西溪湿地沉积物重金属时空分布特征及污染评价

单监利，周泽明，潘 敏， 朱维琴

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 3100036)

西溪湿地沉积物重金属时空分布特征及污染评价

单监利，周泽明，潘 敏， 朱维琴

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 3100036)

本研究分析了杭州市西溪湿地不同地点表层沉积物重金属Cu、Zn、Cr、Pb和Ni的含量及季节分布特征，进一步运用单项和综合污染指数法、Hakanson潜在生态风险指数法分别对西溪湿地沉积物重金属进行了污染评价和生态风险评价.结果表明, 空间分布上西溪湿地沉积物中重金属Zn的含量较Cu、Cr、Pb、Ni居首位，Zn含量范围为72.65～159.64 mg/Kg.季节分布特征上Cu、Zn含量在一年中逐渐降低，基本在11月份最低，Cr、Ni含量均在9月份最高，Pb含量在各采样点全年波动趋势差异较大.从综合污染指数评价来看，五义桥沉积物全年均为轻度污染， 普济桥和泊蓭沉积物中7月、9月和11月为轻度污染，4月达到安全等级，蒋相公桥沉积物在7月和9月达到轻度污染，4月处于警戒级，11月为安全等级.Hakanson潜在生态风险评价表明，西溪湿地的整体生态风险较轻微，全年的重金属综合潜在生态风险指数最高为五义桥.

西溪湿地;重金属;分布特征;评价

0 前 言

西溪湿地位于杭州市西部，是浙江省的国家级重要湿地之一，其曾经为原生湿地，在人为干预下，逐渐演变成为目前的次生湿地[1]，亦是杭州市城区最重要的城市湿地.相对而言，城市湿地更易受到人类活动的影响，特别是在人口稠密的城市，部分未经处理的生活污水、工业废水及暴雨径流会直接排入湿地中，而其中包含的重金属污染物则可能会对城市湿地生态系统产生负面影响[2].由于重金属的累积作用，沉积物中重金属浓度往往比水相中高几个数量级[3]，因此，对城市湿地沉积物中重金属污染进行评价具有重要意义.目前， 国内外已有关于城市湿地沉积物中重金属分布规律及其污染评价生态风险的报道[4-6].前期亦有西溪湿地沉积物重金属潜在生态风险评价[7]的相关报道.然而对西溪湿地国家公园在后期管理运行过程中沉积物重金属污染现状、季节分布特征的研究未见报道.此外，在众多国内外评价沉积物中重金属污染的方法中，污染指数法和潜在生态风险评价法数最能反映单个和综合的污染程度及生态风险.因此，本研究以西溪湿地国家公园沉积物重金属为研究对象，对沉积物中5种重金属[铜(Cu)、锌( Zn) 、铅( Pb)、镍(Ni)和铬(Cr) ]的含量时空分布特征及对生态环境的影响状况进行分析和评价，以期为西溪国家湿地公园后期管理运行过程中的环境保护提供基础资料和决策依据.

1 材料方法

1.1 样品采集

本研究的采样工作从2011年4月开始，每季采样1次，一年4次(分别为4月、7月、9月、11月).期间采集西溪湿地11个采样点的表层沉积物，采样时间定在采样当天上午10:00左右.

采样地位于西溪湿地一期工程，沿着湿地水体流向，从湿地南大门出发，至北端再绕回，均匀间隔选取11个采样点，包括五义桥(WYQ)、普济桥(PJQ)、泊庵(BA)、泊庵外(BAW)、练兵桥(LBQ)、蒹葭桥(JJQ)西溪植物园(ZWY)、缓冲区(HCQ)、西溪滨水闸桥(BSZ)、西溪草堂桥(CTQ)和蒋相公桥(JXG).实际取样时采用GPS全球定位系统并记录数据见表1.每个样点用小号的彼得森采泥器(尺寸20 cm×30 cm×60 cm，重量5.5 kg)采集湿地表层(约0～10 cm)的沉积物样品，采集后装入干净的可封口塑料袋(使用前用20%硝酸浸泡，然后用超纯水清洗)并避光保存带回实验室.

表1 采样点布设及pH年平均值Tab. 1 Annual average of pH of surface sediment

1.2 分析方法

采集来的表层沉积物先经过自然风干、研磨、过筛，然后将样品经过盐酸+硝酸+高氯酸方法消解后，用原子吸收分光光度计火焰法[7-8]测定其重金属含量(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni)(GB/T17140-1997).

