廣西會仙濕地土壤重金屬分布特征及風險評估

徐 莉， 黃亮亮， 吳志強， 黃 健， 高明慧， 陳如霞， 程 劍

(1.桂林理工大學巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西桂林 541004；3.廣西大學，廣西南寧 530004；4.上饒師范學校，江西上饒 334000)

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廣西會仙濕地土壤重金屬分布特征及風險評估

徐 莉1, 2， 黃亮亮1, 2， 吳志強1, 3， 黃 健1, 2， 高明慧1, 2， 陳如霞1, 2， 程 劍4*

(1.桂林理工大學巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西桂林 541004；3.廣西大學，廣西南寧 530004；4.上饒師范學校，江西上饒 334000)

[目的]調(diào)查廣西會仙濕地土壤環(huán)境質(zhì)量。[方法]]研究廣西會仙濕地表層土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、As和Hg 7種重金屬元素在不同土地利用類型中的分布特征，并進行風險評估。 [結(jié)果]會仙濕地土壤Zn、Pb、Ni、Cr、Cu、Hg和As 7種重金屬的平均含量分別為(141.25±126.62)、(46.99±20.14)、(39.60±13.93)、(110.71±30.84)、(38.76±27.51)、(0.18±0.16)、(17.32±6.92)mg/kg，除As和Hg外，其他重金屬含量均超過廣西土壤背景值；重金屬在不同土地利用類型中存在差異，含量高的地方相對集中于池塘和溝渠，其中河流濕地Hg含量超過國家土壤質(zhì)量二級標準；Zn與Ni、Cr、Cu、As呈極顯著相關(P<0.01)，而Pb僅與Cr呈極顯著相關(P<0.01)，而與其他重金屬元素間均未表現(xiàn)出相關性；不同土地利用類型土壤存在不同程度的重金屬污染，河流濕地、林地、沼澤濕地屬于中度污染，其他濕地類型為輕度污染。[結(jié)論]會仙濕地土壤重金屬污染已經(jīng)對生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展構(gòu)成了一定程度的威脅。

土壤；重金屬；會仙濕地；風險評估

濕地是一個多功能的生態(tài)系統(tǒng)，在維持珍稀物種、阻止和延緩洪水、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)、提供旅游資源等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。廣西會仙濕地是典型的巖溶濕地，由睦洞湖、分水塘與古柳運河等濕地構(gòu)成，形成了以“湖泊-沼澤-庫塘-河流-人工運河”為主的復合濕地生態(tài)系統(tǒng)[3]。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的排放量逐年增加，濕地受重金屬污染越來越嚴重[4]。

土壤中的重金屬通過食物鏈的富集對生物體及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大危害，是嚴重危害土壤生態(tài)安全的污染物之一[5]。近年來，隨著人們對土壤質(zhì)量的關注，全國很多地方均開展了土壤重金屬調(diào)查和評價等相關研究[6]，2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中，耕地、林地、草地土壤點位超標率分別為19.4%、10.0%、10.4%[7]。筆者以會仙濕地作為研究區(qū)域，研究其土壤重金屬含量及分布特征，運用單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法評價濕地土壤重金屬的污染程度，以期為廣西會仙濕地生態(tài)環(huán)境保護和資源合理利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

桂林會仙濕地位于桂林市臨桂區(qū)會仙鎮(zhèn)、四塘鄉(xiāng)和雁山區(qū)東部一帶[8]，以睦洞、四益、新民、山尾、文泉等村為主，地勢平坦，是典型巖溶峰林平原地貌(110°10′～110°14′E， 25°5′～25°6′N)。該地域內(nèi)擁有睦洞湖、相思江以及唐代開鑿的桂柳運河，氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，山青水秀，氣候宜人，生態(tài)區(qū)位重要，被譽為“桂林之腎”。年均降雨量1 863.2 mm，年均日照時數(shù)1 588.5 h，平均氣溫19.2 ℃，以北風和東北風為主[9]，區(qū)內(nèi)植被以沉水植物居多，土壤類型以丘陵紅壤、黃紅壤和棕色石灰土為主。由于長期以來開荒造田、圍湖造塘、擠占河道等行為，使會仙濕地的濕地面積減少，土壤結(jié)構(gòu)改變，濕地功能退化，為保護會仙濕地，2012年獲批國家濕地公園。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理 選取會仙濕地10種具有代表性的土地利用類型土壤(圖1)，分別為河流濕地、沼澤濕地、湖泊濕地、玉米地、水田、油菜地、林地、菜地、溝渠、池塘，共計62份土壤樣本。采樣點均采取多點采樣混合法，用塑料勺取土壤表層(0～20 cm)泥樣于聚乙烯自封袋中，標記好帶回實驗室。所采樣品自然風干、除雜、混合均勻，經(jīng)研磨縮分過100目尼龍篩后，分裝于聚乙烯自封袋中，干燥保存[10]。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點布置示意Fig.1 Layout diagram of the studied area site and sampling site

