呼蘭河口濕地表層沉積物表層沉積物重金屬污染評價

姜立偉，惠洪寬，葛 壯

(黑龍江省普通高等學校地理環境遙感監測重點實驗室，哈爾濱師范大學)

0 引言

濕地與森林、海洋一起并稱為全球三大生態系統，作為水陸過渡帶有著巨大的環境調節功能和生態價值，是人類最重要的自然資源，被譽為“地球之腎”.同時濕地一般位于地勢低洼地帶，容易承接大量的人類活動產生的污染物，尤其是河口濕地能截留大量上游排放的污染物，是重要的環境污染物匯集地［1］.一般情況下，濕地沉積物中的重金屬不會對環境造成危害.但當水體環境改變，使沉積物對重金屬的吸附和接納能力超過其最大負荷時，重金屬就會從沉積物中釋放出來，從而對水體產生“二次污染”［2］.重金屬因其易積累性和難降解性，成為濕地環境中具有潛在風險的重要污染物［3］.重金屬在水體沉積物中的分布特征可以反映水體環境重金屬污染程度，同時分析沉積物中的重金屬比單純的水體分析更具代表性，濕地沉積物中重金屬污染已經引起廣泛關注［4］.

呼蘭河口濕地自然保護區位于黑龍江省哈爾濱市呼蘭區南部，地處松嫩平原南部，松花江中游北岸，屬于溫帶大陸性季風氣候.保護區沿松花江北岸東西帶狀延伸，保護區東西長63.5 km，南北寬21.3 km，總面積為 19262 hm2.為了整治松花流域的生態環境，2007年5月，經國務院批準，松花江進入為期十年的“修養期”，以減少污染物的排放和改善水環境.外來污染物的減少使得沉積物對水環境的影響變得顯著.因此，研究沉積物重金屬含量，可以有效的反映區域的污染狀況.前人對呼蘭河口濕地沉積物重金屬分布和潛在生態風險評價的研究較少.該文以呼蘭河口濕地沉積物為研究對象，分析6重金屬(Cr，Ni，Cu，As，Cd 和 Pb)的污染特征和分布規律，運用地累積指數對呼蘭河口濕地進行評價，采用潛在生態危害指數法對護欄呼蘭河口濕地沉積物的重金屬潛在生態危害進行評價，以期為呼蘭河口濕地水體重金屬污染防治提供理論依據，為濕地環境保護及合理開發利用提供理論支持.

1 材料與分析、評價方法

1.1 樣品采集及處理

2012年9月，對呼蘭河口濕地研究區的7個樣點進行樣品采集，采樣點位置如圖1所示.采用柱狀采泥器，采集0～20 cm表層沉積物，用潔凈的聚乙烯自封袋保存，排盡空氣后放入冰盒冷凍保存，運回實驗室在－20℃冰箱里保存備用.沉積物樣品經過干燥，剔出礫石、雜草等物后進行研磨，用口徑0.075 mm的篩網過篩后待分析.

圖1 呼蘭河口濕地采樣點示意圖

1.2 樣品分析

沉積物樣品經HCL－HNO3－HCLO4－HF硝化處理后，利用美國Agilent 7500cx型電感耦合等離子體質譜儀(ICP－MS)測定.分析過程采用超純水，所用試劑均為優級純.同步測定空白樣、平行樣，以保證分析的準確性，結果符合國家沉積物標準品GSD－7(GBW－07307)的質控要求.

1.3 沉積物重金屬評價方法

1.3.1 地累積指數法

地累積指數法［5］德國科學家 Müller(1969)提出的一種對沉積物重金屬污染評價的方法，被廣泛用于研究沉積物中重金屬污染的評價，其計算公式如下:

式(1)中Igeo為地累積指數，Cn為沉積物中某一重金屬的實測含量(mg·kg－1);K為各地巖石的巖性差異可能會引起背景值的變動而取的系數(一般取1.5);Bn為沉積巖中的地球化學背景值，該文選取黑龍江省松嫩平原土壤背景值［6］為重金屬的Bn，見表1.根據Igeo的計算結果，重金屬污染程度共分為7個等級［7］見表2.

