黑龙江三江自然保护区天然湿地土壤重金属含量及污染评价

李海兴　赵琬婧　武逸峰　刘子涵　王清波　付东风　孙晓新

（1 东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2 黑龙江三江国家级自然保护区管理局，黑龙江 抚远 156500；3 黑龙江三江平原湿地生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 抚远 156500）

重金属具有强烈的生物毒性、生物富集性和污染持久性等特点，其在生态环境中的含量、分布特征及污染评价是人们需要关注的问题（于君宝等,2011）。湿地土壤重金属累积主要是由人类活动导致，也与湿地水文环境和重金属限度值有关 （简敏菲等,2014）。湿地生态系统水文条件有其特殊性，由于要接受外来水源的补给，因此，湿地可能受到补给水源的影响而受到污染，其中，重金属污染是湿地受到的最主要的污染类型之一（Bruland et al,2005;郑立地等,2015; Yao et al,2016）。

三江平原是我国最重要的湿地分布区之一，属内陆湿地与水域生态系统类型的自然保护区，其主要保护对象是由水生和陆栖生物及其生境共同形成的湿地和水域生态系统，分布有全球少见的大面积淡水草本沼泽。本研究以三江平原自然保护区核心区的臌囊苔草沼泽、小叶章沼泽和实验区的芦苇沼泽为研究对象，进行不同类型天然湿地土壤重金属含量差异比较及重金属污染评价的研究，为该区湿地保护、湿地生态系统健康的评估和湿地土壤的恢复与监测等提供依据。

1　研究区概况与研究方法

1.1　研究区概况

研究地点在黑龙江三江国家级自然保护区，黑龙江三江国家级自然保护区位于黑龙江省东北部的抚远县和同江市境内，乌苏里江和黑龙江交汇的三角地带，地理坐标为 47º26′00″～ 48º22′50″ N，133º43′20″～ 134º46′40″ E。保护区总面积 19.81万hm2，其中核心区面积6.60万hm2，缓冲区面积2.80万hm2，实验区面积10.41万hm2。属温带湿润大陆性季风气候区，年平均气温2.5℃，年均降水量558 mm。研究区域有代表性的植被为臌囊苔草Carex schmidtii、小叶章Calamagrostis angustifolia和芦苇Phragmites communis，其中臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽在核心区，芦苇沼泽在实验区。

1.2　研究方法

1.2.1土样采集 2016年8月2-7日，用自制不锈钢取土钻（总长1 m；钻长50 cm；钻头直径50 mm）取臌囊苔草沼泽、小叶章沼泽和芦苇沼泽（表1）土壤剖面，每个样地取3个重复，采集深度：0～50 cm。以10 cm为一层，将土壤分为5层。

1.2.2实验方法 将土样密封于双层聚乙烯塑料袋中，带回实验室，剔除小石块与植物根系。在实验室将土样置于阴凉处自然风干，而后将土样置于塑料板上研磨，过100目土壤筛，进行土壤重金属含量测定。Cu和Zn采用HF-HClO4-HCl-HNO3法消解，Pb和Mn采用HF-HClO4-HNO3法消解，Cr采用HFHClO4-H2SO4-HNO3法消解（刘凤枝等, 2015），用火焰原子吸收法（GB/T 17138-1997），测定土样中重金属离子Cu、Pb、Zn、Mn和Cr的含量。

1.2.3评价方法 利用Hankanson潜在生态危害指数法，对不同恢复年限的沼泽湿地土壤中重金属的生态危害进行评价，评估退耕还湿对恢复沼泽湿地土壤中重金属生态危害的抑制作用。具体公式见参考文献（Hakanson,1980），其中土壤重金属元素背景值采用三江平原土壤微量元素背景值（富德义,1982)。

根据土壤重金属污染潜在生态风险分级标准（王健康等, 2012）（表2），将土壤重金属潜在生态危害风险分级。

表1　土壤采集信息Table1 The information of soil collection

表2　土壤重金属污染潜在生态风险分级标准Table 2 Classification standard of potential ecological risk of heavy metals pollution in soils

1.2.4数据分析与处理 运用Excel 2007和SPSS11.0 软件，对数据进行整理、运算和分析。用Origin 8.0软件制图。

2　结果与分析

2.1　不同类型湿地土壤重金属含量

3种不同类型天然湿地土壤中5种重金属含量随土壤深度呈波动变化（图1），其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大体趋势是底层高于表层，Mn含量的大体趋势是表层高于底层。臌囊苔草沼泽土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分别为42.80 mg/kg、104.20 mg/kg、49.00 mg/kg），Zn 含量在20～30 cm土壤深度最高（55.30 mg/kg），Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（358.40 mg/kg）。小叶章沼泽土壤中Cu、Pb和Cr含量在40～50 cm土壤深度最高（分别为29.20 mg/kg、114.30 mg/kg、25.00 mg/kg），Zn和Mn含量在0～10 cm土壤深度最高（分别为10.80 mg/kg、180.00 mg/kg）。芦苇沼泽土壤中Cu和Mn含量在10～20 cm土壤深度最高（分别为7.50 mg/kg、184.40 mg/kg），Zn和Cr含量在20～30 cm土壤深度最高（分别为23.10 mg/kg、139.10 mg/kg），Pb含量在0～10 cm土壤深度最高（228.20 mg/kg）。

