天津3种类型湿地土壤污染状况及潜在生态风险评价

刘凡惠，贾美清，张国刚，高志伟，刘美琪，王嘉宝

（1.天津师范大学 生命科学学院，天津300387；2.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387）

湿地是地球上最重要的生态系统之一，它在抵御洪水、调节径流、改善气候、控制污染、美化环境和维持区域生态平衡等方面起着重要作用[1].因此，湿地生态系统在全球生物地球化学循环中的地位日益受到关注.天津湿地占天津市土地总面积的20.9%，是环渤海地区湿地的典型代表，具有重要的生产和生态功能[2-3].然而，近年来随着人口增加、城市拓展以及农药、化肥等的不合理使用，湿地的环境污染问题越来越严峻.天津湿地类型较为丰富，总体上可分为天然湿地和人工湿地两大类.天然湿地包括河流湿地、滨海湿地和沼泽湿地等，人工湿地包括鱼塘湿地、盐田湿地、水稻田湿地等[4].不同的湿地类型发挥着不同的生态功能，其受到的主要污染可能也不尽相同.李文艳[5]对天津典型湿地生态环境现状的监测结果表明，天津各典型湿地的土壤含盐量较高，无重金属污染，但水环境污染状况严重，化学需氧量严重超标，且湿地环境存在着不同程度的退化.彭士涛等[6]对天津典型湿地的监测结果表明，七里海、北大港、团泊湖和大黄堡湿地的总氮含量远高于《地表水环境质量标准》V 类标准，为劣五类水质.Wu 等[7]对渤海湾沿岸河口沉积物和上覆水的氮污染和重金属污染情况进行研究，结果表明，渤海湾沉积物总氮含量高达1041 mg/L，渤海湾河口处存在Hg、Cd 污染.土壤中的重金属可以通过食物链的富集对生物体和生态系统产生危害[8]，严重的氮污染会造成水体富营养化，形成水华，导致物种多样性降低，湿地生态系统发生紊乱.

本研究以天津3种典型的湿地类型（农田湿地、滨海湿地、沼泽湿地）为研究对象，测定湿地土壤中不同污染物的含量.应用单因子指数法和综合污染指数法评价湿地土壤的重金属污染程度和潜在生态风险，以期为天津湿地生态环境保护和资源合理利用提供科学依据，进而因地制宜地选取不同地湿地治理策略.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天津市地处渤海湾顶，是海河五大支流的汇合处和入海口，湿地类型丰富，全市湿地面积约25 万hm2.天津湿地总体上可分为人工湿地和天然湿地两大类.人工湿地以宝坻区连续种植4 a 的水稻田为研究对象，天然湿地以北大港湿地自然保护区和大黄堡湿地自然保护区为研究对象，分别代表典型的滨海湿地和沼泽湿地.北大港湿地自然保护区（117°11′～117°37′E，38°36′～38°57′N）总面积43495.37 hm2，是我国渤海湾地区生物多样性最丰富的地区之一.该保护区气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温约12 ℃，降雨多集中在7—8 月份，年平均降水量约550 mm，保护区周边河流较多，有独流减河、子牙新河、十米河等11条河流，承担着输水、引水以及汛期泄洪等任务.保护区内植被类型丰富，芦苇群落约占植被面积的60%.大黄堡湿地自然保护区（117°10′33″～117°19′58″E，39°21′4″～39°30′27″N）总面积约11200 hm2，是我国北方地区原始地貌保存得最好的典型芦苇沼泽湿地.该保护区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温约11.6 ℃，年降水量约为578.3 mm，年平均蒸发量约为1164.4 mm.保护区内有龙凤新河、柳河干渠、黄沙河排水干渠和东粮窝引河4 条河渠，常年积水，水源充足.保护区内植物种类繁多，良好的水文环境适宜芦苇、水葱等植物生长.