1.3 评价方法

1.3.1 单项污染指数及综合污染指数评价法

单项污染指数评价[9]依据质量指数模式进行，其计算式为：

Pi=Ci/Si

式中:Pi为i单项污染指数，i代表某种重金属；Ci为重金属i的实测浓度；Si为重金属i的评价标准，Si选用国家标准，即《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)二级标准.Pi≤0.7为清洁，0.73为重度污染，Pi越大受到的污染越严重.

综合污染指数法[10]的计算公式为：

式中,P综为综合污染指数;Pi为重金属i的单项污染指数；Pi max为所有单项重金属污染指数的最大值.一般P综≤0.7为安全, 0.7

1.3.2Hakanson潜在生态风险指数法

在Hakanson提出的潜在生态危害指数法[12]中,单一重金属潜在生态风险指数(Ei)的计算公式为：

Ei=Ti×Pi

式中,Ei为单一重金属i的潜在生态风险指数；Ti为单一重金属i的生物毒性响应系数，反映了重金属对人体及生态系统的危害程度；Pi为重金属i的单项污染指数，是土壤样品中重金属i实测含量与其评价参考值(本文选用该重金属i的浙江省土壤背景值[13])的比值.参考Hakanson的划分标准，对单一重金属元素而言,Ei< 30为轻微级生态风险, 30 60为强及以上生态风险.

在潜在生态危害指数法中，多种重金属的潜在生态风险指数(RI)的计算公式为：

式中，m为重金属的种类;Ei的含义同上.就多种金属而言，RI< 135为轻微生态风险，135 265为强及以上生态风险.

2 结果分析

2.1 西溪湿地沉积物重金属污染状况

表2 西溪湿地表层沉积物中重金属含量特征(X±S,mg/Kg)Tab. 2 Content and characteristic of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland (X±S,mg/Kg)

图1 西溪湿地各样点沉积物重金属含量聚类分析Fig. 1 Clustering analysis the content of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表2可见，西溪湿地沉积物中Cu含量范围为27.23～223.77 mg/Kg，以采样点五义桥、蒋相公桥中含量相对较高；Zn、Pb含量范围分别为72.65～159.64 mg/Kg和13.15～36.05 mg/Kg，均以采样点五义桥、泊蓭、泊蓭外、蒋相公桥中含量较高；Cr含量范围为11.80～31.28 mg/Kg，且以采样点五义桥、泊蓭、练兵桥中含量较高；Ni含量范围为63.96～107.44 mg/Kg，以采样点泊蓭、泊蓭外、蒋相公桥含量相对较高.有文献对前期西溪湿地的重金属含量[14]报道显示，西溪湿地底泥重金属含量平均值分别为：Cu为36.8 mg/Kg，Zn为91.5 mg/Kg，Pb为39.2 mg/Kg，Cr为64.9 mg/Kg，通过对比可以看出，采样点五义桥和蒋相公桥外，其余9个采样点沉积物Cu含量均呈下降趋势，55%采样点沉积物Zn 含量有下降的趋势， 而所有样点沉积物Pb、Cr含量均呈大幅降低的趋势，这说明，西溪湿地的管理和整治在控制底泥重金属含量方面取得了一定成效.

进一步进行聚类分析结果如图1所示，各采样点基本可以分为3大类，五义桥为一类，为高Cu、Pb、Zn含量为主要特征；蒋相公桥和泊蓭为一类，为较高的Ni、Zn含量为特征；其余采样点为一类，以较低重金属含量为主要特征.

2.2 西溪湿地表层沉积物重金属的季节分布

根据前述聚类分析结果，从西溪湿地的11个采样点中选取4个有季节代表性的采样点(五义桥、普济桥、泊蓭、蒋相公桥)进行表层沉积物重金属(Cu、Zn、Cr、Pb和Ni)的季节分布特征分析如图2所示.

