東洞庭湖濕地土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評價

劉娜，曾靜，李旭，侯志勇，謝永宏

（中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程院重點實驗室,洞庭湖濕地生態系統觀測研究站，湖南 長沙410125）

洲灘屬于水陸交叉帶，具有十分重要的生態調節功能，洲灘濕地土壤是濕地生態系統中非常重要的組成部分之一，與人類的生活非常密切。然而隨著人口數量的增加、工農業的發展以及城市化進程的加快，人們在開發利用濕地資源的同時，對其環境造成的污染破壞不容小視，大量未經處理的城市垃圾、被污染的土壤、工業和生活污水流入江河，加上農藥化肥的過度施用，使水體懸浮物和沉積物中的無機、有機污染物含量急劇升高，重金屬的含量不斷累積增加，嚴重影響了濕地生態系統健康，也直接或間接的對人體健康構成威脅[1-6]。因此，分析洲灘土壤重金屬污染特征對于合理開發利用濕地具有重要的現實意義。

重金屬是一種持久性有毒的污染物，進入土壤后不能被生物降解，土壤中重金屬的富集對生物體及生態系統產生較大的生態危害性，是嚴重危害生態安全的土壤污染物[7-13]。近年來人們越來越重視土壤環境質量的變化，在全國很多地方都開展了針對環境質量的土壤重金屬調查和評價[14-15]。

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是國際上重要濕地生態保護區之一，具有維系長江中下游防洪安全的功能，也是廣大湖區人民賴以生存發展的基礎[16-17]。湘江流域是我國重金屬污染較為嚴重的區域之一，由于湘江是洞庭湖水系最大的河流[18-19]，導致洞庭湖區水相、灘地、洲垸和耕地土壤重金屬潛在污染風險較高[20]。目前,對洞庭湖污染方面的研究多集中在水質污染和沉積物污染，有關洞庭湖區濕地土壤重金屬污染狀況及其潛在生態風險評價方面的研究較少[21-22]。另外，土壤是構成環境要素的重要組成因子，土壤中的重金屬易生物富集和放大從而對生存于其中的動植物體產生較大的生態危害性。因此，本文以東洞庭三個洲灘區域（小西湖、六門閘和麻塘）濕地土壤為研究對象，對其土壤中的重金屬Cd、Cr、Ni、Pb、Hg、As 含量進行測定、分析并對洞庭湖濕地土壤重金屬的污染現狀進行評價，探討其潛在生態風險，以期掌握洞庭湖濕地土壤重金屬的污染現狀，指導土地的合理利用、重金屬污染的治理和保障人群健康提供重要的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

洞庭湖位于湖南省北部（24°39′-30°08′N，108°47′-114°15′E），區域氣候溫暖濕潤，植被豐富且群落類型多樣，植被演替模式較為復雜。典型的濕地植被群落有苔草（Carex spp.）、 荻（Triarrhena sacchariflora）、 辣蓼（Polygonum hydropiper)、虉草（Phalaris arundinacea）等。濕地植被分布受水位梯度變化、洲灘淤積抬升等的影響。

本研究選擇位于東洞庭湖的小西湖、六門閘和麻塘3 個典型洲灘區域，其植物群落呈現由辣蓼群落、苔草群落到蘆葦群落的正向演替模式，同時植物群落沿水位梯度呈現明顯的帶狀分布格局。

1.2 樣品采集與處理

在3 個典型洲灘分別設置15 個1 m×1 m 的樣方，樣方間隔50 m，在樣方中按照“S”型路線采集0-20 cm 土層的樣本5-8 個點，混合均勻后用滅菌自封袋帶回實驗室。于2010 年和2012 年在同一地點取樣，總共采集土壤樣品90 個。

土壤樣品采集回室內后，剔除土壤中的動植物殘體、石塊等雜物,于室內自然風干。隨后用木錘搗碎后過20 目尼龍篩,然后從中取50 g 左右,在瑪瑙研缽內進一步磨細,過100 目尼龍篩,儲存于聚乙烯袋中待測。

