圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬污染特征研究

楊 亮，田 瑋，楊 萌，相恒星，朱衛(wèi)紅*

(1.長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.延邊大學(xué)理學(xué)院:吉林 延吉 133002)

?

圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬污染特征研究

楊 亮1,2，田 瑋2，楊 萌1,2，相恒星2，朱衛(wèi)紅1,2*

(1.長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.延邊大學(xué)理學(xué)院:吉林 延吉 133002)

以圖們江下游湖泊濕地植被景觀為依據(jù)，選取圖們江下游敬信濕地中典型湖泊濕地為研究區(qū)域，對(duì)該區(qū)域的土壤重金屬進(jìn)行分析。利用地質(zhì)累積指數(shù)與內(nèi)梅羅指數(shù)相結(jié)合的綜合指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，并通過(guò)因子分析法對(duì)該地區(qū)土壤重金屬含量特征及來(lái)源進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：1) Ni、Cu低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Cr、Zn、As、Pb高于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Cd高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。Ni、Cu、As、Zn、Cd分布均勻，而Cr、Pb分布不均勻；2) 研究區(qū)總體污染程度較低，污染等級(jí)均不超過(guò)3級(jí)。7種重金屬中，富集程度依次為Cd>Pb>As>Cr>Ni>Zn>Cu；3) 該湖泊濕地綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)基本介于150～300之間，處于中等潛在危害程度。As處于中等潛在危害程度，Cd處于很強(qiáng)的潛在危害程度；4) 污染來(lái)源主要有3個(gè)：As污染來(lái)源于農(nóng)業(yè)污染；Pb污染來(lái)源于交通污染；Cd污染來(lái)源于工業(yè)污染。

圖們江下游；湖泊濕地；土壤重金屬；污染評(píng)價(jià)；因子分析

濕地生態(tài)系統(tǒng)是自然界中生物多樣性最豐富的環(huán)境。不僅擁有巨大的環(huán)境保護(hù)功能，還具有為人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和生活提供各種豐富多樣資源的效益。因此，濕地與海洋、森林合稱(chēng)為全球3大生態(tài)系統(tǒng)[1]。21世紀(jì)以來(lái)，伴隨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的城市化導(dǎo)致了湖泊濕地土壤重金屬污染，嚴(yán)重制約了人類(lèi)對(duì)于濕地的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用及濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)[2,3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于有關(guān)土壤濕地重金屬的研究已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的層次，尤其是在重金屬的污染評(píng)價(jià)，潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和土壤重金屬污染改良等技術(shù)上較為成熟[4-10]。濕地植被分布格局的形成和維持機(jī)理是當(dāng)前國(guó)際濕地生態(tài)研究的熱點(diǎn)之一[11,12]，土壤重金屬作為一個(gè)影響植被分布的重要因素，已經(jīng)被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)[13,14]。

圖們江是我國(guó)重要的國(guó)際性河流之一，目前該流域濕地生態(tài)系統(tǒng)處于中度預(yù)警狀態(tài)，并且有向重度預(yù)警發(fā)展趨勢(shì)[15]。圖們江下游湖泊濕地面積為28.01 km2,占流域下游濕地面積的11.63%[16]。因此，展開(kāi)圖們江下游流域湖泊濕地土壤重金屬污染特征研究，對(duì)圖們江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖們江位于中國(guó)吉林省東部，現(xiàn)為中國(guó)與朝鮮的界河。圖們江下游年平均降水量約為600～700 mm，屬于中緯度中溫帶近海季風(fēng)性氣候,年平均氣溫5.6 ℃，結(jié)冰期為10月中旬，化凍期為3月中旬。河流貫穿山脈形成橫谷，河流兩岸基本為三角洲和階地。敬信濕地(130°31′E,42°39′N(xiāo))位于延邊朝鮮族自治州琿春市敬信鎮(zhèn)(圖1)。該鎮(zhèn)濕地類(lèi)型多樣，分布著湖泊濕地、河流濕地和沼澤濕地等，具有較高的生產(chǎn)力和豐富的生物多樣性。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 樣品的采集及預(yù)處理

