草海湖濕地重金屬分布特征及污染負荷

張珍明，林紹霞，張清海，郭 媛，林昌虎3，

（1.貴州省生物研究所，貴陽550009；2.貴州省理化測試分析研究中心，貴陽550002；3.貴州科學院，貴陽550001；4.貴州大學 貴陽550025）

濕地是地球上水陸交互作用形成的獨特生態系統，它不僅為多種動植物提供了賴以生存的場所，也在抵御洪水、調節徑流、蓄洪防旱、控制污染等方面起著舉足輕重的作用[1]。隨著人類活動領域的擴大和物質需求的不斷增加，人類對各類濕地資源的干預和利用強度也在不斷加大[2]。由于盲目的開墾和過度占用濕地，工農業生產導致濕地土壤污染嚴重，土地資源利用不合理，濕地泥沙日益嚴重淤積等眾多原因，目前我國濕地退化嚴重[3]。草海湖濕地位于貴州省西部，是一個完整的、典型的喀斯特高原濕地生態系統，是國家一級高原濕地，在我國為數不多的亞熱帶高原喀斯特濕地生態系統中，草海生態系統的脆弱性、典型性、重要性、生物多樣性等都具有代表意義。但隨著草海湖區域旅游業和農業生產的快速發展，草海湖濕地土壤環境急劇惡化，正威脅著草海湖濕地生態系統的自然性和穩定性。

隨著人類活動強度的增大，在濕地生態系統中土壤重金屬含量超標較為普遍，它不僅毒害土壤—植物系統，降低農作物的品質，而且通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，最終進入食物鏈直接、間接危害人類生命健康[4－7]。目前對草海生態環境的研究工作集中在草海生物多樣性[8－9]及地球化學過程[10－11]方面，針對草海濕地中多種重金屬綜合污染方面的研究甚少報道。為此，筆者以草海湖濕地土壤為研究對象，探討草海典型濕地土壤中的7種重金屬元素含量和空間分布特征進行分析，以期為貴州湖濕地的保護提供基礎資料和決策依據。

1 研究區概況

草海高原濕地位于貴州省威寧彝族回族苗族自治縣縣城西南側，位于東經104°10′16″—104°20′40″，北緯26°47′32″—26°52′52″，平均海拔為2 171.7m，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫10.5℃，年均日照時數1 805.4h，年均降雨量950.9mm，降雨主要集中于夏季，是貴州省境內降水量最少的地區。草海屬于長江水系，是金沙江支流橫江洛澤河的上源湖泊，其水源補給主要靠大氣降水。草海保護區面積96 km2，湖面面積大約僅有25km2。草海高原濕地盆地內的土壤大部分為黃棕壤，具有相對濕度大，淋溶作用強，呈酸性，有機質含量高的特征，在常年被湖水淹沒的盆地淤泥地帶則是泥炭化的沼澤土。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與制備

于2010年8月（豐水期）及2011年3月（枯水期）兩個時期對草海周邊土壤和表層沉積物進行布點采樣，根據研究目標，結合草海湖泊地貌實際情況并參考威寧縣環境監測中心水質監測斷面底泥調查所布設的點位，制成采樣分布圖（圖1）。表層沉積物采樣路線設計以草海湖泊中心為起點，向3個方向輻射，在草海湖的東區、西南區和西北區三個區域布點采樣：東區緊靠威寧縣城，是城市生活污水的排污口，也是草海旅游的主線路；西南區水生植被豐富；西北區則是草海湖的出水口。采用S形方式進行采集5～8個采樣點為一個混合樣，每個點采集0—20cm土層土壤樣品。合計采集92個土壤樣品，其中采集底泥樣品54個，草海湖周邊區域采集農用地土壤樣品22個、林地土壤樣品5個、沼澤草地土壤樣品11個。

圖1 草海底泥樣品采樣點示意圖

將采集的樣品分別裝入不含重金屬的布袋帶回實驗室，將土樣按編號倒入干凈的塑料膜上，在半干狀態下把土塊壓碎，并剔除植物殘體及大礫石等非土壤物質，均勻鋪開，置于陰涼通風處自然晾干。晾干后充分混勻，按對角線四分取土法分取一半樣品研磨，另一半作為備用樣品保存。樣品全部過2mm尼龍網篩，備用；取過2mm篩的土樣20g左右經瑪瑙研缽研細全部過0.15mm尼龍網篩，充分混合均勻供分析測試用。為防止樣品制備產生二次污染，樣品采集、混合、裝袋、粉碎、研磨等處理過程均采用木頭、塑料、瑪瑙等用具。

