温州灵昆岛围垦区土壤重金属污染特征及生态风险评价

童 敏，黄民生，何 岩，曹承进

（1．华东师范大学 生态与环境科学学院，上海 200062；2．上海宝钢新型建材科技有限公司，上海 201900）

0 引 言

近年来，土地资源紧缺是制约城市经济发展的瓶颈．滩涂围垦土壤已成为我国后备土壤资源，在缓解城市建设和经济发展对土地的需求矛盾过程中发挥着重要作用．温州市为了拓宽土地利用资源，确定了“岛陆相连、围涂造地、开发港口”的发展方向，提出了“温州半岛工程”的开发计划，工程施工地点为温州浅滩．温州灵昆浅滩位于瓯江口之外，介于温州市龙湾区灵昆岛和洞头县霓屿岛之间，是目前瓯江河口区域内规模最大、发育较为完整的滩涂［1］．最大滩宽为4．2 km，滩长14 km，中潮位以上的滩面面积为1 067 hm2，低潮位以上滩面面积高达2 400 hm2［2］．温州半岛浅滩围涂工程使温州从滨江型城市向滨海型城市转化，对解决温州土地瓶颈制约和促进整个温州社会经济可持续发展具有重要的意义．

然而，围垦区滩涂土壤是重金属等难降解的污染物极易累积的场所．随着经济快速发展，大量污染物质如营养盐、重金属等通过工业废水、生活污水、城市垃圾和大气沉降等排放到水体中，最终汇入海洋．其中，重金属不易降解，易与颗粒物结合并聚集，这对滩涂围垦土壤的生态系统产生了严重影响．同时，围垦区所采用的回填材料包括建筑垃圾、疏浚泥沙及河道淤泥等．已有研究表明温州河道淤泥中富含重金属等污染物质［3］，这可能会限制围垦区土壤的开发利用，所以有必要对温州浅滩围垦区土壤的重金属污染现状进行研究．本文以温州浅滩围垦区土壤为研究对象，通过对不同吹填类型的围垦土壤重金属含量进行研究和生态风险评价，为合理规划围垦区土壤提供理论依据．

1 材料与方法

1．1 样品采集与预处理

图1 围垦区采样点分布Fig．1 Sampling sites in reclamation district

采样调查区位于温州市灵昆岛浅滩，于2012年7月采集土壤样品（见图1）．根据吹填时间和吹填材料不同在围垦区设置7个采样点，其中LK1（27°57′4．80"N，120°55′24．80"E）已完成吹填3年，为农业生产用地，LK2（27°56′51．20″N，120°56′37．30″E）已完成吹填，表层土壤已经固化，吹填材料为砂土和建筑垃圾，LK3（27°56′23．13″N，120°56′7．81″E）为吹填区内天然的芦苇塘，LK4（27°56′20．15″N，120°58′11．25"E）正在进行吹填，吹填材料包括底泥、建筑垃圾和砂土等．LK5（27°56′18．12″N，120°58′12．49″E）为靠近东围堤的滩涂土壤．LK6（27°57′13．55″N，120°56′42．94″E）已完成吹填，吹填材料为底泥，表层土壤已经固化．在6个采样点采集100 cm柱状样品，按0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm，15～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm对柱状样进行切分．

1．2 样品分析测试

采用真空冷冻干燥机对土壤样品进行冷冻干燥，干燥后的样品剔除杂物后，用研钵研碎，过120目尼龙筛，混匀后进行四分法取样，干燥保存．土壤样品采用HNO3－HClO4－HF消解，消解完毕，用超纯水转移至25mL容量瓶中，定容待测．土壤中重金属元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Ni和Pb的含量采用700－ES型ICP－OES测定，Hg和As含量采用AFS－9230双道原子荧光光度计测定．在测定过程中设置空白样，同时进行重复样和标样分析，保证实验数据可靠性．

1．3 评价方法

1．3．1 地累积指数评价法

德国科学家Muller于1969年提出的地累积指数（Igeo）是一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标［4］，被广泛用于评价现代沉积物中重金属的污染状况．其利用重金属的总量与地球化学背景值的关系，直观地反映外源重金属在沉积物中的富集程度，计算公式为：

式中，Ci是沉积物重金属元素i的实测值（mg／kg）；Bi为该重金属元素的地球化学背景值，以浙江省温瑞平原土壤元素背景值［5］作为参考．地累积指数共分7级，与沉积物中重金属污染程度的关系见表1．

