菜子湖退耕還濕土壤重金屬含量及源解析

文_韓毅 趙寬 孫慧群 安慶師范大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院

菜子湖是東亞－澳大利西亞遷徙路線候鳥的越冬棲息地，也是 “引江濟(jì)淮” 工程樅陽閘線重要的節(jié)點湖泊，60%的總引江水量和85%以上的自流引江流量經(jīng)過該湖，該工程將導(dǎo)致菜子湖水位上升，候鳥棲息地不可避免地減少。為保證越冬候鳥生存，需對周邊耕地進(jìn)行退耕還濕，但退耕還濕的土壤或多或少均存在各種污染問題，其中尤以重金屬污染問題最為引人擔(dān)憂。以菜子湖退耕濕地土壤為對象，通過測定其重金屬含量，采用PMF受體模型對土壤重金屬的來源進(jìn)行解析，以期為菜子湖越冬水鳥棲息地的生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，為周邊土壤重金屬的污染控制及修復(fù)提供理論參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

菜子湖位于長江北岸，其流域范圍介于116°25′～112°16′E，30°36′～31°16′N之間，常年雨量豐富且氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，流域內(nèi)山區(qū)雨量大，湖區(qū)附近雨量相對偏少，流域內(nèi)植物資源比較豐富，糧食與淀粉類植物有水稻、玉米等，森林種類主要為針葉類樹，森林覆蓋率為33.4%。流域內(nèi)浮水植物有18種，沉水植物有14種，大型底棲動物39種，魚類47種，其中青魚、草魚、鰱、鳙、團(tuán)頭魴和胡鲇等6種為養(yǎng)殖種類，其它41種為野生種類。同時,菜子湖是豆雁和小天鵝等候鳥在東亞遷徙路線上的重要越冬地和停歇地之一，也是全球受脅物種白頭鶴、東方白鸛等在東亞地區(qū)的越冬地之一，越冬水鳥種類和數(shù)量總體上較為穩(wěn)定，基本維持在種類30～40種和數(shù)量20000只以上的水平。

1.2 土壤的采集與處理

1.2.1 樣點的設(shè)計和采樣方法

2020年1月，在安慶菜子湖沿岸選取西莊村、趙莊村、瓦竹村、朱家新村、趙家村、車富村、盛家村和王后村8個村莊，采樣點編號分別為XY、ZZ、WZ、GY、ZJ、CF、SC、HC，在各村的稻田里利用柱狀土壤采樣器采集約20cm深的土樣，每個村莊設(shè)置3個采樣點，并選取距村莊、公路、人居較遠(yuǎn)的林地采集對照樣品（CK），共采集27份表層土壤樣品。土樣密封于統(tǒng)一規(guī)格的雙層聚乙烯塑料袋中，其中由于需要測定土壤中總汞的含量，因此需要在土樣中加入由重鉻酸鉀、濃硫酸和水合成的保存液，記錄采樣點的編號、位置、采樣時間等信息。采樣點位置見圖1。

圖1 采樣點位置示意圖

1.2.2 樣品測定

將土壤樣品中的小石塊與植物根系剔除后，放置至自然風(fēng)干。將土壤樣品分成兩份，其中一份通過研缽研磨經(jīng)10目和60目的篩進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)和pH值測定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，pH值測定采用電位法；另一份土樣置于塑料板上研磨，過100目土壤篩，進(jìn)行土壤重金屬含量測定。土壤重金屬共選取7個指標(biāo)，分別是Hg、As、Cr、Cd、Zn、Cu和Pb，Cr采用HFHClO4-H2SO4-HNO3法消解， Zn和Cu采用HF-HClO4-HCl-HNO3法消解，Pb采用HF-HClO4-HNO3法消解。Zn、Cd、Cr、Cu、Pb含量采用等離子發(fā)射光譜法測定，Hg和As含量采用原子熒光光譜法測定。

1.3 土壤重金屬污染評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是評價一種重金屬污染程度的方法，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1，計算公式如下：

表1 單因子污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

式中Pi—土壤中重金屬i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci—土壤中重金屬i的實測值；Si—重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)值，以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（試行）（GB15618-2018）》風(fēng)險篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)模型特別考慮了污染最重的因子，在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，評價標(biāo)準(zhǔn)見表2，計算公式如下：

