潼湖濕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及生態(tài)風(fēng)險評價*

劉德浩 廖文莉 陳智濤 陽艷萍吳寶宏 舒夏竺 鄧仿東

(惠州市林業(yè)科學(xué)研究所，廣東 惠州 516001)

濕地與人類的生存、繁衍、發(fā)展息息相關(guān)，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)和人類最重要的生存環(huán)境之一，它不僅為人類的生產(chǎn)、生活提供多種資源，而且具有巨大的環(huán)境功能和效益[1]。在我國經(jīng)濟迅速發(fā)展的前提下，濕地面積尤其是淡水濕地面積日益減少，水質(zhì)惡化、環(huán)境污染、生物多樣性減少等問題亦日益突出。在廣東，特別是珠江三角洲這樣經(jīng)濟發(fā)展較為迅速的地區(qū)尤為明顯，濕地生態(tài)功能退化導(dǎo)致一些原來生活在淡水濕地生境的動植物數(shù)量越來越少，分布面積亦日益萎縮[2]。

1965 年以來，惠州潼湖濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生顯著變化，天然濕地面積約減少了50%，1977—2017 年期間潼湖濕地的生境質(zhì)量指數(shù)從0.63 降至0.32，作為威脅源的建設(shè)用地不斷增加和生境適宜性高的濕地面積持續(xù)減少，導(dǎo)致潼湖濕地生境質(zhì)量逐年下降，生物多樣性水平降低，潼湖濕地的東北部和西南部生境退化嚴重，生態(tài)系統(tǒng)健康受到嚴重威脅[2-3]。潼湖濕地流域是東江二、三級水系，目前是惠州重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖與果蔬基地，由于濕地周邊遍布大小工業(yè)企業(yè)，且有相當一部分是高污排放企業(yè)，導(dǎo)致濕地內(nèi)湖泊、河流、魚塘等水體受到不同程度污染，且近年來重金屬富集導(dǎo)致的人畜中毒個案也偶見報道[3]。2017 年以來，潼湖濕地的發(fā)展定位為潼湖生態(tài)智慧區(qū)，是以“生態(tài)核”、“智慧核”為基礎(chǔ)，構(gòu)建科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集群基地，新的發(fā)展定位對生態(tài)安全提出更高的要求。本文分析了潼湖濕地重金屬含量的空間分布，探討了部分重金屬的污染源頭，在此基礎(chǔ)上對潛在生態(tài)風(fēng)險進行了評價。旨在為潼湖生態(tài)智慧區(qū)的環(huán)境管理提供參考，為潼湖濕地的可持續(xù)發(fā)展提供背景資料。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省惠州市西部潼湖濕地（ 東經(jīng)114°10′15″～114°15′55″， 北緯22°59′54″～23°02′04″），總面積2 654.8 hm2。潼湖濕地范圍廣闊，涵蓋潼湖農(nóng)墾基地、潼湖鎮(zhèn)、潼僑鎮(zhèn)、瀝林鎮(zhèn)和陳江鎮(zhèn)部分地區(qū)，主要由湖泊濕地、河流濕地、魚塘濕地、農(nóng)業(yè)濕地（雨季淹水，旱季耕作）等濕地亞類組成。潼湖濕地集雨面積達到432 hm2，在調(diào)控洪水、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、降解污染物等方面成效顯著。

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集與處理

2020 年7 月在惠州潼湖濕地內(nèi)進行實地考察，結(jié)合潼湖濕地群落組成、水位變化以及人類活動影響等因素，自西向東沿著“五進三出”的河流水系分布以及潼湖庫區(qū)水域，在8 條河流流域內(nèi)及潼湖庫區(qū)各設(shè)置2 個樣點，共計18 個樣點，分別是THSD1-THSD18。采樣點信息見表1，采樣時先用不銹鋼小鏟刮去樣點表層的枯枝落葉、殘留垃圾等，然后用直徑9 cm 的PVC 管采集表層0～15 cm 土壤樣品，每個樣點采用梅花采樣法取5個土樣的混合樣1 kg，將采集到的樣品裝入乙烯密封袋中帶回實驗室。

表1 潼湖濕地土壤重金屬采樣點信息Table 1 Sampling sites information of heavy metals in the sediment of Tonghu wetland

將采集回來的樣品自然風(fēng)干、剔除雜物，研磨后過100 目篩網(wǎng)備用。采用混酸( HF-HCl-HNO3) 微波消解法來提取土壤中的重金屬，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）測定銅（Cu）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鈷（Co）含量，采用王水微波消解提取后再利用原子熒光光度計測定汞（Hg）和砷（As）[4-6]。為了控制測試樣品的準確度與精密度，實驗過程中使用的酸試劑均是優(yōu)純級（GR）。對每3 個樣品進行平行測定，同時測定空白樣，利用分析標準物質(zhì)來進行質(zhì)量控制（RSD ≤10%）。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

