鄱陽湖南磯山典型濕地重金屬銅含量及污染評價

馬丹丹

(江西科技學院護理學院，江西南昌 330022)

銅是人類健康和植物生長的必需微量營養(yǎng)元素，是動植物體內多種酶的重要組成成分，參與各種代謝過程，但過高或缺乏均會對人體和植物產(chǎn)生有害影響。土壤是高度不均一的時空連續(xù)體，具有高度的時空變異性[1-2]。土壤銅污染主要來自銅礦及灌溉農(nóng)田的冶煉廢水。隨著銅礦業(yè)的發(fā)展，大量銅廢液流入土壤環(huán)境，進而影響動植物的正常生長和人類身體健康。因此，國內外學者對土壤銅元素的研究異常活躍，從不同角度對銅元素[3-5]的性質和穩(wěn)定性等進行大量研究。因此，研究土壤銅元素的動態(tài)變化具有重要意義。

鄱陽湖是由贛江、撫河、信江、饒河和修河五大主要河流構成完整的水系，是我國最大的淡水濕地分布區(qū)之一，同時也是受人類活動影響天然濕地分布面積減少較快的區(qū)域之一。南磯山濕地是鄱陽湖最主要的濕地景觀類型，是水陸相互作用的核心，分布在高漫灘、低階地及沼澤性河流的分水線上，具有面積大、生物多樣性豐富、環(huán)境梯度變化較大、對環(huán)境變化反應敏感等特點[6-7]，因此鄱陽湖濕地是研究濕地土壤銅污染動態(tài)變化理想的場所。目前，對銅污染的評價研究主要集中在水體、蔬菜和水果等方面[8-11]，而對鄱陽湖濕地潛在的土壤銅污染評價研究還鮮見報道。該研究擬對鄱陽湖南磯山濕地受不同強度人為活動干擾下土壤銅元素含量進行測定，評價其污染情況，以為潛在污染物的預防提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況鄱陽湖南磯濕地(116°10′24″～116°23′50″E，28°52′21″～29°06′46″N)位于江西省南昌市東北部，鄱陽湖主湖區(qū)的西南部，周圍有常湖、流湖、菱湖、東湖、神塘湖等湖泊和草洲，隨著季節(jié)性湖水落，一年一度水陸相互交替，因此具有典型的江南水鄉(xiāng)澤國的地貌景觀。保護區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，熱量豐富，雨量充沛，無霜期長，四季分明。極端最高氣溫為40.2 ℃，極端最低氣溫為-9.8 ℃，年均氣溫為17.1 ℃，年均日照時數(shù)達1 970 h，年均降水量1 426. 4 mm，多集中在4—6月。每年夏季為豐水季節(jié)(4—9月)，水體面積大約為32 894 hm2，占整個保護區(qū)總面積的98.4%。秋冬季為枯水季節(jié)(10月—翌年3月)，水位退去，露出大小湖泊及洲灘。保護區(qū)多年最高水位為22.43～22.57 m，最低水位為9.59～11.02 m[12]。

1.2樣品的采集與處理標準樣地為江西省南昌市南磯山保護區(qū)退潮后即在2015年12月和2016年12月2個時期贛江與饒河交匯處的中湖池樣點的典型濕地土壤，根據(jù)不同的植物帶確定樣方布點采集土壤樣品，采用系統(tǒng)隨機抽樣和典型抽樣相結合的方法，即在離贛江西支水邊大概400 m的草洲，從低到高在高程為1～4 m的典型植物帶內每隔100 m取一個樣，這4個典型植物群落分別為：湖底、苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落及荻和藜蒿群落。同一植物群落類型每隔5 m左右采取3個(1 m×1 m)樣方作為重復，每個樣方根據(jù)土壤的發(fā)生層取垂直的土壤剖面樣品，土樣深10 cm，2次采樣4個植物群落類型，3次重復，共計24個樣品，每份樣品1 000 g左右。樣品采集后送回實驗室，鋪于干凈紙上置陰涼通風處風干，剔除各種雜物，輾碎、磨細，將土樣在105 ℃左右的烘箱中烘干2 h，過60目篩，并存儲試劑瓶待測。

1.3試驗方法土壤試樣的消化：稱取經(jīng)105 ℃烘干(過60目篩)土樣0.500 0～1.000 0 g于30 mL聚四氟乙烯坩堝內，加幾滴蒸餾水濕潤，加10 mL HF，加5 mL 1∶1 HClO4-HNO3混合液，低溫消化(100 ℃以下)1 h后，升高溫度(低于250 ℃)繼續(xù)消化至HClO4大量冒煙，再加5 mL HF和5 mL HClO4-HNO3混合液，消化至HClO4大量冒煙并至干，再加5 mL HNO3消化至干，加2 mol/L鹽酸溶液5 mL加熱溶解，定容至25 mL，待測[13]。

1.4地積累指數(shù)法及其評價地積累指數(shù)Igeo(geoaccumulation index)是20世紀60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標，尤其用于研究現(xiàn)代沉積物中重金屬污染的評價。選擇普通頁巖的平均值作為重金屬元素的地球化學背景值。其表達公式為：

Igeo=log2[Cn/1.5Bn]

式中，Cn為樣品中元素n的濃度；Bn為地球化學背景濃度；1.5為修正指數(shù)，通常用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響因素。