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

式中PN—采樣點i的綜合污染指數(shù)；Pimax—i中最大單項污染指數(shù)；Piave—i中單項污染指數(shù)平均值。

1.3.3 PMF模型

該模型最優(yōu)化利用了數(shù)據(jù)的誤差分析，在求解過程中確保因子矩陣分解的結(jié)果中不出現(xiàn)負(fù)值，使得到的源成分譜與源貢獻(xiàn)率具有更加實際的物理意義。PMF模型的方程式如下：

式中m—樣品數(shù)量；s—元素數(shù)量；Xms—第m個樣品的第s個重金屬元素的濃度（m=1，2，3……，n；s=1，2，3……，n）；(gmk—源k對樣品m的相對貢獻(xiàn)率；fks)—元素s在源k上的含量；ems—殘差；p—因子個數(shù)。

通過PMF模型分解原始矩陣X，得到最優(yōu)矩陣G和F，使目標(biāo)函數(shù)Q達(dá)到最小化。目標(biāo)函數(shù)Q公式如下：

式中ums—s元素中第m個樣品的不確定性大小。當(dāng)元素的濃度低于或等于相應(yīng)的MDL時，其不確定度計算公式如下：

否則，計算公式為下式：

式中(δ—相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；c—元素的濃度，mg/kg；MDL—方法見出限，mg/kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

8個村莊和CK樣地的pH值測定見表3。從表3可以看到，CK土壤呈酸性，8個村莊土壤均呈偏酸性，其中朱家新村pH值最小，為5.5。

表3 采樣點的pH值

2.1 土壤重金屬含量分析

8個村莊24個周邊土壤樣品監(jiān)測結(jié)果顯示，Hg的含量為1.14-4.79mg/kg，均值為2.370.95mg/kg；As的含量為17.45-45.21mg/kg，均值為30.396.83mg/kg；Cd的含量為0.02-2.45mg/kg，均值為1.540.57mg/kg；Cr的含量為90.45-215.21mg/kg，均值為144.3639.08mg/kg；Pb的含量為44.35-119.61mg/kg，均值為67.7520.13mg/kg；Cu的含量為50.11-97.97mg/kg，均值為72.5910.94mg/kg；Zn的含量為1.14-4.79mg/kg，均值為233.6643.64mg/kg。8個村莊七種重金屬的均值含量均高于CK值，其中Hg、Cd、Cu和Zn含量偏高，均超過GB15618-2018標(biāo)準(zhǔn)值，As、Cr和Pb的均值含量低于標(biāo)準(zhǔn)值；CK組Cd和Cu均值含量超過GB15618-2018標(biāo)準(zhǔn)值，反映土壤Cd、Cu背景值較高，其它五種重金屬沒有超過標(biāo)準(zhǔn)值。可見，除了As、Cr和Pb，8個村莊稻田受到不同程度的污染，CK組Cd和Cu自然源含量高。

變異系數(shù)（CV）是概率分布離散程度的一個歸一化度量，CV值越大反映空間離散程度越大。一般CV＜0.16為弱變異，0.16＜CV＜0.36屬于中等變異，CV＞0.36為強(qiáng)變異。本研究中，Hg的CV值為0.54，Cr的CV值為0.37，二者呈強(qiáng)變異；Cu的CV值為0.15，為弱變異；其它重金屬呈中等變異。表明8個村莊稻田土壤的Hg、Cr變異程度高，區(qū)域差異性較大，受人為因素影響可能較大；Cu的變異程度很低，說明8個村莊土壤樣品的Cu含量基本能反映菜子湖區(qū)域土壤中Cu的整體含量水平。

2.2 土壤重金屬污染評價

通過PN可以看出，8個村莊稻田土壤均呈現(xiàn)不同程度的污染，其中輕度污染的樣點占65.28%，呈現(xiàn)中度污染的樣點占34.72%，無重度污染現(xiàn)象，說明8個村莊稻田土壤都呈現(xiàn)較明顯的污染。對七種重金屬進(jìn)行單因子污染指數(shù)評價發(fā)現(xiàn)（見表4），CK組中Cd的含量超標(biāo)，Cd的重污染的樣點占總樣點的81.94%，不排除與其背景值較高有關(guān)，因此Cd的污染最為嚴(yán)重。從表4中可知，Cu的所有樣點呈現(xiàn)輕污染，可以推測這與Cu的背景值較高有關(guān)；Hg和Zn分別有62.5%和75%的樣點為輕污染，As、Cd、Cr和Pb的樣點呈現(xiàn)輕污染的比例不高，在6.94%～36.11%之間；Pb、As、Cr的污染程度最低，非污染占總樣點的87.5%、86.11%和63.89%。

