大慶龍鳳濕地土壤重金屬空間分布特征

陳雪龍，齊艷萍，2，吳海燕，王忠偉，郭 麗

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 動物科技學(xué)院，黑龍江 大慶163319；2.農(nóng)業(yè)部 農(nóng)產(chǎn)加工品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心（大慶），黑龍江 大慶163319）

濕地作為地球上水陸交互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，是生物的重要生存環(huán)境，也是生物多樣性最為豐富的生態(tài)景觀之一，在水土保持、污染控制等方面有著其他生態(tài)系統(tǒng)難以替代的重要作用［1］。

近年來，隨著地方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)以及日常生活造成的重金屬污染物逐漸增多，大量污染物匯集于濕地內(nèi)，使得濕地面臨著嚴(yán)重的重金屬污染的威脅［2］。重金屬污染已成為濕地環(huán)境中主要的污染物之一，是典型的難降解、累積性的污染物，并且還可通過食物鏈的傳遞，對動植物產(chǎn)生危害并逐漸積累，在某些條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘儆袡C(jī)化合物而使得毒性增加，對濕地生態(tài)系統(tǒng)安全構(gòu)成直接或潛在的危害［3］。重金屬在土壤中累積，不僅可以降低土壤生物活性、影響土壤理化性質(zhì)、阻礙植物的生長，而且會進(jìn)入食物鏈直接或間接對人體健康造成威脅［4］。大慶龍鳳濕地是亞洲最大的城中濕地，因此，其生態(tài)環(huán)境對城市影響較為顯著，但目前尚未對龍鳳濕地土壤重金屬空間分布進(jìn)行過研究，為此，本文以龍鳳濕地土壤為研究對象，對濕地土壤中的Cu，Cr，Cd，Zn，Pb和As六種典型重金屬元素含量和空間分布特征進(jìn)行分析，以期為龍鳳濕地的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大慶龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)（下文簡稱龍鳳濕地）位于大慶龍鳳區(qū)境內(nèi)東南面，距離市中心僅8 k m，是一處位于城區(qū)中的濕地，屬于扎龍濕地邊緣地區(qū)。地理坐 標(biāo) 為 東 經(jīng) 125°07′—125°15′，北 緯 46°28′—46°32′，總面積5 050.39 h m2，處于中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季明顯，溫差較大。年平均氣溫4.5℃，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫－39.2℃。年均4月中下旬解凍開泡，11月上旬結(jié)冰，無霜期149 d，結(jié)冰期176 d。年平均降水量為435 mm。保護(hù)區(qū)內(nèi)地勢低洼平坦，泡沼相間，自然坡降小于千分之一。土壤由草甸土和沼澤土組成，其中沼澤土是其主要的土壤類型，分布面積約占自然保護(hù)區(qū)總面積的80%左右。濕地內(nèi)的植被主要是沼澤植被，包括蘆葦群落、菖蒲群落、堿蓬堿蒿群落和星星草群落。蘆葦群落覆蓋度一般為40%～90%，高度1.5～2.5 m；菖蒲群落覆蓋度一般為60%～90%，高度50～80 c m；堿蓬堿蒿群落覆蓋度一般為40%～60%，高度30～50 c m；星星草群落覆蓋度一般為30%～80%，高度30～70 c m。

2 樣品采集與測定

2.1 土壤樣品采集

于2011年夏季在龍鳳濕地內(nèi)采集土壤樣品，采樣過程中，采用塑料小鏟作為工具，避免使用金屬器具帶來的交叉污染。根據(jù)龍鳳濕地保護(hù)區(qū)的特點(diǎn)，將其劃分為4個(gè)采樣區(qū)（編號為1—4），每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)采樣點(diǎn)（編號為a—e），每個(gè)樣點(diǎn)均按照表層（0—10 c m）、次表層（10—20 c m）、中層（20—40 c m）和深層（40—60 c m）4個(gè)層次進(jìn)行土樣的采集，共采集土壤樣品80個(gè)（圖1）。其后將土壤樣品自然風(fēng)干后，磨碎、過篩，進(jìn)行土壤重金屬含量測定。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

