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，朱衛紅*

(1.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室;2.延邊大學理學院:吉林 延吉 133002)

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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，朱衛紅1,2*

(1.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室;2.延邊大學理學院:吉林 延吉 133002)

以圖們江下游湖泊濕地植被景觀為依據，選取圖們江下游敬信濕地中典型湖泊濕地為研究區域，對該區域的土壤重金屬進行分析。利用地質累積指數與內梅羅指數相結合的綜合指數法及潛在生態危害指數法進行土壤重金屬污染評價，并通過因子分析法對該地區土壤重金屬含量特征及來源進行分析。研究結果表明：1) Ni、Cu低于國家一級標準；Cr、Zn、As、Pb高于國家一級標準，低于國家二級標準；Cd高于國家二級標準。Ni、Cu、As、Zn、Cd分布均勻，而Cr、Pb分布不均勻；2) 研究區總體污染程度較低，污染等級均不超過3級。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危害指數基本介于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處于很強的潛在危害程度；4) 污染來源主要有3個：As污染來源于農業污染；Pb污染來源于交通污染；Cd污染來源于工業污染。

圖們江下游；湖泊濕地；土壤重金屬；污染評價；因子分析

濕地生態系統是自然界中生物多樣性最豐富的環境。不僅擁有巨大的環境保護功能，還具有為人類社會生產和生活提供各種豐富多樣資源的效益。因此，濕地與海洋、森林合稱為全球3大生態系統[1]。21世紀以來，伴隨經濟增長的城市化導致了湖泊濕地土壤重金屬污染，嚴重制約了人類對于濕地的可持續開發利用及濕地生態系統保護和恢復[2,3]。國內外對于有關土壤濕地重金屬的研究已經達到一個較高的層次，尤其是在重金屬的污染評價，潛在風險評價和土壤重金屬污染改良等技術上較為成熟[4-10]。濕地植被分布格局的形成和維持機理是當前國際濕地生態研究的熱點之一[11,12]，土壤重金屬作為一個影響植被分布的重要因素，已經被越來越多的人所認識[13,14]。

圖們江是我國重要的國際性河流之一，目前該流域濕地生態系統處于中度預警狀態，并且有向重度預警發展趨勢[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，展開圖們江下游流域湖泊濕地土壤重金屬污染特征研究，對圖們江流域濕地生態系統保護和區域可持續發展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖們江位于中國吉林省東部，現為中國與朝鮮的界河。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性氣候,年平均氣溫5.6 ℃，結冰期為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)位于延邊朝鮮族自治州琿春市敬信鎮(圖1)。該鎮濕地類型多樣，分布著湖泊濕地、河流濕地和沼澤濕地等，具有較高的生產力和豐富的生物多樣性。

圖1 研究區概況

1.2 樣品的采集及預處理

1.2.1 植被的采集及分類

對研究區詳細考察的基礎上，選取8種較為典型的植被帶進行調查，分別為小荸薺帶、頭穗苔草帶、長芒稗帶、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勢植被為標準。在8個植被帶中分別針對每個研究對象設立面積為1 m×1 m 重復樣方4個，共建立了32個樣方(表1)，將32個樣方表層植物全部采集，分別進行分類及記數。

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

各樣方按對角線方式選5個采樣點，分別在各樣點利用土壤采樣器取樣，采樣深度為15 cm，每個樣方的5份土樣混合均勻取1/5裝入樣品袋中。土壤樣品自然風干，剔除動植物殘體，并碾磨過直徑為0.25 mm的篩子，將土樣充分搖勻，裝入儲存袋中，共計32個土壤樣品(pH值6.0～6.5)。每份土壤樣品經王水消化法制備成待測溶液，利用Agilengt 7 500a 電感耦合等離子體儀檢測重金屬。

1.3 評價方法

根據國內外研究方法并結合本區域特征，選取新綜合污染指數法對湖泊濕地土壤重金屬進行污染現狀評價，并利用潛在生態危害指數法對湖泊濕地土壤重金屬污染潛在危害性進行分析。

1.3.1 新綜合污染指數法

以地質累積指數為基礎，結合內梅羅綜合污染指數計算公式形成新的評價方法，該評價方法能夠具體反映地區各重金屬的污染程度，同時還凸顯了重金屬的富集程度。在分級標準上，以地質累積指數污染標準為基礎進行重新調整[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，本文選取我國圖們江平均值(表3)作為土壤背景值，取k值為1.5進行計算。

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

表2 新的綜合污染程度分級

表3 圖們江流域各重金屬的背景值

1.3.2 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法是國際上土壤(沉積物)中重金屬研究的先進方法之一。

(3)

(4)

式(4)中，RI為某一點綜合潛在生態危害指數。

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系數由Hakanson研究得出[18]。結合二者得出圖們江流域各重金屬的參比值和毒性響應系數(表4)，重金屬潛在生態危害程度劃分標準見表5。

