銀川閱海濕地沉積物重金屬潛在生態(tài)危害評價(jià)

朱嵬+倪細(xì)爐

摘 要 為確定銀川市閱海濕地湖水底泥中重金屬的污染狀態(tài)及潛在的生態(tài)危險(xiǎn)，筆者采集了該濕地底泥，分析了8種常見重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）的含量及富集情況，又以現(xiàn)代工業(yè)化前正常顆粒底泥中重金屬含量的最高背景值和自然背景值為參比值，對濕地底泥重金屬的富集系數(shù)、生態(tài)危害系數(shù)及各采樣點(diǎn)的生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行探討，最后運(yùn)用Lars Hankanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對濕地底泥中重金屬的生態(tài)危害程度做了評價(jià)。結(jié)果表明：以現(xiàn)代工業(yè)化前正常顆粒底泥中重金屬含量的最高背景值為參比值，閱海濕地重金屬富集順序?yàn)镃r>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg；各重金屬單因子生態(tài)危害程度為Cd>As>Hg>Pb>Cu>Cr>Zn，其中4號采樣點(diǎn)的重金屬潛在生態(tài)危害程度較高，其他采樣點(diǎn)生態(tài)危害程度較輕微?？偠灾y川市閱海濕地底泥重金屬的生態(tài)危害程度還是較小的。

關(guān)鍵詞 閱海濕地 ；沉積物 ；重金屬污染 ；危害評價(jià)

分類號 X820.4

Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals

in Superficial Sediments of Yuehai Wetland

ZHU Wei NI Xilu

（State Key Laboratory of the Seedling Bioengineering / Ningxia Institute of Forestry，

Yinchuan， Ningxia 750004）

Abstract In order to investigate heavy metal pollution and its potential ecological risk in sediments of Yuehai wetland， content and accumulation of heavy metals （As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb， Zn） were investigated. The highest values for heavy metals concentrations in sediments before the modern industrialization of the world and the natural background values were used to analyze the accumulation coefficient and potential ecological risk （PER） coefficients for heavy metal. The PER index for each sample location was also discussed. The method for evaluating PER index presented by Lars Hankanson was applied to assess the ecological risk. The results showed that when the highest values for heavy metals concentrations in sediments before the modern industrialization of the world were taken as references， the accumulation order for those heavy metals was Cr>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg， the potential risk order of elements was Cd>As>Hg>Pb>Cu>Cr>Zn. The 4th sample point was under the highest potential risk，， which is much higher than other elements， the while the others had relatively small risk. To sum up， the potential ecological risk of Yuehai wetland was light， at least not very serious.

Keywords Yuehai wetland ； sediment ； heavy metal pollution ； risk assessment

通過各種渠道進(jìn)入水體的重金屬絕大部分被懸浮顆粒吸附，并在水動力作用的搬運(yùn)過程中，當(dāng)其負(fù)荷量超過水體搬運(yùn)能力時(shí)，便逐步沉積下來，導(dǎo)致沉積物中重金屬含量比水中高很多倍。因此，開展沉積物中重金屬含量特征和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究不僅為濕地中重金屬污染的來源、現(xiàn)狀和監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)，而且對生物多樣性和人類生存環(huán)境的保護(hù)具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義，因此，近些年沉積物重金屬的生態(tài)效應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)[1-4]。

相對其他類濕地而言，城市濕地更易受到人類活動的影響，特別是在人口稠密的城市，部分未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田退水及暴雨徑流會直接排入濕地中，而其中包含的重金屬污染物則可能會對城市濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。閱海濕地地處銀川市金鳳區(qū)，是由原天然的大、小西湖經(jīng)人工開挖、連通而形成的中型湖沼。地理位置介于東經(jīng)106°11′～106°14′，北緯38°31′～38°37′之間，平均海拔1 104～1 107 m；濕地面積2 000 hm2，是寧夏境內(nèi)西北候鳥遷徙的重要停留與繁衍地，也是銀川市范圍內(nèi)重要的天然濕地，對城市生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)環(huán)境的改善有著重要的作用。2003年，閱海湖通過人工運(yùn)河——艾依河與沙湖、鶴泉湖等10多個(gè)湖沼相連通，沿途農(nóng)業(yè)用水、洪水、少量生活工業(yè)用水均排入該湖[6]，加上富含營養(yǎng)鹽的黃河水源補(bǔ)給和不合理的漁業(yè)資源開發(fā)等，使閱海濕地生態(tài)環(huán)境健康狀況逐步惡化，水質(zhì)呈典型中度富營養(yǎng)化湖泊特點(diǎn)，湖泊系統(tǒng)的生態(tài)和社會功能逐漸被削弱。endprint