目前，土壤沉積物中重金屬污染的評價方法主要采用富集指數(shù)法、地累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等[7-8]。其中，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson于1980 年提出的，它是評價土壤沉積物污染程度及其潛在生態(tài)風(fēng)險的一種快速、標準、簡潔的方法，能夠綜合考慮重金屬毒性、區(qū)域敏感性、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及重金屬區(qū)域背景值的差異，反映土壤中重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響潛力并定量劃分，被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染評價中[9-12]。因此，本研究采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對潼湖濕地表層土壤10 種重金屬元素富集程度及其潛在生態(tài)風(fēng)險進行分析[11-12]，計算潼湖濕地重金屬污染富集系數(shù)（）、潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)（）以及總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI），最終得到潼湖濕地表層土壤重金屬富集程度和潛在生態(tài)風(fēng)險程度。其計算方法如下所示[13-14]：

（1）單因子污染富集系數(shù)（enrichment coeffi-cient of contamination）

（2）單一重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)（the potential ecological risk factor）

表2 重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)Table 2 Response coefficient of heavy metal toxicity

（3）多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（the potential ecological risk index）

表3 重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險指標和分級[12]Table 3 Indicesandgradesofpotentialecologicalriskindexofheavymetalpollution

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤的重金屬含量特征

潼湖濕地18 個樣點表層土壤中的10 種重金屬含量均值見表4。由表4 可知，潼湖濕地10 種重金屬含量表現(xiàn)為Zn ＞Mn ＞Cr ＞Cu ＞Ni ＞Pb ＞As ＞Co ＞Cd ＞Hg。與國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB15618-2018）對比可知[16]，潼湖濕地10 種重金屬中有6 種重金屬含量均值沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準，但Cd、Cu、Zn3 種重金屬元素的均值均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準[17]。其中，Cd 的平均值是國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的5.05 倍。與廣東省土壤環(huán)境背景值對比可知，Zn、Cr、Cu、Ni、As、Cd、Hg 等7 種重金屬元素的平均值均超過廣東省土壤環(huán)境背景值[18]。其中Cd 的平均值是環(huán)境背景值的29.71 倍；其次是Zn、Cu、Hg、 Ni、Cr、 As，分別是環(huán)境背景值的6.27 、5.34 、3.97 、3.38 、1.47 、1.20 倍，Pb、Co、Mn 等元素含量比較低，僅在個別樣點的含量高于環(huán)境背景值。

表4 潼湖濕地與國家標準和環(huán)境背景值重金屬元素質(zhì)量分數(shù)對比 mg·kg-1Table 4 Comparison of heavy metal content in Tonghu wetland with national standard and environmental background value

潼湖濕地10 種重金屬含量最高的是Zn。近30 年來，潼湖濕地分布著大量的養(yǎng)魚塘和養(yǎng)豬場，Zn 作為動物生長必須的微量元素之一，通常以氧化鋅或硫酸鋅的形式添加在養(yǎng)殖飼料中，但是魚或豬等家禽對Zn 的吸收利用率一般在20% 以下，未吸收的Zn 會隨著家禽代謝排放到水中，進而通過換水與排放流入潼湖水系[19]。對比國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準和廣東省土壤環(huán)境背景值，潼湖濕地內(nèi)明顯富集了重金屬Cd。重金屬Cd 一般通過農(nóng)藥、化肥、污水灌溉等進入土壤，然后通過農(nóng)作物富集后由食物鏈向人類傳遞，進而引起腎臟、骨骼等損傷[20]。潼湖濕地作為惠州市重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的殺蟲劑、殺螨劑含Cd 量極低，走訪農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)所用化肥以國產(chǎn)巖石磷酸鹽化肥為主，巖石磷酸鹽化肥中較低的Cd 含量同樣對環(huán)境影響較小。潼湖濕地內(nèi)水系由“五進三出”共8 條河流組成，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水較為便捷。據(jù)不完全統(tǒng)計，高峰期共有7 家電鍍廠在濕地范圍內(nèi)同時進行生產(chǎn)作業(yè)，采用硫酸鎘或氟硼酸鎘對鋼或鑄鐵進行鍍鎘作業(yè)，作業(yè)后產(chǎn)生的大量含Cd 廢水直接排入濕地內(nèi)水系中。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)則是直接抽取河水進行灌溉，潼湖濕地土壤中較高的Cd 含量可能是由于早期污水灌溉所致。

