黑龍江三江自然保護(hù)區(qū)天然濕地土壤重金屬含量及污染評(píng)價(jià)

李海興　趙琬婧　武逸峰　劉子涵　王清波　付東風(fēng)　孫曉新

（1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2 黑龍江三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，黑龍江 撫遠(yuǎn) 156500；3 黑龍江三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，黑龍江 撫遠(yuǎn) 156500）

重金屬具有強(qiáng)烈的生物毒性、生物富集性和污染持久性等特點(diǎn)，其在生態(tài)環(huán)境中的含量、分布特征及污染評(píng)價(jià)是人們需要關(guān)注的問(wèn)題（于君寶等,2011）。濕地土壤重金屬累積主要是由人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致，也與濕地水文環(huán)境和重金屬限度值有關(guān) （簡(jiǎn)敏菲等,2014）。濕地生態(tài)系統(tǒng)水文條件有其特殊性，由于要接受外來(lái)水源的補(bǔ)給，因此，濕地可能受到補(bǔ)給水源的影響而受到污染，其中，重金屬污染是濕地受到的最主要的污染類(lèi)型之一（Bruland et al,2005;鄭立地等,2015; Yao et al,2016）。

三江平原是我國(guó)最重要的濕地分布區(qū)之一，屬內(nèi)陸濕地與水域生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的自然保護(hù)區(qū)，其主要保護(hù)對(duì)象是由水生和陸棲生物及其生境共同形成的濕地和水域生態(tài)系統(tǒng)，分布有全球少見(jiàn)的大面積淡水草本沼澤。本研究以三江平原自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)的臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和實(shí)驗(yàn)區(qū)的蘆葦沼澤為研究對(duì)象，進(jìn)行不同類(lèi)型天然濕地土壤重金屬含量差異比較及重金屬污染評(píng)價(jià)的研究，為該區(qū)濕地保護(hù)、濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)估和濕地土壤的恢復(fù)與監(jiān)測(cè)等提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)在黑龍江三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，黑龍江三江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于黑龍江省東北部的撫遠(yuǎn)縣和同江市境內(nèi)，烏蘇里江和黑龍江交匯的三角地帶，地理坐標(biāo)為 47o26′00″～ 48o22′50″ N，133o43′20″～ 134o46′40″ E。保護(hù)區(qū)總面積 19.81萬(wàn)hm2，其中核心區(qū)面積6.60萬(wàn)hm2，緩沖區(qū)面積2.80萬(wàn)hm2，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積10.41萬(wàn)hm2。屬溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫2.5℃，年均降水量558 mm。研究區(qū)域有代表性的植被為臌囊苔草Carex schmidtii、小葉章Calamagrostis angustifolia和蘆葦Phragmites communis，其中臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤在核心區(qū)，蘆葦沼澤在實(shí)驗(yàn)區(qū)。

1.2　研究方法

1.2.1土樣采集 2016年8月2-7日，用自制不銹鋼取土鉆（總長(zhǎng)1 m；鉆長(zhǎng)50 cm；鉆頭直徑50 mm）取臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和蘆葦沼澤（表1）土壤剖面，每個(gè)樣地取3個(gè)重復(fù)，采集深度：0～50 cm。以10 cm為一層，將土壤分為5層。

1.2.2實(shí)驗(yàn)方法 將土樣密封于雙層聚乙烯塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除小石塊與植物根系。在實(shí)驗(yàn)室將土樣置于陰涼處自然風(fēng)干，而后將土樣置于塑料板上研磨，過(guò)100目土壤篩，進(jìn)行土壤重金屬含量測(cè)定。Cu和Zn采用HF-HClO4-HCl-HNO3法消解，Pb和Mn采用HF-HClO4-HNO3法消解，Cr采用HFHClO4-H2SO4-HNO3法消解（劉鳳枝等, 2015），用火焰原子吸收法（GB/T 17138-1997），測(cè)定土樣中重金屬離子Cu、Pb、Zn、Mn和Cr的含量。

1.2.3評(píng)價(jià)方法 利用Hankanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法，對(duì)不同恢復(fù)年限的沼澤濕地土壤中重金屬的生態(tài)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估退耕還濕對(duì)恢復(fù)沼澤濕地土壤中重金屬生態(tài)危害的抑制作用。具體公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)（Hakanson,1980），其中土壤重金屬元素背景值采用三江平原土壤微量元素背景值（富德義,1982)。

根據(jù)土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（王健康等, 2012）（表2），將土壤重金屬潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)。

表1　土壤采集信息Table1 The information of soil collection

表2　土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard of potential ecological risk of heavy metals pollution in soils

1.2.4數(shù)據(jù)分析與處理 運(yùn)用Excel 2007和SPSS11.0 軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、運(yùn)算和分析。用Origin 8.0軟件制圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同類(lèi)型濕地土壤重金屬含量