2.3.2 樣品分析 樣品經(jīng)H2O2-HNO3-HF-HCl混合體系消煮，消解程序見表1，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)分別測定土壤重金屬Cu、Zn、Ni、Cr、Pb含量[11]。樣品經(jīng)(1+1)王水(VHd∶VHNO3=3∶1)沸水浴消解后，稀釋定容，采用原子熒光形態(tài)分析儀測定土壤重金屬As和Hg含量[12]。 為保證分析的準確性，每批樣品各有3個空白樣品和標準物質(zhì)與樣品同步分析。采用的標準物質(zhì)為GSS-4(GBW07404)。儀器測定結(jié)果表明，測定值在標準值的15%誤差范圍內(nèi)。

表1 會仙濕地表層土壤微波消解程序

Table 1 Microwave digestion in the surface soil of Huixian wetland

程序Stage功率PowerW爬升時間Climbingtime∥min溫度Temperature℃保持時間Holdtimemin1160031203216006150331600617020

2.3 污染評價法 采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法進行綜合評價，評價標準依據(jù)廣西土壤背景值[13]；污染等級劃分參照表2。

2.3.1 單因子指數(shù)法。對土壤中某一污染物的污染程度進行評價，是目前環(huán)境各要素評價中應用較廣泛的一種指數(shù)。表達式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度(mg/kg)；Si為污染物的評價標準。

2.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。該方法突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，反映各種污染物對土壤環(huán)境的作用[14]。表達式：

(2)

式中，P綜為土壤綜合污染指數(shù)；Piave為土壤中各污染物的指數(shù)平均值；Pimax為土壤中單項污染物的最大污染指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 18.0、Excel 2007和Mapinfo Professional 11.0進行數(shù)據(jù)處理、分析和繪圖，重金屬采用Spearman進行相關性分析。

表2 土壤重金屬污染分級標準

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤重金屬含量 由表3可知，會仙濕地土壤重金屬含量最高的是Zn，最低的是Hg，其含量由高到低依次為Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Hg。與廣西土壤背景值相比，會仙濕地土壤中的Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量均超過當?shù)乇尘爸?。其中，重金屬Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量分別超過背景值1.87倍、1.96倍、1.49倍、1.35倍、1.39倍。

表3 會仙濕地土壤重金屬含量

3.2 不同土地利用類型表層土壤重金屬含量 由表4可知，不同土地利用類型土壤重金屬含量存在差異，溝渠Zn含量最高，其他土地利用類型土壤Zn含量由高到低依次為池塘、林地、河流濕地、菜地、玉米地、沼澤濕地、油菜地、湖泊濕地、水田，溝渠Zn含量顯著高于水田和油菜地；林地Pb含量最高為(70.47±12.51)mg/kg，其他土地利用類型土壤Pb含量由高到低依次為沼澤濕地、河流濕地、水田、溝渠、湖泊濕地、玉米地、菜地、池塘、油菜地；土壤Ni含量從高到低依次為河流濕地、沼澤濕地、林地、玉米地、菜地、池塘、油菜地、湖泊濕地、水田、溝渠，不同土地利用類型Ni含量差異不顯著；玉米地和林地Cr含量相對較高，分別為(126.77±18.27)、(124.53±24.69)mg/kg，其他土地利用類型土壤Cr含量由高到低依次為池塘、油菜地、湖泊濕地、河流濕地、水田、沼澤濕地、菜地、溝渠，除菜地外，其他土地利用類型土壤Cr含量均顯著高于溝渠；不同土地利用類型土壤Cu含量由高到低依次為池塘、菜地、溝渠、沼澤濕地、河流濕地、油菜地、玉米地、水田、湖泊濕地、林地；菜地和河流濕地土壤As含量相對較高，分別為(20.60±12.66)、(20.09±1.61)mg/kg，湖泊濕地、水田和林地As含量相對較低；河流濕地Hg含量極顯著高于其他土地利用類型。

