鄱陽湖南磯山典型濕地重金屬銅含量及污染評(píng)價(jià)

馬丹丹

(江西科技學(xué)院護(hù)理學(xué)院，江西南昌 330022)

銅是人類健康和植物生長的必需微量營養(yǎng)元素，是動(dòng)植物體內(nèi)多種酶的重要組成成分，參與各種代謝過程，但過高或缺乏均會(huì)對(duì)人體和植物產(chǎn)生有害影響。土壤是高度不均一的時(shí)空連續(xù)體，具有高度的時(shí)空變異性[1-2]。土壤銅污染主要來自銅礦及灌溉農(nóng)田的冶煉廢水。隨著銅礦業(yè)的發(fā)展，大量銅廢液流入土壤環(huán)境，進(jìn)而影響動(dòng)植物的正常生長和人類身體健康。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤銅元素的研究異?；钴S，從不同角度對(duì)銅元素[3-5]的性質(zhì)和穩(wěn)定性等進(jìn)行大量研究。因此，研究土壤銅元素的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。

鄱陽湖是由贛江、撫河、信江、饒河和修河五大主要河流構(gòu)成完整的水系，是我國最大的淡水濕地分布區(qū)之一，同時(shí)也是受人類活動(dòng)影響天然濕地分布面積減少較快的區(qū)域之一。南磯山濕地是鄱陽湖最主要的濕地景觀類型，是水陸相互作用的核心，分布在高漫灘、低階地及沼澤性河流的分水線上，具有面積大、生物多樣性豐富、環(huán)境梯度變化較大、對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感等特點(diǎn)[6-7]，因此鄱陽湖濕地是研究濕地土壤銅污染動(dòng)態(tài)變化理想的場(chǎng)所。目前，對(duì)銅污染的評(píng)價(jià)研究主要集中在水體、蔬菜和水果等方面[8-11]，而對(duì)鄱陽湖濕地潛在的土壤銅污染評(píng)價(jià)研究還鮮見報(bào)道。該研究擬對(duì)鄱陽湖南磯山濕地受不同強(qiáng)度人為活動(dòng)干擾下土壤銅元素含量進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)其污染情況，以為潛在污染物的預(yù)防提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況鄱陽湖南磯濕地(116°10′24″～116°23′50″E，28°52′21″～29°06′46″N)位于江西省南昌市東北部，鄱陽湖主湖區(qū)的西南部，周圍有常湖、流湖、菱湖、東湖、神塘湖等湖泊和草洲，隨著季節(jié)性湖水落，一年一度水陸相互交替，因此具有典型的江南水鄉(xiāng)澤國的地貌景觀。保護(hù)區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富，雨量充沛，無霜期長，四季分明。極端最高氣溫為40.2 ℃，極端最低氣溫為-9.8 ℃，年均氣溫為17.1 ℃，年均日照時(shí)數(shù)達(dá)1 970 h，年均降水量1 426. 4 mm，多集中在4—6月。每年夏季為豐水季節(jié)(4—9月)，水體面積大約為32 894 hm2，占整個(gè)保護(hù)區(qū)總面積的98.4%。秋冬季為枯水季節(jié)(10月—翌年3月)，水位退去，露出大小湖泊及洲灘。保護(hù)區(qū)多年最高水位為22.43～22.57 m，最低水位為9.59～11.02 m[12]。