图2 西溪湿地4个样点沉积物中5种重金属含量季节分布Fig. 2 Season distribution of content of 5 kinds of heavy metal in sediments of 4 sample point of Xixi Wetland

图2可见，4个样点沉积物中Cu、Zn含量在一年中逐渐降低，基本在11月份最低，此时Cu、Zn大量的溶于水体或富集于水生植物中.除五义桥外，普济桥、泊蓭、蒋相公桥的表层沉积物中Pb含量均在9月时达最低含量.王亚平[15]的研究指出：Pb在沉积物中的释放主要是在酸性条件下发生的，并且释放率随pH的升高而迅速降低，pH>7.0后，释放率都非常低.由于西溪湿地各采样点的pH值范围在7.18～7.54之间，因此Pb释放量非常低，其沉积物重金属Pb含量的季节性变化应该主要受水文条件的影响.

五义桥、普济桥、泊蓭、蒋相公桥的表层沉积物中Cr、Ni含量均在9月份最高，这可能是因为夏季沿岸悬浮泥沙及污染物随着降雨被带入河道，使得表层沉积物中重金属快速富集.因此，虽然西溪湿地沉积物Cr含量比前期报道[14]降低，依然不能放松其季节性增高的特征并警惕其人为污染的可能性.

2.3 西溪湿地重金属单项污染指数评价及综合污染指数评价

沉积物污染通常为多项污染物的复合污染所致，单项污染指数能反映各个污染物的污染程度；综合污染指数能全面反映沉积物的综合污染状况.本文在对研究区域原始数据分析评价的基础上，采用单项污染指数法(如表3)和综合污染指数法(如表4)就4个具有代表性采样点(五义桥、普济桥、泊蓭、蒋相公桥)沉积物的污染现状进行评价，结果分别如表3和表4所示.

表3 西溪湿地沉积物重金属单项污染指数及其评价Tab. 3 Single pollution index and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表4 西溪湿地沉积物重金属综合污染指数及其评价Tab. 4 Comprehensive pollution index and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表3可见，一年中，除五义桥沉积物中Cu在4月份和7月份达到中度污染等级、在9月份达轻度污染等级外，其余样点沉积物中Cu含量均处清洁污染水平，说明五义桥沉积物中Cu污染相对严重；除4月份时五义桥、普济桥、泊蓭沉积物中Ni及11月份时蒋相公桥沉积物Ni达清洁水平外，其余各样点沉积物中Ni在一年中则多呈中轻度污染，可见，西溪湿地沉积物中Ni污染不容忽视.而各样点沉积物中Zn、Pb、Cr含量在一年中则多呈清洁或尚清洁水平.从综合污染指数评价(见表4)来看，五义桥沉积物全年均为轻度污染.普济桥和泊蓭沉积物中7月、9月和11月为轻度污染，4月达到安全等级.蒋相公桥沉积物在7月和9月达到轻度污染，4月处于警戒级，11月为安全等级.

2.4 西溪湿地沉积物重金属潜在生态风险评价

目前，在沉积物中重金属的生态风险评价研究中，瑞典科学家Hakanson的潜在生态危害指数法是应用最广的一种，该指数法不仅反映了某一特定环境中各污染物的单一影响，而且也反映了多种污染物的综合影响，并且可定量划分出潜在生态危害程度.本研究选取4个有代表性的采样点(五义桥、普济桥、泊蓭、蒋相公桥)进行西溪湿地沉积物中重金属(Cu、Zn、Cr、Pb和Ni)潜在生态风险评价，结果如表5所示.

2.4.1 单项潜在生态风险指数(Ei)及其评价

表5可见，五义桥在4月份时，各重金属的单项潜在生态风险指数大小为Cu> Pb>Ni > Zn >Cr， Cu为强及以上生态风险等级；在7月和9月时，各重金属的单项潜在生态风险指数较大的为Cu> Ni >Pb，其中Cu生态风险等级为中等；而在11月份，则为Ni >Cu>Pb>Cr >Zn，生态风险等级均为轻微.普济桥在7月和11月中，其各重金属的单项潜在生态风险指数较大的均为Ni >Cu>Pb，生态风险等级为轻微.泊蓭在9月和11月时，各重金属的单项潜在生态风险指数大小为Ni >Cu>Pb > Cr> Zn，在7月中为Ni > Cu> Pb > Zn > Cr，而在4月则为Cu>Pb>Ni>Zn>Cr，其生态风险等级均为轻微.蒋相公桥在4月份时，各重金属的单项潜在生态风险指数大小为Cu >Ni >Pb>Zn >Cr，在7月和9月较大的均为Ni >Cu，而在11月份则为Pb >Ni > Cu > Zn >Cr，其生态风险等级均为轻微.