1.2 样品采集与处理

2019 年6 月于天津宝坻区水稻田、大港区北大港湿地保护区和武清区大黄堡湿地保护区分别选取3种不同类型的典型样地进行土样采集.采样点选择3种类型湿地中具有代表性的地段，采用五点取样法，在2 m2样方内的4 个顶点及中心用土钻分别取表层土壤（0 ～30 cm）并混匀为1个样品，每个湿地各取10个土壤样品.将采集的土样装入聚乙烯自封袋中，标记好带回实验室，其中一半置于4 ℃冰箱内保存，并于1周内完成理化性质的测定；另一半冷冻干燥后研磨，并过100 目筛用于测定总碳、总氮及土壤重金属含量.

1.3 分析方法

采用105 ℃烘干比重法测定土壤含水率（water content，WC）.采用玻璃电极法测定土壤pH 值（水土体积比为2.5 ∶1），用便携式pH 计（HACH HQ30D，美国）进行测定.采用浸提法测定土壤盐度（salinity，水土体积比为5 ∶1），使用便携式盐度计进行测定. 采用KCl提取法测定土壤铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量，称取5 g 鲜土，加入25 mL KCl（1 mol/L），室温震荡1 h，4000 r/min 离心8 min，注射器吸取上清液后用0.45 μm 滤头过滤，使用连续流动分析仪（SEAL AA3，德国）测定滤出液.土壤总C（TC）、总N（TN）用元素分析仪（PE-2400Ⅱ，美国）测定.采用微波消解法对样品进行预处理，进而测定土壤重金属含量，为保证分析的准确性，每批设置3 组空白样本与样品同步消解测定，样品经HNO3-HCl-HF 混合体系消解，消解程序如表1 所示.具体操作：称取0.1 g过筛土壤，依次加入4 mL HNO3、2 mL HCl、2 mL HF，震荡3 min，静置2 h 后放入微波消解仪消解至无杂质，溶液倒入聚四氟乙烯烧杯中，150 ℃加热除酸至1 mL，超纯水定容于50 mL 容量瓶，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和电感耦合等离子质谱仪（美国PE 公司）测定重金属含量.

表1 土壤微波消解程序Tab.1 Microwave digestion program of soil

1.4 数据处理

采用SPSS Statistics 22 软件进行单因素方差分析及Tukey 显著性检验，使用Sigma Plot 12.5 软件进行绘图.

1.5 评价方法

1.5.1 土壤盐渍化程度评价

以盐度为指标，将我国的土壤盐渍化程度分为5类：非盐化土（盐度＜1）、轻度盐化土（盐度为1 ～2）、中度盐化土（盐度为2 ～4）、强盐化土（盐度为4 ～6）和盐土（盐度＞6）[9].

1.5.2 土壤碱化程度评价

土壤碱化过程是交换性钠不断进入土壤吸收性复合体的过程，在此过程中，钠吸附比（SAR）和碱化度（ESP）是表征土壤碱化程度的重要参数[10].钠吸附比是指土壤中钠离子和钙镁离子的相对数量[11]，当土壤中Na+含量过高时会抑制植物对其他阳离子的吸收，使得植物对土壤中其他养分的利用效率降低，影响植物的生长发育.此外，Na+还会使土壤黏粒分散、膨胀，进而降低土壤团聚体的稳定性.碱化度通常用Na+的饱和度来表示，是碱化土壤分级的重要指标，土壤碱化度分级标准为：ESP ＜5%为非碱化土；5%～10%为轻度碱化土；10%～20%为中度碱化土；20%～40%为重度碱化土；ESP ＞40%为碱土[12].

将测定的土壤中各离子含量转化为每千克土壤中的物质的量（cmol/kg），计算钠吸附比（SAR）和碱化度（ESP）[13].

1.5.3 土壤重金属污染指数评价[14]

单因子指数法：

式中：Pi为土壤中重金属i 的污染指数；Ci为重金属i的实测含量（mg/kg）；Si为重金属i 的环境背景值（mg/kg）.

内梅罗综合污染指数法：

式中：Pcomp为土壤的综合重金属污染指数；Piave为土壤中重金属单因子污染指数的平均值；Pimax为土壤中单项污染物的最大污染指数.

