蘇州海綿城市試點區(qū)濕地沉積物中重金屬的分布特征
——以蘇州工業(yè)園區(qū)為例

孫保金，莊起帆，羅小進(jìn)，張建芳

(蘇州市相城檢測股份有限公司 江蘇蘇州215131)

0 引 言

海綿城市是一類有別于傳統(tǒng)灰色城市的新興城市綠化設(shè)計理念，是指當(dāng)城市面對一系列“城市問題”(如城市內(nèi)澇、熱島效應(yīng)、水生態(tài)失衡、地下水枯竭)時，可通過構(gòu)建一系列的海綿體設(shè)施實現(xiàn)水體的凈化和儲存，調(diào)節(jié)水循環(huán)，并于干旱季節(jié)將雨水放出，從而解決城市缺水或內(nèi)澇問題[1]。2016年，蘇州成為江蘇省首個海綿城市建設(shè)試點城市。針對蘇州水系發(fā)達(dá)、土壤滲透性差等特點和面源污染突出、水質(zhì)相對較差等問題，蘇州市政府提出“凈化、蓄滯”為主，兼顧“滲、用、排”等功能需求的海綿城市建設(shè)主體思路。人工濕地由于具有能耗低、易處理并可靈活組合等特點，在生活污水處理、工業(yè)廢水處理和湖泊水體污染等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2]，人工濕地的上述特點為其應(yīng)用于海綿城市提供了重要契機(jī)。

近年來，日益加劇的工業(yè)活動和人類活動使得我國的濕地系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的污染[3-4]。不同于其他污染問題，重金屬屬于難降解元素，并且具有隱蔽性強、殘留時間長、不可降解、毒性強等特征[5]。重金屬的來源主要有 2種：一種是自然來源，主要包括巖石的風(fēng)化、酸雨等；另一種是人為因素，主要包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化肥的使用、汽車尾氣的排放等[6]。大量研究表明，在濕地受納水體中，僅有一小部分重金屬污染物留在水相，大部分傾向于迅速地由水相轉(zhuǎn)入固相，并且可通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)(吸附作用、共沉淀、絡(luò)合作用)富集于沉積物中[7]。然而，當(dāng)重金屬超過濕地系統(tǒng)的承受閾值時，重金屬會重新釋放進(jìn)入水體，致使?jié)竦爻蔀橐粋€重要的次生污染源[8]。因此，濕地環(huán)境中具有遷移特性的重金屬可通過生物化學(xué)循環(huán)或食物鏈擴(kuò)增等過程進(jìn)一步放大，從而影響甚至危害人體健康[9]。

早在海綿城市概念提出之前，蘇州就已經(jīng)打造了石湖、金雞湖、獨墅湖、陽澄湖、虎丘濕地等一大批國內(nèi)享有一定知名度的集景觀、娛樂、休閑、防洪、調(diào)蓄等功能于一體的城市河湖水系治理樣板工程，這些大面積的綠地和河湖濕地等生態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，為蘇州海綿城市的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，大量學(xué)者對濕地中重金屬污染特征進(jìn)行了系列研究，然而應(yīng)用于海綿城市濕地中的重金屬分布特征方面的研究鮮有報道。目前，隨著環(huán)境科學(xué)的不斷發(fā)展，濕地重金屬污染已成為國內(nèi)外濕地污染的一項重要研究內(nèi)容，主要集中在水體和沉積物重金屬空間分布規(guī)律、污染程度評價、影響因素等方面[10-11]，應(yīng)用于海綿城市濕地中的重金屬分布特征方面的研究則鮮有報道。此外，海綿城市建設(shè)工作的順利進(jìn)行有賴于區(qū)域本底環(huán)境的調(diào)查與評估。有鑒于此，本文將以蘇州海綿城市試點區(qū)蘇州工業(yè)園區(qū)濕地為研究對象，分析研究區(qū)濕地沉積物中重金屬累積特征，并揭示其富集成因和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，評價其污染水平，旨在為海綿城市濕地保護(hù)和重金屬治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州工業(yè)園區(qū)地處江蘇省蘇州市東部，總占地288km2。目前，蘇州工業(yè)園區(qū) 25%是工業(yè)用地，30%是居住及商業(yè)用地，其余是綠化用地及水源地。蘇州工業(yè)園區(qū)濕地系統(tǒng)大體上可分為金雞湖濕地、東沙湖濕地、獨墅湖濕地、陽澄湖濕地及一些城市無名小濕地。

1.2 樣品的采集與預(yù)處理

沉積物采樣選址主要為蘇州工業(yè)園區(qū)典型的大型濕地，共布設(shè) 31個點位，具體點位信息如表1和圖1所示。采樣根據(jù)HJ/T166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，對本次研究所需用的沉積物進(jìn)行嚴(yán)格的布點、采樣，以保證本次實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和有效性。具體采樣可根據(jù)實地考察的結(jié)果，選擇具有代表性的地點布置采樣點，每個采樣點用 GPS 記錄地理坐標(biāo)。采集的沉積物樣品帶回實驗室冷凍干燥一周后，去除植物殘根、碎石，裝入密封袋中并對應(yīng)標(biāo)號，使用瑪瑙研缽研磨，過 100目篩，低溫避光保存。

