人工湿地底泥中特征重金属的空间分布及生态风险评价

马永玲 王勇 梁仁君 邱继彩

摘要 采集武河湿地沉积物，采用四酸消解法（HCI-HNO3-HF-HCIO4）对样品进行处理，测定武河湿地沉积物中6种重金属（As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn ）的含量，分析其空间分布特征，并采用内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法和ERL/ERM评价法评价重金属的环境风险。结果表明，武河湿地表层沉积物中重金属含量大多高于环境背景值，空间分布差异性较小。内梅罗综合污染指数按由大到小依次为Hg、Cd、As，Zn、Cu、Pb，Hg的内梅罗综合污染指数最大为3.74，综合污染程度最为严重。潜在生态风险评价表明，湿地沉积物中潜在生态危害指数（RI）为743.91，属Ⅴ极强生态危害。ERL/ERM评价结果显示，湿地沉积物中Cu、Hg含量高于ERM值，对水生态系统有很强毒性；As、Zn的含量介于ERL和ERM之间，可能会对水域生物产生一定的毒性。

关键词 武河湿地；沉积物；重金属；空间分布；潜在生态风险评价

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0059-04

The Spatial Distribution and Ecological Risk Assessment of Characteristics Heavy Metals in the Artificial Wetland Sediment

MA Yong-ling1， WANG Yong2， LIANG Ren-jun1* et al

（1.College of Resources and Environment，Linyi University， Linyi， Shandong 276005；2.President Office， Linyi University， Linyi， Shandong 276005）

Abstract The study collected Wuhe wetland sediments and used four acid digestion methods （HCL-HNO3-HF-HClO4） to process samples， content of 6 kinds of heavy metals （As，Cd，Hg，Pb，Zn） and spatial characteristics in the sediments were determined and analyzed. The environment risk of heavy metals further was evaluated by the method of the Nemerow Pollution Index method， Potential Ecological Harm Index and the ERL/ERM.The results showed that the heavy metals in surface sediments of Wuhe Wetland content were mostly higher than those of environment background values， and the spatial distribution difference was smaller. Comprehensive Pollution Index from high to low was Cd， Hg， As， Zn， Cu， Pb. The Pollution Index of Hg element was 3.74， the most serious pollution degree. Potential ecological risk assessment showed that the Potential Ecological Harm Index RI was 734.91， belonging to the very strong ecological harm Ⅴ. ERL/ERM evalution results showed that the content of Cu and Hg element in wetland sediments was higher than the value of ERM， which has a strong toxicity to the water ecological system. The content of As and Zn element was between the ERL and ERM， which may produce certain toxicity to water organisms.

Key words Wuhe Wetland；Deposit Sediment；Heavy Metal；Spatial distribution；Potential ecological risk assessment

重金屬具有难降解性和易累积性，并且具有显著的生物毒性和持久性，对生态环境构成潜在威胁，现已成为沉积物具有潜在危害的重要污染物[1-3]。沉积物作为湿地中重金属污染物的汇和源，重金属可以通过各种途径进入沉积物，并且在外界条件适宜时，会重新释放进入水体，造成二次污染，因此对湿地沉积物中重金属的研究已引起众多专家学者的重视[4]。

目前，对于沉积物重金属污染的研究主要集中于重金属的总量特征、空间分布特征及规律、形态组成、来源分析及生物有效性方面，但对于湿地沉积物重金属的动态变化过程研究较少，且主要是实验室研究，野外相关研究较少[5-6]。未来对于湿地沉积物重金属的研究，尤其是在大时间尺度下湿地沉积物重金属的历史变化和湿地土壤形成环境变迁等方面，具有很大的研究和探索空间；同时，可以充分利用GIS和遥感的时效性和动态性特征，丰富沉积物中金属污染研究[7]。笔者测定了武河湿地沉积物中6种重金属（As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn ）的含量，分析其空间分布特征，并采用内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法和ERL/ERM评价法评价重金属的环境风险，旨在为湿地保护和重金属治理提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

武河湿地位于山东省临沂市罗庄区黄山镇，地处罗庄、郯城、苍山3县交界处，东临沂河，北接蒋史汪橡胶坝，南至廖家屯闸，南北长15 km，占地面积866.67 hm2，是全国最大的人工湿地。临沂市的城市污水经过陷泥河上游的兰山区污水处理厂和南涑河上游的罗庄区污水处理厂处理后，进入武河湿地，是湿地的全部水源[8]。湿地的主要功能是对沂河流域陷泥河和南涑河2条城市河道污水进行深度净化，以确保淮河流域和南水北调东线输水的安全。武河湿地是典型的纳污湿地，湿地设计建造了8个滞留塘，使沉积物充分沉降，因此沉积物能够大量富集重金属元素。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与预处理。

