飲馬河中游不同土地類型重金屬分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李甜田 ，鄒繼穎 ，武雙雙 ，邊紅楓 ，王漢席

（1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130117；2.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，吉林吉林 132022）

近些年，由于長(zhǎng)期采用污水澆灌，施用農(nóng)藥化肥以及工礦業(yè)和城鎮(zhèn)生活、交通污染物的排放，已造成國(guó)內(nèi)各流域土壤重金屬污染等問題日漸突出[1-2]。重金屬污染是危害程度最高、污染面積最廣的環(huán)境問題之一，具有生物毒性強(qiáng)、生物富集性強(qiáng)、污染持久且頻率高等特點(diǎn)[3]，其含量主要受土壤有機(jī)質(zhì)、pH等理化因素的影響。在不同的土壤環(huán)境中其理化性質(zhì)存在著明顯差異，由于濕地具有特殊的水文條件和植被條件，其理化性質(zhì)和生態(tài)功能與一般陸地土壤有所不同，濕地土壤中含有嫌氣微生物和豐富的有機(jī)質(zhì)，且濕地土壤可以減輕或消除環(huán)境中的某些有毒物質(zhì)[4]。而不同土地利用方式由于化肥農(nóng)藥的使用以及設(shè)施管理的差異，造成土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)發(fā)生變化[3]。

岳霞等[5]研究結(jié)果表明，松花江水域不同河段出現(xiàn)不同程度的污染，并且重金屬含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。韓平等[6]對(duì)北京順義區(qū)不同利用方式土壤進(jìn)行研究表明，苗圃、菜地、林地風(fēng)險(xiǎn)最高，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均大于100。FERRONATOC等[7]研究表明，土壤沉積物中重金屬含量溝渠高于自然水體。于云江等[8]運(yùn)用不同評(píng)價(jià)方法研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤存在較高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但到目前為止，還沒有系統(tǒng)的、綜合的研究對(duì)濕地與陸地中不同土地利用類型的土壤重金屬進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。流域可以將城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)以及工礦業(yè)區(qū)緊密聯(lián)系起來，并且流域是生態(tài)關(guān)聯(lián)性極高的一個(gè)有機(jī)整體[9]。所以，將流域作為研究單位，研究陸地和濕地不同土地利用類型中土壤重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)分析，將會(huì)使對(duì)重金屬污染影響機(jī)制的研究更加系統(tǒng)[10]。

本研究以飲馬河中游為研究區(qū)，測(cè)定濕地與陸地9種不同土地利用方式下4種常見重金屬（Cu，Zn，Pb，Cr）的含量，并分析評(píng)價(jià)土壤及沉積物中重金屬污染水平與風(fēng)險(xiǎn)狀況，旨在為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

飲馬河流域是松花江水系的主要支流（125°22′～126°31′E，42°59′～ 44°3′N），有第二松花江之稱，是流域內(nèi)工業(yè)區(qū)、居民區(qū)以及畜牧和農(nóng)用地等用水的主要源頭。研究區(qū)域位于飲馬河中游，在石頭口門水庫集水區(qū)的3個(gè)集水區(qū)即石頭口門水庫、雙陽水庫、星星哨水庫[8]，水庫主要是以城市生活用水、農(nóng)田灌溉、防洪除澇為主，同時(shí)具有發(fā)電、養(yǎng)魚等功能[11]。主要土地利用類型有林地、疏林地、旱田、水田、水域、河澤和城鄉(xiāng)居民地等[12]。