1.2樣品的采集與處理標(biāo)準(zhǔn)樣地為江西省南昌市南磯山保護(hù)區(qū)退潮后即在2015年12月和2016年12月2個(gè)時(shí)期贛江與饒河交匯處的中湖池樣點(diǎn)的典型濕地土壤，根據(jù)不同的植物帶確定樣方布點(diǎn)采集土壤樣品，采用系統(tǒng)隨機(jī)抽樣和典型抽樣相結(jié)合的方法，即在離贛江西支水邊大概400 m的草洲，從低到高在高程為1～4 m的典型植物帶內(nèi)每隔100 m取一個(gè)樣，這4個(gè)典型植物群落分別為：湖底、苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落及荻和藜蒿群落。同一植物群落類型每隔5 m左右采取3個(gè)(1 m×1 m)樣方作為重復(fù)，每個(gè)樣方根據(jù)土壤的發(fā)生層取垂直的土壤剖面樣品，土樣深10 cm，2次采樣4個(gè)植物群落類型，3次重復(fù)，共計(jì)24個(gè)樣品，每份樣品1 000 g左右。樣品采集后送回實(shí)驗(yàn)室，鋪于干凈紙上置陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，剔除各種雜物，輾碎、磨細(xì)，將土樣在105 ℃左右的烘箱中烘干2 h，過60目篩，并存儲(chǔ)試劑瓶待測(cè)。

1.3試驗(yàn)方法土壤試樣的消化：稱取經(jīng)105 ℃烘干(過60目篩)土樣0.500 0～1.000 0 g于30 mL聚四氟乙烯坩堝內(nèi)，加幾滴蒸餾水濕潤，加10 mL HF，加5 mL 1∶1 HClO4-HNO3混合液，低溫消化(100 ℃以下)1 h后，升高溫度(低于250 ℃)繼續(xù)消化至HClO4大量冒煙，再加5 mL HF和5 mL HClO4-HNO3混合液，消化至HClO4大量冒煙并至干，再加5 mL HNO3消化至干，加2 mol/L鹽酸溶液5 mL加熱溶解，定容至25 mL，待測(cè)[13]。

1.4地積累指數(shù)法及其評(píng)價(jià)地積累指數(shù)Igeo(geoaccumulation index)是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，尤其用于研究現(xiàn)代沉積物中重金屬污染的評(píng)價(jià)。選擇普通頁巖的平均值作為重金屬元素的地球化學(xué)背景值。其表達(dá)公式為：

Igeo=log2[Cn/1.5Bn]

式中，Cn為樣品中元素n的濃度；Bn為地球化學(xué)背景濃度；1.5為修正指數(shù)，通常用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響因素。

Forstner[14]將地積累指數(shù)分為7個(gè)級(jí)別，Igeo值與重金屬污染水平關(guān)系如表1。

2 結(jié)果與分析

2.1不同群落類型土壤Cu含量特征從表2可以看出，對(duì)2015年和2016年2年土壤Cu含量的比較來看，不同群落類型土壤Cu含量2016年均高于2015年，其中湖底增幅最高，為38.39%，苔草和荸薺群落增幅最低，為19.53%，說明土壤Cu污染加劇。2015年的樣品土壤Cu含量變化范圍為41.26～48.58 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg[15]，超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值[16]，其中以苔草和荸薺群落土壤類型最高，為48.58 mg/kg，其次為藜蒿和苔草群落類型、荻和藜蒿群落類型，分別為48.53和45.61 mg/kg，湖底土壤Cu含量最低，為41.26 mg/kg。2016年土壤樣品Cu含量57.10～64.10 mg/kg，與2015年的群落類型規(guī)律并不完全一致，其大小順序?yàn)椋恨驾锖吞Σ萑郝?荻和藜蒿群落>苔草和荸薺群落>湖底。另外，不同群落類型和采集時(shí)間的土壤Cu含量變異系數(shù)均較小，在0.91%～8.14%。

表1 地積累指數(shù)與污染程度

表2 南磯山濕地不同植物群落類型土壤銅含量

2.2地積累指數(shù)法及其評(píng)價(jià)地積累指數(shù)法(Igeo)主要用來評(píng)價(jià)沉積物中重金屬污染情況，該研究的Cu含量背景平均值，其值為4.75 mg/kg[15]。不同群落類型土壤Cu含量、地積累指數(shù)及其分級(jí)如表3所示。從表3可以看出，2016年地積累指數(shù)土壤樣品均高于2015年。2015年以湖底土壤Igeo值最低，為2.576，苔草和荸薺群落Igeo值最高，為2.771；2016年土樣地積累指數(shù)為2.983～3.176。從這2年土樣樣品Cu地積累分級(jí)指數(shù)可以看出，基本在2～3(表3)，污染強(qiáng)度屬于中等-強(qiáng)污染區(qū)域。