1.2.1 植被的采集及分類(lèi)

對(duì)研究區(qū)詳細(xì)考察的基礎(chǔ)上，選取8種較為典型的植被帶進(jìn)行調(diào)查，分別為小荸薺帶、頭穗苔草帶、長(zhǎng)芒稗帶、蘆葦帶、頭穗苔草帶、鬼針草帶、小葉章帶、菰帶，命名劃分以植物帶中優(yōu)勢(shì)植被為標(biāo)準(zhǔn)。在8個(gè)植被帶中分別針對(duì)每個(gè)研究對(duì)象設(shè)立面積為1 m×1 m 重復(fù)樣方4個(gè)，共建立了32個(gè)樣方(表1)，將32個(gè)樣方表層植物全部采集，分別進(jìn)行分類(lèi)及記數(shù)。

表1 圖們江下游湖泊濕地植被景觀情況

1.2.2 土壤的采集及檢測(cè)

各樣方按對(duì)角線(xiàn)方式選5個(gè)采樣點(diǎn)，分別在各樣點(diǎn)利用土壤采樣器取樣，采樣深度為15 cm，每個(gè)樣方的5份土樣混合均勻取1/5裝入樣品袋中。土壤樣品自然風(fēng)干，剔除動(dòng)植物殘?bào)w，并碾磨過(guò)直徑為0.25 mm的篩子，將土樣充分搖勻，裝入儲(chǔ)存袋中，共計(jì)32個(gè)土壤樣品(pH值6.0～6.5)。每份土壤樣品經(jīng)王水消化法制備成待測(cè)溶液，利用Agilengt 7 500a 電感耦合等離子體儀檢測(cè)重金屬。

1.3 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究方法并結(jié)合本區(qū)域特征，選取新綜合污染指數(shù)法對(duì)湖泊濕地土壤重金屬進(jìn)行污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，并利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)湖泊濕地土壤重金屬污染潛在危害性進(jìn)行分析。

1.3.1 新綜合污染指數(shù)法

以地質(zhì)累積指數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算公式形成新的評(píng)價(jià)方法，該評(píng)價(jià)方法能夠具體反映地區(qū)各重金屬的污染程度，同時(shí)還凸顯了重金屬的富集程度。在分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上，以地質(zhì)累積指數(shù)污染標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行重新調(diào)整[17](表2)。

Igeo=log2[Cn/(k*Bn)]

(1)

(2)

式中，Cn為元素n在沉積物中的含量；Bn為圖們江該元素的土壤背景值，本文選取我國(guó)圖們江平均值(表3)作為土壤背景值，取k值為1.5進(jìn)行計(jì)算。

式(2)中，(Ii)max為各元素地質(zhì)累積指數(shù)的平均值；(Ii)ave為地質(zhì)累積指數(shù)最大值。

表2 新的綜合污染程度分級(jí)

表3 圖們江流域各重金屬的背景值

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是國(guó)際上土壤(沉積物)中重金屬研究的先進(jìn)方法之一。

(3)

(4)

式(4)中，RI為某一點(diǎn)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

本研究選取圖們江流域各重金屬的背景值為參比值。所采取的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)由Hakanson研究得出[18]。結(jié)合二者得出圖們江流域各重金屬的參比值和毒性響應(yīng)系數(shù)(表4)，重金屬潛在生態(tài)危害程度劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表4 圖們江流域各重金屬的參比值和毒性響應(yīng)系數(shù)

表5 重金屬潛在生態(tài)危害程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬含量平均值與參照值進(jìn)行對(duì)比(表6)。

表6 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

注:參照值1為國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照值2為國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(土壤pH值6.5～7.5)。