1.2 樣品采集

2016年4月以石頭口門水庫3個(gè)集水區(qū)為研究區(qū)域，每個(gè)水庫各布設(shè)了2個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)分別對(duì)陸地和濕地2類土壤及沉積物中9種土地利用方式進(jìn)行分類采樣，陸地土壤類型包括林地、草地、旱田、農(nóng)村居民地，濕地沉積物類型包括水田、溝渠、魚塘、沼澤、水域等采樣點(diǎn)?？紤]周圍環(huán)境問題，采集0～20 cm的表層土壤，由半徑10 cm范圍內(nèi)采集的3～5個(gè)等量土壤平行樣品混合而成，其中，雙陽河區(qū)域無草地，石頭口門水庫區(qū)域無魚塘、沼澤和水域，考慮魚塘、沼澤在研究區(qū)域分布情況，在星星哨水庫區(qū)域增加一個(gè)采樣點(diǎn)，共收集了51個(gè)土壤樣品。利用GPS定位，將每個(gè)樣品編號(hào)記錄后裝于可封口的聚乙烯密封袋中，待測(cè)。

1.3 樣品預(yù)處理及分析方法

1.3.1 樣品預(yù)處理 將采集的土壤及沉積物樣品放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除土壤中雜物，碾碎、研磨后過2 mm尼龍篩。用四分法取適量土樣，研磨后過0.149 mm尼龍篩，裝入聚乙烯密封袋中待測(cè)。

1.3.2 分析方法 土壤重金屬元素的測(cè)定均采用硝酸-氫氟酸-高氯酸微波消解，然后采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138—1997）測(cè)定土壤樣品中重金屬離子的含量。試驗(yàn)中所有試驗(yàn)用水均為超純水，酸均為優(yōu)級(jí)純。

1.4 沉積物污染的評(píng)估

1.4.1 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法（Geoaccumulation Index，Igeo）在研究沉積物重金屬污染的定量指標(biāo)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

式中，Igeo為地累積指數(shù)；Cn為重金屬元素n在沉積物中的實(shí)測(cè)含量（mg/kg）；k值一般為1.5；Bn表示重金屬元素n的地球化學(xué)背景值。土地評(píng)價(jià)參照MULLER等[13]的地累積指數(shù)污染程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

1.4.2 HAKANSON潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法（The Potential Ecological Risk Index，PERI）對(duì)多種重金屬元素的協(xié)同作用、重金屬的污染程度、重金屬的毒性水平以及生態(tài)對(duì)于重金屬的敏感性都進(jìn)行了考慮[14-15]。

式中，Cfi表示重金屬的污染系數(shù)；Cmi表示沉積物中的重金屬i含量的實(shí)測(cè)值；Cni表示環(huán)境背景值。Eri表示該區(qū)域沉積物中的第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tfi表示重金屬i的毒性系數(shù)，反映了它的毒性水平和生物對(duì)其污染的敏感程度；Ri表示沉積物中的多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)。

1.4.3 單因子污染指數(shù)法 其是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種方法，其值越小說明污染越輕，反之，越大說明污染越重。

式中，Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中污染物i的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（其值參照國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—2008）（mg/kg）。

1.4.4 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)反映了各污染物對(duì)土壤的作用，同時(shí)突出了高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[14]。

式中，PN為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；PiAve為多個(gè)元素單因子污染指數(shù)平均值；PiMax為多個(gè)元素單因子污染綜合指數(shù)最大值。根據(jù)P值大小，可將土壤污染程度劃分為5個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 土壤評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬在不同土壤中的分布差異

由圖1可知，在研究區(qū)域，不同重金屬含量在同一土地利用方式下存在差異，同一重金屬在不同土地利用方式下也存在差異。結(jié)果顯示，不同土地利用類型中重金屬元素差異顯著性的F值大小表現(xiàn)為Zn＞Pb＞Cr＞Cu，其P值均小于0.05，表明不同土壤利用類型間差異性顯著（表2）。

