苏州海绵城市试点区湿地沉积物中重金属的分布特征——以苏州工业园区为例

孙保金，庄起帆，罗小进，张建芳

(苏州市相城检测股份有限公司 江苏苏州215131)

0 引 言

海绵城市是一类有别于传统灰色城市的新兴城市绿化设计理念，是指当城市面对一系列“城市问题”(如城市内涝、热岛效应、水生态失衡、地下水枯竭)时，可通过构建一系列的海绵体设施实现水体的净化和储存，调节水循环，并于干旱季节将雨水放出，从而解决城市缺水或内涝问题[1]。2016年，苏州成为江苏省首个海绵城市建设试点城市。针对苏州水系发达、土壤渗透性差等特点和面源污染突出、水质相对较差等问题，苏州市政府提出“净化、蓄滞”为主，兼顾“渗、用、排”等功能需求的海绵城市建设主体思路。人工湿地由于具有能耗低、易处理并可灵活组合等特点，在生活污水处理、工业废水处理和湖泊水体污染等方面已经得到了广泛的应用[2]，人工湿地的上述特点为其应用于海绵城市提供了重要契机。

近年来，日益加剧的工业活动和人类活动使得我国的湿地系统受到了严重的污染[3-4]。不同于其他污染问题，重金属属于难降解元素，并且具有隐蔽性强、残留时间长、不可降解、毒性强等特征[5]。重金属的来源主要有 2种：一种是自然来源，主要包括岩石的风化、酸雨等；另一种是人为因素，主要包括工农业生产、化肥的使用、汽车尾气的排放等[6]。大量研究表明，在湿地受纳水体中，仅有一小部分重金属污染物留在水相，大部分倾向于迅速地由水相转入固相，并且可通过一系列物理化学反应(吸附作用、共沉淀、络合作用)富集于沉积物中[7]。然而，当重金属超过湿地系统的承受阈值时，重金属会重新释放进入水体，致使湿地成为一个重要的次生污染源[8]。因此，湿地环境中具有迁移特性的重金属可通过生物化学循环或食物链扩增等过程进一步放大，从而影响甚至危害人体健康[9]。

早在海绵城市概念提出之前，苏州就已经打造了石湖、金鸡湖、独墅湖、阳澄湖、虎丘湿地等一大批国内享有一定知名度的集景观、娱乐、休闲、防洪、调蓄等功能于一体的城市河湖水系治理样板工程，这些大面积的绿地和河湖湿地等生态结构网络，为苏州海绵城市的建设奠定了良好的基础。近年来，大量学者对湿地中重金属污染特征进行了系列研究，然而应用于海绵城市湿地中的重金属分布特征方面的研究鲜有报道。目前，随着环境科学的不断发展，湿地重金属污染已成为国内外湿地污染的一项重要研究内容，主要集中在水体和沉积物重金属空间分布规律、污染程度评价、影响因素等方面[10-11]，应用于海绵城市湿地中的重金属分布特征方面的研究则鲜有报道。此外，海绵城市建设工作的顺利进行有赖于区域本底环境的调查与评估。有鉴于此，本文将以苏州海绵城市试点区苏州工业园区湿地为研究对象，分析研究区湿地沉积物中重金属累积特征，并揭示其富集成因和迁移转化规律，评价其污染水平，旨在为海绵城市湿地保护和重金属治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

苏州工业园区地处江苏省苏州市东部，总占地288km2。目前，苏州工业园区 25%是工业用地，30%是居住及商业用地，其余是绿化用地及水源地。苏州工业园区湿地系统大体上可分为金鸡湖湿地、东沙湖湿地、独墅湖湿地、阳澄湖湿地及一些城市无名小湿地。

1.2 样品的采集与预处理

沉积物采样选址主要为苏州工业园区典型的大型湿地，共布设 31个点位，具体点位信息如表1和图1所示。采样根据HJ/T166—2004《土壤环境监测技术规范》，对本次研究所需用的沉积物进行严格的布点、采样，以保证本次实验数据的准确性、可靠性和有效性。具体采样可根据实地考察的结果，选择具有代表性的地点布置采样点，每个采样点用 GPS 记录地理坐标。采集的沉积物样品带回实验室冷冻干燥一周后，去除植物残根、碎石，装入密封袋中并对应标号，使用玛瑙研钵研磨，过 100目筛，低温避光保存。

