黃河濕地（小白河片區(qū)）土壤重金屬風險評價

韓劍宏+杜方圓+李衛(wèi)平+高靜湉+王曉云+鮑交琦+樊愛萍

摘要：為了加強包頭黃河濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護和管理，測定了黃河濕地小白河片區(qū)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量，采用地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對濕地土壤重金屬污染環(huán)境質量和潛在生態(tài)風險進行了評價，并采用相關分析和因子分析對濕地重金屬的來源進行了初步的探討。結果表明，黃河濕地小白河土壤7種重金屬平均含量Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。濕地土壤重金屬污染環(huán)境質量和生態(tài)風險評價結果顯示，多種重金屬為中度和偏中度污染，黃河濕地土壤重金屬潛在生態(tài)風險為中等。最后，討論了黃河濕地小白河片區(qū)土壤重金屬的可能來源，表明濕地重金屬主要來源于人為影響因素。

關鍵詞：黃河濕地；重金屬；因子分析；地累積指數(shù)評價；潛在生態(tài)風險評價

中圖分類號： X53文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0239-04

濕地土壤中往往含有毒性較強的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn 等重金屬，其富集對環(huán)境變化具有重要的指示意義。在人類活動頻繁的白洋淀和洞庭湖濕地，濕地土壤中重金屬超過其土壤背景值或土壤質量標準，Cd、Cr 污染較為嚴重[1-2]，人為干擾較小的青海湖和西溪濕地土壤重金屬污染相對較輕[3-4]，生態(tài)環(huán)境良好。

內(nèi)蒙古包頭黃河濕地地處我國寒區(qū)、干旱半干旱區(qū)，是包頭市乃至西北寒旱地區(qū)1個得天獨厚寶貴的自然資源。目前，對于黃河濕地土壤的研究還有所欠缺，因此，該研究加強對濕地土壤重金屬的研究，以期為濕地的生態(tài)環(huán)境的保護提供理論依據(jù)，對濕地科學發(fā)展具有重要意義。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1采樣與樣品分析方法

內(nèi)蒙古包頭黃河濕地（圖1）位于包頭市南側，黃河北岸，由昭君島、小白河、南海湖、共中海和敕勒川5個片區(qū)組成，總面積12 222 hm2。其中，小白河片區(qū)西起昆都侖河東岸、南至黃河中心線、東至畫匠營子水源地保護區(qū)東界、北至小白河應急分洪區(qū)現(xiàn)狀水域北界及分洪區(qū)內(nèi)島嶼南側，總面積 2 257 hm2。

2015年5月，該研究以黃河濕地的小白河片區(qū)（圖2）為主要研究對象，自西向東分布了10個樣方（S1～S10），每個樣方按網(wǎng)格布點選取了5個點位，并將5個點位0～20 cm和20～40 cm土層的土壤分別混合均勻、裝袋、做好標記。

將土壤自然風干、磨碎、過篩。參照《土壤農(nóng)化分析》方法[5]消解土壤，并采用ICP-AES測量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As這7種重金屬元素的含量。應用統(tǒng)計分析軟件SPSS和Excel對 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、 Ni、As這7種土壤重金屬元素含量進行描述性統(tǒng)計分析；運用地累積指數(shù)評價法、潛在生態(tài)風險評價法分別定量的描述黃河濕地土壤重金屬污染超標的程度和對生物危害程度；利用相關分析和因子分析探討重金屬的來源。

1.2土壤重金屬污染地累積方法和潛在生態(tài)風險評價方法

為了更好的描述重金屬污染的水平及生態(tài)風險，采用2種方法進行綜合評價，以便相互補充和借鑒，使評價結果更符合實際情況。

1.2.1地累積指數(shù)評價法地累積指數(shù)評價法（geoaceumulation index，Igeo），是科學家Muller提出的一種研究水環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標[6]。地累積指數(shù)法實質是以現(xiàn)在的重金屬含量除去相應的天然含量或背景含量，從而得到因人為活動而造成的金屬總富集程度[7]。其公式為：

式中：Igeo為地質累積指數(shù)；Cn為某元素n在灰塵及土壤中的實測含量值，mg/kg；Bn為沉積巖中的地球化學背景值，mg/kg；K為修正指數(shù)，一般為1.5。按受污染程度強弱，將地質累積指數(shù)分為7個級別（表1）。