根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)，除河流濕地Hg含量超過國家二級標準外，其他土地利用類型不同重金屬含量均接近或低于國家土壤質(zhì)量二級標準。會仙濕地河流濕地Hg污染嚴重。Zn、Cu的空間分布較一致，含量較高的樣點主要集中在池塘和溝渠，含量較低的點為水田。菜地、池塘地處養(yǎng)殖場附近，動物飼料中Cu通過動物糞便在土壤中富集，殺蟲劑的使用以及周邊工廠污水的排放、垃圾焚燒等均導致其Zn、Cu含量較高[15]。Pb作為交通污染源的標識要素之一，土壤重金屬含量與公路附近的交通流量有一定的關系[16]。不同土地利用類型土壤As和Ni含量變化特征反映它們很可能受到同一因素影響[17]。

表4 會仙濕地不同土地利用類型土壤重金屬含量

3.3 土壤重金屬相關性分析 會仙濕地土壤表層中As、Pb、Zn、Cr、Ni、Cu和Hg 7種重金屬間的相關性分析見表5。由表5可知，Zn與Ni、Cr、Cu、As，Pb與Cr，Ni與Cr、Cu、As，Cr與As以及Cu與As之間存在極顯著相關(P<0.01)，Ni、As與Hg呈顯著相關(P<0.05)。土壤重金屬元素間的顯著相關性說明在重金屬積累過程中，這些重金屬元素的遷移情況、蓄積量等具有相同的變化趨勢，也可有效地指示重金屬的同一物質(zhì)來源[18]。因此，Zn、Ni、Cr、Cu、As 5種重金屬的相關性推測其可能有相同來源，具有一定協(xié)同組合性。農(nóng)藥和化肥的大量使用是造成其重金屬積累的原因[19]。Pb僅與Cr呈極顯著相關(P<0.01)，而與其他重金屬元素之間均未表現(xiàn)出相關性，說明Pb與其他重金屬元素的來源不同，這是受到會仙濕地周邊復雜的地理環(huán)境和人為因素的影響所致[20]。

3.4 不同土地利用類型土壤重金屬污染評價 由表6可知，單因子指數(shù)結(jié)果顯示，Pb>Zn>Ni>Hg>Cr>Cu>As；不同土地利用類型結(jié)果顯示，Pb呈中度污染(除池塘、油菜地、菜地輕度污染外)，Zn為輕度污染(除溝渠、池塘呈中度污染外)，Ni、Cr為輕度污染，Cu為輕度污染(除湖泊濕地、林地處于警戒程度外)，As處于警戒程度(除湖泊濕地、水田處于安全狀態(tài))，Hg為輕度污染(除河流濕地重度污染、油菜地中度污染外)。綜合污染指數(shù)結(jié)果顯示，河流濕地>林地>沼澤>濕地>溝渠=池塘>油菜地>水田>玉米地=湖泊濕地>菜地；其中，河流濕地、林地、沼澤濕地呈中度污染，其他土地利用類型土壤屬于輕度污染。

表5 會仙濕地土壤重金屬相關性系數(shù)

注：**.在置信度(雙測)為0.01時，相關性顯著;*.在置信度(雙測)為0.05時，相關性顯著。

Note： ** indicated that when confidence coefficient was 0.01, the correlation was significant.* indicated when confidence coefficient was 0.05, the correlation was significant.