表1 沉积物监测点位Tab.1 Monitoring points of sediments

图1 沉积物取样点位置Fig.1 Sampling sites of sediments

1.3 试验方法

本次研究主要选取 As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn共9个因子进行监测。样品采用四酸(盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸微波)进行消解处理，样品中 As含量用原子荧光光度计测定，Pb、Cd含量用石墨炉原子吸收分光光度计测定，Cu、Ni、Zn、Mn、Cr、Co用电感耦合等离子体发射光谱仪测定。

1.4 沉积物重金属评价方法

1.4.1 地累积指数法

地积累指数模型最早由 Müller[12]提出，是评价沉积物中重金属污染的重要指标之一，主要是利用地球化学背景值来衡量重金属元素污染程度的定量指标。其计算公如下：

式中：Igeo为地质累积指数；Cn为重金属在沉积物中实测浓度；Bn是该重金属元素的地球化学背景值；常数1.5是修正指数，即考虑到成岩作用引起的背景值变动。

地累积指数的分级标准与污染程度的划分见表2。

表2 地累积指数与污染程度分级Tab.2 Geoaccumulation index and pollution degree classification

1.4.2 富集系数法

富集系数法(Enrichmentfactor，EF)通常用来判断重金属来源[13]，主要是利用沉积物样品重金属含量与重金属背景值进行比较。其中，所用的重金属浓度需要与参比元素进行校正，本文选用 Mn元素。具体公式如下：

富集系数法评判标准分为 2个等级：0.5≤EF≤1.5(重金属来源于自然风化过程)，EF≥1.5(重金属为人为来源)。

1.4.3 潜在生态风险指数法

潜在生态危害指数法是一套用于评价土壤或沉积物中重金属污染程度及其潜在生态危害的方法[14]，具体评价方法如下：

具体评价标准等级可见表3。

表3 潜在生态危害指数法评价标准Tab.3 Grading standard of potential ecological risk index

1.4.4 统计分析

进行相关性分析、主成分分析能进行定性的重金属来源种类分析，所有的统计分析均采用 SPSS 17.0软件完成。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量空间分布特征

苏州工业园区湿地表层沉积物中重金属元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn 含量的测试统计结果如表4所示。这 9种元素的平均含量分别为10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、409.4、36.20、62.49、89.98mg/kg。与江苏省土壤元素背景值相比，除 Mn元素外，所有已测元素均高于背景值，分别超出背景值的 5.7%、60.8%、16.0%、23.8%、32.5%、35.6%、138.5%、43.7%。

一般而言，如果某一元素在空间的变异系数值越大，那么该元素的含量在空间分布上差异性越大[15]。根据变异系数将变异分为 3个级别：小变异(0＜CV＜16%)、中等变异(16%≤CV＜36)和高度变异(CV≥36)。由表4 可知，除元素 Co、Cr、Cu、Ni为小变异之外，Pb和Zn为中等变异，As和Cd为高度变异。这说明湿地沉积物中As、Cd、Pb和Zn的分布不均匀，波动较大。

表4 重金属元素含量描述统计表Tab.4 Heavy metal element contents

2.2 沉积物重金属污染评价

2.2.1 地累积指数法评价结果

图2是苏州园区湿地沉积物中重金属的地累积指数箱式图。由图2可知，研究区内As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn的平均地累积指数值几乎都小于0，为无污染。Cd地累积指数大于 0的样品达到 48.4%。所有Pb的地累积指数均大于0，范围为0.35～0.94，表明研究区内沉积物中Pb普遍处于无污染向中度污染的过渡阶段。

图2 苏州工业园区沉积物重金属地累积指数分布箱式图Fig.2 Geoaccumulation index of heavy metals in sediments from Suzhou Industrial Park

2.2.2 富集系数法评价

富集系数可以用来推测重金属元素来源。As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 计算所得富集系数平均值分别为 1.55、2.39、1.75、1.89、2.04、2.06、3.64 和2.19，范围为 0.69～3.63、0.63～6.69、0.56～3.00、0.67～3.53、1.01～4.08、0.73～3.59、2.08～6.99、1.12～5.04。As、Co和Cr的富集系数均介于1.5～2，表明这3个元素均为自然来源。Cd、Cu、Ni、Pb和Zn为中度富集。Pb的富集系数较高，这与它的地累积指数较高一致。基于铅污染大范围富集这一事实，可以推测铅的主要来源是大气沉降，而非个别的工业源或点污染所致。此外，存在一些点位某些元素富集系数大于 1.5，然而地累积指数却小于 0(如站点 2的Ni)，这表明这些元素在此虽无污染，但由于受到人为影响，从而产生上层混合层与粗砂的生物扰动及稀释作用[16]。