2.2 土壤重金屬含量測定

采用原子吸收分光光度法測定土壤中Cu，Cr，Cd，Zn，Pb、As六種重金屬元素的含量［5］。

2.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel和SPSS 13.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤（0－10 c m）重金屬含量特征

龍鳳濕地表層土壤Cu含量為15.46～12.76 mg／kg、Cr含量68.45～97.96 mg／kg、Cd含量0.046～0.082 mg／kg、Zn含量為49.78～63.55 mg／kg、Pb含量為13.22～17.02 mg／kg、As含量為6.12～8.14 mg／kg，在水平分布上變化較大，即使是同種元素在不同樣區(qū)、不同樣點(diǎn)的含量變化幅度也很大（表1），其中樣區(qū)1和樣區(qū)4表土層土壤各種重金屬含量稍低，恰好這兩個(gè)樣區(qū)距離人為活動地點(diǎn)較遠(yuǎn)，這也可以說明人為活動對濕地土壤重金屬的累積程度影響較大。

中國幅員遼闊，各地土壤環(huán)境本底值并不一致［6］，通過表1與表2的對比分析可知，龍鳳濕地土壤表土層Cu，Cd，Zn，Pb和As含量均低于全國土壤環(huán)境背景值，只有Cr高于全國土壤環(huán)境背景值。由于大慶位于松嫩平原中部，如果以低于全國土壤環(huán)境背景值的松嫩平原全區(qū)域土壤重金屬含量平均值作為背景值，則龍鳳濕地土壤表土層Cu，Cd，Pb和As含量均較低，而Cr和Zn含量稍高于背景值，這一方面說明龍鳳濕地除了Cr和Zn外并沒有明顯的重金屬的累積，另一方面也說明，由于松嫩平原地域廣闊，土壤類型分布復(fù)雜，單純用某一區(qū)域的環(huán)境背景值的平均值來評價(jià)部分土壤重金屬的污染水平并不符合實(shí)際。

根據(jù)國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）的規(guī)定，土壤環(huán)境質(zhì)量共分三類，其中第一類主要適用于國家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)（原有背景重金屬含量高達(dá)到除外）、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護(hù)地區(qū)的土壤、土壤質(zhì)量基本上保持自然背景水平。一類土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行一級標(biāo)準(zhǔn)，其中Cu≤35 mg／kg、Cr≤90 mg／kg、Cd≤0.20 mg／kg、Zn≤100 mg／kg、Pb≤35 mg／kg、As≤15 mg／kg。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，龍鳳濕地土壤中除Cr含量稍高外，Cu，Cd，Zn，Pb和As含量均符合一級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而且濕地的四個(gè)樣區(qū)的表土層20個(gè)隨機(jī)樣點(diǎn)中，有8個(gè)樣點(diǎn)的Cr出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)率為40%。所有重金屬，包括Cr在內(nèi)，均符合國家二級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，說明土壤重金屬含量未對環(huán)境和植物造成危害和污染，環(huán)境狀況良好。