目前，國內(nèi)外已有關(guān)于城市濕地沉積物中重金屬分布規(guī)律及其污染評價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的報(bào)道[7-8]。關(guān)于閱海濕地的研究主要集中在水體污染的環(huán)境功能影響、水質(zhì)綜合評價(jià)、生態(tài)需水量、環(huán)境承載力、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、恢復(fù)與利用等研究[9-14]，濕地重金屬相關(guān)研究鮮見報(bào)道。為查明銀川市閱海濕地底泥重金屬污染現(xiàn)狀，預(yù)測其發(fā)展趨勢，本文以湖泊表層沉積物為研究對象，通過對重金屬含量的差異性分析，研究重金屬元素在湖泊底泥中的污染狀況，重點(diǎn)對國內(nèi)外研究中普遍認(rèn)為對生態(tài)環(huán)境有重要影響的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn這8種元素進(jìn)行討論，并采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[15]對其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，以期為閱海濕地重金屬污染防治與治理提供參考，對銀川市湖泊濕地保護(hù)與開發(fā)具有重要的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 采樣時(shí)間與點(diǎn)位

采樣時(shí)間為2013年8月底；采樣方法：在閱海湖由北向南均勻設(shè)置5個(gè)斷面帶，采用機(jī)械采樣與隨機(jī)采樣結(jié)合的方法，用抓斗式采泥器采集底泥，每個(gè)斷面帶的3個(gè)底泥樣品各取等量充分混合后取1 kg，裝入聚乙烯樣品袋帶回，共采集樣品11個(gè)。其中，樣品1～5為斷面帶樣品，另外在濕地進(jìn)水口（10）、出水口（8）、圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)（9、11）、城市排污口（7）、農(nóng)田退水口（6）采集混合底泥樣品6個(gè)，具體點(diǎn)位見圖1。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

等離子體質(zhì)譜儀（美國熱電公司X SeriesⅡ），等離子體光譜儀（美國熱電公司 IRIS Intrepid II）；原子熒光光譜儀（國家工程中心實(shí)驗(yàn)工廠 XGY-1011A型）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理

將取回的底泥放在陰涼通風(fēng)的地方陰干、均一，然后用瑪瑙缽研磨過200目尼龍篩后送樣分析。本研究的閱海濕地底泥樣品檢測的重金屬污染指標(biāo)有As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn。

1.2.2 樣品檢測時(shí)間、地點(diǎn)、方法

2013年9月上旬，樣品經(jīng)預(yù)處理后送中國地質(zhì)科學(xué)院-地球物理地球化學(xué)勘查研究所分析檢測。其中，As全量測定采用氫化物-原子熒光光譜法；Hg全量采用冷蒸氣-原子熒光光譜法；Cr全量采用等離子體光譜法；其他元素均采用等離子體質(zhì)譜法測定。

1.2.3 重金屬潛在生態(tài)危害評價(jià)方法

從沉積學(xué)角度對重金屬污染及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究備受關(guān)注[16-18]。關(guān)于底泥的污染評價(jià)，應(yīng)用較多的有生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫、潛在生態(tài)危害評價(jià)、地質(zhì)累積常數(shù)、多變臉譜圖、污染負(fù)荷指數(shù)法等方法。生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫方法是目前美國、加拿大、北歐等國家和地區(qū)進(jìn)行評價(jià)沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)的方法[19]。本文主要運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)描述和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各湖泊濕地底泥重金屬特征