表6 會仙濕地不同土地利用類型土壤重金屬污染評價指數(shù)

僅As元素單因子污染指數(shù)低于1.0，其他重金屬元素均超過1.0，說明會仙濕地土壤重金屬表現(xiàn)為富集現(xiàn)象。其中，Pb和Zn污染程度較高，次煤、垃圾燃燒和交通工具使用含Pb汽油等，都可能造成土壤Pb含量升高；采樣區(qū)域內(nèi)集約化養(yǎng)殖場大多使用飼料添加劑，由于其含有高含量的Zn等元素，使得土壤Zn含量增加[21]。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)結(jié)果表明，河流濕地、沼澤濕地和林地綜合指數(shù)均大于2.0，池塘和溝渠接近于2.0，呈中度污染。其主要受到Pb、Hg、Zn元素的影響，人類對濕地的干擾，可能使歷史時期積累的Hg逐漸釋放，使其含量增加[22]；另外，大氣中Hg和Pb含量對土壤影響也較大，造成河流濕地、沼澤濕地和林地在一定程度上受到污染[23]。

4 結(jié)論

廣西會仙濕地土壤表層(0～20 cm)重金屬Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量均高于廣西土壤背景值，僅As和Hg含量低于背景值；與國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618—1995)相比，河流濕地Hg元素含量高于國家二級標準，呈重度污染；其他重金屬含量接近或低于國家二級標準，呈中度或輕度污染；不同土地利用類型土壤重金屬含量差異較大，其中，菜地、溝渠、池塘、林地等因靠近養(yǎng)殖場、化工廠、道路附近，污染較為嚴重；Zn、Ni、Cr、Cu、As可能具有相同來源，主要是肥料、農(nóng)藥和污水排放等因素，而Pb與其他重金屬元素具有一定差異，具有其獨特性。綜合污染指數(shù)結(jié)果表明，河流濕地、沼澤濕地和林地處于中度污染；其他土地利用類型土壤呈輕度污染。會仙濕地土壤重金屬污染已經(jīng)對濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展造成一定程度的威脅。

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Distribution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Huixian Wetland of Guangxi Province

XU Li1,2, HUANG Liang-liang1,2, WU Zhi-qiang1, 3, Cheng Jian4*et al

(1.Coordinated Innovation Center of Water Pollution Control and Water Security in Karst Area, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004; 2.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Technology, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004; 3.Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004; 4.Shangrao Normal School, Shangrao, Jiangxi 334000)

[Objective]The aim was to survey the soil environmental quality of Huixian wetland of Guangxi.[Method] The contents, distribution characteristics and potential ecological risk of heavy metals(Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, As, Hg)were investigated in different land use types (depth 0-20 cm) in Huixian Wetland of Guangxi Province.[Result] The average concentrations of Zn, Pb, Ni, C, Cu, Hg and As in soils were (141.25 ± 126.62), (46.99 ± 20.14), (39.60 ± 13.93), (110.71 ± 30.84), (38.76 ± 27.51), (0.18 ± 0.16) and (17.32 ± 6.92) mg/kg, respectively.The metals of Zn, Pb, Ni, Cr, Cu had high accumulation in soils by comparing to the background concentrations of soil elements in Guangxi Province.The contents of heavy metals varied in different land use types.For example, the woodland, pond, ditch in Huixian Wetland had relatively high content of metals; and the content of Hg in the river exceeded the second grade standard values of Chinese environmental quality standards for soils. Zn had significant positive correlation with the heavy metals Ni, Cr, Cu, As(P<0.01), while the metal of Pb showed extremely significant correlation with Cr (P<0.01), but had no significant relationship with other heavy metals.The soils with different land use types were polluted by heavy metals, and soil from the river wetland, woodland and marsh were moderately polluted, the others were slightly polluted.[Conclusion] The healthy development of ecosystem has been threatened by soil heavy metal pollution in Huixian.

Soil; Heavy metal; Huixian wetland; Risk assessment

國家自然科學基金項目(51509042)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFBA118072)；廣西教育廳高?？茖W研究項目(YB2014151)；博士科研啟動基金項目；廣西高等學校高水平創(chuàng)新團隊及卓越學者計劃項目；廣西自然科學基金項目(2016GXNFAA380104)。

徐莉(1992- )，女，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境生態(tài)學。*通訊作者，講師，從事環(huán)境生物學研究。

2016-08-24

S 181.3;X 53

A

0517-6611(2016)29-0035-04