呼兰河口湿地表层沉积物表层沉积物重金属污染评价

2015-09-09姜立伟惠洪宽

哈尔滨师范大学自然科学学报 2015年2期

姜立伟，惠洪宽，葛壮

(黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室，哈尔滨师范大学)

0 引言

湿地与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统，作为水陆过渡带有着巨大的环境调节功能和生态价值，是人类最重要的自然资源，被誉为“地球之肾”.同时湿地一般位于地势低洼地带，容易承接大量的人类活动产生的污染物，尤其是河口湿地能截留大量上游排放的污染物，是重要的环境污染物汇集地［1］.一般情况下，湿地沉积物中的重金属不会对环境造成危害.但当水体环境改变，使沉积物对重金属的吸附和接纳能力超过其最大负荷时，重金属就会从沉积物中释放出来，从而对水体产生“二次污染”［2］.重金属因其易积累性和难降解性，成为湿地环境中具有潜在风险的重要污染物［3］.重金属在水体沉积物中的分布特征可以反映水体环境重金属污染程度，同时分析沉积物中的重金属比单纯的水体分析更具代表性，湿地沉积物中重金属污染已经引起广泛关注［4］.

呼兰河口湿地自然保护区位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区南部，地处松嫩平原南部，松花江中游北岸，属于温带大陆性季风气候.保护区沿松花江北岸东西带状延伸，保护区东西长63.5 km，南北宽21.3 km，总面积为 19262 hm2.为了整治松花流域的生态环境，2007年5月，经国务院批准，松花江进入为期十年的“修养期”，以减少污染物的排放和改善水环境.外来污染物的减少使得沉积物对水环境的影响变得显著.因此，研究沉积物重金属含量，可以有效的反映区域的污染状况.前人对呼兰河口湿地沉积物重金属分布和潜在生态风险评价的研究较少.该文以呼兰河口湿地沉积物为研究对象，分析6重金属(Cr，Ni，Cu，As，Cd 和 Pb)的污染特征和分布规律，运用地累积指数对呼兰河口湿地进行评价，采用潜在生态危害指数法对护栏呼兰河口湿地沉积物的重金属潜在生态危害进行评价，以期为呼兰河口湿地水体重金属污染防治提供理论依据，为湿地环境保护及合理开发利用提供理论支持.

1 材料与分析、评价方法

1.1 样品采集及处理

2012年9月，对呼兰河口湿地研究区的7个样点进行样品采集，采样点位置如图1所示.采用柱状采泥器，采集0～20 cm表层沉积物，用洁净的聚乙烯自封袋保存，排尽空气后放入冰盒冷冻保存，运回实验室在－20℃冰箱里保存备用.沉积物样品经过干燥，剔出砾石、杂草等物后进行研磨，用口径0.075 mm的筛网过筛后待分析.

图1 呼兰河口湿地采样点示意图

1.2 样品分析

沉积物样品经HCL－HNO3－HCLO4－HF硝化处理后，利用美国Agilent 7500cx型电感耦合等离子体质谱仪(ICP－MS)测定.分析过程采用超纯水，所用试剂均为优级纯.同步测定空白样、平行样，以保证分析的准确性，结果符合国家沉积物标准品GSD－7(GBW－07307)的质控要求.

1.3 沉积物重金属评价方法

1.3.1 地累积指数法

地累积指数法［5］德国科学家 Müller(1969)提出的一种对沉积物重金属污染评价的方法，被广泛用于研究沉积物中重金属污染的评价，其计算公式如下:

式(1)中Igeo为地累积指数，Cn为沉积物中某一重金属的实测含量(mg·kg－1);K为各地岩石的岩性差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取1.5);Bn为沉积岩中的地球化学背景值，该文选取黑龙江省松嫩平原土壤背景值［6］为重金属的Bn，见表1.根据Igeo的计算结果，重金属污染程度共分为7个等级［7］见表2.

表1 松嫩平原土壤背景值及毒性响应系数

表2 Muller污染指数分级

1.3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson提出的对沉积物中重金属潜在生态危害的一种评价方法.该方法考虑了重金属的生物毒性及其在沉积物中的迁移转化规律，可以综合反映沉积物中重金属的潜在生态危害，其计算公式如下:

式(2)中为重金属的富集系数;为重金属i的浓度实测含量;为计算所需的参照值为重金属毒素响应系数;为第i种金属的潜在生态危害系数;RI为综合潜在风险指数表征重金属的毒性水平以及水体对重金属污染的敏感程度［8］其毒性系数见表1.RI与的指数分级标准［9］见表 3.

表3 综合及单项潜在生态风险评价指数与分级标准

2 结果与分析

2.1 表层沉积物重金属的含量

呼兰河口湿地沉积物重金属含量如图2所示.由图2 可以看出，元素Cr、Ni、Cu、As、Pb和Cd

图2 呼兰河口湿地沉积物中各种重金属含量分布图

表现出相似的含量变化趋势.沉积物重金属丰度值大小为Pb＞Cr＞Ni＞Cu＞As＞Cd，这与中国土壤化学元素丰度值大小略有差异［10］人为因素可能是导致这种差异的主要原因.各元素的平均含量:Cr为 19.44 mg·kg－1，Ni为12.28 mg·kg－1，Cu 为 8.04 mg · kg－1，As 为7.54 mg·kg－1，Cd 为 0.16 mg · kg－1，Pb 为24.74 mg·kg－1.除元素 Cd、Pb 略高于松嫩平原土壤背景值外，元素 Cr、Ni、Cu、As均低于松嫩平原土壤背景值.