表1 沉積物監(jiān)測點位Tab.1 Monitoring points of sediments

圖1 沉積物取樣點位置Fig.1 Sampling sites of sediments

1.3 試驗方法

本次研究主要選取 As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn共9個因子進(jìn)行監(jiān)測。樣品采用四酸(鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸微波)進(jìn)行消解處理，樣品中 As含量用原子熒光光度計測定，Pb、Cd含量用石墨爐原子吸收分光光度計測定，Cu、Ni、Zn、Mn、Cr、Co用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

1.4 沉積物重金屬評價方法

1.4.1 地累積指數(shù)法

地積累指數(shù)模型最早由 Müller[12]提出，是評價沉積物中重金屬污染的重要指標(biāo)之一，主要是利用地球化學(xué)背景值來衡量重金屬元素污染程度的定量指標(biāo)。其計算公如下：

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn為重金屬在沉積物中實測濃度；Bn是該重金屬元素的地球化學(xué)背景值；常數(shù)1.5是修正指數(shù)，即考慮到成巖作用引起的背景值變動。

地累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度的劃分見表2。

表2 地累積指數(shù)與污染程度分級Tab.2 Geoaccumulation index and pollution degree classification

1.4.2 富集系數(shù)法

富集系數(shù)法(Enrichmentfactor，EF)通常用來判斷重金屬來源[13]，主要是利用沉積物樣品重金屬含量與重金屬背景值進(jìn)行比較。其中，所用的重金屬濃度需要與參比元素進(jìn)行校正，本文選用 Mn元素。具體公式如下：

富集系數(shù)法評判標(biāo)準(zhǔn)分為 2個等級：0.5≤EF≤1.5(重金屬來源于自然風(fēng)化過程)，EF≥1.5(重金屬為人為來源)。

1.4.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是一套用于評價土壤或沉積物中重金屬污染程度及其潛在生態(tài)危害的方法[14]，具體評價方法如下：

具體評價標(biāo)準(zhǔn)等級可見表3。

表3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Grading standard of potential ecological risk index

1.4.4 統(tǒng)計分析

進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析能進(jìn)行定性的重金屬來源種類分析，所有的統(tǒng)計分析均采用 SPSS 17.0軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬含量空間分布特征

蘇州工業(yè)園區(qū)濕地表層沉積物中重金屬元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 含量的測試統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。這 9種元素的平均含量分別為10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、409.4、36.20、62.49、89.98mg/kg。與江蘇省土壤元素背景值相比，除 Mn元素外，所有已測元素均高于背景值，分別超出背景值的 5.7%、60.8%、16.0%、23.8%、32.5%、35.6%、138.5%、43.7%。

一般而言，如果某一元素在空間的變異系數(shù)值越大，那么該元素的含量在空間分布上差異性越大[15]。根據(jù)變異系數(shù)將變異分為 3個級別：小變異(0＜CV＜16%)、中等變異(16%≤CV＜36)和高度變異(CV≥36)。由表4 可知，除元素 Co、Cr、Cu、Ni為小變異之外，Pb和Zn為中等變異，As和Cd為高度變異。這說明濕地沉積物中As、Cd、Pb和Zn的分布不均勻，波動較大。

表4 重金屬元素含量描述統(tǒng)計表Tab.4 Heavy metal element contents

2.2 沉積物重金屬污染評價

2.2.1 地累積指數(shù)法評價結(jié)果

圖2是蘇州園區(qū)濕地沉積物中重金屬的地累積指數(shù)箱式圖。由圖2可知，研究區(qū)內(nèi)As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn的平均地累積指數(shù)值幾乎都小于0，為無污染。Cd地累積指數(shù)大于 0的樣品達(dá)到 48.4%。所有Pb的地累積指數(shù)均大于0，范圍為0.35～0.94，表明研究區(qū)內(nèi)沉積物中Pb普遍處于無污染向中度污染的過渡階段。

圖2 蘇州工業(yè)園區(qū)沉積物重金屬地累積指數(shù)分布箱式圖Fig.2 Geoaccumulation index of heavy metals in sediments from Suzhou Industrial Park

2.2.2 富集系數(shù)法評價

富集系數(shù)可以用來推測重金屬元素來源。As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 計算所得富集系數(shù)平均值分別為 1.55、2.39、1.75、1.89、2.04、2.06、3.64 和2.19，范圍為 0.69～3.63、0.63～6.69、0.56～3.00、0.67～3.53、1.01～4.08、0.73～3.59、2.08～6.99、1.12～5.04。As、Co和Cr的富集系數(shù)均介于1.5～2，表明這3個元素均為自然來源。Cd、Cu、Ni、Pb和Zn為中度富集。Pb的富集系數(shù)較高，這與它的地累積指數(shù)較高一致?；阢U污染大范圍富集這一事實，可以推測鉛的主要來源是大氣沉降，而非個別的工業(yè)源或點污染所致。此外，存在一些點位某些元素富集系數(shù)大于 1.5，然而地累積指數(shù)卻小于 0(如站點 2的Ni)，這表明這些元素在此雖無污染，但由于受到人為影響，從而產(chǎn)生上層混合層與粗砂的生物擾動及稀釋作用[16]。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果