閱海濕地底泥常見重金屬元素含量如表1所示。

由于濕地自身環(huán)境的異質(zhì)性，導(dǎo)致濕地各采樣點(diǎn)底泥重金屬含量具有一定的差異性，其中：Pb的差異性最大，變異系數(shù)為30.24%；Cr的差異性最小，變異系數(shù)僅為6.27%。根據(jù)濕地底泥重金屬含量（表1），結(jié)合中國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）的一級、二級自然背景值[20]和寧夏背景值[21]（表2）可知：所有采樣點(diǎn)中，4號點(diǎn)的Cd、Cr、Ni含量都是最高的，7號點(diǎn)Hg、Cu含量最高，1號點(diǎn)Zn含量最高，11號點(diǎn)As含量最高，10號點(diǎn)Pb含量最高。整體來看，閱海濕地底泥各重金屬元素平均含量均小于一級自然背景值（理想值），單個(gè)采樣點(diǎn)來看，4號點(diǎn)的Cd、7號點(diǎn)的Cu、10號點(diǎn)的Pb含量高于一級自然背景值，尤其是Pb污染相對較嚴(yán)重，但都遠(yuǎn)小于國家二級自然背景值。因此，閱海濕地底泥重金屬污染程度相對較輕。值得關(guān)注的是，除了As和Ni，其他重金屬元素均值均高于寧夏背景值，說明隨著時(shí)間的流逝，各種工農(nóng)業(yè)及人類活動，導(dǎo)致濕地底泥重金屬含量有增加的趨勢。

2.2 濕地重金屬的富集情況

通常采用富集系數(shù)來衡量單種重金屬的富集程度，富集系數(shù)可表示為：

Cif=Cim/Cin（1）

式中：Cim為底泥中重金屬i含量的實(shí)測值；Cin為計(jì)算所需的參比值（環(huán)境背景值）。

本文采用Lars Hankanson 提出的現(xiàn)代工業(yè)化前正常顆粒底泥中重金屬含量的最高背景值[16]為參比值（表2）來反映調(diào)查湖泊重金屬的實(shí)際污染程度。由于缺乏寧夏黃河流域濕地周邊環(huán)境土壤這8種重金屬的背景值，而各濕地大多屬于國家級濕地自然保護(hù)區(qū)，所以選用我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）的一級自然背景值[15]為參比值（表2），來反映寧夏黃河流域湖泊濕地的相對污染程度。二者相結(jié)合能較好地反應(yīng)湖泊潛在的生態(tài)危害程度。根據(jù)式（1）計(jì)算出各采樣點(diǎn)重金屬的富集系數(shù)，結(jié)果見表3、4。

從表3可知，以現(xiàn)代工業(yè)化前正常顆粒沉積物中重金屬含量的最高背景值為參照，閱海濕地底泥重金屬中Cr的富集程度最高，平均富集系數(shù)達(dá)1.03，其次是Pb、Zn、Cu的較低，Hg的富集程度最低，平均富集系數(shù)僅為0.11。單元素富集程度Pb最高，富集系數(shù)為1.85，來自10號采樣點(diǎn)，遠(yuǎn)高于其他采樣點(diǎn)（0.80～1.00）。由表4可知，以我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級自然背景值為參照，Cd的富集程度最高，平均富集系數(shù)達(dá)0.81，其次是As較低，Hg的富集程度最低，平均富集系數(shù)只有0.18。

2.3 生態(tài)危害指數(shù)RI（Risk Index）

采用瑞典學(xué)者Lars Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對閱海濕地11個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行評價(jià)。endprint

該方法利用沉積物中重金屬相對于工業(yè)化以前沉積物的最高背景值的富集程度及相應(yīng)重金屬的生態(tài)毒性系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和得到生態(tài)危害指數(shù)。計(jì)算方法為某一區(qū)域沉積物中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)及沉積物中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可分別表示為：

E=TgC=Tg（2）

RI=E=TgC=Tg（3）

C為表層沉積物重金屬i濃度的實(shí)測值；C為計(jì)算所需的參照值，參照值采用工業(yè)化以前沉積物中重金屬的最高背景值（表2）；T為重金屬i的毒性系數(shù)，它主要反映重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度。以工業(yè)化以前沉積物的最高背景值為參比值，可在更大程度上反映可能的潛在危害程度（表4）。本研究中Hg、As、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、的值分別取40、10、5、1、5、30、2。沉積物重金屬生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)[15]見表5。