由表6可知，Ni、Cu低于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，基本為自然生態(tài)背景值；Cr、Zn、As、Pb高于一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，能夠保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康；Cd高于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，需要引起注意。利用卡方檢驗(yàn)對(duì)各重金屬進(jìn)行均勻分布檢驗(yàn)的結(jié)果表明：Ni、Cu、As、Cd、Zn接近顯著性值均>0.05，說(shuō)明這幾種重金屬分布均勻；而Cr和Pb接近顯著性值均<0.05，說(shuō)明這2種重金屬分布不均勻。

2.2 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬污染分析

2.2.1 綜合污染評(píng)價(jià)分析

總體上，圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬平均污染程度較低(表7)，污染等級(jí)均不超過(guò)3級(jí)。在7種重金屬中，富集程度依次為Cd>Pb>As>Cr>Ni>Zn>Cu。7種重金屬中，污染較高的是Cd、Pb和As。

表7 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬的污染指數(shù)

2.2.2 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)分析

單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害狀況表明(表8)，As處于中等潛在危害程度； Cd處于很強(qiáng)的潛在危害程度。綜合潛在生態(tài)危害狀況表明(圖2)，32個(gè)樣點(diǎn)的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)基本介于150～300之間，處于中等潛在危害程度，說(shuō)明各重金屬的總體污染水平不容忽視。

表8 圖們江下游典型湖泊濕地各類(lèi)土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)

圖2 圖們江下游典型湖泊濕地各樣點(diǎn)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)

2.3 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬源解析

為深一步探究重金屬污染源，通過(guò)因子分析法(提取3個(gè)因子，最大收斂性迭代次數(shù)為25次)對(duì)32個(gè)樣點(diǎn)7種重金屬進(jìn)行源解析。KMO及Bartlett球形度檢驗(yàn)表明，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)適宜做因子分析。表9是圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬因子載荷矩陣，3個(gè)因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率是81.008%，分別可以解釋總方差的47.531% ,21.813%和11.554%。第1因子得分主要來(lái)源Cr、Ni、Cu、Zn、Cd，說(shuō)明這幾種重金屬同源；第2因子得分主要來(lái)源Pb；第3因子得分主要來(lái)源As。

表9 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬因子載荷矩陣

3 討論

通過(guò)以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd、Pb、As是圖們江下游典型湖泊濕地土壤主要污染物，且這3種污染物分別對(duì)應(yīng)3個(gè)主要因子。

3.1 農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

化肥的長(zhǎng)期生產(chǎn)和使用增加了土壤環(huán)境中As的污染量，可能導(dǎo)致土壤污染[19]。據(jù)2014年延邊統(tǒng)計(jì)年鑒[20]顯示：琿春市耕地面積從2003年的20 321 hm2到2013年底的34 589 hm2，增加了70.2%。耕地的增加將直接導(dǎo)致農(nóng)藥化肥使用量的增長(zhǎng)。據(jù)2006年琿春市志[21]顯示:琿春市化肥的年均使用量1988—2005年為7 923.3 t。雖然琿春在1989年開(kāi)始推廣優(yōu)化配方施肥技術(shù)，提升了農(nóng)家肥的使用量，但年均使用量1988—2005年仍為53.4 t，還是以化肥為主。

3.2 交通發(fā)展對(duì)湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

Pb污染主要由汽車(chē)排出的含鉛尾氣造成，含鉛廢氣進(jìn)入大氣，從而進(jìn)入土壤造成污染[22]。據(jù)2014年延邊統(tǒng)計(jì)年鑒[20]顯示：2013年琿春市客運(yùn)量為239萬(wàn)人，貨運(yùn)量為377萬(wàn)t，各類(lèi)客貨運(yùn)輸車(chē)輛為18 387臺(tái)；公路運(yùn)輸里程按路況分，有路面里程達(dá)775 km，無(wú)路面里程達(dá)144 km。據(jù)2006年琿春市[21]志顯示:敬信鎮(zhèn)在2001—2005年修建19 km水泥路。2004年，完成了敬信鎮(zhèn)村與村之間互通砂石公路。2005年，敬信鎮(zhèn)鄉(xiāng)村公路里程達(dá)122 km，其中水泥路49.3 km，砂石路72.7 km。

