草海湖濕地重金屬分布特征及污染負(fù)荷

張珍明，林紹霞，張清海，郭 媛，林昌虎3，

（1.貴州省生物研究所，貴陽550009；2.貴州省理化測試分析研究中心，貴陽550002；3.貴州科學(xué)院，貴陽550001；4.貴州大學(xué) 貴陽550025）

濕地是地球上水陸交互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，它不僅為多種動植物提供了賴以生存的場所，也在抵御洪水、調(diào)節(jié)徑流、蓄洪防旱、控制污染等方面起著舉足輕重的作用[1]。隨著人類活動領(lǐng)域的擴(kuò)大和物質(zhì)需求的不斷增加，人類對各類濕地資源的干預(yù)和利用強(qiáng)度也在不斷加大[2]。由于盲目的開墾和過度占用濕地，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致濕地土壤污染嚴(yán)重，土地資源利用不合理，濕地泥沙日益嚴(yán)重淤積等眾多原因，目前我國濕地退化嚴(yán)重[3]。草海湖濕地位于貴州省西部，是一個完整的、典型的喀斯特高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，是國家一級高原濕地，在我國為數(shù)不多的亞熱帶高原喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)中，草海生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性、典型性、重要性、生物多樣性等都具有代表意義。但隨著草海湖區(qū)域旅游業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，草海湖濕地土壤環(huán)境急劇惡化，正威脅著草海湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然性和穩(wěn)定性。

隨著人類活動強(qiáng)度的增大，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中土壤重金屬含量超標(biāo)較為普遍，它不僅毒害土壤—植物系統(tǒng)，降低農(nóng)作物的品質(zhì)，而且通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，最終進(jìn)入食物鏈直接、間接危害人類生命健康[4－7]。目前對草海生態(tài)環(huán)境的研究工作集中在草海生物多樣性[8－9]及地球化學(xué)過程[10－11]方面，針對草海濕地中多種重金屬綜合污染方面的研究甚少報道。為此，筆者以草海湖濕地土壤為研究對象，探討草海典型濕地土壤中的7種重金屬元素含量和空間分布特征進(jìn)行分析，以期為貴州湖濕地的保護(hù)提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

草海高原濕地位于貴州省威寧彝族回族苗族自治縣縣城西南側(cè)，位于東經(jīng)104°10′16″—104°20′40″，北緯26°47′32″—26°52′52″，平均海拔為2 171.7m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫10.5℃，年均日照時數(shù)1 805.4h，年均降雨量950.9mm，降雨主要集中于夏季，是貴州省境內(nèi)降水量最少的地區(qū)。草海屬于長江水系，是金沙江支流橫江洛澤河的上源湖泊，其水源補(bǔ)給主要靠大氣降水。草海保護(hù)區(qū)面積96 km2，湖面面積大約僅有25km2。草海高原濕地盆地內(nèi)的土壤大部分為黃棕壤，具有相對濕度大，淋溶作用強(qiáng)，呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量高的特征，在常年被湖水淹沒的盆地淤泥地帶則是泥炭化的沼澤土。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與制備

于2010年8月（豐水期）及2011年3月（枯水期）兩個時期對草海周邊土壤和表層沉積物進(jìn)行布點(diǎn)采樣，根據(jù)研究目標(biāo)，結(jié)合草海湖泊地貌實(shí)際情況并參考威寧縣環(huán)境監(jiān)測中心水質(zhì)監(jiān)測斷面底泥調(diào)查所布設(shè)的點(diǎn)位，制成采樣分布圖（圖1）。表層沉積物采樣路線設(shè)計(jì)以草海湖泊中心為起點(diǎn)，向3個方向輻射，在草海湖的東區(qū)、西南區(qū)和西北區(qū)三個區(qū)域布點(diǎn)采樣：東區(qū)緊靠威寧縣城，是城市生活污水的排污口，也是草海旅游的主線路；西南區(qū)水生植被豐富；西北區(qū)則是草海湖的出水口。采用S形方式進(jìn)行采集5～8個采樣點(diǎn)為一個混合樣，每個點(diǎn)采集0—20cm土層土壤樣品。合計(jì)采集92個土壤樣品，其中采集底泥樣品54個，草海湖周邊區(qū)域采集農(nóng)用地土壤樣品22個、林地土壤樣品5個、沼澤草地土壤樣品11個。