表4 圖們江流域各重金屬的參比值和毒性響應系數

表5 重金屬潛在生態危害程度劃分標準

2 結果與分析

2.1 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬含量統計分析

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行對比(表6)。

表6 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬含量統計分析

注:參照值1為國家《土壤環境質量標準》的一級標準，參照值2為國家《土壤環境質量標準》的二級標準(土壤pH值6.5～7.5)。

由表6可知，Ni、Cu低于一級標準值，基本為自然生態背景值；Cr、Zn、As、Pb高于一級標準值，低于二級標準值，能夠保障農業生產，維護人體健康；Cd高于二級標準，需要引起注意。利用卡方檢驗對各重金屬進行均勻分布檢驗的結果表明：Ni、Cu、As、Cd、Zn接近顯著性值均>0.05，說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 綜合污染評價分析

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)，污染等級均不超過3級。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

2.2.2 潛在生態危害評價分析

單個重金屬潛在生態危害狀況表明(表8)，As處于中等潛在危害程度； Cd處于很強的潛在危害程度。綜合潛在生態危害狀況表明(圖2)，32個樣點的綜合潛在生態危害指數基本介于150～300之間，處于中等潛在危害程度，說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土壤重金屬潛在生態危害指數

圖2 圖們江下游典型湖泊濕地各樣點土壤重金屬綜合潛在生態危害指數

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，通過因子分析法(提取3個因子，最大收斂性迭代次數為25次)對32個樣點7種重金屬進行源解析。KMO及Bartlett球形度檢驗表明，標準化后的數據適宜做因子分析。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個因子累計方差貢獻率是81.008%，分別可以解釋總方差的47.531% ,21.813%和11.554%。第1因子得分主要來源Cr、Ni、Cu、Zn、Cd，說明這幾種重金屬同源；第2因子得分主要來源Pb；第3因子得分主要來源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

通過以上研究結果發現，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種污染物分別對應3個主要因子。

3.1 農業發展對湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

化肥的長期生產和使用增加了土壤環境中As的污染量，可能導致土壤污染[19]。據2014年延邊統計年鑒[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致農藥化肥使用量的增長。據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年開始推廣優化配方施肥技術，提升了農家肥的使用量，但年均使用量1988—2005年仍為53.4 t，還是以化肥為主。

3.2 交通發展對湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

Pb污染主要由汽車排出的含鉛尾氣造成，含鉛廢氣進入大氣，從而進入土壤造成污染[22]。據2014年延邊統計年鑒[20]顯示：2013年琿春市客運量為239萬人，貨運量為377萬t，各類客貨運輸車輛為18 387臺；公路運輸里程按路況分，有路面里程達775 km，無路面里程達144 km。據2006年琿春市[21]志顯示:敬信鎮在2001—2005年修建19 km水泥路。2004年，完成了敬信鎮村與村之間互通砂石公路。2005年，敬信鎮鄉村公路里程達122 km，其中水泥路49.3 km，砂石路72.7 km。

3.3 工業發展對湖泊濕地土壤重金屬含量的影響

Cd是煉鋅業的副產品，主要用在電池、染料或塑膠穩定劑，它比其它重金屬更容易被農作物所吸附[23]。據2014年延邊統計年鑒[20]顯示：2013年琿春市規模以上工業總產值為277.3億元，其中，有色金屬冶煉加工業為0.9億元，計算機、通訊和其他電子設備制造業為6.6億元，紡織服裝、服飾業為35.1億元，橡膠和塑料制品業為5.4億元。全市污水處理率為48.58%，未能處理的工業污水將直接影響湖泊水質，進而造成湖泊濕地土壤重金屬污染。

4 結論

1) 圖們江下游典型湖泊濕地土壤重金屬Ni、Cu低于國家一級標準；Cr、Zn、As、Pb高于國家一級標準，低于國家二級標準；Cd高于國家二級標準。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，污染等級均不超過3級。7種重金屬富集程度依次為Cd>Pb>As>Cr>Ni>Zn>Cu。

3) 32個樣點綜合潛在生態危害指數基本介于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個來源：農業、交通和工業，As污染主要來源于農業，這可能與琿春市農藥化肥不斷使用有關；琿春市交通不斷發展期間增加了客、貨運量，從而直接加劇車輛尾氣排放，導致Pb污染；Cd污染主要來源于琿春市有色金屬冶煉加工業、電子設備制造業、服飾業和橡膠塑料制品業，屬于工業污染。

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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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(413610015)

楊亮(1991—),男，安徽蕪湖人，在讀碩士，研究方向為環境生態與生物多樣性。朱衛紅為通信作者，

E-mail:whzhu@ybu.edu.cn

1004-7999(2016)03-0185-07

10.13478/j.cnki.jasyu.2016.03.001

X825

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