草海湖湿地重金属分布特征及污染负荷

张珍明，林绍霞，张清海，郭 媛，林昌虎3，

（1.贵州省生物研究所，贵阳550009；2.贵州省理化测试分析研究中心，贵阳550002；3.贵州科学院，贵阳550001；4.贵州大学 贵阳550025）

湿地是地球上水陆交互作用形成的独特生态系统，它不仅为多种动植物提供了赖以生存的场所，也在抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染等方面起着举足轻重的作用[1]。随着人类活动领域的扩大和物质需求的不断增加，人类对各类湿地资源的干预和利用强度也在不断加大[2]。由于盲目的开垦和过度占用湿地，工农业生产导致湿地土壤污染严重，土地资源利用不合理，湿地泥沙日益严重淤积等众多原因，目前我国湿地退化严重[3]。草海湖湿地位于贵州省西部，是一个完整的、典型的喀斯特高原湿地生态系统，是国家一级高原湿地，在我国为数不多的亚热带高原喀斯特湿地生态系统中，草海生态系统的脆弱性、典型性、重要性、生物多样性等都具有代表意义。但随着草海湖区域旅游业和农业生产的快速发展，草海湖湿地土壤环境急剧恶化，正威胁着草海湖湿地生态系统的自然性和稳定性。

随着人类活动强度的增大，在湿地生态系统中土壤重金属含量超标较为普遍，它不仅毒害土壤—植物系统，降低农作物的品质，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，最终进入食物链直接、间接危害人类生命健康[4－7]。目前对草海生态环境的研究工作集中在草海生物多样性[8－9]及地球化学过程[10－11]方面，针对草海湿地中多种重金属综合污染方面的研究甚少报道。为此，笔者以草海湖湿地土壤为研究对象，探讨草海典型湿地土壤中的7种重金属元素含量和空间分布特征进行分析，以期为贵州湖湿地的保护提供基础资料和决策依据。

1 研究区概况

草海高原湿地位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县县城西南侧，位于东经104°10′16″—104°20′40″，北纬26°47′32″—26°52′52″，平均海拔为2 171.7m，属亚热带季风气候，年平均气温10.5℃，年均日照时数1 805.4h，年均降雨量950.9mm，降雨主要集中于夏季，是贵州省境内降水量最少的地区。草海属于长江水系，是金沙江支流横江洛泽河的上源湖泊，其水源补给主要靠大气降水。草海保护区面积96 km2，湖面面积大约仅有25km2。草海高原湿地盆地内的土壤大部分为黄棕壤，具有相对湿度大，淋溶作用强，呈酸性，有机质含量高的特征，在常年被湖水淹没的盆地淤泥地带则是泥炭化的沼泽土。

2 材料与方法

2.1 样品的采集与制备

于2010年8月（丰水期）及2011年3月（枯水期）两个时期对草海周边土壤和表层沉积物进行布点采样，根据研究目标，结合草海湖泊地貌实际情况并参考威宁县环境监测中心水质监测断面底泥调查所布设的点位，制成采样分布图（图1）。表层沉积物采样路线设计以草海湖泊中心为起点，向3个方向辐射，在草海湖的东区、西南区和西北区三个区域布点采样：东区紧靠威宁县城，是城市生活污水的排污口，也是草海旅游的主线路；西南区水生植被丰富；西北区则是草海湖的出水口。采用S形方式进行采集5～8个采样点为一个混合样，每个点采集0—20cm土层土壤样品。合计采集92个土壤样品，其中采集底泥样品54个，草海湖周边区域采集农用地土壤样品22个、林地土壤样品5个、沼泽草地土壤样品11个。

图1 草海底泥样品采样点示意图

将采集的样品分别装入不含重金属的布袋带回实验室，将土样按编号倒入干净的塑料膜上，在半干状态下把土块压碎，并剔除植物残体及大砾石等非土壤物质，均匀铺开，置于阴凉通风处自然晾干。晾干后充分混匀，按对角线四分取土法分取一半样品研磨，另一半作为备用样品保存。样品全部过2mm尼龙网筛，备用；取过2mm筛的土样20g左右经玛瑙研钵研细全部过0.15mm尼龙网筛，充分混合均匀供分析测试用。为防止样品制备产生二次污染，样品采集、混合、装袋、粉碎、研磨等处理过程均采用木头、塑料、玛瑙等用具。