1.3 分析方法

稱取約0.500 0 g 加工好的樣品（精確到0.000 1 g）經HNO3-HClO4-HF 消化處理，用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）內標法測定土壤中的Cd、Cr、Ni、Pb。同時取土壤樣品0.250 0 g（精確到0.000 1 g）于25 ml 比色管中,加入新配（1+1）王水10 ml，于沸水浴中加熱2 h，其間要充分振搖兩次,冷卻至室溫后加入10 ml 保存液，用稀釋液定容,搖勻。該消解液用來測定汞。取靜置后的消解溶液5.00 ml于另一25 ml 比色管中,加入50 g/L 的硫脲溶液2.5 ml,鹽酸2.5 ml,定容至25 ml,該溶液用來測定砷。每個土壤樣點的重金屬含量均以兩年的平均值來計算。

1.4 污染指數評價方法

采用單向污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對土壤污染狀況進行評價。單項污染指數計算方法為：

式中：Pi為i 污染物的污染指數；Xi為污染物的實測值；Si為i 污染物的評價標準。土壤重金屬參照GB 15618—1995《土壤環境質量標準》的二級標準進行評價[22]。單項污染指數法分級標準：Pi≤1 非污染,1＜Pi≤2 輕污染，2＜Pi≤3 中污染，Pi＞3 重污染。

內梅羅綜合污染指數計算方法為:

式中：Ij為監測點的綜合污染指標；Ijmax為j 監測點所有污染物單項污染指數中的最大值；Ijave為j 監測點所有污染物單項污染指數的平均值。綜合污染指數分級標準見表1。

1.5 潛在生態危害評價方法

本文采用瑞典科學家提出的潛在生態危害指數法進行評價[6]。該法是根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出來的對土壤或沉積物中重金屬污染進行評價。不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數分級法進行評價。潛在生態危害指數涉及到單項污染系數、重金屬毒性響應系數以及潛在生態危害單項系數，其計算公式為:

表1 土壤污染指數分級標準Table 1 Grading of soil pollution indexes

式中：RI 為土壤中多種重金屬復合污染狀態下的潛在生態危害指數；Eir為i 種重金屬的潛在生態危害單項系數；Tir為i 一種金屬的毒性響應系數；Ci為表層土壤重金屬濃度實測值，Cin為計算所需的參比值。采用Hakanson 制定的標準化重金屬毒性系數為評價依據,重金屬毒性水平及毒性響應系數為Cr=2＜Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40。土壤參比值采用的是國家土壤環境質量標準二級標準。重金屬單項污染系數分級標準參照文獻[24-25]。重金屬污染生態危害系數和生態危害指數分級標準列于表2。

表2 重金屬污染潛在生態危害指標與分級關系Table 2 Indices and grades of potential ecological risk of heavy metals pollution

2 結果與分析

2.1 東洞庭土壤重金屬的含量

東洞庭濕地土壤重金屬含量顯著高于背景值，且不同洲灘重金屬含量存在顯著差異。東洞庭三個洲灘區域（小西湖、六門閘和麻塘）土壤重金屬Cd、Cr、Pb、Hg、As 的含量均以麻塘最高，其中Cd 的含量是背景值的7 倍，是小西湖和六門閘的3.8 和4.1倍；Pb 為背景值的2 倍，是其它兩個地方的1.9 倍；Hg 為背景值的4 倍，是其它兩個地方的2.3 倍；As為背景值的2 倍，是其它兩個地方的2.1 倍（表3）。

表3 東洞庭湖土壤中重金屬含量（mg/kg）Table 3 Contents of heavy metals in wetland soils around East Dongting

以國家《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)為參照，麻塘土壤（pH＜6.5）Cd 含量達到國家II 級標準的8 倍，Ni 超出國家II 級限值但低于III 級標準閾值，其余的重金屬都在國家II 級限值之內；小西湖土壤（pH＞6.5）中Cd 超出國家II 級限值但低于III 級標準閾值，土壤中Ni 超出國家II 級限值但低于III 級標準閾值，其余4 種重金屬未超過國家I 級標準；六門閘土壤（pH＞6.5）中6 種重金屬都未超過國家II 級標準。

