广西会仙湿地土壤重金属分布特征及风险评估

徐 莉， 黄亮亮， 吴志强， 黄 健， 高明慧， 陈如霞， 程 剑

(1.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协调创新中心，广西桂林 541004；2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；3.广西大学，广西南宁 530004；4.上饶师范学校，江西上饶 334000)



广西会仙湿地土壤重金属分布特征及风险评估

徐 莉1, 2， 黄亮亮1, 2， 吴志强1, 3， 黄 健1, 2， 高明慧1, 2， 陈如霞1, 2， 程 剑4*

(1.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协调创新中心，广西桂林 541004；2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；3.广西大学，广西南宁 530004；4.上饶师范学校，江西上饶 334000)

[目的]调查广西会仙湿地土壤环境质量。[方法]]研究广西会仙湿地表层土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、As和Hg 7种重金属元素在不同土地利用类型中的分布特征，并进行风险评估。 [结果]会仙湿地土壤Zn、Pb、Ni、Cr、Cu、Hg和As 7种重金属的平均含量分别为(141.25±126.62)、(46.99±20.14)、(39.60±13.93)、(110.71±30.84)、(38.76±27.51)、(0.18±0.16)、(17.32±6.92)mg/kg，除As和Hg外，其他重金属含量均超过广西土壤背景值；重金属在不同土地利用类型中存在差异，含量高的地方相对集中于池塘和沟渠，其中河流湿地Hg含量超过国家土壤质量二级标准；Zn与Ni、Cr、Cu、As呈极显著相关(P<0.01)，而Pb仅与Cr呈极显著相关(P<0.01)，而与其他重金属元素间均未表现出相关性；不同土地利用类型土壤存在不同程度的重金属污染，河流湿地、林地、沼泽湿地属于中度污染，其他湿地类型为轻度污染。[结论]会仙湿地土壤重金属污染已经对生态系统的健康发展构成了一定程度的威胁。

土壤；重金属；会仙湿地；风险评估

湿地是一个多功能的生态系统，在维持珍稀物种、阻止和延缓洪水、调节气候、净化水质、提供旅游资源等方面发挥重要作用[1-2]。广西会仙湿地是典型的岩溶湿地，由睦洞湖、分水塘与古柳运河等湿地构成，形成了以“湖泊-沼泽-库塘-河流-人工运河”为主的复合湿地生态系统[3]。随着经济社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，工农业废水和生活污水的排放量逐年增加，湿地受重金属污染越来越严重[4]。

土壤中的重金属通过食物链的富集对生物体及生态系统产生较大危害，是严重危害土壤生态安全的污染物之一[5]。近年来，随着人们对土壤质量的关注，全国很多地方均开展了土壤重金属调查和评价等相关研究[6]，2014年全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中，耕地、林地、草地土壤点位超标率分别为19.4%、10.0%、10.4%[7]。笔者以会仙湿地作为研究区域，研究其土壤重金属含量及分布特征，运用单因子指数法和综合污染指数法评价湿地土壤重金属的污染程度，以期为广西会仙湿地生态环境保护和资源合理利用提供理论依据。

1 研究区概况

桂林会仙湿地位于桂林市临桂区会仙镇、四塘乡和雁山区东部一带[8]，以睦洞、四益、新民、山尾、文泉等村为主，地势平坦，是典型岩溶峰林平原地貌(110°10′～110°14′E， 25°5′～25°6′N)。该地域内拥有睦洞湖、相思江以及唐代开凿的桂柳运河，气候为中亚热带湿润季风气候，雨量充沛，山青水秀，气候宜人，生态区位重要，被誉为“桂林之肾”。年均降雨量1 863.2 mm，年均日照时数1 588.5 h，平均气温19.2 ℃，以北风和东北风为主[9]，区内植被以沉水植物居多，土壤类型以丘陵红壤、黄红壤和棕色石灰土为主。由于长期以来开荒造田、围湖造塘、挤占河道等行为，使会仙湿地的湿地面积减少，土壤结构改变，湿地功能退化，为保护会仙湿地，2012年获批国家湿地公园。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理 选取会仙湿地10种具有代表性的土地利用类型土壤(图1)，分别为河流湿地、沼泽湿地、湖泊湿地、玉米地、水田、油菜地、林地、菜地、沟渠、池塘，共计62份土壤样本。采样点均采取多点采样混合法，用塑料勺取土壤表层(0～20 cm)泥样于聚乙烯自封袋中，标记好带回实验室。所采样品自然风干、除杂、混合均匀，经研磨缩分过100目尼龙筛后，分装于聚乙烯自封袋中，干燥保存[10]。