圖1 草海底泥樣品采樣點(diǎn)示意圖

將采集的樣品分別裝入不含重金屬的布袋帶回實(shí)驗(yàn)室，將土樣按編號倒入干凈的塑料膜上，在半干狀態(tài)下把土塊壓碎，并剔除植物殘體及大礫石等非土壤物質(zhì)，均勻鋪開，置于陰涼通風(fēng)處自然晾干。晾干后充分混勻，按對角線四分取土法分取一半樣品研磨，另一半作為備用樣品保存。樣品全部過2mm尼龍網(wǎng)篩，備用；取過2mm篩的土樣20g左右經(jīng)瑪瑙研缽研細(xì)全部過0.15mm尼龍網(wǎng)篩，充分混合均勻供分析測試用。為防止樣品制備產(chǎn)生二次污染，樣品采集、混合、裝袋、粉碎、研磨等處理過程均采用木頭、塑料、瑪瑙等用具。

2.2 測試方法

本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級純、二次去離子水，每10個樣品加1個空白樣，以控制整個流程和試劑及容器的清潔程度，每批樣隨機(jī)設(shè)定40%的平行樣本數(shù)，平行樣品間的相對偏差控制在限定范圍內(nèi)。重金屬均采用六點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)曲線外標(biāo)法定量，各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線r值大于0.99，測定過程中采用平行樣和標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)（GSS2－GSS5）來控制準(zhǔn)確度。重金屬具體檢查方法如表1所示[12－13]。

2.3 評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

草海是國家級自然保護(hù)區(qū)，其土壤環(huán)境質(zhì)量應(yīng)符合《土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618－1995）中一級標(biāo)準(zhǔn)限值，但是由于貴州省土壤重金屬元素的背景值較高，Cd，As，Pb，Cr含量均高于一級標(biāo)準(zhǔn)，尤其Cd含量更是一級標(biāo)準(zhǔn)限值的3倍有余，為了更好地反映草海地區(qū)土壤重金屬的外源污染情況，本文以貴州省土壤元素背景值[14]作為評價基準(zhǔn)（表2），運(yùn)用單因子污染指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法對草海濕地土壤重金屬污染情況進(jìn)行評價，首先根據(jù)某一點(diǎn)的實(shí)測重金屬含量進(jìn)行最高污染系數(shù)（CF）計(jì)算：

式中：CFi——元素i的最高污染系數(shù)；Ci——元素i的實(shí)測含量；Bi——元素i的評價標(biāo)準(zhǔn)，基線值或背景值。

某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)（PLI）為

式中：PLIsite——某一點(diǎn)的污染負(fù)荷指數(shù)；n——參加評價的元素個數(shù)。

某一區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)為

式中：PLIzone——某一區(qū)域的污染負(fù)荷指數(shù)；n——該區(qū)域內(nèi)所包含的樣點(diǎn)數(shù)。

表1 土壤重金屬檢測方法

表2 土壤重金屬污染評價基準(zhǔn)

污染負(fù)荷指數(shù)法是由評價區(qū)域所包含的多種重金屬成分共同構(gòu)成，它能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻(xiàn)程度以及重金屬在時間、空間上的變化趨勢，應(yīng)用比較方便。該方法的獨(dú)特之處在于它的高度概括性，由點(diǎn)指數(shù)求出區(qū)域指數(shù)，由區(qū)域指數(shù)求出整個地區(qū)的指數(shù)。因此這種方法非常適合于多個區(qū)域污染狀況的對比評價。土壤重金屬污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 污染分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土壤利用方式下土壤重金屬含量分布特征