1.5.4 潜在生态风险指数评价

根据Hakanson[15]的潜在生态风险指数法，评价天津3种不同类型湿地土壤中重金属的潜在生态风险.该方法可以反映出湿地土壤中单一污染物的潜在生态风险以及多种污染物的综合生态风险.

重金属i 潜在生态风险指数

式中：Pi为重金属i 的污染指数；Ti为重金属i 的毒性系数.根据徐争启等[16]的研究结果，TCd=30，TAs=10，TNi=5，TCu=5，TPb=5，TCr=2，TZn=1.

综合重金属潜在生态风险指数

土壤重金属污染指数与潜在生态风险指数的分级标准如表2 所示.

表2 土壤重金属污染与潜在生态风险评价分级标准Tab.2 Classification standard of soil heavy metal pollution and potential ecological risk assessment

2 结果与分析

2.1 3种类型湿地土壤的理化性质

天津3种不同类型湿地土壤的理化性质如表3所示. 从表3 可以看出，农田湿地、沼泽湿地和滨海湿地土壤的pH 值、总碳含量、碳氮比（C/N）、硝态氮含量和盐度有所差异，而土壤含水率、总氮、铵态氮和亚硝态氮含量没有显著差异.其中，沼泽湿地土壤pH 值显著高于农田湿地和滨海湿地，达到强碱性土壤的水平.滨海湿地土壤的总碳含量以及碳氮比显著高于农田湿地和沼泽湿地的数值，3种类型湿地土壤的氮素形态均以铵态氮为主，其含量远远高于硝态氮和亚硝态氮的含量.硝态氮含量在不同类型湿地之间具有显著差异，表现为沼泽湿地＞滨海湿地＞农田湿地.不同类型湿地土壤盐度差异显著，表现为滨海湿地＞沼泽湿地＞农田湿地.

表3 3种类型湿地土壤理化性质Tab.3 Soil physicochemical properties of three different types of wetlands

2.2 3种类型湿地土壤的碱化程度

天津3种类型湿地的土壤碱化程度如表4 所示.从表4 可以看出，天津湿地土壤均属于轻度碱化土.土壤碱化程度：滨海湿地＞沼泽湿地＞农田湿地.

表4 3种类型湿地土壤的碱化参数Tab.4 Alkalization parameters of three types of wetland soil

2.3 3种类型湿地土壤的重金属含量

天津3种类型湿地土壤的重金属含量如表5 所示.由表5 可以看出，不同类型湿地土壤中的重金属含量存在差异.其中，农田湿地土壤中的As、Ni、Cr、Pb、Cd、Zn含量均超过了天津土壤重金属背景值[17]，只有Cu 元素含量低于背景值；滨海湿地土壤中的As、Ni、Pb、Cd、Zn含量高于背景值，Cu 和Cr 元素含量低于背景值；沼泽湿地土壤的As、Ni、Cd、Zn 含量高于背景值，Cu、Cr 以及Pb 含量低于背景值.总的来看，农田湿地土壤中的重金属含量最高，其次是滨海湿地和沼泽湿地.

表5 3种类型湿地土壤重金属含量Tab.5 Heavy metal contents of three types of wetland soil （mg·kg-1）

2.4 3种类型湿地土壤的重金属污染评价及潜在生态风险评价

2.4.1 土壤重金属污染评价

以天津市土壤重金属含量背景值为标准，采用单因子污染指数法与内梅罗综合污染指数法相结合，对3种类型湿地土壤的重金属污染情况进行评价，结果如图1 所示.根据土壤重金属污染分级标准，单个污染物污染指数大于1.0 即为土壤受到污染. 由图1 可以看出，3种类型的湿地均受到了不同程度的重金属污染.其中，Cd 是天津湿地土壤污染的最主要重金属元素，其在农田湿地的污染指数为2.59，在沼泽湿地中的污染指数为2.61，处于中度污染水平，在滨海湿地中污染指数为1.89，为轻度污染.Cu、Cr 元素的单因子污染指数低于1.0，对湿地土壤尚未造成污染.As、Ni、Pb、Zn 单因子污染指数均在1～2 之间，对湿地土壤造成了轻度污染.