图1 研究区位置及采样点布置示意Fig.1 Layout diagram of the studied area site and sampling site

2.3.2 样品分析 样品经H2O2-HNO3-HF-HCl混合体系消煮，消解程序见表1，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)分别测定土壤重金属Cu、Zn、Ni、Cr、Pb含量[11]。样品经(1+1)王水(VHd∶VHNO3=3∶1)沸水浴消解后，稀释定容，采用原子荧光形态分析仪测定土壤重金属As和Hg含量[12]。 为保证分析的准确性，每批样品各有3个空白样品和标准物质与样品同步分析。采用的标准物质为GSS-4(GBW07404)。仪器测定结果表明，测定值在标准值的15%误差范围内。

表1 会仙湿地表层土壤微波消解程序

Table 1 Microwave digestion in the surface soil of Huixian wetland

程序Stage功率PowerW爬升时间Climbingtime∥min温度Temperature℃保持时间Holdtimemin1160031203216006150331600617020

2.3 污染评价法 采用单因子指数法和内梅罗综合指数法进行综合评价，评价标准依据广西土壤背景值[13]；污染等级划分参照表2。

2.3.1 单因子指数法。对土壤中某一污染物的污染程度进行评价，是目前环境各要素评价中应用较广泛的一种指数。表达式：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度(mg/kg)；Si为污染物的评价标准。

2.3.2 内梅罗综合污染指数。该方法突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，反映各种污染物对土壤环境的作用[14]。表达式：

(2)

式中，P综为土壤综合污染指数；Piave为土壤中各污染物的指数平均值；Pimax为土壤中单项污染物的最大污染指数。

2.4 数据处理 采用SPSS 18.0、Excel 2007和Mapinfo Professional 11.0进行数据处理、分析和绘图，重金属采用Spearman进行相关性分析。

表2 土壤重金属污染分级标准

3 结果与分析

3.1 表层土壤重金属含量 由表3可知，会仙湿地土壤重金属含量最高的是Zn，最低的是Hg，其含量由高到低依次为Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Hg。与广西土壤背景值相比，会仙湿地土壤中的Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量均超过当地背景值。其中，重金属Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量分别超过背景值1.87倍、1.96倍、1.49倍、1.35倍、1.39倍。

表3 会仙湿地土壤重金属含量

3.2 不同土地利用类型表层土壤重金属含量 由表4可知，不同土地利用类型土壤重金属含量存在差异，沟渠Zn含量最高，其他土地利用类型土壤Zn含量由高到低依次为池塘、林地、河流湿地、菜地、玉米地、沼泽湿地、油菜地、湖泊湿地、水田，沟渠Zn含量显著高于水田和油菜地；林地Pb含量最高为(70.47±12.51)mg/kg，其他土地利用类型土壤Pb含量由高到低依次为沼泽湿地、河流湿地、水田、沟渠、湖泊湿地、玉米地、菜地、池塘、油菜地；土壤Ni含量从高到低依次为河流湿地、沼泽湿地、林地、玉米地、菜地、池塘、油菜地、湖泊湿地、水田、沟渠，不同土地利用类型Ni含量差异不显著；玉米地和林地Cr含量相对较高，分别为(126.77±18.27)、(124.53±24.69)mg/kg，其他土地利用类型土壤Cr含量由高到低依次为池塘、油菜地、湖泊湿地、河流湿地、水田、沼泽湿地、菜地、沟渠，除菜地外，其他土地利用类型土壤Cr含量均显著高于沟渠；不同土地利用类型土壤Cu含量由高到低依次为池塘、菜地、沟渠、沼泽湿地、河流湿地、油菜地、玉米地、水田、湖泊湿地、林地；菜地和河流湿地土壤As含量相对较高，分别为(20.60±12.66)、(20.09±1.61)mg/kg，湖泊湿地、水田和林地As含量相对较低；河流湿地Hg含量极显著高于其他土地利用类型。