2.2.3 潜在生态风险指数法评价结果

采用潜在生态风险指数方法进行评价，结果如表5所示。从综合潜在生态风险指数来看，变化范围为 54.92～160.45，均值为 94.54，整个研究区域有较低的潜在生态风险。在分析测定的 9种重金属元素中，Cr、Mn和 Zn虽然含量较高，但这3种元素的毒性系数较低，分别为 2、1、1，因此生态风险程度最小，属于轻微污染。相反，Cd的浓度较低，但是潜在生态风险程度最高值为 98.70，平均值为 48.23，为中等污染，是苏州园区湿地中主要潜在生态风险因子；其余 5种重金属元素均属于轻微污染。对比地累积指数法与生态指数所得结果可以发现，除 Pb以外，园区湿地沉积物中 As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Mn 和 Zn污染程度与危害程度大体一致，这可能是由于 Pb虽然污染程度高，但是 Pb在悬浮物颗粒物上的吸附性较高，使其在沉积物中迁移矿化埋藏，致使毒性降低，从而潜在生态风险程度也降低[17]。

表5 重金属生态风险指数Tab.5 Ecological risk index of heavy metals

续表5

2.2.4 沉积物中重金属污染来源分析

表6是苏州园区湿地沉积物中重金属元素的相关性分析。可以看出，Co、Cr、Ni之间呈显著正相关性，Cu与 Co、Cr、Ni呈显著正相关，而 Zn和 Pb都与Co、Cr、Ni呈显著负相关。Zn还与Cd、Pb间呈正相关。此外，Mn仅与 Cu呈显著负相关，而 As仅与Cd呈显著正相关。

结合重金属相关性分析、主成分分析(PCA)结果可以进一步探讨沉积物中重金属元素的来源。PCA分析结果如表7所示。

根据所有的数据，PCA分析提取了3个因子，解释了共87%的总方差。

表6 重金属相关性分析Tab.6 Correlation analysis between heavy metals

第一因子占总方差的 49%，是最主要的因子，组成第一因子的主要元素有 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn。研究表明，Cu、Ni、Pb可能来源于汽车刹车磨损及交通废弃物排放[18]。Co、Cr、Cu、Ni、Zn 可能来源于已迁出电镀企业的生产活动，这些活动势必向大气排放重金属物质[19]。此外，已有研究认为，大气沉降是湿地沉积物中重金属的重要来源之一[20]。因此，第一因子可以解释为来自于工业扬尘及交通排放的重金属，它们主要通过大气沉降至湿地沉积物中。

第二因子为 As和 Cd。研究表明，As是农药污染源(杀虫剂、除草剂、动物饲料)的标志性元素[21]，而磷肥中含有一定含量的 Cd[22]。因此，第二因子可以解释为来自于农业活动的重金属。

第三因子为 Cu和 Mn。基于所有 Mn的地累积指数都小于 0，可以推测 Mn主要来源于自然源(岩石的风化)。此外，Cu在诸多站点无污染，因此也可将其并入第二因子。因此，这二者通常被认为是成土自然地质因子[23]。

表7 主成分分析提取的载荷因子Tab.7 Load factor extracted by principal component analysis

3 结 论

苏州工业园区湿地表层沉积物中重金属元素，除Mn 元素外，As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 平均含量分别为 10.57、0.20、14.61、96.31、29.54、36.20、62.49、89.98mg/kg，均高于江苏省土壤背景值。

地累积指数评价及生态风险指数评价表明，除Pb、Cd 以外，As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni和 Zn 的平均地累积指数值几乎全小于0，为无污染。所有Pb的地累积指数均大于 0，其值介于 0.35～0.94，表明研究区内沉积物中Pb普遍处于无污染向中度污染的过渡阶段。此外，Cd是潜在风险程度最高的因子，平均值为48.23，评价为中等污染，是苏州园区湿地中主要潜在生态风险因子。

富集因子、相关性分析、主成分分析结果表明：园区湿地沉积物中 Co、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 主要来源于工业扬尘及交通排放的重金属，它们主要通过大气沉降至湿地沉积物中；As和Cd主要来源于早期的农业活动；Mn为自然来源。