重金屬污染程度為As>Zn>Cd> Pb >Cr>Ni>Cu，20～40 cm土層的重金屬污染程度為As> Cd >Zn>Pb>Cr>Ni>Cu。并且0～20 cm土壤各種重金屬元素地累積指數(shù)均高于20～40 cm土層中的地累積指數(shù)，進(jìn)一步表明表層土壤中重金屬污染程度要高。

2.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法根據(jù)污染指數(shù)評(píng)價(jià)公式（2）和（3）及河套地區(qū)土壤背景值和我國GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)自然背景值，對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土壤層次的重金屬含量進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5可知，在0～20、20～40 cm 土壤層次中，重金屬Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)都小于40，屬于輕微生態(tài)危害；重金屬As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均大于40，屬于中等生態(tài)危害；重金屬Cd潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)均大于80，屬于較強(qiáng)的生態(tài)危害。由以上對(duì)潛在危害系數(shù)分析可得，黃河濕地的小白河濕地片區(qū)土壤中重金屬構(gòu)成的潛在生態(tài)危害影響程度依次為Cd>As>Pb> Ni>Cu>Zn>Cr。由表5可知，重金屬元素在0～20 cm 土壤層中構(gòu)成的潛在生態(tài)危害程度比在20～40 cm 土壤層中稍高，進(jìn)一步說明表層土壤受到的污染相比而言較為嚴(yán)重。由潛在生態(tài)危害指數(shù)可知濕地土壤整體呈中等生態(tài)危害水平。

3討論

3.1相關(guān)分析

當(dāng)濕地土壤中重金屬元素來源相同或者相似時(shí)，其中的各個(gè)元素具有顯著的相關(guān)性。通過對(duì)重金屬元素及其土壤理化性質(zhì)等參數(shù)之間的相關(guān)分析，可以判別濕地土壤重金屬來源及其重金屬元素含量變化的影響因素。相關(guān)系數(shù)越大，說明各組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系越密切，各元素分布或來源越相近，說明可能來源相同或者不同重金屬元素的污染程度相似[15-16]。

本研究分別對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)土壤中0～20、20～40 cm 土層中不同重金屬元素（As、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr）的含量間進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表6。

0～20 cm土層中 As與Cd、Pb、Zn具有較好的相關(guān)性，說明As、Cd、Pb、Zn具有相同的來源；Cd于Cu、Ni、Pb、Zn相關(guān)性較好，濕地土壤中 Cd 主要來源于周圍生活區(qū)垃圾隨意傾倒[17]；Cr與Ni具有相關(guān)性，有研究表明Ni、Cr、Cu來源于母質(zhì)[7，18]，Cu與Zn相關(guān)性較好，Pb、Cu、Zn的分布與汽車活動(dòng)數(shù)據(jù)是相關(guān)的[2]，說明此區(qū)域受人類活動(dòng)的影響較大。Ni與Pb、Zn具有較好的相關(guān)性，說明Ni、Pb、Zn具有相同的來源，而旅游活動(dòng)是土壤中 Ni、Zn 的重要來源[7]，并有研究表明扎龍濕地東部土壤中 Pb 含量較高與其生態(tài)旅游開發(fā)密不可分[19]。20～40 cm土層中As與Cd、Pb、Zn具有極顯著相關(guān)性，與表層土壤中重金屬來源相似。

3.2因子分析

因子分析是基于變量之間的相關(guān)性，通過1種降維的方法進(jìn)行簡單化得到綜合指標(biāo)（綜合指標(biāo)是原來多個(gè)變量的線性相關(guān)組合）。這種綜合指標(biāo)也可用來反映原來的觀察指標(biāo)信息[20-22]。因子分析可判別重金屬來源，并采用正交旋轉(zhuǎn)來突出影響重金屬來源的主要因子。本研究分別對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層的重金屬進(jìn)行因子分析，其特征值和因子載荷，見表7、表8。

對(duì)黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm土壤樣品中7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析，提取的2個(gè)因子解釋了總方差的74.779%。由表8可知，As、Cd、Pb、Zn在因子1中占了較大的因子載荷；并由表3可知，Cd、Pb、Zn高于國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，As高于國家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且As、Cd、Zn具有中度或偏中度的污染，而As、Cd分別具有中等和較強(qiáng)的生態(tài)危害。Pb常被作為機(jī)動(dòng)車污染源的標(biāo)志元素[23]，Zn作為1種添加劑被廣泛的應(yīng)用于汽車輪胎中[24]，所以因子1為人為污染源。Cr、Cu、Ni在因子2中占主要因子載荷，屬于自然因子[7，18]。

同樣對(duì)20～40 cm土層的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析，提取的2個(gè)因子解釋了總方差的92.115%。結(jié)果與表層土壤結(jié)果類似，因子1為人為污染源，因子2受地球化學(xué)成因影響。

綜上分析，黃河濕地小白河片區(qū)土壤重金屬既受自然因子限制，也受人為因素的干擾，且以人為因素占主要部分，尤其是金屬As為中度污染，中等生態(tài)危害。Cd為偏中度污染，具有較強(qiáng)的生態(tài)危害。因此，濕地部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)金屬元素As和Cd的防治和治理。

4結(jié)論

（1）黃河濕地小白河片區(qū)土壤中重金屬含量為Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd，其中As超過國家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，0～20 cm土層重金屬元素的含量高于20～40 cm土層；（2）土壤中As為中度污染且中等生態(tài)危害，Cd為偏中度污染且具有較強(qiáng)的生態(tài)危害，Zn為偏中度污染具有輕微生態(tài)危害，其余5種金屬元素污染及危害程度較低；（3）土壤重金屬間具有較好的相關(guān)性，說明來源基本一致，有人為污染源和自然因子，其中以人為污染因子占主要部分。

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