根据国家土壤环境质量标准(GB 15618—1995)，除河流湿地Hg含量超过国家二级标准外，其他土地利用类型不同重金属含量均接近或低于国家土壤质量二级标准。会仙湿地河流湿地Hg污染严重。Zn、Cu的空间分布较一致，含量较高的样点主要集中在池塘和沟渠，含量较低的点为水田。菜地、池塘地处养殖场附近，动物饲料中Cu通过动物粪便在土壤中富集，杀虫剂的使用以及周边工厂污水的排放、垃圾焚烧等均导致其Zn、Cu含量较高[15]。Pb作为交通污染源的标识要素之一，土壤重金属含量与公路附近的交通流量有一定的关系[16]。不同土地利用类型土壤As和Ni含量变化特征反映它们很可能受到同一因素影响[17]。

表4 会仙湿地不同土地利用类型土壤重金属含量

3.3 土壤重金属相关性分析 会仙湿地土壤表层中As、Pb、Zn、Cr、Ni、Cu和Hg 7种重金属间的相关性分析见表5。由表5可知，Zn与Ni、Cr、Cu、As，Pb与Cr，Ni与Cr、Cu、As，Cr与As以及Cu与As之间存在极显著相关(P<0.01)，Ni、As与Hg呈显著相关(P<0.05)。土壤重金属元素间的显著相关性说明在重金属积累过程中，这些重金属元素的迁移情况、蓄积量等具有相同的变化趋势，也可有效地指示重金属的同一物质来源[18]。因此，Zn、Ni、Cr、Cu、As 5种重金属的相关性推测其可能有相同来源，具有一定协同组合性。农药和化肥的大量使用是造成其重金属积累的原因[19]。Pb仅与Cr呈极显著相关(P<0.01)，而与其他重金属元素之间均未表现出相关性，说明Pb与其他重金属元素的来源不同，这是受到会仙湿地周边复杂的地理环境和人为因素的影响所致[20]。

3.4 不同土地利用类型土壤重金属污染评价 由表6可知，单因子指数结果显示，Pb>Zn>Ni>Hg>Cr>Cu>As；不同土地利用类型结果显示，Pb呈中度污染(除池塘、油菜地、菜地轻度污染外)，Zn为轻度污染(除沟渠、池塘呈中度污染外)，Ni、Cr为轻度污染，Cu为轻度污染(除湖泊湿地、林地处于警戒程度外)，As处于警戒程度(除湖泊湿地、水田处于安全状态)，Hg为轻度污染(除河流湿地重度污染、油菜地中度污染外)。综合污染指数结果显示，河流湿地>林地>沼泽>湿地>沟渠=池塘>油菜地>水田>玉米地=湖泊湿地>菜地；其中，河流湿地、林地、沼泽湿地呈中度污染，其他土地利用类型土壤属于轻度污染。

表5 会仙湿地土壤重金属相关性系数

注：**.在置信度(双测)为0.01时，相关性显著;*.在置信度(双测)为0.05时，相关性显著。

Note： ** indicated that when confidence coefficient was 0.01, the correlation was significant.* indicated when confidence coefficient was 0.05, the correlation was significant.