表2 土壤重金屬元素含量方差分析

由圖1可知，陸地土壤中，Cu含量在農(nóng)村居民地最高，為20.68 mg/kg，草地最低，為17.42 mg/kg；在濕地土壤中，Cu在溝渠含量最高，為24.96 mg/kg，水域含量最低，為18.53 mg/kg；研究區(qū)域Cu含量在草地最低，為17.42 mg/kg，溝渠最高。其分布特征為草地＜林地＜水域＜水田＜沼澤＜旱田＜農(nóng)村居民地＜魚塘＜溝渠；與吉林省土壤環(huán)境背景值[16]相比，溝渠Cu含量最高，約是當(dāng)?shù)乇尘爸档?.5倍，林地和草地略高于當(dāng)?shù)乇尘爸怠６嘀乇容^結(jié)果表明，土壤中Cu含量在草地和林地與溝渠存在顯著性差異；除溝渠外，其他區(qū)域無顯著性差異。

從圖1還可以看出，陸地土壤中，Zn在農(nóng)村居民地含量最高，為83.54 mg/kg；在濕地土壤中，Zn在溝渠含量最高，為96.56 mg/kg；研究區(qū)域Zn含量在水域最低，為56.43 mg/kg，在溝渠最高。除水域外，其他研究區(qū)域Zn含量均高于當(dāng)?shù)乇尘爸?，其中，農(nóng)村居民地和溝渠的Zn含量較高，約是當(dāng)?shù)乇尘爸档?.5倍；其分布特征為水域＜沼澤＜林地＜水田＜旱田＜草地＜魚塘＜農(nóng)村居民地＜溝渠。多重比較結(jié)果表明，Zn含量在水域、林地和沼澤分別與農(nóng)村居民地和溝渠存在顯著性差異，農(nóng)村居民地與溝渠間也存在顯著性差異，水域、林地、沼澤與水田、旱田、草地、魚塘間無顯著性差異，農(nóng)村居民地與水田、旱田、草地、魚塘間無顯著性差異。

從圖1還可以看出，陸地土壤中，Cr在農(nóng)村居民地含量最高，為98.34 mg/kg；在濕地土壤中，Cr在溝渠含量最低，為89.4 mg/kg。研究區(qū)域Cr含量在林地最低，為75.96 mg/kg，在魚塘含量最高，為107.13 mg/kg。研究區(qū)域Cr含量相對(duì)較高，除農(nóng)村居民地，其他陸地土壤Cr含量約為當(dāng)?shù)乇尘爸档?倍，在濕地沉積物中Cr含量均超過當(dāng)?shù)乇尘爸档?倍。其分布特征為林地＜旱田＜草地＜溝渠＜水田＜水域＜沼澤＜農(nóng)村居民地＜魚塘。多重比較結(jié)果表明，Cr含量在旱田、林地與魚塘存在顯著性差異，旱田、林地與草地、農(nóng)村居民地、水田、溝渠、沼澤、水域間無顯著性差異，魚塘與草地、農(nóng)村居民地、水田、溝渠、沼澤、水域間無顯著性差異。

從圖1可以看出，陸地土壤中，Pb在農(nóng)村居民地含量最低，為27.55 mg/kg；在濕地土壤中，Pb在溝渠含量最高，為37.61 mg/kg。研究區(qū)域沼澤中Pb含量最低，為20.45 mg/kg，草地中最高。陸地土壤林地、草地、旱田Pb含量約是當(dāng)?shù)乇尘爸档?倍，濕地土壤沼澤、魚塘水域略低于當(dāng)?shù)乇尘爸担渌芯繀^(qū)域均略高于當(dāng)?shù)乇尘爸?。其分布特征為沼澤＜魚塘＜水域＜農(nóng)村居民地＜水田＜溝渠＜旱田＜林地＜草地。多重比較結(jié)果表明，Pb含量在水域、魚塘、沼澤與草地、林地存在顯著性差異；水域、魚塘、沼澤與農(nóng)村居民地、水田、溝渠、旱田無顯著性差異，草地、林地與農(nóng)村居民地、水田、溝渠、旱田無顯著性差異。