表1 地累积指数等级与污染程度Tab．1 Geo－accumulation index and pollution levels of heavy metals

1．3．2 潜在生态风险评价法

瑞典科学家Hakanson于1980年提出了潜在生态风险指数评价法（potential ecological risk index，RI）［6］．该评价方法将重金属与生态危害、生物毒性有机结合，以重金属含量、数量、毒性和评价区域对重金属的敏感性四个基本条件为原则．不仅反映某一特定环境条件下底泥中各种重金属对环境的影响，也反映了环境中多种重金属的综合效应，而且定量地划分出潜在生态危害程度．该方法的计算方法如下：

Hakanson根据8种污染物（PCB、Hg、As、Cu、Cd、Pb、Zn和Cr）的含量对、和RI值对应的污染等级进行了划分，见表2．

表2 底泥中、和RI的污染等级Tab．2 Pollution degree standards for 、和RIin sediment

表2 底泥中、和RI的污染等级Tab．2 Pollution degree standards for 、和RIin sediment

Cif Cd 污染等级 Eir RI 潜在生态风险程度＜1 ＜8 轻微 ＜40 ＜150轻微1～3 8～16 中等 40～80 150～300 中等3～6 16～32 重 80～160 300～600 强≥6 ≥32 严重 160～320≥320 ≥600 很强极强

1．4 土壤生物毒性试验

发光细菌毒性试验中所用的发光细菌为青海弧菌Q67（Vibrio qinghaiensis）菌株冻干粉．测试仪器为BHP9511型水质毒性分析仪．取2 mL3%的NaCl溶液于平底玻璃管中，加入20μL复苏菌液，测定其发光强度值，在适宜范围内即可用作实验测定菌液．以2 mL 3%NaCl溶液作为空白对照，向样品管中加入2 mL上覆水或者底泥浸出液，依次加入20 μL菌液，充分摇匀后，待反应15 min后用毒性分析仪依次测定空白管和样品管的发光度，样品毒性即相关发光度以样品管的发光度占空白管发光度的比例计算．

表3 毒性评价分级标准［7］Tab．3 Evaluation standard of toxicity

热带爪蟾胚胎毒性试验中挑选实验室养殖的性成熟的热带爪蟾6对，人工注射HCG诱导产卵．每对爪蟾各注射2次HCG（初次注射20个单位，36 h后注射100个单位），待爪蟾抱对产卵后收集胚胎，从产卵较好的3对爪蟾的胚胎中，挑选出达到NF10－11阶段且正常发育的胚胎进行实验．采用24孔板的培养皿进行胚胎暴露实验，以系统水作为对照．样品各设4个平行，每个平行样选取10个胚胎进行实验．暴露于浸出液中的胚胎置于培养箱中25℃下培养，24 h后将未孵化的胚胎挑选出，记录胚胎孵化数，更换一次暴露液，接着培养24 h后统计孵化后胚胎的存活数与死亡数．在解剖镜下观察胚胎的生长发育状况，并对畸形胚胎进行拍照．

2 结果与分析

2．1 不同区域土壤重金属分布特征

由图2可知，不同区域土壤中重金属元素含量分布均不同．LK1样点土壤中Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As含量分别为（1．74±0．87）、（124．21±35．44）、（47．31±10．25）、（1 196．31±237．21）、（44．30±6．80）、（48．24±9．87）、（159．62±16．25）、（0．69±0．11）和（5．24±0．78）mg／kg．除了As之外，LK1点其他重金属元素含量均高于温瑞平原土壤背景值，其中Cd和Hg含量高于《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）（见表4）二级标准．LK2样点Cd、Hg和As含量为1．06、0．55和7．8mg／kg，高于土壤背景值，其他元素含量较低，其中Cd和Hg含量高于土壤二级标准．LK3样点土壤重金属含量与LK1接近，Cd和Hg含量分别（1．01±0．03）和（0．80±0．03）mg／kg，其他重金属元素含量均低于土壤二级标准．LK4样点Cd和Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As的含量为（0．76±0．14）、（39．94±4．28）、（900．17±142．87）、（42．71±6．53）、（42．38±1．74）、（156．65±6．64）、（1．04±0．10）和（7．55±0．27）mg／kg，除了Cr，均高于土壤背景值，LK4点的Cd含量为所有采样点最低值，但其与Hg含量均高于土壤二级标准．LK5采样点的Cd、Hg和As平均含量分别为0．94、1．43和11．40 mg／kg，均高于土壤背景值，且Hg和As的含量达到最大值，Hg的含量约为二级标准的3倍．LK6采样点的所有元素均高于土壤背景值，Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As含量分别为（2．96±1．07）、（156．42±41．76）、（145．71±53．19）、（1570．43±231．67）、（57．70±7．91）、（67．33±8．18）、（299．33±19．83）、（0．88±0．26）和（11．28±1．02）mg／kg，其中Cd、Hg、Cu、Zn和Ni高于土壤环境质量二级标准，Cd含量为二级标准的9．87倍．

