黑龍江三江自然保護區天然濕地土壤重金屬含量及污染評價

李海興　趙琬婧　武逸峰　劉子涵　王清波　付東風　孫曉新

（1 東北林業大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2 黑龍江三江國家級自然保護區管理局，黑龍江 撫遠 156500；3 黑龍江三江平原濕地生態系統國家定位觀測研究站，黑龍江 撫遠 156500）

重金屬具有強烈的生物毒性、生物富集性和污染持久性等特點，其在生態環境中的含量、分布特征及污染評價是人們需要關注的問題（于君寶等,2011）。濕地土壤重金屬累積主要是由人類活動導致，也與濕地水文環境和重金屬限度值有關 （簡敏菲等,2014）。濕地生態系統水文條件有其特殊性，由于要接受外來水源的補給，因此，濕地可能受到補給水源的影響而受到污染，其中，重金屬污染是濕地受到的最主要的污染類型之一（Bruland et al,2005;鄭立地等,2015; Yao et al,2016）。

三江平原是我國最重要的濕地分布區之一，屬內陸濕地與水域生態系統類型的自然保護區，其主要保護對象是由水生和陸棲生物及其生境共同形成的濕地和水域生態系統，分布有全球少見的大面積淡水草本沼澤。本研究以三江平原自然保護區核心區的臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和實驗區的蘆葦沼澤為研究對象，進行不同類型天然濕地土壤重金屬含量差異比較及重金屬污染評價的研究，為該區濕地保護、濕地生態系統健康的評估和濕地土壤的恢復與監測等提供依據。

1　研究區概況與研究方法

1.1　研究區概況

研究地點在黑龍江三江國家級自然保護區，黑龍江三江國家級自然保護區位于黑龍江省東北部的撫遠縣和同江市境內，烏蘇里江和黑龍江交匯的三角地帶，地理坐標為 47o26′00″～ 48o22′50″ N，133o43′20″～ 134o46′40″ E。保護區總面積 19.81萬hm2，其中核心區面積6.60萬hm2，緩沖區面積2.80萬hm2，實驗區面積10.41萬hm2。屬溫帶濕潤大陸性季風氣候區，年平均氣溫2.5℃，年均降水量558 mm。研究區域有代表性的植被為臌囊苔草Carex schmidtii、小葉章Calamagrostis angustifolia和蘆葦Phragmites communis，其中臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤在核心區，蘆葦沼澤在實驗區。

1.2　研究方法

1.2.1土樣采集 2016年8月2-7日，用自制不銹鋼取土鉆（總長1 m；鉆長50 cm；鉆頭直徑50 mm）取臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和蘆葦沼澤（表1）土壤剖面，每個樣地取3個重復，采集深度：0～50 cm。以10 cm為一層，將土壤分為5層。

1.2.2實驗方法 將土樣密封于雙層聚乙烯塑料袋中，帶回實驗室，剔除小石塊與植物根系。在實驗室將土樣置于陰涼處自然風干，而后將土樣置于塑料板上研磨，過100目土壤篩，進行土壤重金屬含量測定。Cu和Zn采用HF-HClO4-HCl-HNO3法消解，Pb和Mn采用HF-HClO4-HNO3法消解，Cr采用HFHClO4-H2SO4-HNO3法消解（劉鳳枝等, 2015），用火焰原子吸收法（GB/T 17138-1997），測定土樣中重金屬離子Cu、Pb、Zn、Mn和Cr的含量。

1.2.3評價方法 利用Hankanson潛在生態危害指數法，對不同恢復年限的沼澤濕地土壤中重金屬的生態危害進行評價，評估退耕還濕對恢復沼澤濕地土壤中重金屬生態危害的抑制作用。具體公式見參考文獻（Hakanson,1980），其中土壤重金屬元素背景值采用三江平原土壤微量元素背景值（富德義,1982)。

根據土壤重金屬污染潛在生態風險分級標準（王健康等, 2012）（表2），將土壤重金屬潛在生態危害風險分級。

表1　土壤采集信息Table1 The information of soil collection

表2　土壤重金屬污染潛在生態風險分級標準Table 2 Classification standard of potential ecological risk of heavy metals pollution in soils

1.2.4數據分析與處理 運用Excel 2007和SPSS11.0 軟件，對數據進行整理、運算和分析。用Origin 8.0軟件制圖。

2　結果與分析

2.1　不同類型濕地土壤重金屬含量

3種不同類型天然濕地土壤中5種重金屬含量隨土壤深度呈波動變化（圖1），其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大體趨勢是底層高于表層，Mn含量的大體趨勢是表層高于底層。臌囊苔草沼澤土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分別為42.80 mg/kg、104.20 mg/kg、49.00 mg/kg），Zn 含量在20～30 cm土壤深度最高（55.30 mg/kg），Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（358.40 mg/kg）。小葉章沼澤土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分別為29.20 mg/kg、114.30 mg/kg、25.00 mg/kg），Zn和Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（分別為10.80 mg/kg、180.00 mg/kg）。蘆葦沼澤土壤中Cu和Mn含量在10～20 cm土壤深度最高（分別為7.50 mg/kg、184.40 mg/kg），Zn和Cr含量在20～30 cm土壤深度最高（分別為23.10 mg/kg、139.10 mg/kg），Pb含量在0～10 cm土壤深度最高（228.20 mg/kg）。

