东洞庭湖湿地土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价

2015-12-18刘娜曾静李旭侯志勇谢永宏

农业现代化研究 2015年5期

刘娜，曾静，李旭，侯志勇，谢永宏

（中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程院重点实验室,洞庭湖湿地生态系统观测研究站，湖南长沙410125）

洲滩属于水陆交叉带，具有十分重要的生态调节功能，洲滩湿地土壤是湿地生态系统中非常重要的组成部分之一，与人类的生活非常密切。然而随着人口数量的增加、工农业的发展以及城市化进程的加快，人们在开发利用湿地资源的同时，对其环境造成的污染破坏不容小视，大量未经处理的城市垃圾、被污染的土壤、工业和生活污水流入江河，加上农药化肥的过度施用，使水体悬浮物和沉积物中的无机、有机污染物含量急剧升高，重金属的含量不断累积增加，严重影响了湿地生态系统健康，也直接或间接的对人体健康构成威胁[1-6]。因此，分析洲滩土壤重金属污染特征对于合理开发利用湿地具有重要的现实意义。

重金属是一种持久性有毒的污染物，进入土壤后不能被生物降解，土壤中重金属的富集对生物体及生态系统产生较大的生态危害性，是严重危害生态安全的土壤污染物[7-13]。近年来人们越来越重视土壤环境质量的变化，在全国很多地方都开展了针对环境质量的土壤重金属调查和评价[14-15]。

洞庭湖是我国第二大淡水湖，是国际上重要湿地生态保护区之一，具有维系长江中下游防洪安全的功能，也是广大湖区人民赖以生存发展的基础[16-17]。湘江流域是我国重金属污染较为严重的区域之一，由于湘江是洞庭湖水系最大的河流[18-19]，导致洞庭湖区水相、滩地、洲垸和耕地土壤重金属潜在污染风险较高[20]。目前,对洞庭湖污染方面的研究多集中在水质污染和沉积物污染，有关洞庭湖区湿地土壤重金属污染状况及其潜在生态风险评价方面的研究较少[21-22]。另外，土壤是构成环境要素的重要组成因子，土壤中的重金属易生物富集和放大从而对生存于其中的动植物体产生较大的生态危害性。因此，本文以东洞庭三个洲滩区域（小西湖、六门闸和麻塘）湿地土壤为研究对象，对其土壤中的重金属Cd、Cr、Ni、Pb、Hg、As 含量进行测定、分析并对洞庭湖湿地土壤重金属的污染现状进行评价，探讨其潜在生态风险，以期掌握洞庭湖湿地土壤重金属的污染现状，指导土地的合理利用、重金属污染的治理和保障人群健康提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

洞庭湖位于湖南省北部（24°39′-30°08′N，108°47′-114°15′E），区域气候温暖湿润，植被丰富且群落类型多样，植被演替模式较为复杂。典型的湿地植被群落有苔草（Carex spp.）、荻（Triarrhena sacchariflora）、辣蓼（Polygonum hydropiper)、虉草（Phalaris arundinacea）等。湿地植被分布受水位梯度变化、洲滩淤积抬升等的影响。

本研究选择位于东洞庭湖的小西湖、六门闸和麻塘3 个典型洲滩区域，其植物群落呈现由辣蓼群落、苔草群落到芦苇群落的正向演替模式，同时植物群落沿水位梯度呈现明显的带状分布格局。

1.2 样品采集与处理

在3 个典型洲滩分别设置15 个1 m×1 m 的样方，样方间隔50 m，在样方中按照“S”型路线采集0-20 cm 土层的样本5-8 个点，混合均匀后用灭菌自封袋带回实验室。于2010 年和2012 年在同一地点取样，总共采集土壤样品90 个。

土壤样品采集回室内后，剔除土壤中的动植物残体、石块等杂物,于室内自然风干。随后用木锤捣碎后过20 目尼龙筛,然后从中取50 g 左右,在玛瑙研钵内进一步磨细,过100 目尼龙筛,储存于聚乙烯袋中待测。

1.3 分析方法

称取约0.500 0 g 加工好的样品（精确到0.000 1 g）经HNO3-HClO4-HF 消化处理，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）内标法测定土壤中的Cd、Cr、Ni、Pb。同时取土壤样品0.250 0 g（精确到0.000 1 g）于25 ml 比色管中,加入新配（1+1）王水10 ml，于沸水浴中加热2 h，其间要充分振摇两次,冷却至室温后加入10 ml 保存液，用稀释液定容,摇匀。该消解液用来测定汞。取静置后的消解溶液5.00 ml于另一25 ml 比色管中,加入50 g/L 的硫脲溶液2.5 ml,盐酸2.5 ml,定容至25 ml,该溶液用来测定砷。每个土壤样点的重金属含量均以两年的平均值来计算。