3.2 表層土壤重金屬元素富集程度分析

潼湖濕地表層土壤重金屬污染富集系數(shù)見表5，其中，Cd、Zn 屬于很強的污染風(fēng)險，尤其是Cd（富集系數(shù)29.706）；Hg、Cu、Ni 屬于強污染風(fēng)險；As、Cr 屬于中等污染風(fēng)險；Pb、Co、Mn屬于輕微污染風(fēng)險。潼湖濕地表層土壤中10 種重金屬元素污染風(fēng)險程度排序為：Cd ＞Zn ＞Cu ＞Hg ＞Ni ＞Cr ＞As ＞Pb ＞Co ＞Mn。

在18 個取樣點中，Hg 有10 個樣點為強污染風(fēng)險以上，THSD6 污染風(fēng)險最為嚴重。16 個樣點的Cd 含量均為很強污染風(fēng)險，僅有2 個樣點Cd含量強污染風(fēng)險，以THSD11 污染風(fēng)險最為嚴重。僅有樣點THSD3 的As 含量為強污染風(fēng)險，有10 個樣點的As 含量為輕微污染風(fēng)險。Ni 有4 個樣點為很強污染風(fēng)險，分別是THSD2、THSD4、THSD5、THSD9。Pb 有6 個樣點屬于中等污染風(fēng)險，12 個樣點屬于輕微污染風(fēng)險。Cu 有6 個樣點屬于很強污染風(fēng)險，剩余12 個樣點均在中等污染風(fēng)險以上。Co 僅在樣點THSD1、THSD2、THSD11、THSD16 中表現(xiàn)中等污染風(fēng)險，其余14個樣點輕微污染風(fēng)險。Mn 在所有樣點均呈現(xiàn)輕微污染風(fēng)險。

3.3 重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)及總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析

潼湖濕地表層土壤10 種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)及總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)見表6。由表6 可知，Hg 的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)平均值屬于強風(fēng)險，其潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)超過強風(fēng)險的樣點有8 個樣點，風(fēng)險程度表現(xiàn)為THSD6 ＞THSD11 ＞THSD5＞THSD12 ＞THSD3 ＞THSD4 ＞THSD9 ＞THSD1，均屬于很強風(fēng)險以上。Cd 的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)平均值屬于極強風(fēng)險，僅有4 個樣點屬于極強風(fēng)險以下，分別是THSD7、THSD14、THSD15、THSD17。其它8 種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均值都小于40，屬于輕微風(fēng)險，具體風(fēng)險程度表現(xiàn)為：Cu ＞Ni ＞As ＞Zn ＞Pb ＞Co ＞Cr ＞Mn。

表6 潼湖濕地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Table 6 The potential ecological risk factors and potential ecological risk index of heavy metals in the surface sedimentinTonghu wetland

從潼湖濕地表層土壤10 種重金屬的總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)看，其潛在風(fēng)險指數(shù)值在187.561～2 588.719 之間，均值為1 124.063，潼湖濕地重金屬總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)為很強風(fēng)險。對18 個樣點總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)進行分析發(fā)現(xiàn)，THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等8 個樣點屬于極強風(fēng)險，THSD3、THSD5 、THSD6 等3 個樣點屬于很強風(fēng)險THSD7、THSD8、THSD15、THSD 16、THSD18 等5 個樣點屬于強風(fēng)險，THSD14、THSD17 等2 個樣點屬于中等風(fēng)險。受農(nóng)耕、工廠、養(yǎng)殖等影響，潼湖濕地內(nèi)重金屬含量較高，在野外調(diào)研過程中也見養(yǎng)殖場、排污管道、廢棄漁船等[21-22]。樣點THSD14、THSD15、THSD16、THSD17、THSD18 遠離養(yǎng)殖場和農(nóng)場、工廠，相對受到人為干擾較少。

表 5 潼湖濕地表層土壤重金屬元素富集系數(shù)Table 5 The heavy metal element enrichment coefficient of contamination in the surface sediment in Tonghu wetland

4 結(jié)論與討論

本文在對惠州潼湖濕地表層土壤重金屬元素含量進行測定的基礎(chǔ)上，運用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對潼湖濕地表層土壤重金屬污染程度進行分析評價，得到以下結(jié)論。