2.2 测试方法

本实验所用试剂均为优级纯、二次去离子水，每10个样品加1个空白样，以控制整个流程和试剂及容器的清洁程度，每批样随机设定40%的平行样本数，平行样品间的相对偏差控制在限定范围内。重金属均采用六点标准曲线外标法定量，各指标标准曲线r值大于0.99，测定过程中采用平行样和标准参考物质（GSS2－GSS5）来控制准确度。重金属具体检查方法如表1所示[12－13]。

2.3 评价标准与方法

草海是国家级自然保护区，其土壤环境质量应符合《土壤环境质量评价标准》（GB15618－1995）中一级标准限值，但是由于贵州省土壤重金属元素的背景值较高，Cd，As，Pb，Cr含量均高于一级标准，尤其Cd含量更是一级标准限值的3倍有余，为了更好地反映草海地区土壤重金属的外源污染情况，本文以贵州省土壤元素背景值[14]作为评价基准（表2），运用单因子污染指数法和污染负荷指数法对草海湿地土壤重金属污染情况进行评价，首先根据某一点的实测重金属含量进行最高污染系数（CF）计算：

式中：CFi——元素i的最高污染系数；Ci——元素i的实测含量；Bi——元素i的评价标准，基线值或背景值。

某一点的污染负荷指数（PLI）为

式中：PLIsite——某一点的污染负荷指数；n——参加评价的元素个数。

某一区域的污染负荷指数为

式中：PLIzone——某一区域的污染负荷指数；n——该区域内所包含的样点数。

表1 土壤重金属检测方法

表2 土壤重金属污染评价基准

污染负荷指数法是由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，它能直观地反映各个重金属对污染的贡献程度以及重金属在时间、空间上的变化趋势，应用比较方便。该方法的独特之处在于它的高度概括性，由点指数求出区域指数，由区域指数求出整个地区的指数。因此这种方法非常适合于多个区域污染状况的对比评价。土壤重金属污染指数分级标准见表3。

表3 污染分级标准

3 结果与分析

3.1 不同土壤利用方式下土壤重金属含量分布特征

草海不同土壤利用方式下重金属含量水平如表4所示，草海各类土壤7种重金属含量的中值和平均值都比较接近，说明基本未受到特异值影响。土壤中重金属含量的最大值与最小值差别较大，是最小值的几倍、几十倍甚至上百倍，可见各采样点重金属含量的分布并不均匀。本研究中7种重金属中，Cd，Zn，Hg含量均明显高于贵州土壤背景值，3种重金属在草海土壤中出现了明显的富集，其中以Cd积累负荷最大。草海位于贵州西部的Cd、Hg高背景值区域，土壤中Cd，Hg含量比全省的其他地区都高[15]。另一方面主要是由于草海周边及邻县曾存在的土法炼锌工艺所致，Cd，Hg均不同程度地与Zn伴生，在草海周边曾出现大规模土法炼锌产生的大量废渣，重金属在长期的自然环境影响下，富集于草海土壤中[16]。从空间分布规律来看，草海湿地土壤Cd和Zn分布特征为：底泥＞农用地＞沼泽草地＞林地；Cr的分布特征为：沼泽草地＞林地＞农用地＞底泥；Pb和Cu含量的分布特征为：农用地＞底泥＞沼泽草地＞林地；Hg的分布特征为：底泥＞沼泽草地＞农用地＞林地；As的分布特征为：林地＞农用地＞沼泽草地＞底泥。

以变异系数的大小定量反映调查区域内各项指标含量的波动程度，可知，除农用地土壤中Cu的变异系数大于100%，达到强变异程度外，草海不同土壤重金属的变异系数都在10%～100%之间，表现出中等程度的变异性。草海底泥和草海湖周边的沼泽草地、农用地都以As的变异系数最小，分布最为均匀；而林地则以Cr的空间分布最为均匀。草海不同土壤7种重金属中变异系数最大、分布最不均匀的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼泽草地是Zn、农用地则是Cu。