图2 围垦区土壤重金属含量分布Fig．2 Contents of heavy metals in soils from reclamation district

经分析可知，围垦区土壤均受Cd和Hg污染最为严重，这与宋力等［8］对温瑞塘河沉积物重金属调查结果一致，但与陈华林等［9］对温州城市土壤重金属含量的分析结果有所不同．6个采样点中，除了Hg、As外，LK6样点的重金属含量均高于其他采样点，其次为LK1和LK4．LK1围垦年限为3年，作为农业生产用地，可能受农药及化肥的影响，重金属含量较其他采样点有所偏高．LK6位于底泥吹填区，吹填材料为温瑞塘河河道底泥，由于温州市经济发达，制革、电镀行业污染严重，水体长期纳污，底泥中沉积了大量污染物，导致重金属含量大幅度增大，远远高于一般的建筑垃圾．LK4吹填区也包含一部分底泥，所以其重金属含量也有所偏高．

表4 土壤环境质量标准（GB15618—1995）重金属限值Tab．4 Environtmental quality standard of heavy metals in soils mg·kg－1

2．2 土壤重金属地累积指数评价

各采样点表层土壤中重金属地累积指数如表5所示．围垦区土壤重金属Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn、Hg和As的地累积指数Igeo分别为1．47～3．38、－3．03～－0．10、－2．74～1．63、－2．00～0．45、－2．51～0．10、－2．33～0．12、－1．80～0．78、1．92～3．31和－0．86～0．28．比较各重金属的地累积指数可以看出，Cd和Hg的地累积指数高于其他重金属元素，所以围垦区土壤主要污染重金属元素是Cd和Hg．从不同吹填类型土壤重金属的地累积指数Igeo可以看出，LK1土壤的Cd为中度污染，LK6土壤的Cd为偏重污染，其他区域的土壤Cd均为偏中度污染．LK5土壤重金属Hg的地累积指数最高，为偏重污染；LK2的Hg的地累积指数最低，为偏中度污染；其他区域土壤的Hg均为中度污染．LK1土壤的Cu为轻度污染，LK6土壤的Cu为偏中度污染，其他区域基本不受Cu污染．此外，除了LK6，围垦区其他区域土壤的Cr、Mn、Ni、Pb和Zn元素均无污染．由上述分析可知，LK6即底泥吹填区的重金属污染最严重．

表5 围垦区土壤重金属地累积指数Tab．5 Geoaccumulation index（Igeo）of heavy metals in soil from reclamation district

2．3 土壤重金属潜在生态风险指数评价

潜在生态风险评价结果（见表6）表明：围垦区域内LK6土壤重金属的潜在生态风险指数RI高于600，表明底泥吹填区土壤重金属具有极强潜在生态风险．其他区域的RI均介于300～600，土壤重金属具有强潜在生态风险，其大小顺序为LK5＞LK1＞LK4＞LK3＞LK2．从单因素生态风险指数分析可知，LK6区域重金属Cd具有极强生态风险，LK4区域内Cd具有强生态风险，其他区域Cd元素均具有很强生态风险．除了LK2，其他区域重金属Hg均具有很强生态风险．土壤中其余重金属元素的污染基本上都较轻微，仅有轻微生态风险．从上述分析可知，重金属Cd、Hg对潜在生态风险的贡献最大，其次是As．

2．4 土壤生物毒性分析

利用发光细菌和热带爪蟾胚胎对围垦区土壤进行生物毒性分析的结果如图3所示．围垦区土壤浸出液相对发光强度的范围为61．1%～115．9%，其中LK6区域的相对发光强度为61．1%，具有中等毒性．其他区域土壤浸出液相对发光强度均大于90%，无毒性．少数区域的相对发光强度大于100%，这可能是由于土壤环境样品成分比较复杂，多种污染物在低剂量的综合作用可能会促进发光细菌的发光强度［10］．由围垦区土壤浸出液对热带爪蟾胚胎生长的影响可知，围垦区土壤中仅底泥吹填区域的胚胎孵化率显著低于对照组（p＜0．001），其他区域土壤浸出液的孵化率与对照组无显著差异．热带爪蟾胚胎孵化率相对较高，可能是由于热带爪蟾胚胎的外侧有层保护膜，在受精作用后保护膜会逐渐分解．本研究表明该保护膜对热带爪蟾胚胎起到了一定的保护作用．这与杨波等［11］研究温州市典型黑臭河道底泥浸出液对爪蟾胚胎发育的影响所得到的孵化率相对较高的结果一致．LK6区域的胚胎全部死亡，LK4和LK5区域土壤浸出液的胚胎存活率略高于80%，显著低于对照组（p＜0．05）．LK1和LK4区域的畸形率也低于对照组（p＜0．05），其他区域土壤与对照组无显著差异．毒性监测表明，底泥吹填区土壤的生物毒性高于围垦区其他区域的土壤，建议在吹填区土壤开发利用之前采取一定的修复．