2015年7月18日在武河湿地不同河段采用GPS定位选择合适水域采集底泥，沿湿地入口至出口选取6个采样点。采用装有有机玻璃管的柱状采泥器采集沉积物柱芯样品，柱长35 cm，柱芯样品按0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35 cm进行切样，分别装入聚四氟乙烯袋中，24 h内运回实验室，风干研磨后过100目筛备用[9]。

1.2.2 样品消解与测定。

底泥采用四酸消解法（HCl-HNO3-HF-HClO4）进行消解处理，冷藏备测。采用电感耦合等离子体发射光谱仪（美国瓦力安公司）测定As、Cd 、Cu、Hg、Pb、Zn 含量。

1.2.3 评价方法。

（1）采用内梅罗综合污染指数法[10]评价武河湿地沉积物中重金属的污染程度。内梅罗指数法是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，特别考虑了污染最严重的因子，并且在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用方法之一[11]。其计算公式为

式中，P综是采样点的综合污染指数；Pimax为i采样点重金属污染物单项污染指数中的最大值；=1nni=1Pi为单因子指数平均值。

（2）采用潜在生态危害指数法进行湿地沉积物中重金属的生态危害评价。潜在生态危害指数法由瑞典科学家Hakanson提出，是目前国内外沉积物质量评价应用最为广泛的方法[12-13]。评价公式如下：

式中，RI 为沉积物中多种重金属潜在生态危害指数；Eir为潜在生态危害系数；Tir为单个污染物i的毒性系数，反映其毒性水平和生物对其污染的敏感程度。Cif为重金属富集系数（Cif=CiCin）；Ci为沉积物中重金属i的实测值；Cin为沉积物背景参考值。该研究采用现代工业化前沉积物中重金属的正常最高背景值（表1），重金属的毒性系数及潜在生态风险程度级别划分见表2。

（3）采用ERL/ERM评价法预测沉积物中重金属的潜在生物毒性。ERL/ERM评价方法又称沉积物质质量基准法，ERL和ERM为基准值，取值均来自沉积物生物效应数据库，其中，ERL是效应范围低值（Effects Range Low），ERM是效应范围中值（Effects Range Median）[14]。当污染物中的目标污染物浓度小于ERL时，表示不利生物毒性效应很少发生，反之则不利生物毒性效应将频繁发生；当污染物浓度介于ERL和ERM之间，则表示不利生物毒性效应有可能发生[15]。沉积物重金属基准值见表3。

2 结果与分析

2.1 沉积物中重金屬含量空间分布特征

武河湿地沉积物中重金属含量统计结果见表4。水平方向上，由表4可知，研究区表层沉积物中As、Cd 、Cu、Hg、Pb、Zn的含量之和为32237～536.76 mg/kg。就单一元素而言，含量最高的分别为Zn和Cu，平均值分别为301.27和36.26 mg/kg，占6种重金属总含量的86.10%，其中，以国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级土壤环境质量标准值300.00 mg/kg为参比，Zn的平均含量超出标准值0.42%；其次是Pb和As，平均值分别是27.05和23.16 mg/kg，占6种重金属总含量的12.80%，其中As的平均含量超出二级标准值15.81%，属严重污染；含量最低的是Cd和Hg，平均值分别是1.05和3.23 mg/kg，其中Cd的平均含量超出二级标准值75.00%，属严重污染，Hg含量平均值超出二级标准值223.00%，属严重污染。从含量特征来看，Hg、As和Cd污染较为严重。沉积物中6种重金属的变异系数均较小（14.50%～25.85 %），说明武河湿地沉积物中重金属空间分布差异性较小，在湿地各区域分布较均匀。

在垂直方向上，对深度0～30 cm的沉积物进行分层并测定其中的重金属含量，重金属垂直分布规律见图1。由图1可知，As含量曲线随土层深度的变化呈现锯齿多峰状，As含量总体变化趋势为随着沉积物深度的增加呈先下降后增加，并在15 cm处出现1个波谷，在25 cm处出现1个高峰，底层沉积物中含量较大，并且含量变化波动也相对较大。Cd含量除采样点1、5外，其余采样点含量变化相对平缓，采样点1的含量变化在深度15 cm处出现1个最高值，随后随土层深度的增加而降低，其他各采样点含量总体是随土层深度的增加而降低；采样点5的Cd含量在5～25 cm土层变化不大，在30 cm土层增大，超过2.0 mg/kg。Cu含量除个别采样点外，含量变化最平缓，波动较小，在13和23 cm处出现1个不明显的波谷和1个不明显的高峰值，总体变化呈现随深度增加而降低的趋势。Hg含量在各采样点变化都比较明显，采样点1、5均在10 cm处达到1个高峰，在25 cm处，采样点1出现1个低峰，采样点5出现波谷，其他各采样点变化趋势相对一致。Pb含量在采样点5波动较大，在10 cm处达到最小值，30 cm处含量最高，其他各点变化相对平稳，在25 cm处有1个高峰，含量总体变化大致随深度的增加而降低。Zn含量在采样点1、5、6波动较明显，均在10 cm处出现波谷，随深度的增加，以15 cm为界，采样点1随深度的增加呈先增加后降低趋势，在23 cm处达到高峰；5号点Zn含量在15 cm处达到低峰，在20 cm处为最低值；采样点6含量变化相对平缓，波动较小，总体呈下降趋势，其他3点含量变化较平缓。

