高原城市梯級濕地底泥重金屬時空分布及生態風險評估才項措

毛周強 毛旭鋒

摘要 為探究城市梯級濕地構建后，底泥重金屬的時空分布及其潛在的生態風險，運用地累積指數法分析了西寧市火燒溝城市濕地構建8年后底泥中5種重金屬的污染狀況，并采用Hakanson潛在生態危害指數法，評估了2018年濕地底泥的污染風險等級，探討了潛在的影響因素。研究發現，時間上，2018年底泥中多數重金屬元素平均含量相較2012年的監測結果有下降趨勢，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;綜合潛在生態危害指數表明，重金屬元素Cd處于很高生態風險水平，且生態危害指數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險防控提供參考依據。

關鍵詞 濕地;重金屬;時空分布;風險評價;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域內具有水陸過渡性質的生態系統，如水源保護區、河岸、自然和人工池塘等[1]。城市濕地作為城市綠地生態系統的重要組成部分，是城市生態資源最豐富的區域，在降解污染物、涵養水源、調節氣候、保護生物多樣性等方面發揮了重要作用[2]。重金屬作為一種持久有毒性的污染物，進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]。

隨著城市化進程的加快和人口的增加，城市濕地受到了人類活動的強烈干擾，伴隨著工業化的發展，工業“三廢”、城市交通運輸、居民生活垃圾等的排放、土地利用變化等使重金屬進入空氣、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。底泥作為水生生態環境的重要組成部分，在為水生動植物生長提供基本養分的同時也是各種污染物富集的場所，通過檢測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利用，濕地生態環境質量變差，水體、動植物和土壤受到污染。關于城市濕地的生態保護、修復及可持續利用等方面的研究結果表明，我國城市濕地存在水質污染、面積縮小、水土涵養功能退化、生物入侵及嚴重的富營養化等問題[6-7]。近年來關于城市濕地水體沉積物重金屬污染問題越來越受到國內外學者的關注。

目前，國內關于城市濕地重金屬風險評價的研究多集中于人口密集以及工業和經濟較為發達的地區，以地累積指數法和潛在生態危害指數法為主要評價方法[8]，分析濕地水體沉積物中不同重金屬的來源、污染現狀、空間分布以及生態風險評價等[9-11]。針對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、經濟、文化中心，隨著城鎮化速率的加快，人類活動對濕地生態環境的影響日益加劇。該研究以青海省西寧市火燒溝濕地為對象，通過采集火燒溝濕地九級階梯底泥、動植物樣本，測定并分析了沉積物中重金屬As、Cd、Cr、Pb和Zn含量，分析其時空分布特征并采用潛在生態危害指數對火燒溝濕地底泥進行生態風險評估，以期掌握火燒溝濕地底泥重金屬的污染現狀，為高原城市濕地生態修復和保護提供基礎資料和決策依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

火燒溝濕地位于青海省西寧市城西區中部，沿南北向分布的狹長溝谷，溝道總長約20 km，在城西區內長度約9 km，屬于湟水一級支流，黃河的二級支流，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，發育高山地貌和第四紀黃土溝谷，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，水土流失嚴重。2010年市政府對火燒溝進行了綜合治理，將火燒溝下游的城市河道改造成為9級人工階梯濕地，通過土地整理、水文修復、河岸改造、濕地植物補植等措施對該濕地進行生態環境修復。經過多年的生態恢復，植被覆蓋度提高，水土流失減少，火燒溝濕地已經成為西寧市區重要的濕地景觀。然而，火燒溝梯級濕地在提供凈化水體、休息娛樂的同時，底泥中大量富集包括重金屬在內的污染物質，其潛在的生態風險也不斷加大[12]。對其重金屬進行持續分析和監測，才能有效控制其生態環境風險，保證湟水乃至黃河的生態安全。

改造后的濕地全長2.8 km，河流均深0.7 m，由上到下共分為9級，每一級由高2～5 m的攔河壩隔開，海拔最低為河流下游區域A，最高為河流上游區域I。濕地周邊主要分布有居民區、商業區、道路和綠化帶，其中階梯A、B、D、E、F兩側主要為植被綠化帶，階梯A、D、G、H內有城市主干道穿插而過，9級階梯兩側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，每個階梯中均布設2～4個平行樣，底泥選取每個階梯中人類活動較弱、底泥質地均一的區域進行采集，將底泥表層2～5 cm樣品采集后，放入干凈的自封袋中并標以記號，送往實驗室分析。所有樣品在105 ℃下烘烤30 min后，在烘干箱內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，標號待測。

1.3 樣品分析與數據處理

濕地底泥中的重金屬元素Cd、Cr、Pb、Zn、As含量測定均依據GB/T 1561—2008（修訂版）中規定的電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）[13]。數據采用Origin進行處理與分析，采用IBM SPSS statistics 19軟件對數據進行相關性分析，底泥中的Cd、Cr、Pb、Zn和As的平均值、最小值、極差、變異系數等采用Excel 2010進行統計處理。采用重金屬潛在生態危害指數法來評價重金屬污染狀況，并分析每種重金屬含量在濕地階梯的分布特征。