采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)方法進(jìn)行評價，結(jié)果如表5所示。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)來看，變化范圍為 54.92～160.45，均值為 94.54，整個研究區(qū)域有較低的潛在生態(tài)風(fēng)險。在分析測定的 9種重金屬元素中，Cr、Mn和 Zn雖然含量較高，但這3種元素的毒性系數(shù)較低，分別為 2、1、1，因此生態(tài)風(fēng)險程度最小，屬于輕微污染。相反，Cd的濃度較低，但是潛在生態(tài)風(fēng)險程度最高值為 98.70，平均值為 48.23，為中等污染，是蘇州園區(qū)濕地中主要潛在生態(tài)風(fēng)險因子；其余 5種重金屬元素均屬于輕微污染。對比地累積指數(shù)法與生態(tài)指數(shù)所得結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除 Pb以外，園區(qū)濕地沉積物中 As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Mn 和 Zn污染程度與危害程度大體一致，這可能是由于 Pb雖然污染程度高，但是 Pb在懸浮物顆粒物上的吸附性較高，使其在沉積物中遷移礦化埋藏，致使毒性降低，從而潛在生態(tài)風(fēng)險程度也降低[17]。

表5 重金屬生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Tab.5 Ecological risk index of heavy metals

續(xù)表5

2.2.4 沉積物中重金屬污染來源分析

表6是蘇州園區(qū)濕地沉積物中重金屬元素的相關(guān)性分析?？梢钥闯?，Co、Cr、Ni之間呈顯著正相關(guān)性，Cu與 Co、Cr、Ni呈顯著正相關(guān)，而 Zn和 Pb都與Co、Cr、Ni呈顯著負(fù)相關(guān)。Zn還與Cd、Pb間呈正相關(guān)。此外，Mn僅與 Cu呈顯著負(fù)相關(guān)，而 As僅與Cd呈顯著正相關(guān)。

結(jié)合重金屬相關(guān)性分析、主成分分析(PCA)結(jié)果可以進(jìn)一步探討沉積物中重金屬元素的來源。PCA分析結(jié)果如表7所示。

根據(jù)所有的數(shù)據(jù)，PCA分析提取了3個因子，解釋了共87%的總方差。

表6 重金屬相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis between heavy metals

第一因子占總方差的 49%，是最主要的因子，組成第一因子的主要元素有 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn。研究表明，Cu、Ni、Pb可能來源于汽車剎車磨損及交通廢棄物排放[18]。Co、Cr、Cu、Ni、Zn 可能來源于已遷出電鍍企業(yè)的生產(chǎn)活動，這些活動勢必向大氣排放重金屬物質(zhì)[19]。此外，已有研究認(rèn)為，大氣沉降是濕地沉積物中重金屬的重要來源之一[20]。因此，第一因子可以解釋為來自于工業(yè)揚塵及交通排放的重金屬，它們主要通過大氣沉降至濕地沉積物中。

第二因子為 As和 Cd。研究表明，As是農(nóng)藥污染源(殺蟲劑、除草劑、動物飼料)的標(biāo)志性元素[21]，而磷肥中含有一定含量的 Cd[22]。因此，第二因子可以解釋為來自于農(nóng)業(yè)活動的重金屬。

第三因子為 Cu和 Mn?；谒?Mn的地累積指數(shù)都小于 0，可以推測 Mn主要來源于自然源(巖石的風(fēng)化)。此外，Cu在諸多站點無污染，因此也可將其并入第二因子。因此，這二者通常被認(rèn)為是成土自然地質(zhì)因子[23]。

表7 主成分分析提取的載荷因子Tab.7 Load factor extracted by principal component analysis

3 結(jié) 論

蘇州工業(yè)園區(qū)濕地表層沉積物中重金屬元素，除Mn 元素外，As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 平均含量分別為 10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、36.20、62.49、89.98mg/kg，均高于江蘇省土壤背景值。

地累積指數(shù)評價及生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價表明，除Pb、Cd 以外，As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn 的平均地累積指數(shù)值幾乎全小于0，為無污染。所有Pb的地累積指數(shù)均大于 0，其值介于 0.35～0.94，表明研究區(qū)內(nèi)沉積物中Pb普遍處于無污染向中度污染的過渡階段。此外，Cd是潛在風(fēng)險程度最高的因子，平均值為48.23，評價為中等污染，是蘇州園區(qū)濕地中主要潛在生態(tài)風(fēng)險因子。

富集因子、相關(guān)性分析、主成分分析結(jié)果表明：園區(qū)濕地沉積物中 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 主要來源于工業(yè)揚塵及交通排放的重金屬，它們主要通過大氣沉降至濕地沉積物中；As和Cd主要來源于早期的農(nóng)業(yè)活動；Mn為自然來源。