研究區(qū)域受人為干擾相對(duì)較小的區(qū)域是水域和沼澤，人為干擾最嚴(yán)重的是農(nóng)村居民地，多重分析結(jié)果顯示，各元素含量在水域和沼澤無顯著性差異。除農(nóng)村居民地外，重金屬元素Pb在陸地土壤中富集量相對(duì)較大，Cr在濕地沉積物中富集量相對(duì)較大，Zn，Cu在不同土壤中分布無太大差異。農(nóng)村居民地金屬元素含量較高，可能與村落畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞尿以及居民生活污水的排放有關(guān)[17]。

研究表明，農(nóng)業(yè)區(qū)土壤Cu，Pb，Zn主要來源于大氣沉降、畜禽糞肥和化肥等人類活動(dòng)；Cr的主要來源是成土母質(zhì)[18]。城市土壤重金屬Cr，Zn和Cu主要受地質(zhì)背景和人類活動(dòng)的共同控制；Pb主要受工農(nóng)業(yè)及交通源因子影響[19-20]。濕地土壤重金屬Cu的來源受到周邊工業(yè)活動(dòng)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響；Pb和Zn的來源與工農(nóng)業(yè)活動(dòng)、道路交通有關(guān)；Cr的來源主要與土壤母質(zhì)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)[21-22]。結(jié)合研究區(qū)域的環(huán)境狀況可推斷出，陸地土壤中林地、草地、旱田Pb含量較高，可能是受農(nóng)業(yè)、畜禽糞肥和化肥等人類活動(dòng)的影響，農(nóng)村居民地Pb含量較高，可能是受農(nóng)業(yè)活動(dòng)和道路交通因素的影響；Zn含量在農(nóng)村居民地和溝渠較高，除了受地質(zhì)因素的影響外，還可能與工業(yè)活動(dòng)、生活廢棄物排放以及道路交通等因素密切相關(guān)；濕地土壤中Cr含量明顯較高，其主要與土壤母質(zhì)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)，而農(nóng)村居民地Cr含量高于其他陸地土壤，可能是與道路交通、生活垃圾以及畜禽糞便排放等人為因素有關(guān)。

2.2 與國(guó)內(nèi)外不同地類土壤重金屬比較

從表3可以看出，國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖池塘底泥重金屬含量均低于我國(guó)自然背景值，其他典型流域沉積物以及居民區(qū)土壤重金屬含量約是我國(guó)自然背景值的1.0～1.8倍，其中，居民區(qū)Cr含量是我國(guó)自然背景值43.87倍，而南海濕地土壤Cu含量約為背景值的5倍，且南海濕地土壤中Pb，Zn和林地土壤中Pb，Cr為背景值的2～3倍。國(guó)內(nèi)外土壤重金屬含量相比，國(guó)外農(nóng)田土壤中Cu，Zn含量較高，國(guó)內(nèi)土壤中Pb，Cr累積含量較高。研究結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)4種重金屬元素含量為背景值的0.5～1.8倍。其中，Cu含量?jī)H溝渠略超出背景值；Zn含量在農(nóng)村居民地和溝渠超出背景值；Cr含量均超出背景值，為背景值的1.3～1.8倍；Pb僅在沼澤、魚塘、水域未超出背景值；其余區(qū)域均超出背景值。與背景值相比，研究區(qū)域Cr，Pb超標(biāo)率較高，可能存在污染。此結(jié)果與我國(guó)流域內(nèi)土壤主要重金屬污染類型相同，說明其重金屬的來源可能相似。

