高原城市梯級(jí)濕地底泥重金屬時(shí)空分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估才項(xiàng)措

毛周強(qiáng) 毛旭鋒

摘要 為探究城市梯級(jí)濕地構(gòu)建后，底泥重金屬的時(shí)空分布及其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)用地累積指數(shù)法分析了西寧市火燒溝城市濕地構(gòu)建8年后底泥中5種重金屬的污染狀況，并采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法，評(píng)估了2018年濕地底泥的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，探討了潛在的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)間上，2018年底泥中多數(shù)重金屬元素平均含量相較2012年的監(jiān)測(cè)結(jié)果有下降趨勢(shì)，總體處于中度或輕度污染水平;空間上，上游濕地階梯G與H中As、Cd與Pb濃度較高，而下游濕地階梯A、B、C中Cr與Zn的濃度較高;綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)表明，重金屬元素Cd處于很高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，且生態(tài)危害指數(shù)最高值處于濕地上游段。該研究可為高原城市濕地管理和風(fēng)險(xiǎn)防控提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 濕地;重金屬;時(shí)空分布;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);火燒溝

Abstract To explore the spatial and temporal distribution of heavy metals in the sediment and their potential ecological risks after the construction of urban cascade wetland， cumulative accumulation index and Hakanson potential ecological hazard index were utilized to analyze their pollution status and potential ecological risk degrades after 8 years of operation. Research showed，temperally，the average content of heavy metals in the sediments in 2018 presented a downward trend compared with the monitoring results in 2012，and the overall was in the level of mild or moderate pollution;spatially，the peak concentrations of As，Cd and Pb appeared in the upstream wetland（G and H），while the peak concentrations of Cr and Zn appeared in the downstream wetland （A，B and C）;the comprehensive potential ecological hazard index indicated that the heavy metal Cd was at the high ecological risk level. And the highest value of the ecological hazard index was in the upper reaches of the wetland. This study could provide a reference for plateau urban wetland management and risk control.

Key words Wetland;Heavy metal;Temporal and spatial distribution;Risk assessment;Huoshaogou

城市濕地是指城市區(qū)域內(nèi)具有水陸過渡性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)，如水源保護(hù)區(qū)、河岸、自然和人工池塘等[1]。城市濕地作為城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是城市生態(tài)資源最豐富的區(qū)域，在降解污染物、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮了重要作用[2]。重金屬作為一種持久有毒性的污染物，進(jìn)入土壤和植物后難以被生物降解，并可以通過人體直接接觸、地面揚(yáng)塵、被人體直接吸入、食物鏈等途徑影響人體健康[3-4]。

隨著城市化進(jìn)程的加快和人口的增加，城市濕地受到了人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，伴隨著工業(yè)化的發(fā)展，工業(yè)“三廢”、城市交通運(yùn)輸、居民生活垃圾等的排放、土地利用變化等使重金屬進(jìn)入空氣、土壤和水體之中，通過大氣沉降、雨水沖刷等在沉積物中沉積并逐漸富集。底泥作為水生生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，在為水生動(dòng)植物生長(zhǎng)提供基本養(yǎng)分的同時(shí)也是各種污染物富集的場(chǎng)所，通過檢測(cè)底泥中污染物的含量可以反映其水體的污染程度[5]。隨著城市濕地被過度開發(fā)利用，濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差，水體、動(dòng)植物和土壤受到污染。關(guān)于城市濕地的生態(tài)保護(hù)、修復(fù)及可持續(xù)利用等方面的研究結(jié)果表明，我國(guó)城市濕地存在水質(zhì)污染、面積縮小、水土涵養(yǎng)功能退化、生物入侵及嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化等問題[6-7]。近年來關(guān)于城市濕地水體沉積物重金屬污染問題越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于城市濕地重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究多集中于人口密集以及工業(yè)和經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，以地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法為主要評(píng)價(jià)方法[8]，分析濕地水體沉積物中不同重金屬的來源、污染現(xiàn)狀、空間分布以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等[9-11]。針對(duì)高原城市濕地沉積物中重金屬含量開展的研究較少，西寧市作為青藏高原最大的城市，是青海省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，隨著城鎮(zhèn)化速率的加快，人類活動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的影響日益加劇。該研究以青海省西寧市火燒溝濕地為對(duì)象，通過采集火燒溝濕地九級(jí)階梯底泥、動(dòng)植物樣本，測(cè)定并分析了沉積物中重金屬As、Cd、Cr、Pb和Zn含量，分析其時(shí)空分布特征并采用潛在生態(tài)危害指數(shù)對(duì)火燒溝濕地底泥進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期掌握火燒溝濕地底泥重金屬的污染現(xiàn)狀，為高原城市濕地生態(tài)修復(fù)和保護(hù)提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

