蘇州海綿城市試點區濕地沉積物中重金屬的分布特征
——以蘇州工業園區為例

孫保金，莊起帆，羅小進，張建芳

(蘇州市相城檢測股份有限公司 江蘇蘇州215131)

0 引 言

海綿城市是一類有別于傳統灰色城市的新興城市綠化設計理念，是指當城市面對一系列“城市問題”(如城市內澇、熱島效應、水生態失衡、地下水枯竭)時，可通過構建一系列的海綿體設施實現水體的凈化和儲存，調節水循環，并于干旱季節將雨水放出，從而解決城市缺水或內澇問題[1]。2016年，蘇州成為江蘇省首個海綿城市建設試點城市。針對蘇州水系發達、土壤滲透性差等特點和面源污染突出、水質相對較差等問題，蘇州市政府提出“凈化、蓄滯”為主，兼顧“滲、用、排”等功能需求的海綿城市建設主體思路。人工濕地由于具有能耗低、易處理并可靈活組合等特點，在生活污水處理、工業廢水處理和湖泊水體污染等方面已經得到了廣泛的應用[2]，人工濕地的上述特點為其應用于海綿城市提供了重要契機。

近年來，日益加劇的工業活動和人類活動使得我國的濕地系統受到了嚴重的污染[3-4]。不同于其他污染問題，重金屬屬于難降解元素，并且具有隱蔽性強、殘留時間長、不可降解、毒性強等特征[5]。重金屬的來源主要有 2種：一種是自然來源，主要包括巖石的風化、酸雨等；另一種是人為因素，主要包括工農業生產、化肥的使用、汽車尾氣的排放等[6]。大量研究表明，在濕地受納水體中，僅有一小部分重金屬污染物留在水相，大部分傾向于迅速地由水相轉入固相，并且可通過一系列物理化學反應(吸附作用、共沉淀、絡合作用)富集于沉積物中[7]。然而，當重金屬超過濕地系統的承受閾值時，重金屬會重新釋放進入水體，致使濕地成為一個重要的次生污染源[8]。因此，濕地環境中具有遷移特性的重金屬可通過生物化學循環或食物鏈擴增等過程進一步放大，從而影響甚至危害人體健康[9]。

早在海綿城市概念提出之前，蘇州就已經打造了石湖、金雞湖、獨墅湖、陽澄湖、虎丘濕地等一大批國內享有一定知名度的集景觀、娛樂、休閑、防洪、調蓄等功能于一體的城市河湖水系治理樣板工程，這些大面積的綠地和河湖濕地等生態結構網絡，為蘇州海綿城市的建設奠定了良好的基礎。近年來，大量學者對濕地中重金屬污染特征進行了系列研究，然而應用于海綿城市濕地中的重金屬分布特征方面的研究鮮有報道。目前，隨著環境科學的不斷發展，濕地重金屬污染已成為國內外濕地污染的一項重要研究內容，主要集中在水體和沉積物重金屬空間分布規律、污染程度評價、影響因素等方面[10-11]，應用于海綿城市濕地中的重金屬分布特征方面的研究則鮮有報道。此外，海綿城市建設工作的順利進行有賴于區域本底環境的調查與評估。有鑒于此，本文將以蘇州海綿城市試點區蘇州工業園區濕地為研究對象，分析研究區濕地沉積物中重金屬累積特征，并揭示其富集成因和遷移轉化規律，評價其污染水平，旨在為海綿城市濕地保護和重金屬治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蘇州工業園區地處江蘇省蘇州市東部，總占地288km2。目前，蘇州工業園區 25%是工業用地，30%是居住及商業用地，其余是綠化用地及水源地。蘇州工業園區濕地系統大體上可分為金雞湖濕地、東沙湖濕地、獨墅湖濕地、陽澄湖濕地及一些城市無名小濕地。

1.2 樣品的采集與預處理

沉積物采樣選址主要為蘇州工業園區典型的大型濕地，共布設 31個點位，具體點位信息如表1和圖1所示。采樣根據HJ/T166—2004《土壤環境監測技術規范》，對本次研究所需用的沉積物進行嚴格的布點、采樣，以保證本次實驗數據的準確性、可靠性和有效性。具體采樣可根據實地考察的結果，選擇具有代表性的地點布置采樣點，每個采樣點用 GPS 記錄地理坐標。采集的沉積物樣品帶回實驗室冷凍干燥一周后，去除植物殘根、碎石，裝入密封袋中并對應標號，使用瑪瑙研缽研磨，過 100目篩，低溫避光保存。