東洞庭三個洲灘區域，麻塘Cd 富集非常顯著，形成了以Cd 為主的多種重金屬復合污染的特征。麻塘處于湘江航道邊緣與湘江航道相連，一年有6個月的洪水浸泡期，長期有積水，采樣時土壤含水量最高。六門閘、小西湖洪水期較短，一年有4 個月的洪水浸泡期，無長期積水，遠離湘江航道。另外，麻塘區域采礦冶煉工業并不發達，表明麻塘重金屬污染可能主要受到上游湘江水的影響[26]，尹春艷等[27]通過主成分分析也證實湘江河口沉積物中Cd、Pb 主要源于湘江水的輸入。這個結果也與朱奇宏等[28]對環洞庭湖區蔬菜基地土壤重金屬含量的研究結論相一致。

2.2 東洞庭湖土壤重金屬現狀評價

按照土壤環境質量標準II 級標準，對采樣點中各元素進行單項污染分級統計。麻塘以Cd 污染最為突出，單向污染指數高達8，達到重度污染。其次是Ni 的單向污染指數為1.34，屬于輕度污染；小西湖Cd 和Ni 的單項污染指數分別為1.05 和1.11，為輕度污染；六門閘所有重金屬單向污染指數均小于1，沒有達到污染的程度。從綜合污染指數來看，麻塘的綜合污染指數為2.23，達到中度污染，小西湖和六門閘處于警戒線（表4）。整體而言，研究區重金屬污染程度依次為Cd＞Ni＞Hg＞As＞Pb＞Cr，并且麻塘最嚴重，小西湖次之，六門閘基本不存在污染。

表4 東洞庭湖土壤重金屬污染程度評價與分級Table 4 Evaluation and grading of heavy metal pollutions in the wetland soil of East Dongting Lake

麻塘因與湘江航道相連受湘江水質影響，Cd 富集非常顯著，在麻塘地區形成了以Cd 為主的多種重金屬復合污染特征。

2.3 東洞庭濕地土壤重金屬污染評價及潛在的生態危害

根據“沉積學毒性系數”，對小西湖、六門閘和麻塘3 個采樣點典型洲灘濕地土壤重金屬元素污染潛在生態危害系數和污染分級分析，Cd、Hg 污染嚴重，麻塘Cd 和Hg 的潛在污染系數分別為240.77和188.60，都已經達到強生態危害；小西湖、六門閘Hg 的潛在污染系數分別為100.6 和101.62，為較強生態危害，其余均為輕度污染。從元素潛在生態危害綜合指數來看，小西湖RI=55.15，六門閘RI=60.12，達到低度生態危害；麻塘RI=152.91，已經達到中度生態危害（表5）?？傮w來說，小西湖、六門閘、麻塘三個地方重金屬Cd、Hg 污染嚴重，麻塘Cd 已經達到強生態危害，Hg 達到較強生態危害。從綜合指數和總的潛在風險程度來看麻塘重金屬污染是中度生態危害。因此東洞庭湖洲灘濕地土壤，土壤中Cd、Hg污染問題值得高度關注，尤其是麻塘地區，以免加重污染。

表5 東洞庭土壤重金屬潛在生態危害評價結果Table 5 The ecological hazard in urban soils of East Dongting Lake

3 結論

東洞庭區域麻塘、六門閘和小西湖3 個洲灘濕地土壤受到不同程度的重金屬污染，其中Cd 和Hg是最主要的污染元素；受湘江水的影響，麻塘區域濕地土壤Cd 和Hg 已經達到強生態危害程度，形成了以Cd 為主的多種重金屬復合污染的特征。小西湖和六門閘土壤重金屬污染達到低度生態危害，麻塘土壤重金屬污染則達到中度生態危害。因此，東洞庭湖洲灘濕地土壤，尤其是與湘江航道相連的地區，土壤重金屬污染問題值得高度關注，需采取合理措施進行治理。

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