（1）潼湖濕地表層土壤內(nèi)10 種重金屬富集系數(shù)表現(xiàn)為Cd ＞Zn ＞Cu ＞Hg ＞Ni ＞Cr ＞As ＞Pb ＞Co ＞Mn，Cd、Cu、Zn 等3 種重金屬元素含量的平均值均超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標準，Zn、Cr、Cu、Ni、As、Cd、Hg 等7 種重金屬元素含量的平均值均超過廣東省土壤環(huán)境背景值，其中Cd 含量平均值分別是國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準和廣東省土壤環(huán)境背景值的5.05 倍、29.71 倍。外源重金屬主要來源于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，金屬加工、電鍍等工業(yè)生產(chǎn)排放的污水導(dǎo)致潼湖濕地內(nèi)的河流遭受污染，利用被污染的河水進行農(nóng)業(yè)灌溉是潼湖濕地表層土壤中重金屬富集的主要影響因素。表層土壤中的重金屬主要以自然沉降為主，人類活動能夠顯著影響部分區(qū)域的重金屬濃度[23]。盡管2005 年以后濕地范圍內(nèi)的電鍍廠已悉數(shù)關(guān)閉，但土壤中鎘的富集、轉(zhuǎn)移是一項漫長的過程，在沒有人為因素介入的情況下，可能仍需較長的時間才能夠恢復(fù)至健康的水平。

（2）潼湖濕地表層土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明，潼湖濕地總體上屬于很強—極強污染風(fēng)險，其中潛在生態(tài)風(fēng)險最大的是Cd 元素，屬于極強污染風(fēng)險；其次是Hg 元素，屬于強污染風(fēng)險，其余8 種重金屬元素屬于輕微污染風(fēng)險。THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等8 個樣點屬于極強污染風(fēng)險，THSD3、THSD5 、THSD6 3 個樣點屬于很強污染風(fēng)險，THSD7、THSD8、THSD15、THSD 16、THSD18 等5 個樣點屬于強污染風(fēng)險，THSD14、THSD17 等2 個樣點屬于中等污染風(fēng)險。重金屬富集系數(shù)體現(xiàn)了某種重金屬在某一區(qū)域內(nèi)的富集程度，受人類活動影響，潼湖濕地18 個樣點中的Cd 都呈現(xiàn)出不同程度的富集，Hg 在10 個樣點內(nèi)出現(xiàn)富集現(xiàn)象。Cd 在18 個樣點的富集系數(shù)明顯高于其它重金屬元素，平均值為29.706，THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等原電鍍廠及其周邊區(qū)域的Cd 富集系數(shù)更高。潼湖濕地中生態(tài)風(fēng)險較高的Cd 和Hg 在土壤中很難被生物降解，通過積累、富集后會導(dǎo)致濕地內(nèi)土壤質(zhì)量退化和生態(tài)環(huán)境惡化，同時也會通過食物鏈的“放大效應(yīng)”影響到人類的身體健康[24]。

（3）受潼湖濕地范圍內(nèi)農(nóng)場、養(yǎng)殖場、工廠等污染源影響，潼湖濕地內(nèi)Cd 的潛在風(fēng)險系數(shù)最高，屬于極強生態(tài)風(fēng)險水平；其次為Hg，達到強風(fēng)險水平?？傮w來看，潼湖濕地總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)達到很強生態(tài)風(fēng)險水平，需引起相關(guān)方面的重視。重金屬進入生物圈后會在生物圈內(nèi)不斷循環(huán)，很難做到簡單有效的控制和治理。因此，重金屬的污染防治需要在控制源頭的基礎(chǔ)上，結(jié)合物理、化學(xué)以及生物修復(fù)等技術(shù)手段來進行。物理防治（換土等）方法成本高、對周邊區(qū)域影響大，同時會引起水土流失等問題。采用磷灰石、硫肥、有機酸等化學(xué)修復(fù)方式則具有成本高、短期見效快等特點，但化學(xué)修復(fù)方式會引起土壤營養(yǎng)成分質(zhì)的改變，長期來看有悖于土壤修復(fù)的初衷[25]。近年來的研究結(jié)果表明，通過篩選超富集植物或引入能夠富集重金屬鎘的植物是有效的生物修復(fù)方法之一，這些植物能夠?qū)㈡k富集轉(zhuǎn)移至自身體內(nèi)，再通過人為收獲的方法將鎘清除出去[26]。潼湖濕地面積大、范圍廣且居民多，受環(huán)境影響、修復(fù)成本等制約，可以嘗試采用種植一些重金屬低積累植物新品種的方法加以改善。增加超富集植物或低積累植物新品種種植面積能夠有效提升潼湖濕地植被覆蓋率，進而減少土壤重金屬向空氣中遷移，降低土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險[27]?？傊?，生物修復(fù)方式可能是潼湖濕地較為行之有效的土壤修復(fù)方法之一。