3.3 工業(yè)發(fā)展對(duì)湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

Cd是煉鋅業(yè)的副產(chǎn)品，主要用在電池、染料或塑膠穩(wěn)定劑，它比其它重金屬更容易被農(nóng)作物所吸附[23]。據(jù)2014年延邊統(tǒng)計(jì)年鑒[20]顯示：2013年琿春市規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值為277.3億元，其中，有色金屬冶煉加工業(yè)為0.9億元，計(jì)算機(jī)、通訊和其他電子設(shè)備制造業(yè)為6.6億元，紡織服裝、服飾業(yè)為35.1億元，橡膠和塑料制品業(yè)為5.4億元。全市污水處理率為48.58%，未能處理的工業(yè)污水將直接影響湖泊水質(zhì)，進(jìn)而造成湖泊濕地土壤重金屬污染。

4 結(jié)論

1) 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬Ni、Cu低于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Cr、Zn、As、Pb高于國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；Cd高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。Ni、Cu、As、Zn、Cd分布均勻，而Cr、Pb分布不均勻。

2) 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬平均污染程度較低，污染等級(jí)均不超過(guò)3級(jí)。7種重金屬富集程度依次為Cd>Pb>As>Cr>Ni>Zn>Cu。

3) 32個(gè)樣點(diǎn)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)基本介于150～300之間，處于中等潛在危害程度。As處于中等潛在危害程度，Cd處于很強(qiáng)的潛在危害程度。

4) 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬污染主要有3個(gè)來(lái)源：農(nóng)業(yè)、交通和工業(yè)，As污染主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)，這可能與琿春市農(nóng)藥化肥不斷使用有關(guān)；琿春市交通不斷發(fā)展期間增加了客、貨運(yùn)量，從而直接加劇車(chē)輛尾氣排放，導(dǎo)致Pb污染；Cd污染主要來(lái)源于琿春市有色金屬冶煉加工業(yè)、電子設(shè)備制造業(yè)、服飾業(yè)和橡膠塑料制品業(yè)，屬于工業(yè)污染。

[1] 韓大勇,楊永興,楊楊,等.濕地退化研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(04):289-303.

[2] 胡雷,吳新衛(wèi),周青平,等.若爾蓋濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能:研究現(xiàn)狀與展望[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,42(03):246-254.

[3] 宋偉,陳百明,劉琳.中國(guó)耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究,2013,20(02):293-298.

[4] Armstrong M,Matheron G.Disjunctive kriging revisited: Part II[J].Mathematical Geology,1986,18(08):711-728.

[5] Kumpiene J,Lagerkvist A,Maurice C.Stabilization of As,Cr,Cu,Pb and Zn in soil using amendments-A review[J].Waste Management,2008,28(01):215-225.

[6] Khazheeva Z I，Tulokhonov A K,Yao Rui,et al.Seasonal and spatial distribution of heavy metals in the Selenga River Delta[J].Journal of Geographical Sciences,2008 18(03):319-327.

[7] 蔣晶,皇甫曉東,周禮,等.永州市畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)周邊土壤重金屬污染現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(14):81-83,171.

[8] 王維,張金婷,王偉,等.基于耦合模型的重金屬污染土壤植物修復(fù)效益空間差異分析[J].土壤學(xué)報(bào),2014,51(03):547-554.

[9] 盛蒂,朱蘭保,王丹.蚌埠市售水果重金屬污染及健康風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2014,40(06):837-842.

[10] 李旭,謝永宏,黃繼山,等.濕地植被格局成因研究進(jìn)展[J].濕地科學(xué),2009,7(03):280-288.

[11] 張繼義,趙哈林.植被(植物群落)穩(wěn)定性研究評(píng)述[J].生態(tài)學(xué)雜志,2003,22(04):42-48.