火燒溝濕地位于青海省西寧市城西區(qū)中部，沿南北向分布的狹長(zhǎng)溝谷，溝道總長(zhǎng)約20 km，在城西區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度約9 km，屬于湟水一級(jí)支流，黃河的二級(jí)支流，海拔2 243～2 340 m，年平均氣溫4.9 ℃，年平均降水量379 mm，屬大陸性高原半干旱氣候，發(fā)育高山地貌和第四紀(jì)黃土溝谷，濕地植物以小香蒲、蘆葦、穿葉眼子菜和角果藻為主。

火燒溝植被稀疏，水土流失嚴(yán)重。2010年市政府對(duì)火燒溝進(jìn)行了綜合治理，將火燒溝下游的城市河道改造成為9級(jí)人工階梯濕地，通過土地整理、水文修復(fù)、河岸改造、濕地植物補(bǔ)植等措施對(duì)該濕地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境修復(fù)。經(jīng)過多年的生態(tài)恢復(fù)，植被覆蓋度提高，水土流失減少，火燒溝濕地已經(jīng)成為西寧市區(qū)重要的濕地景觀。然而，火燒溝梯級(jí)濕地在提供凈化水體、休息娛樂的同時(shí)，底泥中大量富集包括重金屬在內(nèi)的污染物質(zhì)，其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也不斷加大[12]。對(duì)其重金屬進(jìn)行持續(xù)分析和監(jiān)測(cè)，才能有效控制其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，保證湟水乃至黃河的生態(tài)安全。

改造后的濕地全長(zhǎng)2.8 km，河流均深0.7 m，由上到下共分為9級(jí)，每一級(jí)由高2～5 m的攔河壩隔開，海拔最低為河流下游區(qū)域A，最高為河流上游區(qū)域I。濕地周邊主要分布有居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路和綠化帶，其中階梯A、B、D、E、F兩側(cè)主要為植被綠化帶，階梯A、D、G、H內(nèi)有城市主干道穿插而過，9級(jí)階梯兩側(cè)均分布有居民住宅樓（圖1）。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集于2018年9月，每個(gè)階梯中均布設(shè)2～4個(gè)平行樣，底泥選取每個(gè)階梯中人類活動(dòng)較弱、底泥質(zhì)地均一的區(qū)域進(jìn)行采集，將底泥表層2～5 cm樣品采集后，放入干凈的自封袋中并標(biāo)以記號(hào)，送往實(shí)驗(yàn)室分析。所有樣品在105 ℃下烘烤30 min后，在烘干箱內(nèi)80 ℃條件下烘干至恒重，然后將底泥、植物樣品磨碎過篩（100 mm），裝袋封存，標(biāo)號(hào)待測(cè)。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

濕地底泥中的重金屬元素Cd、Cr、Pb、Zn、As含量測(cè)定均依據(jù)GB/T 1561—2008（修訂版）中規(guī)定的電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[13]。數(shù)據(jù)采用Origin進(jìn)行處理與分析，采用IBM SPSS statistics 19軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，底泥中的Cd、Cr、Pb、Zn和As的平均值、最小值、極差、變異系數(shù)等采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。采用重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法來評(píng)價(jià)重金屬污染狀況，并分析每種重金屬含量在濕地階梯的分布特征。

1.4 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地累積指數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥重金屬的時(shí)空分布特征