表4 研究區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)評價結(jié)果

2.3 PMF模型分析

由2.2分析可知，除Cu外，其余6種重金屬的變異系數(shù)皆高于0.16，屬于中高變異，受到人類活動的影響較大，通過PMF模型源解析，研究區(qū)菜子湖退耕還濕土壤的污染來源基/本上確定有5種，分別是普通工業(yè)源，鋅銅工業(yè)活動源，農(nóng)業(yè)源，交通源和自然源，具體來源所占比例見圖2和圖3。

圖2 土壤重金屬污染源分譜圖

圖3 土壤重金屬污染源貢獻(xiàn)率

由Pi值可知，Cd的重污染樣點占比最高。由圖3可知，F(xiàn)1對Cd的貢獻(xiàn)率為76.7%，F(xiàn)1對Pb的貢獻(xiàn)率達(dá)50.1%，根據(jù)地圖中采樣點的位置顯示，幾處采樣點均聚集在公路等交通設(shè)施兩側(cè)，Cd污染的主要來源是汽油燃燒等，Pb對環(huán)境的污染主要來源于汽車排放的含鉛廢氣，因此可以推斷F1為交通源。

As的均值含量低于標(biāo)準(zhǔn)值，且其非污染樣點占比達(dá)到86.11%，因此As的污染程度最低，由圖3顯示F2對其的貢獻(xiàn)率達(dá)到31.3%；Cd多為中度污染，從CV看屬于強(qiáng)變異，受人為干擾較大，而F2對Cd的貢獻(xiàn)率只有0.9%。因此可以推斷F2為自然源。

從變異系數(shù)看，Hg屬于強(qiáng)變異，人類活動是重金屬Hg的主要污染來源，在所有采樣點中Hg以輕污染為主（62.5%），根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工業(yè)活動是研究區(qū)大氣Hg污染的主要來源，通過沉降進(jìn)入土壤，因此F3為工業(yè)源。

F4對Cu、Zn、Pb的貢獻(xiàn)率相對較高，貢獻(xiàn)率分別是27.0%，34.0%和32.1%，且Cu和Zn對F3的載荷率達(dá)到27.9%和23.2%。通過對采樣點周邊環(huán)境的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)附近有鍍鋅鍍銅的工廠，因此F4為鋅銅工業(yè)活動源。

F5對Pb和Cu的貢獻(xiàn)率相對較高，分別為12.0%和25.3%。經(jīng)過對研究區(qū)的考察能夠發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)周邊農(nóng)業(yè)活動中磷肥和除草劑的使用是Pb、Cu的重要來源，因此最終判定因子F5為農(nóng)業(yè)源。

3 結(jié)論

研究區(qū)土壤中，重金屬As和Pb的均值均低于GB15618－2018的風(fēng)險篩選值，而重金屬Hg、Cd、Cr、Cu和Zn的含量較高且均超過風(fēng)險篩選值。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明研究區(qū)內(nèi)65.28%樣點呈現(xiàn)輕度污染，34.72%樣點呈現(xiàn)中度污染，安全、警戒線和重度污染樣點的比例為0，從單因子污染指數(shù)評價可知，8個村莊樣點多呈中度污染與Cd、Cu、Hg和Zn關(guān)系較大。正定矩陣因子（PMF）解析了5個污染來源，其中Hg和Cr的主要來源為普通工業(yè)源；Pb的重要來源是交通源和周邊農(nóng)業(yè)活動中磷肥和除草劑的使用；Cu的重要來源既有鍍銅鍍鋅工業(yè)廠，也有周邊農(nóng)業(yè)活動中磷肥和除草劑的使用；Zn的重要來源主要為鍍銅鍍鋅工業(yè)廠；Cd的污染主要來自于交通源。As主要來源于自然源。菜子湖周邊稻田土壤的重金屬污染主要由人類活動引起，應(yīng)制定相應(yīng)的管理措施，為菜子湖退耕還濕土壤重金屬污染的防治提供保障和安全。