草海不同土壤利用方式下重金屬含量水平如表4所示，草海各類土壤7種重金屬含量的中值和平均值都比較接近，說明基本未受到特異值影響。土壤中重金屬含量的最大值與最小值差別較大，是最小值的幾倍、幾十倍甚至上百倍，可見各采樣點(diǎn)重金屬含量的分布并不均勻。本研究中7種重金屬中，Cd，Zn，Hg含量均明顯高于貴州土壤背景值，3種重金屬在草海土壤中出現(xiàn)了明顯的富集，其中以Cd積累負(fù)荷最大。草海位于貴州西部的Cd、Hg高背景值區(qū)域，土壤中Cd，Hg含量比全省的其他地區(qū)都高[15]。另一方面主要是由于草海周邊及鄰縣曾存在的土法煉鋅工藝所致，Cd，Hg均不同程度地與Zn伴生，在草海周邊曾出現(xiàn)大規(guī)模土法煉鋅產(chǎn)生的大量廢渣，重金屬在長期的自然環(huán)境影響下，富集于草海土壤中[16]。從空間分布規(guī)律來看，草海濕地土壤Cd和Zn分布特征為：底泥＞農(nóng)用地＞沼澤草地＞林地；Cr的分布特征為：沼澤草地＞林地＞農(nóng)用地＞底泥；Pb和Cu含量的分布特征為：農(nóng)用地＞底泥＞沼澤草地＞林地；Hg的分布特征為：底泥＞沼澤草地＞農(nóng)用地＞林地；As的分布特征為：林地＞農(nóng)用地＞沼澤草地＞底泥。

以變異系數(shù)的大小定量反映調(diào)查區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)含量的波動程度，可知，除農(nóng)用地土壤中Cu的變異系數(shù)大于100%，達(dá)到強(qiáng)變異程度外，草海不同土壤重金屬的變異系數(shù)都在10%～100%之間，表現(xiàn)出中等程度的變異性。草海底泥和草海湖周邊的沼澤草地、農(nóng)用地都以As的變異系數(shù)最小，分布最為均勻；而林地則以Cr的空間分布最為均勻。草海不同土壤7種重金屬中變異系數(shù)最大、分布最不均勻的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼澤草地是Zn、農(nóng)用地則是Cu。

表4 不同土壤利用方式下重金屬含量

3.2 草海濕地土壤重金屬污染指數(shù)

3.2.1 單因子污染指數(shù) 草海底泥7種重金屬中，對環(huán)境構(gòu)成污染的有Cd；Hg和Zn，且均已達(dá)到重污染程度，其污染程度為Cd（PCd＝27.45）＞Hg（PHg＝4.91）＞Zn（PZn＝4.33）；除此之外，其它元素Pi平均值均小于1，尚未構(gòu)成污染。時間上，Cd，Hg和Zn的污染程度都是枯水期較為嚴(yán)重，主要原因是人類活動向湖泊底泥中輸入了Cd，Hg和Zn含量，加之水文因素、徑流淹沒頻率等因素影響；空間上，三種重金屬的污染程度都是S區(qū)＞N區(qū)＞E區(qū)，且基本都呈現(xiàn)出距岸邊越遠(yuǎn)污染越嚴(yán)重的趨勢?？梢姡莺５啄喔鞣N重金屬元素的富集程度差異極大。其主要與旅游開發(fā)過程中人類活動對水環(huán)境的流動性影響，其間接影響重金屬遷移沉積的速率，E線為草海湖的上游，旅游過程中大部分船只均能到達(dá)，而S線主要是草海湖的靜水區(qū)，人為活動較?。▓D2）。

不同土地利用類型在植被類型、植被蓋度、人類活動等指標(biāo)上存在差異顯著，其中人為活動對農(nóng)用地表現(xiàn)尤其明顯，故草海湖周邊的農(nóng)用地7種重金屬含量超標(biāo)的有Cd，Pb，Hg，As和Zn，其中Cd，Hg達(dá)到重污染程度，Zn為中度污染，Pb和As為輕度污染。沼澤草地7種重金屬含量超標(biāo)的有Cd，Hg和Zn，其中Cd，Hg達(dá)到重污染程度，Zn為中度污染。林地在植被類型和植被覆蓋度明顯高于其他兩種土地利用方式，故7種重金屬超標(biāo)的有Cd，Hg，As和Zn，且都達(dá)到輕度污染程度，對于草海土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險來說，Cd表現(xiàn)為首要的風(fēng)險因子，其次為Hg和Zn，所以在草海環(huán)境管理與重金屬防治工作中，需將Cd，Hg，Zn作為重點(diǎn)治理目標(biāo)，采取必要措施以防止其向草海水體的遷移（圖3）。