2.1.1 總體情況。研究區(qū)內(nèi)濕地底泥As、Cd、Cr、Pb、Zn平均含量分別為7.50、0.82、95.19、16.39和143.28 mg/kg（表2）。其中重金屬元素Cd的平均含量大于西寧市土壤背景值，還超過了國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值;重金屬元素Cr與Zn的平均含量超出西寧市土壤背景值，但未超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);重金屬元素As與Pb的平均含量均未超出西寧市土壤背景值與國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。變異系數(shù)為反映數(shù)據(jù)離散程度的數(shù)值，可以比較不同量綱的指標(biāo)[17]。將變異系數(shù)劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為高度變異（CV>0.36）、中等變異（0.16

2.1.2 底泥重金屬的空間分布特征。因受不同的自然環(huán)境和人類活動(dòng)影響，濕地不同區(qū)域土壤重金屬在水平方向上分布差異顯著[20]?；馃郎铣鞘袧竦氐啄嘀亟饘俚姆植即嬖诓町?，為探究其空間分布的特點(diǎn)與規(guī)律，對(duì)不同重金屬9級(jí)階梯含量進(jìn)行空間分布研究（圖2）。重金屬元素As在9級(jí)階梯中呈現(xiàn)從下游至上游逐步增多的趨勢(shì)，在階梯H中分布最多，在階梯C中分布最少;重金屬元素Cd與Pb在9級(jí)階梯中分布趨勢(shì)相似，在階梯E與F中分布較少，在濕地上游階梯G與H中較為集中，主要分布在居民區(qū)與道路兩側(cè);重金屬元素As、Cd與Pb在階梯中從下游至上游總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在上游地區(qū)含量較高，說明其污染源分布在上游地區(qū)。重金屬元素Cr與Zn在空間分布上也呈現(xiàn)相似性，其含量在階梯中呈現(xiàn)出高—低—高的趨勢(shì)，在階梯E與F中含量較低，總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且含量較低區(qū)域兩側(cè)居民區(qū)較少，多為綠化帶。

2.1.3 底泥重金屬的動(dòng)態(tài)變化。受濕地水環(huán)境變化和人類活動(dòng)等影響，土壤重金屬含量表現(xiàn)出明顯的時(shí)間變化特征[20]。將2012年與2018年火燒溝濕地重金屬元素As、Cd、Cr、Pb、Zn的平均值進(jìn)行對(duì)比[11]，由表3可知，火燒溝城市濕地As、Cr、Pb、Zn這4種重金屬元素含量近年來呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，一方面可能是濕地內(nèi)大量植被形成阻隔，減少了交通、大氣沉降等帶來的重金屬輸入;另一方面可能由于種植的濕地植被吸收了部分重金屬物質(zhì)[21]。同時(shí)值得注意的是，與2012年相比，重金屬元素Cd的濃度增加至2倍，呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。元素Cd污染主要來源于大氣中Cd的沉降和污水灌溉，有研究表明元素Cd在西寧市開發(fā)區(qū)和礦治區(qū)的活性相對(duì)其他功能區(qū)較高，說明火燒溝濕地上游地區(qū)的工廠、濕地兩側(cè)交通干道汽車汽油的燃燒和輪胎磨損產(chǎn)生的含Cd粉塵可能是其主要污染源[22-23]。元素Cd的空間分布顯示上游地區(qū)污染最重，其次向外逐漸減弱，說明受上游工廠污水排放的影響較大。

2.2 底泥重金屬地累積指數(shù)污染評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（1）計(jì)算火燒溝濕地底泥地累積指數(shù)得出，火燒溝濕地底泥中重金屬Igeo數(shù)值總體在-2.37～2.93（表4），重金屬元素As與Pb的地累積指數(shù)顯示其在9個(gè)階梯中為無污染;元素Cd在階梯E中為無污染，階梯F為輕度污染，在9個(gè)階梯中有5個(gè)階梯屬于偏中度污染，階梯G與H屬于中度污染，其中在階梯H中地累積指數(shù)最高;元素Cr在階梯A、B、D中顯示為輕度污染，其余6個(gè)階梯均為無污染;元素Zn在階梯C中顯示為偏中度污染，其余8個(gè)階梯均顯示為輕度污染。總體上，火燒溝城市濕地底泥重金屬元素As與Pb的Igeo值顯示其在9級(jí)階梯中無污染;元素Cd在階梯H、G中顯示中度污染，污染程度最高;其余元素均呈現(xiàn)偏中度或輕度污染。