表1 松嫩平原土壤背景值及毒性響應系數

表2 Muller污染指數分級

1.3.2 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法是瑞典學者Hakanson提出的對沉積物中重金屬潛在生態危害的一種評價方法.該方法考慮了重金屬的生物毒性及其在沉積物中的遷移轉化規律，可以綜合反映沉積物中重金屬的潛在生態危害，其計算公式如下:

式(2)中為重金屬的富集系數;為重金屬i的濃度實測含量;為計算所需的參照值為重金屬毒素響應系數;為第i種金屬的潛在生態危害系數;RI為綜合潛在風險指數表征重金屬的毒性水平以及水體對重金屬污染的敏感程度［8］其毒性系數見表1.RI與的指數分級標準［9］見表 3.

表3 綜合及單項潛在生態風險評價指數與分級標準

2 結果與分析

2.1 表層沉積物重金屬的含量

呼蘭河口濕地沉積物重金屬含量如圖2所示.由圖2 可以看出，元素Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd

圖2 呼蘭河口濕地沉積物中各種重金屬含量分布圖

表現出相似的含量變化趨勢.沉積物重金屬豐度值大小為Pb＞Cr＞Ni＞Cu＞As＞Cd，這與中國土壤化學元素豐度值大小略有差異［10］人為因素可能是導致這種差異的主要原因.各元素的平均含量:Cr為 19.44 mg·kg－1，Ni為12.28 mg·kg－1，Cu 為 8.04 mg · kg－1，As 為7.54 mg·kg－1，Cd 為 0.16 mg · kg－1，Pb 為24.74 mg·kg－1.除元素 Cd、Pb 略高于松嫩平原土壤背景值外，元素 Cr、Ni、Cu、As均低于松嫩平原土壤背景值.

呼蘭河口濕地表層沉積物中 Cr、Ni、Cu、As、Cd和 Pb 的變異系數分別為 22.3%、6.0%、8.1%、14.5%、20.9% 和 6.8%(見表 4)，Cr 和Pb變異系數均大于20%，屬于中等變異強度.沉積物樣品中Cr和Cd最大值和最小值之間相差較大.其中Cr最大值是最小值的1.8倍，S1點和S7點的Cr值明顯高于其他點，而S1點和S7點位于岸邊，受當地人類活動影響較大，這可能是導致Cr值變化較大的原因.Cd最大值是最小值的1.6倍，Cd的變化規律性不明顯，最大值出現在S7點，這與Cr最大值位點相同，表明二者可能存在相同或相似的污染源.Cd最小值出現在S2點，S2點靠近松花江干流，受呼蘭河河水和當地人類活動的影響相對較少，這可能是導致S2點低于其他位點的原因.但總體上看越靠近濕地邊緣和島嶼Cd的含量值越大.其他元素值的變化幅度較小，但變化趨勢比較明顯，一般濕地邊緣的各元素值大于濕地內部各元素值.岸邊的旅游度假村生活污水排放和當地的水禽養殖對重金屬元素富集程度影響較大，濕地內部的旅游開發對重金屬元素的影響不顯著.

表4 呼蘭河口濕地表層沉積物重金屬統計特征值 mg·kg－1

2.2 沉積物重金屬污染程度評價

2.2.1 地累積指數法

呼蘭河口濕地沉積物中重金屬元素的地累積指數分級統計結果見表5.從單個重金屬Igeo來講，呼蘭河口濕地沉積物中Cd的污染情況最為嚴重，7個采樣點均達到了Ⅰ級(無污染—中等污染).其他重金屬元素均處在無污染狀態.各種金屬元素污染程度有強到弱大致為Cd＞Pb＞As＞Ni＞Cu＞Cr.從點位上看，S7點的污染最為嚴重，Cd元素屬于“輕度”污染，其他元素在同類元素對比中值也偏高.這與S7點位于呼蘭河口濕地公園入口附近，車流量較大，人類活動頻繁有關.雖然呼蘭河口濕地外圍用鐵絲網進行隔離保護，區域內使用環保電瓶車，生態環境得到改善，但從評價結果來看，濕地北部的污染程度還是要比南部稍高.