Forstner[14]將地積累指數(shù)分為7個級別，Igeo值與重金屬污染水平關系如表1。

2 結果與分析

2.1不同群落類型土壤Cu含量特征從表2可以看出，對2015年和2016年2年土壤Cu含量的比較來看，不同群落類型土壤Cu含量2016年均高于2015年，其中湖底增幅最高，為38.39%，苔草和荸薺群落增幅最低，為19.53%，說明土壤Cu污染加劇。2015年的樣品土壤Cu含量變化范圍為41.26～48.58 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg[15]，超過土壤環(huán)境質量標準值[16]，其中以苔草和荸薺群落土壤類型最高，為48.58 mg/kg，其次為藜蒿和苔草群落類型、荻和藜蒿群落類型，分別為48.53和45.61 mg/kg，湖底土壤Cu含量最低，為41.26 mg/kg。2016年土壤樣品Cu含量57.10～64.10 mg/kg，與2015年的群落類型規(guī)律并不完全一致，其大小順序為：藜蒿和苔草群落>荻和藜蒿群落>苔草和荸薺群落>湖底。另外，不同群落類型和采集時間的土壤Cu含量變異系數(shù)均較小，在0.91%～8.14%。

表1 地積累指數(shù)與污染程度

表2 南磯山濕地不同植物群落類型土壤銅含量

2.2地積累指數(shù)法及其評價地積累指數(shù)法(Igeo)主要用來評價沉積物中重金屬污染情況，該研究的Cu含量背景平均值，其值為4.75 mg/kg[15]。不同群落類型土壤Cu含量、地積累指數(shù)及其分級如表3所示。從表3可以看出，2016年地積累指數(shù)土壤樣品均高于2015年。2015年以湖底土壤Igeo值最低，為2.576，苔草和荸薺群落Igeo值最高，為2.771；2016年土樣地積累指數(shù)為2.983～3.176。從這2年土樣樣品Cu地積累分級指數(shù)可以看出，基本在2～3(表3)，污染強度屬于中等-強污染區(qū)域。

表3 各樣點銅地積累指數(shù)及分級

3 討論

2015年和2016年不同群落類型土壤Cu含量在41.26～64.10 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg，超過土壤環(huán)境質量標準值[16]。2016年的Cu含量均比2015年的要高，且銅元素的污染程度以19.55%～38.39%的速度在增加。對比2年所得結果發(fā)現(xiàn)，同一植物群落類型土壤Cu含量變化規(guī)律并不一致，其原因可能是2016年水位較2015年要高。對同一年度土壤Cu含量，以湖底增加最高，其原因主要是由于上游砂石無序開采以及生活垃圾所導致的。如一些礦區(qū)大面積密集和廢石堆中銅元素順水而下形成，并且銅元素的濃度主要與砂石的開采、殘存銅元素的擴散以及生活關系密切[17]，以致深層土壤的銅被挖掘起來，在豐水期順流而下被湖底枯枝夾帶并長期堆積而造成銅元素的富集。在自然界中銅常伴生于鐵、汞、鉛、鋅等有色金屬的硫化物礦床中，日常用品中如采砂船、電線、銅鑰匙、銅刀、電池等含有大量的銅。以苔草和荸薺群落土壤Cu含量增加較緩，可能是荸薺根部龐大部分對Cu元素的積累，緩減其含量的增加。

銅含量2次采樣時最低值均出現(xiàn)在湖底，分別為41.26和57.10 mg/kg，最高值則出現(xiàn)在苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落，這2個群落類型都是湖水和岸地的過渡區(qū)域。較低水位和岸地Cu元素濃度高，說明Cu元素的濃度主要與水位高低有著密切的空間依存關系，其原因可能是高水位的豐水期較短，水體中的銅元素在此停留時間較短，而且在常年的風化淋濾過程中遷移到下中水位的土壤中，造成高水位銅富集較少。而低水位因水一直在流動，銅元素還沒有來得及富集就被水沖走，所以在低水位偏低。

近年來，國內外的科學家從沉積學角度提出重金屬污染評價的多種方法，如地累積指數(shù)法(Igeo)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法(PERI)等[18]。該研究采用地累積指數(shù)法，結果表明2016年土壤樣品比2015年高，2015年湖底土壤Igeo值最低，為2.576，苔草和荸薺群落Igeo值最高，為2.771；2016年土樣地積累指數(shù)為2.983～3.176，并且從低水位到高水位有先增后降的變化趨勢。從這2次所采土樣的分析得出，Cu元素地積累分級指數(shù)基本在2～3，污染強度屬于中等-強污染區(qū)域。

4 結論

現(xiàn)階段鄱陽湖南磯山保護區(qū)重金屬Cu污染依然較重，銅的污染程度仍在加劇，尤其是苔草和荸薺群落、藜蒿和苔草群落土壤污染更加顯著，富營養(yǎng)化嚴重。從2015年和2016年2次所采土樣分析結果看，Cu元素地積累分級指數(shù)基本在2～3，污染強度屬于中等-強污染區(qū)域，因此需要引起高度的重視。治理鄱陽湖，改善鄱陽湖環(huán)境，必須減少鄱陽湖外源銅元素的輸入，同時對內源銅元素的產(chǎn)生機制進行合理的研究，使得內源銅元素的產(chǎn)生得到有效遏制。最終使鄱陽湖沉積物中的銅含量控制在合理的水平，這對改善鄱陽湖水質、治理整個鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。