2.3 底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)公式（2）、（3）計(jì)算火燒溝城市濕地底泥單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）及重金屬元素As、Cd、Cr、Pb及Zn在9級(jí)階梯中的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）。

火燒溝濕地底泥單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）從大到小排序?yàn)镃d（163.12）、As（6.25）、Pb（3.73）、Cr（2.57）、Zn（2.39）（表5）。元素Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)最大，平均值為163.12，為很強(qiáng)生態(tài)危害水平，這說明元素Cd在研究區(qū)內(nèi)污染程度較重;元素As、Cr、Pb與Zn的潛在生態(tài)危害指數(shù)顯示其均為輕微生態(tài)危害。

重金屬元素As、Cd、Cr、Pb與Zn在9級(jí)階梯中的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）排序?yàn)镠（364.80）、G（352.70）、I（181.60）、A（150.20）、C（140.40）、B（139.50）、D（125.30）、F（98.43）、E（49.62）（表5），階梯H與G污染程度最大，屬于強(qiáng)生態(tài)危害;階梯A與I為中等生態(tài)危害。階梯A、H、G、I處于高生態(tài)危害主要與元素Cd含量超標(biāo)相關(guān)，元素Cd在這4個(gè)階梯的污染較高，可能與其周圍為居民住宅區(qū)且上游有工廠有關(guān);階梯B、C、D、E、F為輕微生態(tài)危害?？傮w上，火燒溝9級(jí)階梯濕地底泥重金屬潛在生態(tài)危害程度主要受重金屬元素Cd影響。

2.4 底泥重金屬相關(guān)性

在同一區(qū)域內(nèi)，土壤重金屬污染物的富集有可能是同一種污染源導(dǎo)致，也可能是多種污染源共同作用產(chǎn)生，具有相同污染來源的重金屬之間存在一定的相關(guān)性[24]。城市濕地中的重金屬主要來源于大氣降塵、生活污水、汽車尾氣及工業(yè)三廢的排放等，人類活動(dòng)越頻繁的區(qū)域濕地重金屬累積越嚴(yán)重，但濕地中多種水生植物對(duì)重金屬具有吸收和富集作用[25]。探究城市濕地底泥中各種重金屬元素間的相關(guān)性，可以了解其沉積環(huán)境，有利于重金屬元素污染來源的研究。該研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)對(duì)采樣點(diǎn)底泥各重金屬元素含量進(jìn)行分析，來推測(cè)火燒溝城市濕地各重金屬的主要來源。Pearson相關(guān)系數(shù)表明相關(guān)性越顯著，來源于同一污染源的可能性越大，否則存在多個(gè)污染源[5]。

由表6可知，底泥重金屬元素Cr與Cd、Cr與Zn之間均存在顯著正相關(guān)（P<0.05），相關(guān)研究表明重金屬元素Cd、Zn受道路交通影響較大，車流量越大，重金屬越富集[26];Pb與其他元素之間沒有明顯的相關(guān)性，可能來自多個(gè)污染源。底泥中元素As的含量未超過青海平均值與國(guó)家平均值，說明元素As以自然沉積為主。

3 結(jié)論

火燒溝濕地底泥中重金屬元素平均含量從大到小依次為Zn、Cr、Pb、As、Cd。但Cd的平均含量超出西寧市土壤背景值和國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且顯示為高度變異，可能存在點(diǎn)源污染;Cr與Zn的平均含量超出西寧市土壤背景值，As與Pb的平均含量均未超出。

（1）對(duì)火燒溝濕地時(shí)空分布分析得出，2012—2018年火燒溝濕地底泥重金屬除元素Cd以外其余元素含量均有所減少，元素Cd含量是2012年的2.10倍，空間上重金屬多分布于濕地上游地區(qū)，受人為擾動(dòng)因素較大。

（2）地累積指數(shù)評(píng)價(jià)顯示重金屬元素Cd在階梯G與H中污染最高，顯示為中度污染;Cd的潛在生態(tài)危害指數(shù)為最高，階梯G與H顯示為強(qiáng)生態(tài)危害。人類活動(dòng)是影響濕地生態(tài)環(huán)境的主要因素，針對(duì)濕地中污染較高的元素，應(yīng)該采取相應(yīng)措施減緩重金屬污染。

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