2.2 測試方法

本實驗所用試劑均為優級純、二次去離子水，每10個樣品加1個空白樣，以控制整個流程和試劑及容器的清潔程度，每批樣隨機設定40%的平行樣本數，平行樣品間的相對偏差控制在限定范圍內。重金屬均采用六點標準曲線外標法定量，各指標標準曲線r值大于0.99，測定過程中采用平行樣和標準參考物質（GSS2－GSS5）來控制準確度。重金屬具體檢查方法如表1所示[12－13]。

2.3 評價標準與方法

草海是國家級自然保護區，其土壤環境質量應符合《土壤環境質量評價標準》（GB15618－1995）中一級標準限值，但是由于貴州省土壤重金屬元素的背景值較高，Cd，As，Pb，Cr含量均高于一級標準，尤其Cd含量更是一級標準限值的3倍有余，為了更好地反映草海地區土壤重金屬的外源污染情況，本文以貴州省土壤元素背景值[14]作為評價基準（表2），運用單因子污染指數法和污染負荷指數法對草海濕地土壤重金屬污染情況進行評價，首先根據某一點的實測重金屬含量進行最高污染系數（CF）計算：

式中：CFi——元素i的最高污染系數；Ci——元素i的實測含量；Bi——元素i的評價標準，基線值或背景值。

某一點的污染負荷指數（PLI）為

式中：PLIsite——某一點的污染負荷指數；n——參加評價的元素個數。

某一區域的污染負荷指數為

式中：PLIzone——某一區域的污染負荷指數；n——該區域內所包含的樣點數。

表1 土壤重金屬檢測方法

表2 土壤重金屬污染評價基準

污染負荷指數法是由評價區域所包含的多種重金屬成分共同構成，它能直觀地反映各個重金屬對污染的貢獻程度以及重金屬在時間、空間上的變化趨勢，應用比較方便。該方法的獨特之處在于它的高度概括性，由點指數求出區域指數，由區域指數求出整個地區的指數。因此這種方法非常適合于多個區域污染狀況的對比評價。土壤重金屬污染指數分級標準見表3。

表3 污染分級標準

3 結果與分析

3.1 不同土壤利用方式下土壤重金屬含量分布特征

草海不同土壤利用方式下重金屬含量水平如表4所示，草海各類土壤7種重金屬含量的中值和平均值都比較接近，說明基本未受到特異值影響。土壤中重金屬含量的最大值與最小值差別較大，是最小值的幾倍、幾十倍甚至上百倍，可見各采樣點重金屬含量的分布并不均勻。本研究中7種重金屬中，Cd，Zn，Hg含量均明顯高于貴州土壤背景值，3種重金屬在草海土壤中出現了明顯的富集，其中以Cd積累負荷最大。草海位于貴州西部的Cd、Hg高背景值區域，土壤中Cd，Hg含量比全省的其他地區都高[15]。另一方面主要是由于草海周邊及鄰縣曾存在的土法煉鋅工藝所致，Cd，Hg均不同程度地與Zn伴生，在草海周邊曾出現大規模土法煉鋅產生的大量廢渣，重金屬在長期的自然環境影響下，富集于草海土壤中[16]。從空間分布規律來看，草海濕地土壤Cd和Zn分布特征為：底泥＞農用地＞沼澤草地＞林地；Cr的分布特征為：沼澤草地＞林地＞農用地＞底泥；Pb和Cu含量的分布特征為：農用地＞底泥＞沼澤草地＞林地；Hg的分布特征為：底泥＞沼澤草地＞農用地＞林地；As的分布特征為：林地＞農用地＞沼澤草地＞底泥。

以變異系數的大小定量反映調查區域內各項指標含量的波動程度，可知，除農用地土壤中Cu的變異系數大于100%，達到強變異程度外，草海不同土壤重金屬的變異系數都在10%～100%之間，表現出中等程度的變異性。草海底泥和草海湖周邊的沼澤草地、農用地都以As的變異系數最小，分布最為均勻；而林地則以Cr的空間分布最為均勻。草海不同土壤7種重金屬中變異系數最大、分布最不均勻的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼澤草地是Zn、農用地則是Cu。