表5 西溪湿地沉积物重金属单项潜在生态风险指数(Ei)及其评价Tab. 5 Single potential ecological risk index (Ei) and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

2.4.2 综合潜在生态风险指数(RI)及其评价

由表6得知，五义桥在全年的重金属综合潜在生态风险指数均为最高，其4月、7月、9月、11月的综合潜在生态风险指数分别为83.48、78.05、63.69和30.05.而普济桥在4月、7月和9月的重金属综合潜在生态风险指数均最低，11月重金属综合潜在生态风险指数罪的的采样点是泊蓭.这4个采样点的综合生态风险等级均小于135，为轻微等级.

表6 西溪湿地沉积物重金属综合潜在生态风险指数(RI)及其评价Tab. 6 Comprehensive potential ecological risk index (RI) and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

综合来看，全年的重金属综合潜在生态风险指数最高为五义桥，所以在湿地的重金属治理保护过程中应特别注意五义桥的整治，尤其应该注重加强对五义桥沉积物中Cu、Ni、Pb的治理.前期对西溪湿地的重金属潜在生态风险评价[7]结果则表明：Cd和Hg具有中等生态风险且对总生态风险指数的贡献值较大，其他5种重金属Cu、As、Pb、Cr、Zn则具有轻微生态风险.这可能与在西溪湿地国家公园在后期管理过程中五义桥等处长期停泊摇橹船和电瓶船导致沉积物重金属存在生态风险升高趋势有关.

3 结 论

(1)西溪湿地沉积物中Cu含量范围为27.23～223.77 mg/Kg，以采样点五义桥、蒋相公桥中含量相对较高；Zn、Pb含量范围分别为72.65～159.64 mg/Kg和13.15～36.05 mg/Kg，均以采样点五义桥、泊蓭、泊蓭外，蒋相公桥中含量较高；Cr含量范围为11.80～31.28 mg/Kg，且以采样点五义桥、泊蓭、练兵桥、中含量较高；Ni含量范围为63.96～107.44 mg/Kg，以采样点泊蓭、泊蓭外、蒋相公桥含量相对较高.进一步聚类分析表明，各采样点基本可以分为3大类，五义桥为一类，为高Cu、Pb、Zn含量为主要特征；蒋相公桥和泊蓭为一类，为较高的Ni、Zn含量为特征；其余采样点为一类，以较低重金属含量为主要特征.

(2)代表性采样点五义桥、普济桥、泊蓭、蒋相公桥的季节分布特征表明，Cu、Zn含量在一年中逐渐降低，基本在11月份最低.Cr、Ni含量均在9月份最高，Pb含量在各采样点全年波动趋势差异较大.

(3)单项污染指数评价表明，各采样点沉积物中Ni和Cu的污染程度最严重，其中五义桥、普济桥、泊蓭在7月份和11月份均Ni为轻度污染，蒋相公桥在7月份为Ni中度污染.五义桥4月份和7月份是Cu中度污染.Zn在泊蓭和将相公桥的4月份属于尚清洁污染水平，其余采样点和月份属于清洁水平.Pb、Cr在各个采样点属于清洁水平.从综合污染指数评价来看，五义桥沉积物全年均为轻度污染.普济桥和泊蓭沉积物中7月、9月和11月为轻度污染，4月达到安全等级.蒋相公桥沉积物在7月和9月达到轻度污染，4月处于警戒级，11月为安全等级.

(4)西溪湿地的整体生态风险较轻微，全年的重金属综合潜在生态风险指数最高为五义桥，所以在湿地的重金属治理保护过程中应特别注意五义桥的整治，其中着重对Cu、Ni、Pb的治理.运用两种评价方法，污染指数评价结果显示Ni和Cu是主要的风险重金属，Ei值则揭示出Cu、Ni、Pb是主要的风险因子，两种评价方法得出的结论基本类似.综合两种评价结果可知，西溪湿地呈现出以Ni、Cu和Pb为主的多种重金属复合污染特征.

(5)鉴于本研究区域是城市内湿地，在丰水期里雨水大量流进湿地，有时甚至导致湿地公园不能对外开放，由雨水带进湿地沉积物中的重金属会对湿地水质和湿地水生态系统会造成重要影响，甚至会影响周边居民的生活健康.西溪湿地周边无明显的自然污染源，污染主要来自工业、农业和生活污染等人类活动.因此，需要加大湿地周边环境管理与治理力度，防止重金属人为污染的可能性，同时需要进一步加强对西溪湿周边雨水、污水管网及污水处理厂的建设.