表4 不同土壤利用方式下重金属含量

3.2 草海湿地土壤重金属污染指数

3.2.1 单因子污染指数 草海底泥7种重金属中，对环境构成污染的有Cd；Hg和Zn，且均已达到重污染程度，其污染程度为Cd（PCd＝27.45）＞Hg（PHg＝4.91）＞Zn（PZn＝4.33）；除此之外，其它元素Pi平均值均小于1，尚未构成污染。时间上，Cd，Hg和Zn的污染程度都是枯水期较为严重，主要原因是人类活动向湖泊底泥中输入了Cd，Hg和Zn含量，加之水文因素、径流淹没频率等因素影响；空间上，三种重金属的污染程度都是S区＞N区＞E区，且基本都呈现出距岸边越远污染越严重的趋势。可见，草海底泥各种重金属元素的富集程度差异极大。其主要与旅游开发过程中人类活动对水环境的流动性影响，其间接影响重金属迁移沉积的速率，E线为草海湖的上游，旅游过程中大部分船只均能到达，而S线主要是草海湖的静水区，人为活动较小（图2）。

不同土地利用类型在植被类型、植被盖度、人类活动等指标上存在差异显著，其中人为活动对农用地表现尤其明显，故草海湖周边的农用地7种重金属含量超标的有Cd，Pb，Hg，As和Zn，其中Cd，Hg达到重污染程度，Zn为中度污染，Pb和As为轻度污染。沼泽草地7种重金属含量超标的有Cd，Hg和Zn，其中Cd，Hg达到重污染程度，Zn为中度污染。林地在植被类型和植被覆盖度明显高于其他两种土地利用方式，故7种重金属超标的有Cd，Hg，As和Zn，且都达到轻度污染程度，对于草海土壤重金属潜在生态风险来说，Cd表现为首要的风险因子，其次为Hg和Zn，所以在草海环境管理与重金属防治工作中，需将Cd，Hg，Zn作为重点治理目标，采取必要措施以防止其向草海水体的迁移（图3）。

图2 草海胡底泥单污染指数

图3 草海周边不同利用方式土壤单污染指数

3.2.2 污染负荷指数 由表5可知，丰水期16个采样点中，有9个点重金属含量达到中等污染水平，另外7个点重金属含量均达到强污染水平，3个采样区底泥的重金属污染程度为S区＞N区＞E区，丰水期草海底泥重金属总体污染指数为1.68，达到中等污染水平；枯水期16个采样点中，有10个点重金属含量达到中等污染水平，6个达到强污染水平，比较3条采样线上重金属含量特征发现，7种重金属在3条线上分布特征表现为S区＞N区＞E区，枯水期草海底泥重金属总体污染指数为1.89，达到中等污染水平。E线为草海湖旅游的主航线，旅游过程中大量船只由此进入湖泊，加速水体的流动性，间接影响重金属迁移沉积的速率及空间分布。而靠近湖畔的E区接近航渡码头，人为活动对水质环境的影响严重。

表5 草海底泥重金属污染指数及污染状况

3.3 草海湿地土壤重金属污染特征

草海湖周边农用地土壤重金属总体污染指数为1.29，达到中等污染程度，22个采样点中有4个点无污染，1个点强污染，1个点极强污染，其余均为中等污染。沼泽湿地土壤总体污染指数为1.26，也是轻度污染，11个采样点中有10个轻度污染，1个无污染。林地土壤基本没有重金属污染问题，总体污染指数为0.77，5个采样点中仅有一个污染指数达到1.00，其它点均无污染。

图4 草海湖周边土壤各污染等级样本数

4 结论

（1）草海不同土壤重金属的变异系数都表现出中等程度的变异性。草海底泥和草海湖周边的沼泽草地、农用地都以As的变异系数最小，分布最为均匀；而林地则以Cr的空间分布最为均匀。草海不同土壤7种重金属中变异系数最大、分布最不均匀的元素各不相同，底泥和林地是Hg、沼泽草地是Zn、农用地则是Cu。

（2）草海底泥中Cd、Hg和Zn含量极高，分别为18.09mg／kg，0.54mg／kg，431.31mg／kg，均已达到重污染水平，Cu，As，Cr，Pb四种重金属尚未构成污染。草海底泥重金属污染水平为中等污染，且枯水期污染略重；空间分布上，S区的大部分采样点及其他两区靠近湖心的采样点污染较重，三个采样区都呈现距岸边越远污染越重的趋势。

（3）草海各类土壤重金属污染程度为：底泥（中等污染）＞农用地（中等污染）＞沼泽草地（中等污染）＞林地（无污染）。在草海旅游管理中，需将湖泊底泥作为重点防治对象，采取必要措施以防止其重金属向草海水体的迁移。

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