表1 沉積物監測點位Tab.1 Monitoring points of sediments

圖1 沉積物取樣點位置Fig.1 Sampling sites of sediments

1.3 試驗方法

本次研究主要選取 As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn共9個因子進行監測。樣品采用四酸(鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸微波)進行消解處理，樣品中 As含量用原子熒光光度計測定，Pb、Cd含量用石墨爐原子吸收分光光度計測定，Cu、Ni、Zn、Mn、Cr、Co用電感耦合等離子體發射光譜儀測定。

1.4 沉積物重金屬評價方法

1.4.1 地累積指數法

地積累指數模型最早由 Müller[12]提出，是評價沉積物中重金屬污染的重要指標之一，主要是利用地球化學背景值來衡量重金屬元素污染程度的定量指標。其計算公如下：

式中：Igeo為地質累積指數；Cn為重金屬在沉積物中實測濃度；Bn是該重金屬元素的地球化學背景值；常數1.5是修正指數，即考慮到成巖作用引起的背景值變動。

地累積指數的分級標準與污染程度的劃分見表2。

表2 地累積指數與污染程度分級Tab.2 Geoaccumulation index and pollution degree classification

1.4.2 富集系數法

富集系數法(Enrichmentfactor，EF)通常用來判斷重金屬來源[13]，主要是利用沉積物樣品重金屬含量與重金屬背景值進行比較。其中，所用的重金屬濃度需要與參比元素進行校正，本文選用 Mn元素。具體公式如下：

富集系數法評判標準分為 2個等級：0.5≤EF≤1.5(重金屬來源于自然風化過程)，EF≥1.5(重金屬為人為來源)。

1.4.3 潛在生態風險指數法

潛在生態危害指數法是一套用于評價土壤或沉積物中重金屬污染程度及其潛在生態危害的方法[14]，具體評價方法如下：

具體評價標準等級可見表3。

表3 潛在生態危害指數法評價標準Tab.3 Grading standard of potential ecological risk index

1.4.4 統計分析

進行相關性分析、主成分分析能進行定性的重金屬來源種類分析，所有的統計分析均采用 SPSS 17.0軟件完成。

2 結果與討論

2.1 重金屬含量空間分布特征

蘇州工業園區濕地表層沉積物中重金屬元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 含量的測試統計結果如表4所示。這 9種元素的平均含量分別為10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、409.4、36.20、62.49、89.98mg/kg。與江蘇省土壤元素背景值相比，除 Mn元素外，所有已測元素均高于背景值，分別超出背景值的 5.7%、60.8%、16.0%、23.8%、32.5%、35.6%、138.5%、43.7%。

一般而言，如果某一元素在空間的變異系數值越大，那么該元素的含量在空間分布上差異性越大[15]。根據變異系數將變異分為 3個級別：小變異(0＜CV＜16%)、中等變異(16%≤CV＜36)和高度變異(CV≥36)。由表4 可知，除元素 Co、Cr、Cu、Ni為小變異之外，Pb和Zn為中等變異，As和Cd為高度變異。這說明濕地沉積物中As、Cd、Pb和Zn的分布不均勻，波動較大。

表4 重金屬元素含量描述統計表Tab.4 Heavy metal element contents

2.2 沉積物重金屬污染評價

2.2.1 地累積指數法評價結果

圖2是蘇州園區濕地沉積物中重金屬的地累積指數箱式圖。由圖2可知，研究區內As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn的平均地累積指數值幾乎都小于0，為無污染。Cd地累積指數大于 0的樣品達到 48.4%。所有Pb的地累積指數均大于0，范圍為0.35～0.94，表明研究區內沉積物中Pb普遍處于無污染向中度污染的過渡階段。

圖2 蘇州工業園區沉積物重金屬地累積指數分布箱式圖Fig.2 Geoaccumulation index of heavy metals in sediments from Suzhou Industrial Park

2.2.2 富集系數法評價

富集系數可以用來推測重金屬元素來源。As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 計算所得富集系數平均值分別為 1.55、2.39、1.75、1.89、2.04、2.06、3.64 和2.19，范圍為 0.69～3.63、0.63～6.69、0.56～3.00、0.67～3.53、1.01～4.08、0.73～3.59、2.08～6.99、1.12～5.04。As、Co和Cr的富集系數均介于1.5～2，表明這3個元素均為自然來源。Cd、Cu、Ni、Pb和Zn為中度富集。Pb的富集系數較高，這與它的地累積指數較高一致。基于鉛污染大范圍富集這一事實，可以推測鉛的主要來源是大氣沉降，而非個別的工業源或點污染所致。此外，存在一些點位某些元素富集系數大于 1.5，然而地累積指數卻小于 0(如站點 2的Ni)，這表明這些元素在此雖無污染，但由于受到人為影響，從而產生上層混合層與粗砂的生物擾動及稀釋作用[16]。