[1] 牟眸.杭州西溪湿地保护区总体规划环境影响报告书[R].杭州：浙江省环境保护科学设计研究院，2004.

[2] 刘红磊,李立青,尹澄清.人为活动对城市湖泊沉积物重金属污染的影响:以武汉墨水湖为例[J].生态毒理学报,2007,2(3):346-351.

[3] 贾振邦,霍文毅,赵智杰,等.应用次生相富集系数评价柴河沉积物重金属污染[J].北京大学学报:自然科学版,2000,36(6):808-812.

[4] Kishe M A, Machiwa J F. Distribution of heavy metals in sediments of mwanza gulf of 1ake victoria, tanzania[J]. Environment International,2003,28(7):619-625.

[5] Wildi W, Dominik J, Loizeau J,etal. River, reservoir and lake sediment contamination by heavy metals downstream from urban areasof switzerland[J]. Lakes & Reservoirs:Research and Management,2004,9(1):75-87.

[6] 乔胜英,蒋敬业,向武,等.武汉地区湖泊沉积物重金属的分布及潜在生态效应评价[J].长江流域资源与环境,2005,14(3):353-357.

[7] 邵学新,吴明,蒋科毅,等.西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价[J].林业科学研究,2009,22(6):801-806.

[8] 杨军，郑袁明，陈同斌，等.北京市凉风灌区土壤重金属的积累及其变化趋势[J].环境科学学报，2005，25(9):1175-1180.

[9] 国家环境保护总局.土壤环境监测技术规范(HJ/T166-2004)[S].北京:中国标准出版社,2004.

[10] 王铁宇,汪景宽,周敏,等.黑土重金属元素局地分异及环境风险[J].农业环境科学学报,2004,23(2):272-276.

[11] 郭平,谢忠雷,李军,等.长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价[J].地理科学,2005,25(1):108-112.

[12] Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control: a sedimentological approach [J]. Water Research,1980，14:975-1001.

[13] 中国环境保护总站.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环境科学出版社,1990.

[14] 邵学新,吴明,蒋科毅.西溪湿地土壤重金属分布特征及其生态风险评价[J].湿地科学,2007,5(3):253-259.

[15] 王亚平,王岚,许春雪,等.pH对长江下游沉积物中重金属元素Cd,Pb释放行为的影响[J].地质通报,2012,31(4):594-600.

TheSpatialDistributionCharacteristicsandPollutionAssessmentofHeavyMetalintheSedimentsinXixiWetland,Hangzhou

SHAN Jianli, ZHOU Zeming, PAN Min, ZHU Weiqin

(College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

This research analyzed the content and seasonal distribution characteristics of heavy metals including Cu, Zn, Cr, Pb and Ni in the sediments of different locations in Xixi wetland, and made pollution evaluation as well ecological risk assessment of these heavy metals by the individual and comprehensive pollution index and Hakanson potential ecological risk index. The results indicate the spatial distribution of Zn is more than Cu, Cr, Pb and Ni, and the content range of Zn is 72.65～159.64mg/Kg. The seasonal distribution of the content of Cu and Zn decreases gradually in a year and reaches the lowest value in November. Both the highest content of Cr and Ni is in September, but the content of Pb in each sampling point is different annually. The results of comprehensive pollution index evaluation show the pollution level of the sediments in Wuyi Bridge is slight throughout the year. Both the sediments in Puji Bridge and Boan cause mild contamination in July, September and November but reached safety level in April. The sediments in Jiang Xianggong Bridge is mild contamination level in July and September, alert level in April and safety level in November. Hakanson potential ecological risk assessment reveals overall ecological risk of Xixi wetland is minor and the potential ecological risk index of annual heavy metals in Wuyi Bridge is the highest.

Xixi wetland; heavy metal; characteristics of distribution; assessment

2012-10-20

浙江省重点科技创新团队项目资助(2010R50039)；杭州市西溪湿地研究中心开放基金资助项目(PD11001004002010)；浙江省大学生新苗人才项目(2011R421016).

朱维琴(1975—)，女，副教授，博士，主要从事固体废弃物资源化研究.E-mail: zhwq-2000@tom.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.02.015

X52

A

1674-232X(2013)02-0161-07