[12] 李廣云,曹永富,趙書(shū)民,等.土壤重金屬危害及修復(fù)措施[J].山東林業(yè)科技,2011(06):96-101.

[13] 周?chē)?guó)華,黃懷曾,何紅蓼.重金屬污染土壤植物修復(fù)及進(jìn)展[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,3(06):33-39.

[14] 熊璇,唐浩,黃沈發(fā),等.重金屬污染土壤植物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012,35(S1):185-193,208.

[15] 朱衛(wèi)紅,郭艷麗,孫鵬,等.圖們江下游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012，32(21):6609-6618.

[16] 孫鵬,朱衛(wèi)紅,苗承玉,等.圖們江下游敬信濕地動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[J].延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2011，33(01):15-21.

[17] 劉衍君,湯慶新,白振華,等.基于地質(zhì)累積與內(nèi)梅羅指數(shù)的耕地重金屬污染研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2009,25(20):174-178.

[18] 蔡怡敏,陳衛(wèi)平,彭馳,等.順德水道土壤及沉積物中重金屬分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(05):1763-1770.

[19] 黃琳,蔡魯晨,賈瑩.我國(guó)環(huán)境中有害重金屬的來(lái)源與分布及防治對(duì)策[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(07):189-190.

[20] 延邊州統(tǒng)計(jì)局.延邊統(tǒng)計(jì)年鑒[M].香港:中國(guó)國(guó)際圖書(shū)出版社,2014.

[21] 琿春市地方志編篡委員會(huì).琿春市志[M].吉林:吉林人民出版社,1988-2005.

[22] 楊景輝.土壤污染與防止[M].北京:科學(xué)出版社,1995.

[23] 冉烈,李會(huì)合.土壤鎬污染現(xiàn)狀及危害研究進(jìn)展[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(04):69-73.

Research on pollution characteristics of heavy metals for typical lake wetland soil in Tumen River downstream

YANG Liang1,2，TIAN Wei2，YANG Meng1,2，XIANG Hengxing2，ZHU Weihong1,2*

(1.KeyLaboratoryofNaturalResourcesoftheChangbaiMountain&FunctionalMolecules,MinistryofEducation;2.SciencesCollegeofYanbianUniversity:YanjiJilin133002,China)

Based on typical lake-wetland of Jingxin wetland, studies on the heavy metal pollution in the soil of lake wetland in Tumen River downstream were conducted. The degree of heavy metal pollution was evaluated by Geoaccumulation index and Nemero index combined with the potential ecological risk index; and,the content property of heavy metals and its source were revealed by factor analysis method(FA). The results showed that 1) Ni and Cu contents were lower than the national grade 1, whereas Cr, Zn, As, Pb contents were higher than the national grade 1 but lower than the national grade 2, in addition, the Cd content was higher than the national grade 2. Ni, Cu, As, Zn and Cd were distributed uniformly, but Cr and Pb were distributed non uniformly; 2) The overall regional pollution level was relatively low, all the pollution indices were lower than the national grade 3. Among the 7 heavy metals, the order of enrichment degree was Cd, Pb, As, Cr, Ni, Zn and Cu; 3) Composite potential ecological risk index (CPERI) of lake-wetland varied from 150 to 300, belonging to the moderate degree of potential ecological risk. As reached the moderate degree of potential ecological risk, whereas Cd reached the extreme degree of potential ecological risk. 4) The pollution in this area was from 3 main sources, As from the agricultural pollution, Pb from the traffic pollution, Cd from the industrial pollution.

Tumen River downstream; lake-wetland; soil heavy metals; pollution evaluation; factor analysis method

2016-07-10 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(413610015)

楊亮(1991—),男，安徽蕪湖人，在讀碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)與生物多樣性。朱衛(wèi)紅為通信作者，

E-mail:whzhu@ybu.edu.cn

1004-7999(2016)03-0185-07

10.13478/j.cnki.jasyu.2016.03.001

X825

A