圖2 草海胡底泥單污染指數(shù)

圖3 草海周邊不同利用方式土壤單污染指數(shù)

3.2.2 污染負(fù)荷指數(shù) 由表5可知，豐水期16個采樣點(diǎn)中，有9個點(diǎn)重金屬含量達(dá)到中等污染水平，另外7個點(diǎn)重金屬含量均達(dá)到強(qiáng)污染水平，3個采樣區(qū)底泥的重金屬污染程度為S區(qū)＞N區(qū)＞E區(qū)，豐水期草海底泥重金屬總體污染指數(shù)為1.68，達(dá)到中等污染水平；枯水期16個采樣點(diǎn)中，有10個點(diǎn)重金屬含量達(dá)到中等污染水平，6個達(dá)到強(qiáng)污染水平，比較3條采樣線上重金屬含量特征發(fā)現(xiàn)，7種重金屬在3條線上分布特征表現(xiàn)為S區(qū)＞N區(qū)＞E區(qū)，枯水期草海底泥重金屬總體污染指數(shù)為1.89，達(dá)到中等污染水平。E線為草海湖旅游的主航線，旅游過程中大量船只由此進(jìn)入湖泊，加速水體的流動性，間接影響重金屬遷移沉積的速率及空間分布。而靠近湖畔的E區(qū)接近航渡碼頭，人為活動對水質(zhì)環(huán)境的影響嚴(yán)重。

表5 草海底泥重金屬污染指數(shù)及污染狀況

3.3 草海濕地土壤重金屬污染特征

草海湖周邊農(nóng)用地土壤重金屬總體污染指數(shù)為1.29，達(dá)到中等污染程度，22個采樣點(diǎn)中有4個點(diǎn)無污染，1個點(diǎn)強(qiáng)污染，1個點(diǎn)極強(qiáng)污染，其余均為中等污染。沼澤濕地土壤總體污染指數(shù)為1.26，也是輕度污染，11個采樣點(diǎn)中有10個輕度污染，1個無污染。林地土壤基本沒有重金屬污染問題，總體污染指數(shù)為0.77，5個采樣點(diǎn)中僅有一個污染指數(shù)達(dá)到1.00，其它點(diǎn)均無污染。

圖4 草海湖周邊土壤各污染等級樣本數(shù)

4 結(jié)論

（1）草海不同土壤重金屬的變異系數(shù)都表現(xiàn)出中等程度的變異性。草海底泥和草海湖周邊的沼澤草地、農(nóng)用地都以As的變異系數(shù)最小，分布最為均勻；而林地則以Cr的空間分布最為均勻。草海不同土壤7種重金屬中變異系數(shù)最大、分布最不均勻的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼澤草地是Zn、農(nóng)用地則是Cu。

（2）草海底泥中Cd、Hg和Zn含量極高，分別為18.09mg／kg，0.54mg／kg，431.31mg／kg，均已達(dá)到重污染水平，Cu，As，Cr，Pb四種重金屬尚未構(gòu)成污染。草海底泥重金屬污染水平為中等污染，且枯水期污染略重；空間分布上，S區(qū)的大部分采樣點(diǎn)及其他兩區(qū)靠近湖心的采樣點(diǎn)污染較重，三個采樣區(qū)都呈現(xiàn)距岸邊越遠(yuǎn)污染越重的趨勢。

（3）草海各類土壤重金屬污染程度為：底泥（中等污染）＞農(nóng)用地（中等污染）＞沼澤草地（中等污染）＞林地（無污染）。在草海旅游管理中，需將湖泊底泥作為重點(diǎn)防治對象，采取必要措施以防止其重金屬向草海水體的遷移。

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