評價(jià)結(jié)果顯示，閱海濕地底泥重金屬生態(tài)危害系數(shù)均遠(yuǎn)小于40，表明生態(tài)危害程度都很輕微。其中，單項(xiàng)生態(tài)危害系數(shù)較高的是Cd，均值為9.75，有4個(gè)采樣點(diǎn)的生態(tài)危害系數(shù)都超過10，遠(yuǎn)高于其它元素。按生態(tài)危害系數(shù)閱海濕地各采樣點(diǎn)底泥重金屬元素生態(tài)危害排序?yàn)椋篊d>As>Pb>Hg>Cu>Cr>Zn。湖泊底泥中多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI顯示，閱海濕地各采樣點(diǎn)底泥重金屬生態(tài)危害系數(shù)遠(yuǎn)小于40，生態(tài)危害指數(shù)遠(yuǎn)小于150，危害程度都為生態(tài)輕微危害。其中，采樣點(diǎn)4底泥重金屬潛在生態(tài)危害程度相對最高，RI為37.56，最低為6號采樣點(diǎn)，只有27.98?？傮w而言，閱海濕地底泥重金屬生態(tài)危害程度還是比較輕的，詳見表6。

3 討論與結(jié)論

閱海濕地表層沉積物重金屬分析結(jié)果表明，以土壤環(huán)境質(zhì)量國家一級自然背景值為參比值，各采樣點(diǎn)沉積物重金屬中，僅4號采樣點(diǎn)的Cd含量、7號采樣點(diǎn)的Cu含量、10號采樣點(diǎn)的Pb含量高于自然一級背景值，說明閱海濕地沉積物重金屬污染程度很低。已有研究表明：沉積物中的Cd含量與生活排污和化肥農(nóng)藥的流失嚴(yán)重有著密切聯(lián)系，Cu 元素常用于殺蟲劑、殺菌劑及工業(yè)生產(chǎn)；Zn 元素在工業(yè)用途上極為廣泛，如冶金、印刷、染料、殺蟲劑等均有用及，大部分的鋅鹽均可溶于水，在工業(yè)廢水中，往往存在大量鋅鹽。7號點(diǎn)位于城市排污口附近，旁邊有銀川市第四污水處理廠，Cu、Hg含量均為11個(gè)采樣點(diǎn)中最高；10號點(diǎn)為閱海濕地進(jìn)水口，而且緊鄰繁華路段，汽車尾氣也是 Pb 污染的一個(gè)重要來源；4號點(diǎn)附近有圍網(wǎng)養(yǎng)殖，人為干擾較大，且靠近城市排污口?？偟膩砜?，閱海濕地重金屬可能來源為（1）農(nóng)業(yè)來源：周邊有大量農(nóng)田，污水灌溉、農(nóng)藥、劣質(zhì)化肥等的不合理使用，隨農(nóng)田退水流進(jìn)閱海，漁業(yè)養(yǎng)殖廢水偷排；（2）工業(yè)污染：水源上游工業(yè)廢水等。

以現(xiàn)代工業(yè)化前正常顆粒底泥中重金屬含量的最高背景值為參比值，閱海湖泊濕地重金屬富集順序?yàn)椋篊r>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg。由此可見，實(shí)際污染程度相對較嚴(yán)重的重金屬主要為Cr、Pb、Zn。利用生態(tài)危害指數(shù)對閱海濕地表層沉積物重金屬進(jìn)行評價(jià)，生態(tài)危害排序?yàn)椋篊d>As>Pb>Hg>Cu>Cr>Zn。寧夏濕地沉積物重金屬相關(guān)研究很少，因此，本研究結(jié)論無法與以往數(shù)據(jù)對比，但可作為銀川市環(huán)保等政府部門制定相關(guān)政策時(shí)的參考依據(jù)?？傮w而言，銀川閱海濕地表層沉積物中重金屬生態(tài)危害程度還是較小的。