表4 不同土壤利用方式下重金屬含量

3.2 草海濕地土壤重金屬污染指數

3.2.1 單因子污染指數 草海底泥7種重金屬中，對環境構成污染的有Cd；Hg和Zn，且均已達到重污染程度，其污染程度為Cd（PCd＝27.45）＞Hg（PHg＝4.91）＞Zn（PZn＝4.33）；除此之外，其它元素Pi平均值均小于1，尚未構成污染。時間上，Cd，Hg和Zn的污染程度都是枯水期較為嚴重，主要原因是人類活動向湖泊底泥中輸入了Cd，Hg和Zn含量，加之水文因素、徑流淹沒頻率等因素影響；空間上，三種重金屬的污染程度都是S區＞N區＞E區，且基本都呈現出距岸邊越遠污染越嚴重的趨勢。可見，草海底泥各種重金屬元素的富集程度差異極大。其主要與旅游開發過程中人類活動對水環境的流動性影響，其間接影響重金屬遷移沉積的速率，E線為草海湖的上游，旅游過程中大部分船只均能到達，而S線主要是草海湖的靜水區，人為活動較小（圖2）。

不同土地利用類型在植被類型、植被蓋度、人類活動等指標上存在差異顯著，其中人為活動對農用地表現尤其明顯，故草海湖周邊的農用地7種重金屬含量超標的有Cd，Pb，Hg，As和Zn，其中Cd，Hg達到重污染程度，Zn為中度污染，Pb和As為輕度污染。沼澤草地7種重金屬含量超標的有Cd，Hg和Zn，其中Cd，Hg達到重污染程度，Zn為中度污染。林地在植被類型和植被覆蓋度明顯高于其他兩種土地利用方式，故7種重金屬超標的有Cd，Hg，As和Zn，且都達到輕度污染程度，對于草海土壤重金屬潛在生態風險來說，Cd表現為首要的風險因子，其次為Hg和Zn，所以在草海環境管理與重金屬防治工作中，需將Cd，Hg，Zn作為重點治理目標，采取必要措施以防止其向草海水體的遷移（圖3）。

圖2 草海胡底泥單污染指數

圖3 草海周邊不同利用方式土壤單污染指數

3.2.2 污染負荷指數 由表5可知，豐水期16個采樣點中，有9個點重金屬含量達到中等污染水平，另外7個點重金屬含量均達到強污染水平，3個采樣區底泥的重金屬污染程度為S區＞N區＞E區，豐水期草海底泥重金屬總體污染指數為1.68，達到中等污染水平；枯水期16個采樣點中，有10個點重金屬含量達到中等污染水平，6個達到強污染水平，比較3條采樣線上重金屬含量特征發現，7種重金屬在3條線上分布特征表現為S區＞N區＞E區，枯水期草海底泥重金屬總體污染指數為1.89，達到中等污染水平。E線為草海湖旅游的主航線，旅游過程中大量船只由此進入湖泊，加速水體的流動性，間接影響重金屬遷移沉積的速率及空間分布。而靠近湖畔的E區接近航渡碼頭，人為活動對水質環境的影響嚴重。

表5 草海底泥重金屬污染指數及污染狀況

3.3 草海濕地土壤重金屬污染特征

草海湖周邊農用地土壤重金屬總體污染指數為1.29，達到中等污染程度，22個采樣點中有4個點無污染，1個點強污染，1個點極強污染，其余均為中等污染。沼澤濕地土壤總體污染指數為1.26，也是輕度污染，11個采樣點中有10個輕度污染，1個無污染。林地土壤基本沒有重金屬污染問題，總體污染指數為0.77，5個采樣點中僅有一個污染指數達到1.00，其它點均無污染。

圖4 草海湖周邊土壤各污染等級樣本數

4 結論

（1）草海不同土壤重金屬的變異系數都表現出中等程度的變異性。草海底泥和草海湖周邊的沼澤草地、農用地都以As的變異系數最小，分布最為均勻；而林地則以Cr的空間分布最為均勻。草海不同土壤7種重金屬中變異系數最大、分布最不均勻的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼澤草地是Zn、農用地則是Cu。

（2）草海底泥中Cd、Hg和Zn含量極高，分別為18.09mg／kg，0.54mg／kg，431.31mg／kg，均已達到重污染水平，Cu，As，Cr，Pb四種重金屬尚未構成污染。草海底泥重金屬污染水平為中等污染，且枯水期污染略重；空間分布上，S區的大部分采樣點及其他兩區靠近湖心的采樣點污染較重，三個采樣區都呈現距岸邊越遠污染越重的趨勢。

（3）草海各類土壤重金屬污染程度為：底泥（中等污染）＞農用地（中等污染）＞沼澤草地（中等污染）＞林地（無污染）。在草海旅游管理中，需將湖泊底泥作為重點防治對象，采取必要措施以防止其重金屬向草海水體的遷移。

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