表3 國(guó)內(nèi)外不同地類土壤重金屬含量對(duì)比

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 地累積指數(shù)法評(píng)價(jià) 從地累積指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1）和土壤污染指數(shù)（表4）可以看出，研究區(qū)域重金屬元素的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別依次為Pb＞Cr＞Zn＞Cu，在濕地類型溝渠以及陸地類型農(nóng)村居民地、草地、旱田研究區(qū)域Pb的Igeo值整體在0～1波動(dòng)，其風(fēng)險(xiǎn)順序?yàn)椴莸兀玖值兀緶锨竞堤?，屬?級(jí)污染，在無污染到輕度污染之間波動(dòng)，除部分采樣點(diǎn)外，其他土地利用類型均未出現(xiàn)污染現(xiàn)象；重金屬元素Cu，Zn，Cr的Igeo值均小于0，未出現(xiàn)污染現(xiàn)象。在陸地土壤中重金屬元素Pb較濕地土壤污染范圍廣，污染相對(duì)較嚴(yán)重。

表4 土壤污染指數(shù)

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià) 依據(jù)地累積指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1）和土壤污染指數(shù)（表4），分析整個(gè)研究區(qū)域不同土地利用類型下重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)，其大小為Pb＞Cu＞Cr＞Zn，研究區(qū)域4種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)（Eri）均遠(yuǎn)小于40，其中，草地研究區(qū)Pb的潛在生態(tài)危害系數(shù)最大，說明研究區(qū)域重金屬單獨(dú)作用時(shí)污染現(xiàn)象不明顯，有輕微潛在危害?？紤]多因子綜合作用結(jié)果，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，研究區(qū)域潛在風(fēng)險(xiǎn)水平依次為溝渠＞農(nóng)村居民地＞旱田＞草地＞林地＞水田＞魚塘＞沼澤＞水域，溝渠研究區(qū)域潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最大，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均遠(yuǎn)小于150，具有輕微的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法從表4可以看出，Pi≤1，PN≤0.7，依據(jù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域無污染，處于清潔水平。2種評(píng)價(jià)方法結(jié)果顯示，研究區(qū)域Cr元素污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，Zn元素在旱田、林地、農(nóng)村居民地、草地污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

2.3.4 4種評(píng)價(jià)方法的比較 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在草地、林地、溝渠、旱田具有1級(jí)污染風(fēng)險(xiǎn)，其他3種評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域無污染風(fēng)險(xiǎn)，屬于清潔土壤，但單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法2種評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果差值較小，Pb元素在林地、草地、旱田計(jì)算結(jié)果相差較大，PN約為Pi的2倍。

3 結(jié)論與討論

單因子指數(shù)法和地累積指數(shù)法能夠直接反映土壤中每一種污染物的超標(biāo)情況，但各參數(shù)之間互不聯(lián)系，只適用于分析土壤樣品的污染狀況，無法全面反映土壤環(huán)境要素的綜合污染情況。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，地累積指數(shù)法能較好地反映單因子對(duì)土壤的作用大小[28]。綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了土壤元素背景值、土壤元素標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)態(tài)效應(yīng)等因素，可以表征土壤復(fù)合污染[22]。潛在生態(tài)危害指數(shù)法既反映了各污染因子對(duì)環(huán)境的影響，又定量劃分了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的程度，其評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域無生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但Cu，Pb元素在土壤復(fù)合污染所占比例較大。因此，可以采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法結(jié)合評(píng)價(jià)土壤污染水平，既可以反映出單因子作用的大小以及危害程度，又能分析出土壤的綜合污染情況，以便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)主要污染元素，采取相應(yīng)的防護(hù)治理措施。

本研究結(jié)果表明，研究區(qū)域重金屬元素Pb在陸地土壤中含量相對(duì)較高，元素Cr在濕地土壤中含量相對(duì)較高，Cu，Zn在不同土壤中分布無太大差異。4種評(píng)價(jià)方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比分析得出，地累積指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法相結(jié)合更能反映土壤的污染狀況。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域具有輕微的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其中，Pb貢獻(xiàn)率最高，在林地、草地、旱田具有輕微污染，其次是Cu，Cr，Zn。由于重金屬污染有持久性和滯后性，因此，在生產(chǎn)生活中應(yīng)嚴(yán)格控制Pb的來源。