呼兰河口湿地表层沉积物中 Cr、Ni、Cu、As、Cd和 Pb 的变异系数分别为 22.3%、6.0%、8.1%、14.5%、20.9% 和 6.8%(见表 4)，Cr 和Pb变异系数均大于20%，属于中等变异强度.沉积物样品中Cr和Cd最大值和最小值之间相差较大.其中Cr最大值是最小值的1.8倍，S1点和S7点的Cr值明显高于其他点，而S1点和S7点位于岸边，受当地人类活动影响较大，这可能是导致Cr值变化较大的原因.Cd最大值是最小值的1.6倍，Cd的变化规律性不明显，最大值出现在S7点，这与Cr最大值位点相同，表明二者可能存在相同或相似的污染源.Cd最小值出现在S2点，S2点靠近松花江干流，受呼兰河河水和当地人类活动的影响相对较少，这可能是导致S2点低于其他位点的原因.但总体上看越靠近湿地边缘和岛屿Cd的含量值越大.其他元素值的变化幅度较小，但变化趋势比较明显，一般湿地边缘的各元素值大于湿地内部各元素值.岸边的旅游度假村生活污水排放和当地的水禽养殖对重金属元素富集程度影响较大，湿地内部的旅游开发对重金属元素的影响不显著.

表4 呼兰河口湿地表层沉积物重金属统计特征值 mg·kg－1

2.2 沉积物重金属污染程度评价

2.2.1 地累积指数法

呼兰河口湿地沉积物中重金属元素的地累积指数分级统计结果见表5.从单个重金属Igeo来讲，呼兰河口湿地沉积物中Cd的污染情况最为严重，7个采样点均达到了Ⅰ级(无污染—中等污染).其他重金属元素均处在无污染状态.各种金属元素污染程度有强到弱大致为Cd＞Pb＞As＞Ni＞Cu＞Cr.从点位上看，S7点的污染最为严重，Cd元素属于“轻度”污染，其他元素在同类元素对比中值也偏高.这与S7点位于呼兰河口湿地公园入口附近，车流量较大，人类活动频繁有关.虽然呼兰河口湿地外围用铁丝网进行隔离保护，区域内使用环保电瓶车，生态环境得到改善，但从评价结果来看，湿地北部的污染程度还是要比南部稍高.

表5 沉积物重金属污染地累积指数Igeo及分级

2.2.2 潜在生态风险评价

采用Hakanson提出的潜在生态风险指数法，对呼兰河口湿地表层沉积物中的元素Cr、Ni、Cu、As、Cd和Pb进行潜在生态风险评价，其结果见表6.

从单因子潜在风险系数可以看出呼兰河口湿地沉积物中6种重金属元素的潜在生态风险程度大小顺序为Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr.其中As、Pb、Ni、Cu和Cr的均小于40，表明这5种重金属元素均属于轻微生态危害.沉积物中Cd值均大于40，属于中等生态危害，这表明呼兰河口湿地在一定程度上存在中等程度的Cd污染的潜在风险.从综合潜在风险指数RI的值分析，整个呼兰河口湿地的RI介于71.93 ～105.44，平均值为89.71，其中Cd是RI值的主要贡献者，沉积物重金属RI的另一个主要贡献者是Pb.总体属于轻微生态危害，情况良好.RI最高点是S5点，其次是S7点和S1点，这与前面地累积指数法评价的结果略有差异.因此只有将重金属元素的累积程度与其对湿地生态系统的危害程度结合起来，才能更加全面的反应沉积物中重金属的污染状况［11］.

表6 呼兰河口湿地沉积物重金属生态风险评价指数

2.3 沉积物重金属元素相关性分析

如果同一水域沉积物重金属相关性较好，说明其可能具有相似的来源和分布［12－13］，呼兰河口湿地沉积物重金属元素之间的相关性分析结果见表7.Cr和Ni元素在P＜0.05水平上存在显著的正相关，表明呼兰河口湿地沉积物中Cr和Ni可能具有相同或相似的污染来源.其他元素之间没有显著的相关性，通过前面分析得出，呼兰河口湿地重金属污染程度较轻，说明沉积物中的重金属含量受当地土壤环境影响较大，受外来污染源影响较小.

上述分析结果表明，呼兰河口湿地重金属元素污染程度和潜在生态风险程度均较低，整个区域未达到污染程度，但局部的区域Cd元素污染程度较高.该研究的呼兰河口湿地沉积物重金属的平均值(表1)与2011年孙洋阳［14］研究结果对比表明，呼兰河口湿地表层沉积物重金属含量有所增大，因此，对呼兰河口湿地生态环境的保护不容忽视.

表7 呼兰河口湿地沉积物重金属元素的相关性

3 结论

(1)呼兰河口湿地湿地沉积物的重金属含量测定结果表明，Cr、Ni、Cu、As、Cd 和 Pb 的含量的平均值分别为 19.44、12.28、8.04、7.54、0.16和 24.74 mg·kg－1，除 Cd 外，其他元素的平均值均小于松嫩平原土壤背景值.

(2)呼兰河口湿地沉积物重金属地累积指数分级程度强弱顺序为Cd＞Pb＞As＞Ni＞Cu＞Cr.所有重金属元素中，Cd的污染程度最高，接近中等程度污染，其他重金属元素均处在无污染状态.湿地北部的污染程度高于南部.

(3)Hakanson潜在生态风险评价结果表明，呼兰河口湿地沉积物重金属危害程度排序为:Cd＞As＞Pb＞Ni＞Cu＞Cr，除Cd处于中等生态危害等级外，其他重金属元素均处在轻微生态危害等级.从综合生态潜在风险指数分析，研究区总体处于轻微生态危害等级.Cd是研究区主要的潜在生态危害重金属污染物，应该引起重视.

(4)呼兰河口湿地沉积物重金属元素之间的相关性较差，重金属污染程度较低，说明研究区重金属元素受土壤背景影响较大，外在污染源相对较少.

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