1.2.2潛在生態(tài)危害指數(shù)法生態(tài)風險指1個種群、生態(tài)系統(tǒng)或整個景觀的正常功能受到外界脅迫，是其在目前和將來的健康狀況、結構、生產(chǎn)力、經(jīng)濟價值和美學價值受到影響的可能性及其程度[8]。瑞典科學家Hakanson 提出采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬進行評價（表2）[9]。該方法作為國際上土壤（沉積物）中重金屬研究的先進方法之一，采用具有可比的、等價屬性指數(shù)分級法進行評價

式中：Cif為重金屬的富集系數(shù)，Cif=Cir÷Cin；Cir為第i個采樣點土壤單元素含量實測值；Cin為參比值；Eir為重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)；RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)；Tir為重金屬i的毒性系數(shù)（經(jīng)Hakanson研究[9]，有關重金屬元素毒性系數(shù)為 As=10、Cd=30、Cr=2、Cu=5、Ni=5、Pb=5、Zn=1）。

2結果與分析

2.1土壤重金屬含量

對黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層的7種重金屬元素進行監(jiān)測，結果見表3。

由表3可知，0～20 cm的土壤重金屬含量高于20～40 cm 土壤含量，重金屬受人為干擾較強[2]。其中As含量高于國家三級標準，Cd含量、表層Pb含量、Zn含量高于國家一級標準，Cr含量、表層Ni含量、下層Pb高于背景值低于國家一級標準值，Cu含量、下層Ni含量低于背景值[11-12]。7種重金屬含量從大到小的順序為Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。

2.2地累積指數(shù)評價和潛在生態(tài)風險評價

潛在生態(tài)風險評價與地累積指數(shù)法相互補充和借鑒，以求進一步的完善[13]。采用雙重評價標準[14]進行生態(tài)風險評價，綜合分析濕地土壤重金屬污染情況。

2.2.1地累積指數(shù)評價根據(jù)污染指數(shù)評價公式（1）及河套地區(qū)土壤背景值和我國GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》的一級自然背景值，對黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土壤層次重金屬含量進行地累積指數(shù)評價，結果見表4。

從研究區(qū)域各重金屬的Igeo總平均值看，0～20cm 土層中重金屬元素Cu無污染，Cr、Ni、Pb為輕微污染，Cd、Zn為偏中度污染，As為中度污染；在20～40 cm 土層，Cu、Ni屬無污染水平，Cr、Pb屬輕污染水平，Cd、Zn屬偏中度污染水平，As屬于中度污染水平。

從元素的平均地累積指數(shù)來看，0～20 cm土層的重金屬污染程度為As>Zn>Cd> Pb >Cr>Ni>Cu，20～40 cm土層的重金屬污染程度為As> Cd >Zn>Pb>Cr>Ni>Cu。并且0～20 cm土壤各種重金屬元素地累積指數(shù)均高于20～40 cm土層中的地累積指數(shù)，進一步表明表層土壤中重金屬污染程度要高。

2.2.2潛在生態(tài)風險指數(shù)評價法根據(jù)污染指數(shù)評價公式（2）和（3）及河套地區(qū)土壤背景值和我國GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》的一級自然背景值，對黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm和20～40 cm土壤層次的重金屬含量進行潛在生態(tài)風險指數(shù)評價，結果見表5。

根據(jù)表5可知，在0～20、20～40 cm 土壤層次中，重金屬Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的潛在生態(tài)風險系數(shù)都小于40，屬于輕微生態(tài)危害；重金屬As的潛在生態(tài)風險系數(shù)均大于40，屬于中等生態(tài)危害；重金屬Cd潛在生態(tài)風險系數(shù)均大于80，屬于較強的生態(tài)危害。由以上對潛在危害系數(shù)分析可得，黃河濕地的小白河濕地片區(qū)土壤中重金屬構成的潛在生態(tài)危害影響程度依次為Cd>As>Pb> Ni>Cu>Zn>Cr。由表5可知，重金屬元素在0～20 cm 土壤層中構成的潛在生態(tài)危害程度比在20～40 cm 土壤層中稍高，進一步說明表層土壤受到的污染相比而言較為嚴重。由潛在生態(tài)危害指數(shù)可知濕地土壤整體呈中等生態(tài)危害水平。