表6 会仙湿地不同土地利用类型土壤重金属污染评价指数

仅As元素单因子污染指数低于1.0，其他重金属元素均超过1.0，说明会仙湿地土壤重金属表现为富集现象。其中，Pb和Zn污染程度较高，次煤、垃圾燃烧和交通工具使用含Pb汽油等，都可能造成土壤Pb含量升高；采样区域内集约化养殖场大多使用饲料添加剂，由于其含有高含量的Zn等元素，使得土壤Zn含量增加[21]。内梅罗综合指数结果表明，河流湿地、沼泽湿地和林地综合指数均大于2.0，池塘和沟渠接近于2.0，呈中度污染。其主要受到Pb、Hg、Zn元素的影响，人类对湿地的干扰，可能使历史时期积累的Hg逐渐释放，使其含量增加[22]；另外，大气中Hg和Pb含量对土壤影响也较大，造成河流湿地、沼泽湿地和林地在一定程度上受到污染[23]。

4 结论

广西会仙湿地土壤表层(0～20 cm)重金属Zn、Pb、Ni、Cr、Cu平均含量均高于广西土壤背景值，仅As和Hg含量低于背景值；与国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)相比，河流湿地Hg元素含量高于国家二级标准，呈重度污染；其他重金属含量接近或低于国家二级标准，呈中度或轻度污染；不同土地利用类型土壤重金属含量差异较大，其中，菜地、沟渠、池塘、林地等因靠近养殖场、化工厂、道路附近，污染较为严重；Zn、Ni、Cr、Cu、As可能具有相同来源，主要是肥料、农药和污水排放等因素，而Pb与其他重金属元素具有一定差异，具有其独特性。综合污染指数结果表明，河流湿地、沼泽湿地和林地处于中度污染；其他土地利用类型土壤呈轻度污染。会仙湿地土壤重金属污染已经对湿地生态系统的健康发展造成一定程度的威胁。

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Distribution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Huixian Wetland of Guangxi Province

XU Li1,2, HUANG Liang-liang1,2, WU Zhi-qiang1, 3, Cheng Jian4*et al

(1.Coordinated Innovation Center of Water Pollution Control and Water Security in Karst Area, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004; 2.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control and Technology, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004; 3.Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004; 4.Shangrao Normal School, Shangrao, Jiangxi 334000)

[Objective]The aim was to survey the soil environmental quality of Huixian wetland of Guangxi.[Method] The contents, distribution characteristics and potential ecological risk of heavy metals(Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, As, Hg)were investigated in different land use types (depth 0-20 cm) in Huixian Wetland of Guangxi Province.[Result] The average concentrations of Zn, Pb, Ni, C, Cu, Hg and As in soils were (141.25 ± 126.62), (46.99 ± 20.14), (39.60 ± 13.93), (110.71 ± 30.84), (38.76 ± 27.51), (0.18 ± 0.16) and (17.32 ± 6.92) mg/kg, respectively.The metals of Zn, Pb, Ni, Cr, Cu had high accumulation in soils by comparing to the background concentrations of soil elements in Guangxi Province.The contents of heavy metals varied in different land use types.For example, the woodland, pond, ditch in Huixian Wetland had relatively high content of metals; and the content of Hg in the river exceeded the second grade standard values of Chinese environmental quality standards for soils. Zn had significant positive correlation with the heavy metals Ni, Cr, Cu, As(P<0.01), while the metal of Pb showed extremely significant correlation with Cr (P<0.01), but had no significant relationship with other heavy metals.The soils with different land use types were polluted by heavy metals, and soil from the river wetland, woodland and marsh were moderately polluted, the others were slightly polluted.[Conclusion] The healthy development of ecosystem has been threatened by soil heavy metal pollution in Huixian.

Soil; Heavy metal; Huixian wetland; Risk assessment

国家自然科学基金项目(51509042)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118072)；广西教育厅高校科学研究项目(YB2014151)；博士科研启动基金项目；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目；广西自然科学基金项目(2016GXNFAA380104)。

徐莉(1992- )，女，江西南昌人，硕士研究生，研究方向：环境生态学。*通讯作者，讲师，从事环境生物学研究。

2016-08-24

S 181.3;X 53

A

0517-6611(2016)29-0035-04