麥地卡濕地土壤重金屬分布特征和污染評價

李偉,張娜,熊健,高海濤,孫晶,張強英,布多,呂學斌,2

(1.西藏大學 理學院，西藏 拉薩 850000；2.天津大學 環境科學與工程學院，天津 300110)

濕地土壤重金屬的研究對于其生態系統保護至關重要[1-2]，高原濕地因生態環境敏感而脆弱，破壞后很難恢復[3]。麥地卡濕地是高原代表性濕地之一，被列為國際重要濕地和國家級自然保護區，地處西藏那曲嘉黎縣北部，平均海拔4 900 m，面積約為434.96 km2，為高原湖泊濕地和沼澤濕地，是黑頸鶴、赤麻鴨等珍稀鳥類的遷徙走廊和繁殖地，濕地屬于高原亞寒帶半濕潤氣候區，只有冷暖季節之分，年平均氣溫0.9 ℃，年平均蒸發量達1 410 mm，年平均降水量僅約694 mm，擁有豐富的高原魚類，在水土保持、阻斷上游泥沙和形成高原草甸和沼澤地等生態環境效益方面發揮著重要作用[4-5]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸均為優級純；去離子水。

MASTER40高通量微波消解儀；240ZAA石墨爐原子吸收光譜儀；AFS-8220原子熒光光譜儀；MSA225S電子天平。

1.2 樣品采集和分析

2019年6月，通過對濕地的實地勘查后，選擇濕地的核心區及代表性區域共設置了25個采樣點見圖1。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

樣品采集依據國家土壤環境監測技術規范，采集濕地表層土壤(0～20 cm)樣品，混勻后取約2 kg 于樣品袋中，密封。所有樣品經過自然干燥，尼龍篩除雜，送入實驗室進行相關指標的測定。樣品中Cu、Zn、Cr和Ni的濃度通過火焰原子吸收光譜儀(280FS AA)分析測定；Pb和Cd的濃度通過石墨爐原子吸收光譜儀(240ZAA)分析測定；Hg和As的濃度使用原子熒光光譜儀(AFS-8220)分析測定。為確保檢測分析數據的可靠性及精準度，采用空白樣品和平行樣品進行質量控制，檢出限、相對偏差和回收率見表1。

表1 方法的檢測限制、相對偏差和回收率Table 1 Detection limit,relative deviation and recovery of the method

1.3 評價方法

1.3.1 地積累指數 地積累指數(Igeo)廣泛應用于重金屬污染評價，該方法是利用重金屬總含量與地球化學背景值的關系來評價重金屬污染程度的定量指標。用公式(1)計算。

Igeo=log2(Ci/kBi)

(1)

其中,Igeo為地積累指數，Ci是重金屬i的測定濃度，k=1.5，指巖石層效應下的背景校正系數，Bi是重金屬的地球化學背景值，參照西藏土壤中元素的背景值[6]，其中Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As和 Hg的背景值分別為21.9,73.7,77.4,32.1,28.9 ,0.08,18.7,0.026 mg/kg。根據不同的Igeo值，污染水平如下：Igeo≤ 0，無污染；0

1.3.2 潛在生態風險法 Hankson定義的潛在生態風險指數(RI)常用于評估土壤中重金屬的潛在生態風險[8-9]，RI可按公式(2)和(3)計算。

(2)

(3)

表2 潛在生態風險評估方法的污染等級Table 2 Pollution level of potential ecological risk assessment method

1.4 統計分析

數據統計分析使用SPSS 20.0進行。利用 KMO 和 Bartlett球形檢驗測試了實驗數據的適用性，其值分別為0.814(>0.5)和0.00(<0.05)，表明原始數據做因子分析可信；采樣點圖使用 ArcGIS 10.0繪制，其他圖使用Origin 2018繪制和R(x64 4.0.3)繪制。

2 結果與討論

2.1 麥地卡濕地土壤重金屬的分布特征

表3為麥地卡濕地土壤中重金屬含量的描述性統計分析。

由表3可知,元素Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As和Hg的平均濃度分別為15.08，82.31，56.84，21.08，21.23，0.14，21.62，0.04 mg/kg；Cu、Cr、Ni和Pb濃度均值均低于西藏土壤背景值，Zn、Cd、As和Hg濃度均值略高于西藏土壤背景值，分別是背景值的1.11，1.75，1.15和1.53倍。有研究表明[10]，低度變異系數(CV<25%)受自然源影響，高度變異系數 (CV>75%)主要與人類活動相關，本研究中測試元素的變異系數范圍從19.48%～65.05%，Cd和Hg變異系數高，分別為65.05%和63.69%，為中度變異，表明研究區土壤中這兩種元素的累積一定程度上受到了人類活動影響，其它元素變異系數較低主要與自然因素有關。

表3 麥地卡濕地土壤中重金屬含量的描述性統計Table 3 Descriptive statistics of heavy metal content in Mitika wetland soil

運用 SPSS 軟件對濕地土壤重金屬元素數據進行非參數檢驗( K-S檢驗)，除Cd元素值為臨界值0.05以外，其它測試元素的正態顯著性系數均大于顯著性系數(0.05)，可認為測試元素數據服從正態分布；Cd元素的峰度較高，表明該金屬的含量分布不均勻，屬于點源污染。