1.4 污染指数评价方法

采用单向污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤污染状况进行评价。单项污染指数计算方法为：

式中：Pi为i 污染物的污染指数；Xi为污染物的实测值；Si为i 污染物的评价标准。土壤重金属参照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的二级标准进行评价[22]。单项污染指数法分级标准：Pi≤1 非污染,1＜Pi≤2 轻污染，2＜Pi≤3 中污染，Pi＞3 重污染。

内梅罗综合污染指数计算方法为:

式中：Ij为监测点的综合污染指标；Ijmax为j 监测点所有污染物单项污染指数中的最大值；Ijave为j 监测点所有污染物单项污染指数的平均值。综合污染指数分级标准见表1。

1.5 潜在生态危害评价方法

本文采用瑞典科学家提出的潜在生态危害指数法进行评价[6]。该法是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出来的对土壤或沉积物中重金属污染进行评价。不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价。潜在生态危害指数涉及到单项污染系数、重金属毒性响应系数以及潜在生态危害单项系数，其计算公式为:

表1 土壤污染指数分级标准Table 1 Grading of soil pollution indexes

式中：RI 为土壤中多种重金属复合污染状态下的潜在生态危害指数；Eir为i 种重金属的潜在生态危害单项系数；Tir为i 一种金属的毒性响应系数；Ci为表层土壤重金属浓度实测值，Cin为计算所需的参比值。采用Hakanson 制定的标准化重金属毒性系数为评价依据,重金属毒性水平及毒性响应系数为Cr=2＜Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40。土壤参比值采用的是国家土壤环境质量标准二级标准。重金属单项污染系数分级标准参照文献[24-25]。重金属污染生态危害系数和生态危害指数分级标准列于表2。

表2 重金属污染潜在生态危害指标与分级关系Table 2 Indices and grades of potential ecological risk of heavy metals pollution

2 结果与分析

2.1 东洞庭土壤重金属的含量

东洞庭湿地土壤重金属含量显著高于背景值，且不同洲滩重金属含量存在显著差异。东洞庭三个洲滩区域（小西湖、六门闸和麻塘）土壤重金属Cd、Cr、Pb、Hg、As 的含量均以麻塘最高，其中Cd 的含量是背景值的7 倍，是小西湖和六门闸的3.8 和4.1倍；Pb 为背景值的2 倍，是其它两个地方的1.9 倍；Hg 为背景值的4 倍，是其它两个地方的2.3 倍；As为背景值的2 倍，是其它两个地方的2.1 倍（表3）。

表3 东洞庭湖土壤中重金属含量（mg/kg）Table 3 Contents of heavy metals in wetland soils around East Dongting

以国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)为参照，麻塘土壤（pH＜6.5）Cd 含量达到国家II 级标准的8 倍，Ni 超出国家II 级限值但低于III 级标准阈值，其余的重金属都在国家II 级限值之内；小西湖土壤（pH＞6.5）中Cd 超出国家II 级限值但低于III 级标准阈值，土壤中Ni 超出国家II 级限值但低于III 级标准阈值，其余4 种重金属未超过国家I 级标准；六门闸土壤（pH＞6.5）中6 种重金属都未超过国家II 级标准。

东洞庭三个洲滩区域，麻塘Cd 富集非常显著，形成了以Cd 为主的多种重金属复合污染的特征。麻塘处于湘江航道边缘与湘江航道相连，一年有6个月的洪水浸泡期，长期有积水，采样时土壤含水量最高。六门闸、小西湖洪水期较短，一年有4 个月的洪水浸泡期，无长期积水，远离湘江航道。另外，麻塘区域采矿冶炼工业并不发达，表明麻塘重金属污染可能主要受到上游湘江水的影响[26]，尹春艳等[27]通过主成分分析也证实湘江河口沉积物中Cd、Pb 主要源于湘江水的输入。这个结果也与朱奇宏等[28]对环洞庭湖区蔬菜基地土壤重金属含量的研究结论相一致。

2.2 东洞庭湖土壤重金属现状评价

按照土壤环境质量标准II 级标准，对采样点中各元素进行单项污染分级统计。麻塘以Cd 污染最为突出，单向污染指数高达8，达到重度污染。其次是Ni 的单向污染指数为1.34，属于轻度污染；小西湖Cd 和Ni 的单项污染指数分别为1.05 和1.11，为轻度污染；六门闸所有重金属单向污染指数均小于1，没有达到污染的程度。从综合污染指数来看，麻塘的综合污染指数为2.23，达到中度污染，小西湖和六门闸处于警戒线（表4）。整体而言，研究区重金属污染程度依次为Cd＞Ni＞Hg＞As＞Pb＞Cr，并且麻塘最严重，小西湖次之，六门闸基本不存在污染。

表4 东洞庭湖土壤重金属污染程度评价与分级Table 4 Evaluation and grading of heavy metal pollutions in the wetland soil of East Dongting Lake