表5 沉積物重金屬污染地累積指數Igeo及分級

2.2.2 潛在生態風險評價

采用Hakanson提出的潛在生態風險指數法，對呼蘭河口濕地表層沉積物中的元素Cr、Ni、Cu、As、Cd和Pb進行潛在生態風險評價，其結果見表6.

從單因子潛在風險系數可以看出呼蘭河口濕地沉積物中6種重金屬元素的潛在生態風險程度大小順序為Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr.其中As、Pb、Ni、Cu和Cr的均小于40，表明這5種重金屬元素均屬于輕微生態危害.沉積物中Cd值均大于40，屬于中等生態危害，這表明呼蘭河口濕地在一定程度上存在中等程度的Cd污染的潛在風險.從綜合潛在風險指數RI的值分析，整個呼蘭河口濕地的RI介于71.93 ～105.44，平均值為89.71，其中Cd是RI值的主要貢獻者，沉積物重金屬RI的另一個主要貢獻者是Pb.總體屬于輕微生態危害，情況良好.RI最高點是S5點，其次是S7點和S1點，這與前面地累積指數法評價的結果略有差異.因此只有將重金屬元素的累積程度與其對濕地生態系統的危害程度結合起來，才能更加全面的反應沉積物中重金屬的污染狀況［11］.

表6 呼蘭河口濕地沉積物重金屬生態風險評價指數

2.3 沉積物重金屬元素相關性分析

如果同一水域沉積物重金屬相關性較好，說明其可能具有相似的來源和分布［12－13］，呼蘭河口濕地沉積物重金屬元素之間的相關性分析結果見表7.Cr和Ni元素在P＜0.05水平上存在顯著的正相關，表明呼蘭河口濕地沉積物中Cr和Ni可能具有相同或相似的污染來源.其他元素之間沒有顯著的相關性，通過前面分析得出，呼蘭河口濕地重金屬污染程度較輕，說明沉積物中的重金屬含量受當地土壤環境影響較大，受外來污染源影響較小.

上述分析結果表明，呼蘭河口濕地重金屬元素污染程度和潛在生態風險程度均較低，整個區域未達到污染程度，但局部的區域Cd元素污染程度較高.該研究的呼蘭河口濕地沉積物重金屬的平均值(表1)與2011年孫洋陽［14］研究結果對比表明，呼蘭河口濕地表層沉積物重金屬含量有所增大，因此，對呼蘭河口濕地生態環境的保護不容忽視.

表7 呼蘭河口濕地沉積物重金屬元素的相關性

3 結論

(1)呼蘭河口濕地濕地沉積物的重金屬含量測定結果表明，Cr、Ni、Cu、As、Cd 和 Pb 的含量的平均值分別為 19.44、12.28、8.04、7.54、0.16和 24.74 mg·kg－1，除 Cd 外，其他元素的平均值均小于松嫩平原土壤背景值.

(2)呼蘭河口濕地沉積物重金屬地累積指數分級程度強弱順序為Cd＞Pb＞As＞Ni＞Cu＞Cr.所有重金屬元素中，Cd的污染程度最高，接近中等程度污染，其他重金屬元素均處在無污染狀態.濕地北部的污染程度高于南部.

(3)Hakanson潛在生態風險評價結果表明，呼蘭河口濕地沉積物重金屬危害程度排序為:Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr，除Cd處于中等生態危害等級外，其他重金屬元素均處在輕微生態危害等級.從綜合生態潛在風險指數分析，研究區總體處于輕微生態危害等級.Cd是研究區主要的潛在生態危害重金屬污染物，應該引起重視.

(4)呼蘭河口濕地沉積物重金屬元素之間的相關性較差，重金屬污染程度較低，說明研究區重金屬元素受土壤背景影響較大，外在污染源相對較少.

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