表6 围垦区土壤重金属潜在生态风险指数Tab．6 Potential ecological risk coefficients（）andintegrated risk index（RI）of heavy metals in soil from reclamation district

表6 围垦区土壤重金属潜在生态风险指数Tab．6 Potential ecological risk coefficients（）andintegrated risk index（RI）of heavy metals in soil from reclamation district

采样点 Ei r Cd Cr Cu Mn Ni Pb Zn Hg As RI LK1 291．25 2．90 7．91 1．58 6．20 5．87 1．38 191．79 8．36 517．23 LK2 176．88 0．37 1．15 0．51 1．35 1．62 0．57 153．05 12．44 347．94 LK3 168．96 0．54 2．52 0．40 1．73 1．85 0．62 223．30 12．65 412．57 LK4 126．46 0．53 6．68 1．19 5．98 5．16 1．35 288．67 12．05 448．05 LK5 157．50 0．41 1．73 0．38 1．43 1．49 0．43 396．23 18．18 577．78 LK6 493．60 3．65 24．37 2．07 8．08 8．19 2．58 243．66 1．40 787．59

图3 围垦区土壤浸出液的毒性效应Fig．3 Toxic effects of soil extract from reclamation district on Luminous bacteria and Xenopus tropicalis embryos

3 结 论

（1）围垦区土壤均受Cd和Hg污染最为严重．除了Hg和As外，底泥吹填区域土壤的重金属含量均高于其他采样点，其次为农业生产用地．

（2）Cd和Hg的地累积指数高于其他重金属元素，LK6即底泥吹填区的重金属污染最严重．

（3）底泥吹填区土壤重金属具有极强的潜在生态风险，其他区域土壤重金属具有强潜在生态风险，其大小顺序为LK5＞LK1＞LK4＞LK3＞LK2．重金属Cd、Hg对潜在生态风险的贡献最大，其次是As．

（4）底泥吹填区域土壤浸出液相对发光强度为61．1%，具有中等毒性．其他区域土壤浸出液相对发光强度均大于90%，无毒性．热带爪蟾胚胎在底泥吹填区土壤浸出液中无法生长．建议在吹填区土壤开发利用之前采取一定的修复．

［1］黄哲浩．温州半岛浅滩二期围涂工程促淤方案初步研究［J］．黑龙江水专学报，2009（2）：48－50．

［2］黄哲浩．温州浅滩水下淤泥软基处理［J］．水利水电快报，2005，26（14）：19－21．

［3］顾君，郑祥民，周立旻，等．温瑞塘河温州市区典型河段底泥重金属污染特征［J］．城市环境与城市生态，2012，25（1）：31－34．

［4］MULLER G．Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River［J］．Geojournal，1969，2（3）：108－118．

［5］汪庆华，董岩翔，周国华，等．浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值［J］．生态与农村环境学报，2007，23（2）：81－88．

［6］HAKANSON L．An ecological risk index for aquatic pollution control：A sedimentological approach［J］．Water Research，1980，14（8）：975－1001．

［7］朱文杰，郑天凌，李伟民．发光细菌与环境毒性检测［M］．北京：中国轻工业出版社，2009．

［8］宋力，顾敦罡，黄民生，等．温州河网沉积物中重金属分布特征与污染评价［J］．光谱学与光谱分析，2012，32（9）：2540－2545．

［9］陈华林，周江敏，金煜彬，等．温州城市土壤Cu，Zn，Pb含量及其形态研究［J］．水土保持学报，2008，21（6）：75－78．

［10］MURADO M A，VÁZQUEZ J A．The notion of hormesis and the dose－response theory：A unified approach［J］．Journal of Theoretical Biology，2007，244（3）：489－499．

［11］杨波，朱攀，袁静，等．运用热带爪蟾胚胎检测黑臭河道底泥的生态毒性［J］．华东师范大学学报：自然科学版，2012（3）：145－154．