由图2可知，土壤中Cu含量最高的是臌囊苔草沼 泽（35.50 mg/kg)，其次是小叶章 沼 泽（23.40 mg/kg）， 芦 苇沼泽含量最低（4.16 mg/kg），且三者差异显著（P＜0.05）。芦苇沼泽土壤中Pb和Cr含量显著高于臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽（P＜ 0.05）， 但 臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽土壤中Pb和Cr含量差异不显著（P＞0.05）。臌囊苔草沼泽土壤中Zn含量显著高于小叶章沼泽和芦苇沼泽（P＜0.05），而小叶章沼泽和芦苇沼泽土壤中Zn含量差异不显著（P＞0.05）；臌囊苔草沼泽、小叶章沼泽和芦苇沼泽土壤中Mn含量差异不显著（P＞0.05），处于同一水平。

图1　不同类型天然湿地土壤重金属垂直分布Fig.1　Vertical distribution of soil heavy metals in diあerent types of natural wetlands

2.2　土壤重金属含量影响因素

植物根系对重金属元素的吸收能力会影响不同类型湿地土壤中重金属的含量。芦苇根系能分泌麦根酸类的缺铁性分泌物，它能促进芦苇根系吸收土壤中Cu和Zn（徐明露等,2015）。所以，芦苇沼泽土壤中的Cu和Zn含量较低。但芦苇对Pb的吸收率低，且土壤有机质对Pb的络合能力较强（刘洪莲等,2006），导致芦苇沼泽土壤中Pb显著高于臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽。

湿地特有的氧化还原条件也是导致该区域土壤重金属积累的因素。研究区域在淹水的条件下发生水解反应，而且土壤中重金属离子容易和H3PO4、H2CO3、H2S等发生反应，生成磷酸盐、碳酸盐和硫化物等难溶物(滕葳,2010)。但Mn在无氧条件下会溶解，且当pH值低于5.5或土壤被还原时，能被大量溶解，进入土壤溶液（臧小平,1999）。

研究区域附近有农业生产活动，农药、化肥和地膜的使用造成土壤重金属残留（宋伟等,2013），当地人民生活污水中包含的重金属离子，也会随江水、河水倒灌进入研究区域，使土壤重金属累积，这在其他湿地土壤重金属污染的研究中也有所发现（孔德坤等, 2013）。

2.3　不同类型湿地土壤重金属污染评价

在3种不同类型天然湿地的5种重金属中，Cu、Zn、Mn和Cr的潜在生态风险危害等级为轻度；臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽土壤中Pb的潜在生态风险危害等级为中度，芦苇沼泽土壤中Pb的潜在生态风险危害等级为极强，说明Pb是三江自然保护区内土壤污染的最主要重金属类型。综合潜在风险等级分析结果显示：臌囊苔草沼泽与小叶章沼泽土壤重金属综合潜在风险等级为中度，芦苇沼泽土壤重金属综合潜在风险等级为强烈(表3)。说明周围的农业开发已经对该保护区(包括核心区)的土壤造成了一定程度的污染。

表3　不同类型天然湿地潜在生态风险危害指数表Table3 Potential ecological risk indexes of heavy metal pollution in soils in diあerent types of natural wetlands

3　结论

（1）3种类型天然湿地土壤中重金属含量随土壤深度呈波动变化，其中Cu、Pb、Zn和Cr含量的大体趋势是底层高于表层，Mn含量的大体趋势是表层高于底层。臌囊苔草沼泽土壤中Cu和Zn含量显著高于小叶章沼泽和芦苇沼泽；芦苇沼泽土壤中Pb和Cr含量显著高于臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽；3种类型天然湿地土壤中Mn含量差异不显著（P＞0.05)。

（2）三江平原天然湿地土壤存在Pb污染，其中核心区的臌囊苔草沼泽和小叶章沼泽土壤中Pb的潜在生态风险危害等级为中度，实验区的芦苇沼泽土壤中Pb的潜在生态风险危害等级为极强。核心区天然湿地土壤中重金属综合潜在生态风险危害等级为中度，实验区天然湿地土壤中重金属综合潜在生态风险危害等级为强烈,说明周围的农业开发已经对该保护区（包括核心区）的土壤造成了一定程度的污染。