2.2.3 潛在生態風險指數法評價結果

采用潛在生態風險指數方法進行評價，結果如表5所示。從綜合潛在生態風險指數來看，變化范圍為 54.92～160.45，均值為 94.54，整個研究區域有較低的潛在生態風險。在分析測定的 9種重金屬元素中，Cr、Mn和 Zn雖然含量較高，但這3種元素的毒性系數較低，分別為 2、1、1，因此生態風險程度最小，屬于輕微污染。相反，Cd的濃度較低，但是潛在生態風險程度最高值為 98.70，平均值為 48.23，為中等污染，是蘇州園區濕地中主要潛在生態風險因子；其余 5種重金屬元素均屬于輕微污染。對比地累積指數法與生態指數所得結果可以發現，除 Pb以外，園區濕地沉積物中 As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Mn 和 Zn污染程度與危害程度大體一致，這可能是由于 Pb雖然污染程度高，但是 Pb在懸浮物顆粒物上的吸附性較高，使其在沉積物中遷移礦化埋藏，致使毒性降低，從而潛在生態風險程度也降低[17]。

表5 重金屬生態風險指數Tab.5 Ecological risk index of heavy metals

續表5

2.2.4 沉積物中重金屬污染來源分析

表6是蘇州園區濕地沉積物中重金屬元素的相關性分析。可以看出，Co、Cr、Ni之間呈顯著正相關性，Cu與 Co、Cr、Ni呈顯著正相關，而 Zn和 Pb都與Co、Cr、Ni呈顯著負相關。Zn還與Cd、Pb間呈正相關。此外，Mn僅與 Cu呈顯著負相關，而 As僅與Cd呈顯著正相關。

結合重金屬相關性分析、主成分分析(PCA)結果可以進一步探討沉積物中重金屬元素的來源。PCA分析結果如表7所示。

根據所有的數據，PCA分析提取了3個因子，解釋了共87%的總方差。

表6 重金屬相關性分析Tab.6 Correlation analysis between heavy metals

第一因子占總方差的 49%，是最主要的因子，組成第一因子的主要元素有 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn。研究表明，Cu、Ni、Pb可能來源于汽車剎車磨損及交通廢棄物排放[18]。Co、Cr、Cu、Ni、Zn 可能來源于已遷出電鍍企業的生產活動，這些活動勢必向大氣排放重金屬物質[19]。此外，已有研究認為，大氣沉降是濕地沉積物中重金屬的重要來源之一[20]。因此，第一因子可以解釋為來自于工業揚塵及交通排放的重金屬，它們主要通過大氣沉降至濕地沉積物中。

第二因子為 As和 Cd。研究表明，As是農藥污染源(殺蟲劑、除草劑、動物飼料)的標志性元素[21]，而磷肥中含有一定含量的 Cd[22]。因此，第二因子可以解釋為來自于農業活動的重金屬。

第三因子為 Cu和 Mn。基于所有 Mn的地累積指數都小于 0，可以推測 Mn主要來源于自然源(巖石的風化)。此外，Cu在諸多站點無污染，因此也可將其并入第二因子。因此，這二者通常被認為是成土自然地質因子[23]。

表7 主成分分析提取的載荷因子Tab.7 Load factor extracted by principal component analysis

3 結 論

蘇州工業園區濕地表層沉積物中重金屬元素，除Mn 元素外，As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 平均含量分別為 10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、36.20、62.49、89.98mg/kg，均高于江蘇省土壤背景值。

地累積指數評價及生態風險指數評價表明，除Pb、Cd 以外，As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn 的平均地累積指數值幾乎全小于0，為無污染。所有Pb的地累積指數均大于 0，其值介于 0.35～0.94，表明研究區內沉積物中Pb普遍處于無污染向中度污染的過渡階段。此外，Cd是潛在風險程度最高的因子，平均值為48.23，評價為中等污染，是蘇州園區濕地中主要潛在生態風險因子。

富集因子、相關性分析、主成分分析結果表明：園區濕地沉積物中 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 主要來源于工業揚塵及交通排放的重金屬，它們主要通過大氣沉降至濕地沉積物中；As和Cd主要來源于早期的農業活動；Mn為自然來源。