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展、生活污水的不達(dá)標(biāo)排放以及農(nóng)田化肥的大量使用等，銀川閱海濕地已受到重金屬污染，無論以單種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)，還是以多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行評價(jià)，濕地都受到了較輕微的重金屬污染，尤其是個(gè)別采樣點(diǎn)沉積物中Cd、Cu、Pb含量超過土壤一級自然背景值，而且除了As、Ni外，其他元素含量均超過了寧夏背景值，即重金屬元素含量一直在緩慢上升，應(yīng)該引起環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境治理等部門的關(guān)注，采取適當(dāng)補(bǔ)救及保護(hù)措施，從而為整個(gè)閱海濕地的保護(hù)及可持續(xù)開發(fā)、利用提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃先飛，秦樊鑫，胡繼偉，等. 紅楓湖沉積物中重金屬污染特征與生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2008， 21（2）：18-23.

[2] 張鳳英，閆百興，路永正，等. 松花江沉積物中的Pb，As，Cr的分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（2）：726-730.

[3] 張中文，李光德，張世遠(yuǎn)，等. 泮河底泥中重金屬污染及潛在生態(tài)危害評價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（11）：134-153.

[4] 李玉斌，馮 流，劉征濤，等. 中國主要淡水湖泊沉積物中重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（2）：200-205.

[5] 劉紅磊，李立青，尹澄清. 人為活動對城市湖泊沉積物重金屬污染的影響：以武漢墨水湖為例[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)， 2007， 2（3）：346-351.

[6] 白維東，亢小云，范金城，等. 寧夏閱海湖水質(zhì)綜合評估[J]. 寧夏農(nóng)林科技， 2012， 53（2）：57-60.

[7] 單監(jiān)利，周澤明，潘 敏，等. 西溪濕地沉積物重金屬時(shí)空分布特征及污染評價(jià)[J]. 杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，12（2）：161-167.

[8] 喬勝英，蔣敬業(yè)，向 武，等. 武漢地區(qū)湖泊沉積物重金屬的分布及潛在生態(tài)效應(yīng)評價(jià)[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2005，14（3）：353-357.

[9] 王亞娟，劉小鵬. 基于污染損失模型的閱海濕地水體污染的環(huán)境功能影響研究[J]. 水土保持通報(bào)， 2009， 29（3）：174-177.

[10] 王亞娟，劉小鵬. 銀川閱海濕地水質(zhì)模糊綜合評價(jià)與分析[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008， 29（4）： 364-367.endprint

[11] 齊拓野，米文寶，邱開陽，等. 干旱區(qū)濕地生態(tài)需水量研究——以銀川市閱海濕地為例[J]. 干旱 區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（3）：76-82.

[13] 宋春玲，全曉虎. 濕地旅游環(huán)境承載力研究——以寧夏銀川市閱海濕地公園為例[J]. 濕地科學(xué)與管理， 2008，4（2）：.

[14] 全曉虎，米文寶，宋春玲. 銀川平原濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)恢復(fù)與利用初步研究——以銀川閱海濕地公園為例[J]. 水土保持研究， 2007， 14（5）： 71-74.

[15] Hankanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control： a sedimentological approach[J]. Water Research， 1980， 14： 975-1 001.

[16] Caeiro S， Costa M H， Ramos T B， et a1. Assessing heavy metal contamination in Sado Estuary sediment： An index analysis approach[J]. Ecological Indicators， 2005（5）： 151-169.

[17] Outridge P M， Stem G A， Hamilton P B， et a1. Trace metal profiles in the varied sediment of an Arctic lake[J]. Geochimicaet Cosmochimica Acta， 2005， 69（20）： 4 881-4 894.

[18] 劉文新，李向東. 深圳灣水域中重金屬在不同相間的分布特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（3）：305-309.

[19] 劉文新，欒兆坤，湯鴻霄. 應(yīng)用多變臉譜圖進(jìn)行河流與湖泊表層沉積物重金屬污染狀況的綜合對比研究[J]. 環(huán)境化學(xué)，1997，16（1）： 23-29.

[20] 國家環(huán)境保護(hù)局南京環(huán)境科學(xué)研究所. GB 15618—1995，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 國家環(huán)境保護(hù)局.

[21] 國家環(huán)境保護(hù)局，中國環(huán)境監(jiān)測總站. 中國土壤元素背景值[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.endprint