表1 表層土壤（0－10 c m）重金屬含量特征 mg／kg

表2 全國、松嫩平原重金屬含量背景值 mg／kg

3.2 剖面土壤（0－60 c m）重金屬含量特征

龍鳳濕地土壤中重金屬元素的垂直剖面分布特征見表3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Cu，Cr，Cd和As的含量都隨著土層深度的增加逐漸減少，而Pb和Zn的含量在土壤剖面上的變化規(guī)律則是先增加后減少，這種隨土壤剖面發(fā)生的變化與區(qū)域內(nèi)土壤本身的理化性質(zhì)、成母土質(zhì)、巖石風(fēng)化及淋溶作用有著極大的關(guān)系［7－8］。隨著土層深度的增加，一方面Cu，Cr，Cd和As的含量在淋溶作用下會在剖面中產(chǎn)生遷移，因而導(dǎo)致其隨著土層深度的增加含量逐漸降低，另一方面由于人為活動、大氣沉降等原因，造成了這些元素的表層累積。對于Pb和Zn來說，在10—20 c m范圍內(nèi)有聚集現(xiàn)象，主要是由于Pb和Zn發(fā)生了淋溶積累，這兩種元素在水分較多的厭氧環(huán)境中極易溶于水并向下淋溶，使得在10—20 c m的土層中形成累積，而后隨著土壤深度的增加其含量逐漸下降。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能與濕地生態(tài)環(huán)境的特殊性、水體溫度及水體的擾動、循環(huán)方式促進(jìn)重金屬的解析有一定的關(guān)系［9］。本研究結(jié)果與對北固山濕地的研究結(jié)果基本一致［10］，即在濕地土壤中的所有重金屬元素，無論是隨著土壤剖面的改變含量逐漸遞減的，還是含量先增加后減少的，都會在0—15 c m左右的土層中富集，因此，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，如果要清除重金屬污染而又不破壞或少破壞濕地原有生境，最可行的方法就是進(jìn)行生態(tài)清淤［11］，而且清淤深度應(yīng)該為15 c m左右。從整體來看，除Cr外，龍鳳濕地土壤不同深度的Cu，Cd，Zn，Pb和As含量均在國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）規(guī)定的一級標(biāo)準(zhǔn)值以下，可以判斷龍鳳濕地土壤基本沒有受到重金屬污染。盡管目前龍鳳濕地的環(huán)境狀況很好，但由于該地區(qū)位于城市中，周邊人為干擾較多，人類活動比較頻繁，因此應(yīng)加大環(huán)境保護(hù)力度，以避免濕地環(huán)境污染及生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

3.3 土壤重金屬之間的相關(guān)性

龍鳳濕地土壤重金屬元素之間的相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可知，龍鳳濕地土壤Cu，Cd，Zn，Pb，As五種重金屬元素之間，除Cu和As間的的相關(guān)關(guān)系不顯著外，其余各重金屬元素之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。土壤重金屬元素之間的顯著相關(guān)性說明在重金屬元素沉積的過程中，這些重金屬元素的運(yùn)移情況、蓄積量及影響蓄積量的因素等具有相同的變化趨勢，還可以說明重金屬的來源可能相同［12］，因此，從Cu，Cd，Zn，Pb，As五種重金屬的相關(guān)性可以推測其來源有可能相同，且具有一定的共生組合性，其中Cd和Pb之間的相關(guān)性最高（相關(guān)系數(shù)為0.802），而Cu和Zn的相關(guān)性最?。ㄏ嚓P(guān)系數(shù)為0.503）。重金屬元素之間的這種相關(guān)性也說明在自然條件下，重金屬元素之間具有極其密切的伴生性，并且這種伴生性會表現(xiàn)在土壤狀況較好的地區(qū)［13］。在所檢測的重金屬元素中，Cr只與Cu呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），而與其他各重金屬元素之間均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，這說明Cr的來源與其他重金屬元素的來源不同，這是受到濕地周邊復(fù)雜環(huán)境及人為隨機(jī)因素的影響所致。

表3 土壤剖面（0－60 c m）重金屬含量 mg／kg

表4 土壤重金屬元素間的相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）龍鳳濕地土壤表土層（0—10 c m）Cu，Cd，Pb和As含量均低于松嫩平原背景值，而Cr和Zn含量稍高于背景值，說明龍鳳濕地除了Cr和Zn外并沒有明顯的重金屬的累積。龍鳳濕地土壤中的重金屬含量基本符合一級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995），只有Cr出現(xiàn)少量的超標(biāo)，超標(biāo)率為40%，因此土壤重金屬含量尚未對本地區(qū)環(huán)境和植物造成污染，環(huán)境狀況良好。

（2）龍鳳濕地土壤中，Cu，Cr，Cd和 As的含量都隨著土層深度的增加逐漸減少，而Pb和Zn的含量在土壤剖面上的變化規(guī)律則是先增加后減少，并且在0—15 c m左右的土層中富集，因此，要清除重金屬污染而又不破壞或少破壞濕地原有生境最可行的方法就是進(jìn)行深度約15 c m的生態(tài)清淤。

（3）龍鳳濕地土壤Cu，Cd，Zn，Pb，As五種重金屬元素之間，除Cu和As間的的相關(guān)關(guān)系不顯著外，其余各重金屬元素之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），而Cr除與Cu呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）外，與其他各重金屬元素之間均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。由此可推測Cu，Cd，Zn，Pb，As的來源有可能相同，具有一定的共生組合性，而Cr可能與其他重金屬元素的來源不同。

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