图1 天津3种类型湿地土壤重金属单因子污染指数Fig.1 Single factor contaminant index of heavy metals of three types of wetland soil

根据单因子污染指数计算得到内梅罗综合污染指数，农田湿地、滨海湿地和沼泽湿地的数值分别为2.10、1.61 和2.10，农田湿地与沼泽湿地受到中度污染，滨海湿地受到轻度污染，主要受到Cd 元素的影响.

2.4.2 土壤潜在生态风险评价

采用Hakanson 的潜在生态风险指数法，对天津3种类型湿地土壤中重金属的潜在生态风险进行评价，结果如图2 所示.

图2 3种类型湿地土壤重金属潜在生态风险指数Fig.2 Potential ecological risk index of heavy metals of three types of wetland soil

由图2 可以看出，7 种重金属的潜在生态风险指数的大小在这3 类湿地中具有一致性，均为Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn.根据潜在生态风险评价分级指标，Cd 元素处于中度风险等级，As、Ni、Cu、Cr、Pb 以及Zn 处于轻度风险等级.在农田湿地中，Cd 对土壤重金属污染的潜在生态风险贡献率为68.11%；滨海湿地中Cd 的贡献率为61.35%；沼泽湿地中Cd 的贡献率为66.34%. 由贡献率可知，天津湿地土壤重金属的潜在生态风险主要受制于Cd 元素.

根据单因子潜在生态风险系数得到土壤重金属综合潜在生态风险指数，农田湿地、滨海湿地和沼泽湿地的数值分别为114.08、92.18 和118.38，3 类湿地的综合潜在生态风险指数均低于150，为轻度风险.

3 讨论与结论

本研究对天津农田湿地、滨海湿地和沼泽湿地土壤的理化性质及重金属含量进行测定分析，探讨了不同类型湿地土壤的污染状况及潜在生态风险.比较3种类型湿地土壤的理化性质，发现3种土壤的pH 值、总碳含量、碳氮比、硝态氮含量和盐度均有显著差异，土壤含水率、总氮、铵态氮和亚硝态氮含量没有显著差异.沼泽湿地的土壤pH 值显著高于农田湿地和滨海湿地，达到强碱性土壤的水平.这可能是因为沼泽湿地位于地下水位较高的低洼地区，由于水溶性盐随水从高处向低处移动，在低洼处容易积聚，且大黄堡湿地为开放性湿地，受人为干扰强烈，导致其pH 值较高.滨海湿地土壤的总碳含量与碳氮比显著高于农田湿地和沼泽湿地，这是因为不同的土地利用方式会对碳氮比造成影响[19]. 北大港湿地自然生长的芦苇可能是其碳氮比高的因素之一，农田湿地大量施入的氮肥则会降低其碳氮比.3种类型湿地土壤的氮素形态均以铵态氮为主，硝态氮含量在不同类型湿地之间有显著差异，表现为沼泽湿地>滨海湿地>农田湿地，这可能与地上植物类型有关，也可能与土壤pH 值有关，后者通过影响土壤微生物的活性进而影响其对氮素的利用.

根据我国土壤盐渍化程度分级的标准，农田湿地土壤为非盐化土，沼泽湿地土壤为中度盐化土，滨海湿地土壤为盐土，天然湿地土壤盐渍化程度显著高于人工湿地.滨海湿地土壤盐度高可能是因为北大港湿地的内部补充水来自于独流减河，该河流水质较差且含盐量较高.农田湿地土壤盐度低可能是由于人工开垦和种植水稻使得土壤中的盐分被压到耕层以下的地下水里，排出田外，降低了土壤含盐量.楼锦花等[20]研究江苏如东县滨海地区围垦土地土壤盐度的变化，也发现随着开垦年限的增加，土壤盐度逐渐降低，这与本研究结果一致.一般认为，土壤溶液中盐浓度较高时会抑制碱性钠的水解，进而降低土壤碱化程度[21]，而在本研究中3种湿地土壤的碱化程度与盐渍化程度具有一致性.李彬等[22]在研究吉林省苏打碱土盐化与碱化的关系时发现，当土壤盐度>0.8%时，可能会出现高盐度对土壤碱化度的抑制作用，由于本研究中天津湿地土壤整体上盐度不高，可能并未出现对碱化度的抑制效果.总体来说，天津湿地土壤存在轻度碱化，需要注意Na+对湿地土壤的危害，可以因地制宜地选用土壤改良剂或施用有机肥等措施，以进一步遏制湿地土壤碱化.