1.4 數據評價方法

1.4.1 地累積指數法。

2 結果與分析

2.1 底泥重金屬的時空分布特征

2.1.1 總體情況。研究區內濕地底泥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，還超過了國家二級標準值;重金屬元素Cr與Zn的平均含量超出西寧市土壤背景值，但未超過國家二級標準;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家二級標準。變異系數為反映數據離散程度的數值，可以比較不同量綱的指標[17]。將變異系數劃分為3個等級，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。因受不同的自然環境和人類活動影響，濕地不同區域土壤重金屬在水平方向上分布差異顯著[20]。火燒溝城市濕地底泥重金屬的分布存在差異，為探究其空間分布的特點與規律，對不同重金屬9級階梯含量進行空間分布研究（圖2）。重金屬元素As在9級階梯中呈現從下游至上游逐步增多的趨勢，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級階梯中分布趨勢相似，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，主要分布在居民區與道路兩側;重金屬元素As、Cd與Pb在階梯中從下游至上游總體呈現上升趨勢，在上游地區含量較高，說明其污染源分布在上游地區。重金屬元素Cr與Zn在空間分布上也呈現相似性，其含量在階梯中呈現出高—低—高的趨勢，在階梯E與F中含量較低，總體上呈現下降趨勢，且含量較低區域兩側居民區較少，多為綠化帶。

2.1.3 底泥重金屬的動態變化。受濕地水環境變化和人類活動等影響，土壤重金屬含量表現出明顯的時間變化特征[20]。將2012年與2018年火燒溝濕地重金屬元素As、Cd、Cr、Pb、Zn的平均值進行對比[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減少的趨勢，一方面可能是濕地內大量植被形成阻隔，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[21]。同時值得注意的是，與2012年相比，重金屬元素Cd的濃度增加至2倍，呈現明顯上升趨勢。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在西寧市開發區和礦治區的活性相對其他功能區較高，說明火燒溝濕地上游地區的工廠、濕地兩側交通干道汽車汽油的燃燒和輪胎磨損產生的含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污染評價

根據公式（1）計算火燒溝濕地底泥地累積指數得出，火燒溝濕地底泥中重金屬Igeo數值總體在-2.37～2.93（表4），重金屬元素As與Pb的地累積指數顯示其在9個階梯中為無污染;元素Cd在階梯E中為無污染，階梯F為輕度污染，在9個階梯中有5個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中地累積指數最高;元素Cr在階梯A、B、D中顯示為輕度污染，其余6個階梯均為無污染;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;其余元素均呈現偏中度或輕度污染。

2.3 底泥重金屬潛在生態風險評估

根據公式（2）、（3）計算火燒溝城市濕地底泥單個重金屬的潛在生態危害指數（Eir）及重金屬元素As、Cd、Cr、Pb及Zn在9級階梯中的綜合潛在生態危害指數（RI）。

火燒溝濕地底泥單個重金屬的潛在生態危害指數（Eir）從大到小排序為Cd（163.12）、As（6.25）、Pb（3.73）、Cr（2.57）、Zn（2.39）（表5）。元素Cd的潛在生態危害指數最大，平均值為163.12，為很強生態危害水平，這說明元素Cd在研究區內污染程度較重;元素As、Cr、Pb與Zn的潛在生態危害指數顯示其均為輕微生態危害。

重金屬元素As、Cd、Cr、Pb與Zn在9級階梯中的綜合潛在生態危害指數（RI）排序為H（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，屬于強生態危害;階梯A與I為中等生態危害。階梯A、H、G、I處于高生態危害主要與元素Cd含量超標相關，元素Cd在這4個階梯的污染較高，可能與其周圍為居民住宅區且上游有工廠有關;階梯B、C、D、E、F為輕微生態危害。總體上，火燒溝9級階梯濕地底泥重金屬潛在生態危害程度主要受重金屬元素Cd影響。

2.4 底泥重金屬相關性

在同一區域內，土壤重金屬污染物的富集有可能是同一種污染源導致，也可能是多種污染源共同作用產生，具有相同污染來源的重金屬之間存在一定的相關性[24]。城市濕地中的重金屬主要來源于大氣降塵、生活污水、汽車尾氣及工業三廢的排放等，人類活動越頻繁的區域濕地重金屬累積越嚴重，但濕地中多種水生植物對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性，可以了解其沉積環境，有利于重金屬元素污染來源的研究。該研究采用Pearson相關系數對采樣點底泥各重金屬元素含量進行分析，來推測火燒溝城市濕地各重金屬的主要來源。Pearson相關系數表明相關性越顯著，來源于同一污染源的可能性越大，否則存在多個污染源[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（P<0.05），相關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性，可能來自多個污染源。底泥中元素As的含量未超過青海平均值與國家平均值，說明元素As以自然沉積為主。

3 結論

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家二級標準，且顯示為高度變異，可能存在點源污染;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）對火燒溝濕地時空分布分析得出，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，受人為擾動因素較大。

（2）地累積指數評價顯示重金屬元素Cd在階梯G與H中污染最高，顯示為中度污染;Cd的潛在生態危害指數為最高，階梯G與H顯示為強生態危害。人類活動是影響濕地生態環境的主要因素，針對濕地中污染較高的元素，應該采取相應措施減緩重金屬污染。

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