3種不同類(lèi)型天然濕地土壤中5種重金屬含量隨土壤深度呈波動(dòng)變化（圖1），其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大體趨勢(shì)是底層高于表層，Mn含量的大體趨勢(shì)是表層高于底層。臌囊苔草沼澤土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分別為42.80 mg/kg、104.20 mg/kg、49.00 mg/kg），Zn 含量在20～30 cm土壤深度最高（55.30 mg/kg），Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（358.40 mg/kg）。小葉章沼澤土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分別為29.20 mg/kg、114.30 mg/kg、25.00 mg/kg），Zn和Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（分別為10.80 mg/kg、180.00 mg/kg）。蘆葦沼澤土壤中Cu和Mn含量在10～20 cm土壤深度最高（分別為7.50 mg/kg、184.40 mg/kg），Zn和Cr含量在20～30 cm土壤深度最高（分別為23.10 mg/kg、139.10 mg/kg），Pb含量在0～10 cm土壤深度最高（228.20 mg/kg）。

由圖2可知，土壤中Cu含量最高的是臌囊苔草沼 澤（35.50 mg/kg)，其次是小葉章 沼 澤（23.40 mg/kg）， 蘆 葦沼澤含量最低（4.16 mg/kg），且三者差異顯著（P＜0.05）。蘆葦沼澤土壤中Pb和Cr含量顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤（P＜ 0.05）， 但 臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb和Cr含量差異不顯著（P＞0.05）。臌囊苔草沼澤土壤中Zn含量顯著高于小葉章沼澤和蘆葦沼澤（P＜0.05），而小葉章沼澤和蘆葦沼澤土壤中Zn含量差異不顯著（P＞0.05）；臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和蘆葦沼澤土壤中Mn含量差異不顯著（P＞0.05），處于同一水平。

圖1　不同類(lèi)型天然濕地土壤重金屬垂直分布Fig.1　Vertical distribution of soil heavy metals in diあerent types of natural wetlands

2.2　土壤重金屬含量影響因素

植物根系對(duì)重金屬元素的吸收能力會(huì)影響不同類(lèi)型濕地土壤中重金屬的含量。蘆葦根系能分泌麥根酸類(lèi)的缺鐵性分泌物，它能促進(jìn)蘆葦根系吸收土壤中Cu和Zn（徐明露等,2015）。所以，蘆葦沼澤土壤中的Cu和Zn含量較低。但蘆葦對(duì)Pb的吸收率低，且土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)Pb的絡(luò)合能力較強(qiáng)（劉洪蓮等,2006），導(dǎo)致蘆葦沼澤土壤中Pb顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤。

濕地特有的氧化還原條件也是導(dǎo)致該區(qū)域土壤重金屬積累的因素。研究區(qū)域在淹水的條件下發(fā)生水解反應(yīng)，而且土壤中重金屬離子容易和H3PO4、H2CO3、H2S等發(fā)生反應(yīng)，生成磷酸鹽、碳酸鹽和硫化物等難溶物(滕葳,2010)。但Mn在無(wú)氧條件下會(huì)溶解，且當(dāng)pH值低于5.5或土壤被還原時(shí)，能被大量溶解，進(jìn)入土壤溶液（臧小平,1999）。

研究區(qū)域附近有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，農(nóng)藥、化肥和地膜的使用造成土壤重金屬殘留（宋偉等,2013），當(dāng)?shù)厝嗣裆钗鬯邪闹亟饘匐x子，也會(huì)隨江水、河水倒灌進(jìn)入研究區(qū)域，使土壤重金屬累積，這在其他濕地土壤重金屬污染的研究中也有所發(fā)現(xiàn)（孔德坤等, 2013）。

2.3　不同類(lèi)型濕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

在3種不同類(lèi)型天然濕地的5種重金屬中，Cu、Zn、Mn和Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為輕度；臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為中度，蘆葦沼澤土壤中Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為極強(qiáng)，說(shuō)明Pb是三江自然保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤污染的最主要重金屬類(lèi)型。綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析結(jié)果顯示：臌囊苔草沼澤與小葉章沼澤土壤重金屬綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度，蘆葦沼澤土壤重金屬綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)烈(表3)。說(shuō)明周?chē)霓r(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)已經(jīng)對(duì)該保護(hù)區(qū)(包括核心區(qū))的土壤造成了一定程度的污染。

表3　不同類(lèi)型天然濕地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害指數(shù)表Table3 Potential ecological risk indexes of heavy metal pollution in soils in diあerent types of natural wetlands

3　結(jié)論

（1）3種類(lèi)型天然濕地土壤中重金屬含量隨土壤深度呈波動(dòng)變化，其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大體趨勢(shì)是底層高于表層，Mn含量的大體趨勢(shì)是表層高于底層。臌囊苔草沼澤土壤中Cu和Zn含量顯著高于小葉章沼澤和蘆葦沼澤；蘆葦沼澤土壤中Pb和Cr含量顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤；3種類(lèi)型天然濕地土壤中Mn含量差異不顯著（P＞0.05)。

（2）三江平原天然濕地土壤存在Pb污染，其中核心區(qū)的臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為中度，實(shí)驗(yàn)區(qū)的蘆葦沼澤土壤中Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為極強(qiáng)。核心區(qū)天然濕地土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為中度，實(shí)驗(yàn)區(qū)天然濕地土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害等級(jí)為強(qiáng)烈,說(shuō)明周?chē)霓r(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)已經(jīng)對(duì)該保護(hù)區(qū)（包括核心區(qū)）的土壤造成了一定程度的污染。