麻塘因与湘江航道相连受湘江水质影响，Cd 富集非常显著，在麻塘地区形成了以Cd 为主的多种重金属复合污染特征。

2.3 东洞庭湿地土壤重金属污染评价及潜在的生态危害

根据“沉积学毒性系数”，对小西湖、六门闸和麻塘3 个采样点典型洲滩湿地土壤重金属元素污染潜在生态危害系数和污染分级分析，Cd、Hg 污染严重，麻塘Cd 和Hg 的潜在污染系数分别为240.77和188.60，都已经达到强生态危害；小西湖、六门闸Hg 的潜在污染系数分别为100.6 和101.62，为较强生态危害，其余均为轻度污染。从元素潜在生态危害综合指数来看，小西湖RI=55.15，六门闸RI=60.12，达到低度生态危害；麻塘RI=152.91，已经达到中度生态危害（表5）。总体来说，小西湖、六门闸、麻塘三个地方重金属Cd、Hg 污染严重，麻塘Cd 已经达到强生态危害，Hg 达到较强生态危害。从综合指数和总的潜在风险程度来看麻塘重金属污染是中度生态危害。因此东洞庭湖洲滩湿地土壤，土壤中Cd、Hg污染问题值得高度关注，尤其是麻塘地区，以免加重污染。

表5 东洞庭土壤重金属潜在生态危害评价结果Table 5 The ecological hazard in urban soils of East Dongting Lake

3 结论

东洞庭区域麻塘、六门闸和小西湖3 个洲滩湿地土壤受到不同程度的重金属污染，其中Cd 和Hg是最主要的污染元素；受湘江水的影响，麻塘区域湿地土壤Cd 和Hg 已经达到强生态危害程度，形成了以Cd 为主的多种重金属复合污染的特征。小西湖和六门闸土壤重金属污染达到低度生态危害，麻塘土壤重金属污染则达到中度生态危害。因此，东洞庭湖洲滩湿地土壤，尤其是与湘江航道相连的地区，土壤重金属污染问题值得高度关注，需采取合理措施进行治理。

[1]Tessier A,Tumer DR.Metal speciation and bioavailability in aquatic systems[M].Chichester:John Wiley&Sons,1995:670.

[2]吕殿青,欧芙容,王宏.东洞庭湖湖滨带土壤重金属健康风险评价[J].农业现代化研究,2014,35(5):649-653.

[3]邵秘华,王正方.长江口水体中重金属形态交换过程的研究[J].环境科学,1995,16(6):69-72.

[4]Singh S P,Tack F M,Verloo M G.Heavy metal fraction and extractability in dredged sediment derived surface soils[J].Water,Air,and Soil Pollut,1998,102(3/4):313-328.

[5]Virag Kertesz,Gabor Bakonyi,Beata Farkas.Water pollution by Cu and Pb can adversely affect mallard embryonic development[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2006,65:67-73.

[6]Hankanson L.An ecology risk index for aquatic pollution control:a sediment logical approach[J].Water Research,1980,14(8):975-1001.

[7]Yu RL,Yuan X,Zhao Y H,et al.Heavy metal pollution in intertidal sediments from Guangzhou Bay,China[J].Journal of Environmental Science,2008,20(6):664-669.

[8]李彩霞,李彩亭,翟云波，等.湘江衡阳段水质污染现状及对策分析[J].环境保护科学,2007,33(6):31-34.

[9]陈静生,周家义.中国水环境重金属研究[M].北京:中国环境科学出版社,1992.369-376.

[10]唐有祺.化学与社会[M].北京:高等教育出版社,1997:224.

[11]卢宏玮,曾光明,谢更新，等.洞庭湖流域区域生态风险评价[J].生态学报,2003,23(12):2520-2530.

[12]姚志刚,鲍征宇,高璞,等.洞庭湖沉积物重金属环境地球化学[J].地球化学,2006,35(6):629-638.

[13]涂继武.洞庭湖区的区域环境水文地质现状[J].湖南地质,2001,20(3):203-206.

[14]黄凤球,孙玉桃,宋光良,等.长期种植蔬菜土壤的重金属积累与污染风险评价[J].农业现代化研究，2014,35(5):654-657.

[15]郝泽嘉,周丰,郭怀成.香港海域表层沉积物重金属空间分析[J].环境科学研究,2008,21(6):110-117.

[16]谢永宏,陈心胜.三峡工程对洞庭湖湿地植被演替的影响[J].农业现代化研究,2008,29(3):684-687.

[17]杨桂山,翁立达,李利锋,等.长江保护与发展报告[M].武汉:长江出版社,2007:10-344.

[18]申锐莉,鲍征宇,周旻,等.洞庭湖湿地水相中重金属的地球化学评价[J].人民长江,2007,38(11):121-123.

[19]李永进，汤玉喜，唐洁，等.洞庭湖滩地重金属分布及其生态风险评价[J].中南林业科技大学学报,2011,31(2):55-29.