表3 各樣點(diǎn)銅地積累指數(shù)及分級(jí)

3 討論

2015年和2016年不同群落類型土壤Cu含量在41.26～64.10 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg，超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值[16]。2016年的Cu含量均比2015年的要高，且銅元素的污染程度以19.55%～38.39%的速度在增加。對(duì)比2年所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一植物群落類型土壤Cu含量變化規(guī)律并不一致，其原因可能是2016年水位較2015年要高。對(duì)同一年度土壤Cu含量，以湖底增加最高，其原因主要是由于上游砂石無序開采以及生活垃圾所導(dǎo)致的。如一些礦區(qū)大面積密集和廢石堆中銅元素順?biāo)滦纬桑⑶毅~元素的濃度主要與砂石的開采、殘存銅元素的擴(kuò)散以及生活關(guān)系密切[17]，以致深層土壤的銅被挖掘起來，在豐水期順流而下被湖底枯枝夾帶并長期堆積而造成銅元素的富集。在自然界中銅常伴生于鐵、汞、鉛、鋅等有色金屬的硫化物礦床中，日常用品中如采砂船、電線、銅鑰匙、銅刀、電池等含有大量的銅。以苔草和荸薺群落土壤Cu含量增加較緩，可能是荸薺根部龐大部分對(duì)Cu元素的積累，緩減其含量的增加。

銅含量2次采樣時(shí)最低值均出現(xiàn)在湖底，分別為41.26和57.10 mg/kg，最高值則出現(xiàn)在苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落，這2個(gè)群落類型都是湖水和岸地的過渡區(qū)域。較低水位和岸地Cu元素濃度高，說明Cu元素的濃度主要與水位高低有著密切的空間依存關(guān)系，其原因可能是高水位的豐水期較短，水體中的銅元素在此停留時(shí)間較短，而且在常年的風(fēng)化淋濾過程中遷移到下中水位的土壤中，造成高水位銅富集較少。而低水位因水一直在流動(dòng)，銅元素還沒有來得及富集就被水沖走，所以在低水位偏低。

近年來，國內(nèi)外的科學(xué)家從沉積學(xué)角度提出重金屬污染評(píng)價(jià)的多種方法，如地累積指數(shù)法(Igeo)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法(PERI)等[18]。該研究采用地累積指數(shù)法，結(jié)果表明2016年土壤樣品比2015年高，2015年湖底土壤Igeo值最低，為2.576，苔草和荸薺群落Igeo值最高，為2.771；2016年土樣地積累指數(shù)為2.983～3.176，并且從低水位到高水位有先增后降的變化趨勢(shì)。從這2次所采土樣的分析得出，Cu元素地積累分級(jí)指數(shù)基本在2～3，污染強(qiáng)度屬于中等-強(qiáng)污染區(qū)域。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段鄱陽湖南磯山保護(hù)區(qū)重金屬Cu污染依然較重，銅的污染程度仍在加劇，尤其是苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落土壤污染更加顯著，富營養(yǎng)化嚴(yán)重。從2015年和2016年2次所采土樣分析結(jié)果看，Cu元素地積累分級(jí)指數(shù)基本在2～3，污染強(qiáng)度屬于中等-強(qiáng)污染區(qū)域，因此需要引起高度的重視。治理鄱陽湖，改善鄱陽湖環(huán)境，必須減少鄱陽湖外源銅元素的輸入，同時(shí)對(duì)內(nèi)源銅元素的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行合理的研究，使得內(nèi)源銅元素的產(chǎn)生得到有效遏制。最終使鄱陽湖沉積物中的銅含量控制在合理的水平，這對(duì)改善鄱陽湖水質(zhì)、治理整個(gè)鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。