2.2 沉积物中重金属污染特征及潜在生态风险评价

2.2.1 内梅罗综合污染评价。由式（1）得出武河湿地沉积物中重金属污染物内梅罗污染指数评价结果，沉积物重金属内梅罗污染指数见表5。由表5可知，Hg、Cd、As、Zn的内梅罗综合污染指数均大于1.00，表明这4种元素均处于污染状态，其中Hg的内梅罗污染综合指数最大，为3.74，处于重度污染状态；Cd为2.13，属于中度污染，As、Zn分别为1.27、121，属于中度污染；Cu、Pb均小于1.00，综合污染属于安全等级。该评价结果同时也符合单因子指数法评价所得结果。

以上评价结果表明，武河湿地沉积物重金属污染状况不容乐观。经该试验实地采样得知，武河湿地污染物主要来源于工业、生活污水及农业生产中的化肥农药残留，对于湿地内重金属的治理建议以污染源头治理为主；同时，植物作为湿地的重要组成部分，对底泥中的重金属具有一定的吸收和富集作用，在整治过程中应通过收割从系统中除去[16]。

2.2.2 潜在生态污染评价。该研究以我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级土壤环境质量标准值为参比，由式（2）对武河湿地进行潜在生态风险评价，评价结果见表6和图2。

由表6可知，以各采样点重金属含量的平均值来看，湿地潜在生态风险等级呈Ⅴ极强生态危害，6种重金属元素的RI从大到小依次为Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb，因此Hg综合潜在生态危害程度最為严重，是武河湿地最主要的潜在生态风险因子，并且其Eir值为645.45，单因子污染物生态危害程度极为严重。由图2可知，采样点1位于滞留塘内，潜在生态危害最强，表现为Ⅴ极强生态危害，推测是因为陷泥河流域来水在采样点1处水流减缓，重金属富集；在南涑河流域的采样点4、6、5次之，但均表现为Ⅲ较强生态危害以上；采样点3位于南涑河与陷泥河交汇处，潜在生态危害程度较低，也表现为Ⅲ较强生态危害以上；采样点2潜在生态危害程度最低，也表现为Ⅲ较强生态危害。

由以上分析可知，湿地内不同区域重金属污染程度存在一定差异，推测是由于流域内受多股不同来源的处理后的废水汇流以及湿地内植物因素的影响所导致。

2.2.3 ERL/ERM评价。为了研究武河湿地沉积物对水生生态系统的影响，笔者将该湿地各采样点表层0～35 cm沉积物中重金属含量与底泥质量标准（SQGs）进行比较，结果表明，武河湿地沉积物中Cu和Hg含量远高于ERM值；As和Zn的含量介于ERL和ERM之间；Cd和Pb的含量低于ERL值。

上述结果表明，武河湿地沉积物中，Cu和Hg处于较为严重的污染水平，不利生物毒性效应将会频繁发生，对河流有较大的生态危害性，需引起一定重视；As和Zn有可能发生不利生物毒性效应，对水体有一定污染，可能会对水生态系统产生负面效应；Cd和Pb处于较轻污染水平，对生态环境影响较小。

Cd元素表层含量较高，远远超过我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级土壤环境质量标准值，但ERL/ERM评价结果表明Cd的潜在生物毒性并不强，原因可能是武河湿地生态系统与制定效应范围法所采用的生物效应数据库有所差异，生物效应数据库中生物对Cd的耐受性可能比较高。

3 结论

（1）湿地表层沉积物中，除Cu和Pb含量符合国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准要求以外，Hg、As、Cd和Zn的含量均高于环境背景值，且6种重金属的变异系数均在14.50%～25.85%，重金属空间分布差异性较小。

（2）垂直方向上，除As和Hg含量变化较为明显外，其他4种重金属元素含量变化相对平缓，且总体的变化趋势是随着土层深度的增加含量有所降低。

（3）污染评价的结果表明，武河湿地表层沉积物中Hg内梅罗污染综合指数最大，为3.74，属于重度污染；Cd为213，属于中度污染；As、Zn属于轻度污染；Cu、Pb的污染程度处于安全等级。各重金属的内梅罗综合污染指数按由高到低依次为Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb。

（4）潜在生态风险指数表明，武河湿地表层沉积物中6种重金属对该区域构成极强的潜在生态危害，风险程度由高到低依次为Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb，与内梅罗综合污染指数评价结果一致，其中Hg的潜在生态风险最大。

（5）参照SQGs基准，武河湿地表层沉积物中Cu和Hg含量高于ERM值，对水生态系统有很强毒性；As和Zn的含量介于ERL和ERM之间，可能会对水域生物产生一定的毒性。

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