除Cu 元素以外，天津湿地土壤中的As、Ni、Cr、Pb、Cd、Zn 含量均接近或高于天津土壤重金属背景值，但均符合国家二级标准，这可能与土壤背景值为30 a前所测有关，也可能由于近年来湿地土壤普遍受到污染，导致重金属含量有所提高.不同类型湿地土壤中的重金属含量存在差异，整体上农田湿地土壤中的重金属含量最高，且Cd、Cr 含量显著高于滨海湿地和沼泽湿地.滨海湿地中的Cu 含量显著低于农田湿地和沼泽湿地，这可能是因为湿地中芦苇根系分泌的麦根酸类缺铁性物质促进植物吸收了土壤中的Cu[23].周然等[24]在对天津大黄堡、北大港、七里海和团泊洼湿地土壤重金属含量进行监测时，发现湿地土壤中的Zn、Pb、Ni、Cd 含量均高于天津土壤重金属背景值，但超标样点数目少且超标量低.本研究测得的重金属含量高于此前的研究结果，说明随着时间的推移，湿地土壤重金属污染程度加剧.湿地土壤的重金属污染与人类活动密切相关，滨海湿地北大港为封闭式保护性湿地，受人为扰动影响较小，污染程度低；沼泽湿地大黄堡为开放性湿地，当地居民排放的生活污水中所含的重金属离子可能会随河水倒灌进湿地，污染土壤；农田湿地中农业生产活动所使用的化肥、农药以及地膜等是造成湿地重金属污染的直接原因.

不同类型的湿地土壤重金属元素单因子污染指数的大小顺序具有一致性，表现为：Cd>As>Ni>Zn>Pb>Cu>Cr.其中，Cd 在农田湿地和沼泽湿地中处于中度污染，在滨海湿地中处于轻度污染；As、Ni、Pb、Zn对天津湿地土壤造成轻度污染；Cu、Cr 尚未造成污染.由内梅罗综合污染指数结果可知，天津湿地土壤存在一定程度的重金属污染，3种类型湿地综合污染指数排序为：农田湿地=沼泽湿地>滨海湿地，农田湿地与沼泽湿地受到中度污染，滨海湿地受到轻度污染.不同类型湿地的土壤重金属元素潜在生态风险指数的大小顺序具有一致性，表现为：Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn.在3种类型的湿地中，除Cd 属于中度风险等级外，其他元素均处于轻度风险等级，且Cd 对土壤重金属污染的潜在生态风险贡献率超过60%，是湿地土壤重金属潜在生态风险的主要受制元素.天津3种类型湿地的综合潜在生态风险指数排序为：沼泽湿地>农田湿地>滨海湿地，整体上属于轻度风险等级.李卫平等[25]对包头南海湿地土壤重金属污染进行潜在生态风险评价时发现重金属潜在生态风险指数大小为Cd>As>Pb>Cr>Zn，且土壤重金属潜在生态风险主要受制于Cd；罗婷等[26]研究江苏苏北湿地时发现，该地区重金属单一潜在生态风险指数大小为Cd>Pb>Cr>Zn，且Cd 为潜在生态风险的主要贡献因子.这说明Cd 污染已经成为我国湿地重金属污染的主要问题，进一步研究不同类型湿地Cd 污染的来源，将有助于因地制宜地制定减轻重金属污染的具体方案.

天津湿地土壤整体上都受到不同程度的污染，但主要的污染形式不同.农田湿地土壤重金属污染程度较大，并以Cd 污染为主；滨海湿地土壤盐渍化程度较重；沼泽湿地土壤pH 值较高.因此，在环境治理中应针对不同的污染形式选取相应的治理策略.