2.2 重金屬的污染和風險評價

2.2.1 地積累指數法評價 地積累指數結果見圖2。

由圖2可知，重金屬的Igeo順序如下：Cd (0.08)>Hg(-0.23)>Zn (-0.46)>As (-0.53)>Pb (-1.063)>Cr (-1.08)>Cu (-1.15)>Ni(-1.23)， 除了Cd 的地積累指數范圍為-1.26～2.22，均值為 0.08，處于輕微污染外，其它金屬元素的地積累指數值都小于零為無污染狀態；其中要引起關注的是Igeo(Hg)范圍從-2.29～1.55，均值為 -0.23，有12% 的采樣點的Igeo值為1～2，28%的采樣點的Igeo值為 0～1；Igeo(As)范圍從-2.18 到 0.90，均值為-0.53，有16% 的采樣點的Igeo值為 0～1。

圖2 麥地卡濕地土壤中重金屬的地積累指數Fig.2 Geological accumulation index of heavy metals in soil of Mitika wetland

表4 潛在生態風險評價Table 4 Potential ecological risk assessment

2.3 討論

麥地卡濕地土壤中的重金屬濃度與國內外其他著名濕地相比見表5，所測試的元素濃度值大部分低于或接近現有文獻的報道值，但遠遠低于GB 15618—2018《土壤環境質量標準 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》的風險篩選值[12]，除Cd和Hg外，多數元素濃度為環境本底值，整體環境質量為優良水平。

表5 不同濕地土壤重金屬濃度(mg/kg)Table 5 Heavy metal concentrations in different wetland soils

如果重金屬的來源相同或相似，元素之間有顯著的相關性[18]。相關分析見圖3。

圖3 重金屬元素之間的相關系數Fig.3 Correlation coefficient between heavy metal elements ***表示p< 0.001水平顯著相關；**表示p<0.01水 平顯著相關； *表示p<0.05水平顯著相關

由圖3可知，Cu與Zn、Ni相關系數高于0.8，呈極強相關性；Cu與Cr、Ni和Cd，Zn與Cr、Ni和Cd，Cr與Pb、As，Ni與Pb、As和Cd的元素組合之間的相關系數為0.6～0.7，為強相關性，說明這幾種元素有相似的來源或遷移規律，但是元素Hg與其他元素的相關系數均小于0.3，相關性弱，說明其累積方式不同，表現出異源特性。主成分分析法是區分土壤重金屬來源的常用方法，結果見表6。

表6 主成分分析結果Table 6 Principal component analysis results

由表6可知，提取的兩個主成分特征值分別為4.926，1.333，均大于1，方差累計百分比為78.250%，能代表數據所包含的主要信息，第1主成分方差貢獻率為61.581%。Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd和As元素載荷均大于0.7，除Cd是背景值1.75倍外，其它元素與背景值接近，且元素之間的相關性強，可認為PC1主要為“自然源因子”；第2主成分方差貢獻率為16.669%，Hg的載荷為0.886，遠高于其他元素，濃度均值為背景值的1.53，且變異系數高，分布不均勻，其環境毒性強是研究區主要風險因子，Hg元素的富集主要與化石燃料，生物燃料生產和使用有關[19]，可通過大氣沉降在環境累積，研究區屬于高原亞寒帶氣候區，年平均氣溫0.9 ℃，且晝夜溫差較大，幾乎一年四季都需要取暖，當地居民取暖和烹飪主要以牛羊糞便、煤炭和少量可燃燒的生活垃圾為燃料，大部分藏區農牧民有點酥油燈的習慣[20]，以上因素一定程度上造成Hg在環境中累積可能性，同時已有報道發現西藏環境中Hg還源于污染物的遠距離輸送[21]，可認為元素Hg主要受到人為源的影響。同一元素在不同主成分上均有一定的載荷量時，可認為具有兩種主成分的來源[22]，Cd 在第一和第二主成分上均有載荷，分別為0.771和0.370，但在第二主成分載荷較小，應以第一主成分為主，在統計分析中其峰度和變異系數較高，呈現點源污染可能性，考慮到麥地卡濕地除了少量交通運輸活動外，人為活動較少，其受到交通源的一定影響[23-24]，綜上所述，元素Cd主要受控于自然因素，少部分受到人為因素的影響。

3 結論

(1)麥地卡濕地土壤中Cu、Cr、Ni和Pb濃度均值低于西藏土壤背景值，而Zn、Cd、As和Hg濃度均值分別是背景值的1.11，1.75，1.15和1.53倍。Cd和Hg存在累積的現象，但遠遠低于GB 15618—2018《土壤環境質量標準 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》的風險篩選值。

(2)地積累指數均值順序為Cd (0.08)>Hg (-0.23)>Zn (-0.46)>As (-0.53)>Pb(-1.063)>Cr (-1.08)>Cu (-1.15)>Ni (-1.23)，除了Cd處于輕微污染外，其它元素的地積累指數值均小于零為無污染狀態。

(4)Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd和As主要來源于自然源，Hg受到人類活動的影響較大，因研究區背景值較低，給當地生態環境帶來了一定的風險，需要引起關注，但總體環境質量優良。