由圖2可知，土壤中Cu含量最高的是臌囊苔草沼 澤（35.50 mg/kg)，其次是小葉章 沼 澤（23.40 mg/kg）， 蘆 葦沼澤含量最低（4.16 mg/kg），且三者差異顯著（P＜0.05）。蘆葦沼澤土壤中Pb和Cr含量顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤（P＜ 0.05）， 但 臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb和Cr含量差異不顯著（P＞0.05）。臌囊苔草沼澤土壤中Zn含量顯著高于小葉章沼澤和蘆葦沼澤（P＜0.05），而小葉章沼澤和蘆葦沼澤土壤中Zn含量差異不顯著（P＞0.05）；臌囊苔草沼澤、小葉章沼澤和蘆葦沼澤土壤中Mn含量差異不顯著（P＞0.05），處于同一水平。

圖1　不同類型天然濕地土壤重金屬垂直分布Fig.1　Vertical distribution of soil heavy metals in diあerent types of natural wetlands

2.2　土壤重金屬含量影響因素

植物根系對重金屬元素的吸收能力會影響不同類型濕地土壤中重金屬的含量。蘆葦根系能分泌麥根酸類的缺鐵性分泌物，它能促進蘆葦根系吸收土壤中Cu和Zn（徐明露等,2015）。所以，蘆葦沼澤土壤中的Cu和Zn含量較低。但蘆葦對Pb的吸收率低，且土壤有機質對Pb的絡合能力較強（劉洪蓮等,2006），導致蘆葦沼澤土壤中Pb顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤。

濕地特有的氧化還原條件也是導致該區域土壤重金屬積累的因素。研究區域在淹水的條件下發生水解反應，而且土壤中重金屬離子容易和H3PO4、H2CO3、H2S等發生反應，生成磷酸鹽、碳酸鹽和硫化物等難溶物(滕葳,2010)。但Mn在無氧條件下會溶解，且當pH值低于5.5或土壤被還原時，能被大量溶解，進入土壤溶液（臧小平,1999）。

研究區域附近有農業生產活動，農藥、化肥和地膜的使用造成土壤重金屬殘留（宋偉等,2013），當地人民生活污水中包含的重金屬離子，也會隨江水、河水倒灌進入研究區域，使土壤重金屬累積，這在其他濕地土壤重金屬污染的研究中也有所發現（孔德坤等, 2013）。

2.3　不同類型濕地土壤重金屬污染評價

在3種不同類型天然濕地的5種重金屬中，Cu、Zn、Mn和Cr的潛在生態風險危害等級為輕度；臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb的潛在生態風險危害等級為中度，蘆葦沼澤土壤中Pb的潛在生態風險危害等級為極強，說明Pb是三江自然保護區內土壤污染的最主要重金屬類型。綜合潛在風險等級分析結果顯示：臌囊苔草沼澤與小葉章沼澤土壤重金屬綜合潛在風險等級為中度，蘆葦沼澤土壤重金屬綜合潛在風險等級為強烈(表3)。說明周圍的農業開發已經對該保護區(包括核心區)的土壤造成了一定程度的污染。

表3　不同類型天然濕地潛在生態風險危害指數表Table3 Potential ecological risk indexes of heavy metal pollution in soils in diあerent types of natural wetlands

3　結論

（1）3種類型天然濕地土壤中重金屬含量隨土壤深度呈波動變化，其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大體趨勢是底層高于表層，Mn含量的大體趨勢是表層高于底層。臌囊苔草沼澤土壤中Cu和Zn含量顯著高于小葉章沼澤和蘆葦沼澤；蘆葦沼澤土壤中Pb和Cr含量顯著高于臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤；3種類型天然濕地土壤中Mn含量差異不顯著（P＞0.05)。

（2）三江平原天然濕地土壤存在Pb污染，其中核心區的臌囊苔草沼澤和小葉章沼澤土壤中Pb的潛在生態風險危害等級為中度，實驗區的蘆葦沼澤土壤中Pb的潛在生態風險危害等級為極強。核心區天然濕地土壤中重金屬綜合潛在生態風險危害等級為中度，實驗區天然濕地土壤中重金屬綜合潛在生態風險危害等級為強烈,說明周圍的農業開發已經對該保護區（包括核心區）的土壤造成了一定程度的污染。