3討論

3.1相關分析

當濕地土壤中重金屬元素來源相同或者相似時，其中的各個元素具有顯著的相關性。通過對重金屬元素及其土壤理化性質等參數(shù)之間的相關分析，可以判別濕地土壤重金屬來源及其重金屬元素含量變化的影響因素。相關系數(shù)越大，說明各組數(shù)據(jù)之間的關系越密切，各元素分布或來源越相近，說明可能來源相同或者不同重金屬元素的污染程度相似[15-16]。

本研究分別對黃河濕地小白河片區(qū)土壤中0～20、20～40 cm 土層中不同重金屬元素（As、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr）的含量間進行相關分析，結果見表6。

0～20 cm土層中 As與Cd、Pb、Zn具有較好的相關性，說明As、Cd、Pb、Zn具有相同的來源；Cd于Cu、Ni、Pb、Zn相關性較好，濕地土壤中 Cd 主要來源于周圍生活區(qū)垃圾隨意傾倒[17]；Cr與Ni具有相關性，有研究表明Ni、Cr、Cu來源于母質[7，18]，Cu與Zn相關性較好，Pb、Cu、Zn的分布與汽車活動數(shù)據(jù)是相關的[2]，說明此區(qū)域受人類活動的影響較大。Ni與Pb、Zn具有較好的相關性，說明Ni、Pb、Zn具有相同的來源，而旅游活動是土壤中 Ni、Zn 的重要來源[7]，并有研究表明扎龍濕地東部土壤中 Pb 含量較高與其生態(tài)旅游開發(fā)密不可分[19]。20～40 cm土層中As與Cd、Pb、Zn具有極顯著相關性，與表層土壤中重金屬來源相似。

3.2因子分析

因子分析是基于變量之間的相關性，通過1種降維的方法進行簡單化得到綜合指標（綜合指標是原來多個變量的線性相關組合）。這種綜合指標也可用來反映原來的觀察指標信息[20-22]。因子分析可判別重金屬來源，并采用正交旋轉來突出影響重金屬來源的主要因子。本研究分別對0～20 cm和20～40 cm土層的重金屬進行因子分析，其特征值和因子載荷，見表7、表8。

對黃河濕地小白河片區(qū)0～20 cm土壤樣品中7個指標進行因子分析，提取的2個因子解釋了總方差的74.779%。由表8可知，As、Cd、Pb、Zn在因子1中占了較大的因子載荷；并由表3可知，Cd、Pb、Zn高于國家一級標準，As高于國家三級標準，并且As、Cd、Zn具有中度或偏中度的污染，而As、Cd分別具有中等和較強的生態(tài)危害。Pb常被作為機動車污染源的標志元素[23]，Zn作為1種添加劑被廣泛的應用于汽車輪胎中[24]，所以因子1為人為污染源。Cr、Cu、Ni在因子2中占主要因子載荷，屬于自然因子[7，18]。

同樣對20～40 cm土層的7個指標進行因子分析，提取的2個因子解釋了總方差的92.115%。結果與表層土壤結果類似，因子1為人為污染源，因子2受地球化學成因影響。

綜上分析，黃河濕地小白河片區(qū)土壤重金屬既受自然因子限制，也受人為因素的干擾，且以人為因素占主要部分，尤其是金屬As為中度污染，中等生態(tài)危害。Cd為偏中度污染，具有較強的生態(tài)危害。因此，濕地部門應加強對金屬元素As和Cd的防治和治理。

4結論

（1）黃河濕地小白河片區(qū)土壤中重金屬含量為Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd，其中As超過國家三級標準，0～20 cm土層重金屬元素的含量高于20～40 cm土層；（2）土壤中As為中度污染且中等生態(tài)危害，Cd為偏中度污染且具有較強的生態(tài)危害，Zn為偏中度污染具有輕微生態(tài)危害，其余5種金屬元素污染及危害程度較低；（3）土壤重金屬間具有較好的相關性，說明來源基本一致，有人為污染源和自然因子，其中以人為污染因子占主要部分。

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