潼湖湿地土壤重金属污染现状及生态风险评价*

刘德浩 廖文莉 陈智涛 阳艳萍吴宝宏 舒夏竺 邓仿东

(惠州市林业科学研究所，广东 惠州 516001)

湿地与人类的生存、繁衍、发展息息相关，是自然界最富生物多样性的生态系统和人类最重要的生存环境之一，它不仅为人类的生产、生活提供多种资源，而且具有巨大的环境功能和效益[1]。在我国经济迅速发展的前提下，湿地面积尤其是淡水湿地面积日益减少，水质恶化、环境污染、生物多样性减少等问题亦日益突出。在广东，特别是珠江三角洲这样经济发展较为迅速的地区尤为明显，湿地生态功能退化导致一些原来生活在淡水湿地生境的动植物数量越来越少，分布面积亦日益萎缩[2]。

1965 年以来，惠州潼湖湿地生态系统发生显著变化，天然湿地面积约减少了50%，1977—2017 年期间潼湖湿地的生境质量指数从0.63 降至0.32，作为威胁源的建设用地不断增加和生境适宜性高的湿地面积持续减少，导致潼湖湿地生境质量逐年下降，生物多样性水平降低，潼湖湿地的东北部和西南部生境退化严重，生态系统健康受到严重威胁[2-3]。潼湖湿地流域是东江二、三级水系，目前是惠州重要的水产养殖与果蔬基地，由于湿地周边遍布大小工业企业，且有相当一部分是高污排放企业，导致湿地内湖泊、河流、鱼塘等水体受到不同程度污染，且近年来重金属富集导致的人畜中毒个案也偶见报道[3]。2017 年以来，潼湖湿地的发展定位为潼湖生态智慧区，是以“生态核”、“智慧核”为基础，构建科技创新产业集群基地，新的发展定位对生态安全提出更高的要求。本文分析了潼湖湿地重金属含量的空间分布，探讨了部分重金属的污染源头，在此基础上对潜在生态风险进行了评价。旨在为潼湖生态智慧区的环境管理提供参考，为潼湖湿地的可持续发展提供背景资料。

1 研究区概况

研究区位于广东省惠州市西部潼湖湿地（ 东经114°10′15″～114°15′55″， 北纬22°59′54″～23°02′04″），总面积2 654.8 hm2。潼湖湿地范围广阔，涵盖潼湖农垦基地、潼湖镇、潼侨镇、沥林镇和陈江镇部分地区，主要由湖泊湿地、河流湿地、鱼塘湿地、农业湿地（雨季淹水，旱季耕作）等湿地亚类组成。潼湖湿地集雨面积达到432 hm2，在调控洪水、调节区域气候、降解污染物等方面成效显著。

2 样品采集与研究方法

2.1 样品采集与处理

2020 年7 月在惠州潼湖湿地内进行实地考察，结合潼湖湿地群落组成、水位变化以及人类活动影响等因素，自西向东沿着“五进三出”的河流水系分布以及潼湖库区水域，在8 条河流流域内及潼湖库区各设置2 个样点，共计18 个样点，分别是THSD1-THSD18。采样点信息见表1，采样时先用不锈钢小铲刮去样点表层的枯枝落叶、残留垃圾等，然后用直径9 cm 的PVC 管采集表层0～15 cm 土壤样品，每个样点采用梅花采样法取5个土样的混合样1 kg，将采集到的样品装入乙烯密封袋中带回实验室。

表1 潼湖湿地土壤重金属采样点信息Table 1 Sampling sites information of heavy metals in the sediment of Tonghu wetland

将采集回来的样品自然风干、剔除杂物，研磨后过100 目筛网备用。采用混酸( HF-HCl-HNO3) 微波消解法来提取土壤中的重金属，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测定铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、锰（Mn）、锌（Zn）、钴（Co）含量，采用王水微波消解提取后再利用原子荧光光度计测定汞（Hg）和砷（As）[4-6]。为了控制测试样品的准确度与精密度，实验过程中使用的酸试剂均是优纯级（GR）。对每3 个样品进行平行测定，同时测定空白样，利用分析标准物质来进行质量控制（RSD ≤10%）。

2.2 数据处理方法

目前，土壤沉积物中重金属污染的评价方法主要采用富集指数法、地累积指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态风险指数法等[7-8]。其中，潜在生态风险指数法是瑞典科学家Hakanson于1980 年提出的，它是评价土壤沉积物污染程度及其潜在生态风险的一种快速、标准、简洁的方法，能够综合考虑重金属毒性、区域敏感性、迁移转化规律以及重金属区域背景值的差异，反映土壤中重金属对生态环境的影响潜力并定量划分，被广泛应用于土壤重金属污染评价中[9-12]。因此，本研究采用潜在生态风险指数法对潼湖湿地表层土壤10 种重金属元素富集程度及其潜在生态风险进行分析[11-12]，计算潼湖湿地重金属污染富集系数（）、潜在生态风险系数（）以及总潜在生态风险指数（RI），最终得到潼湖湿地表层土壤重金属富集程度和潜在生态风险程度。其计算方法如下所示[13-14]：

（1）单因子污染富集系数（enrichment coeffi-cient of contamination）

（2）单一重金属i的潜在生态风险系数（the potential ecological risk factor）

表2 重金属毒性响应系数Table 2 Response coefficient of heavy metal toxicity

（3）多种重金属潜在生态风险指数（the potential ecological risk index）

表3 重金属污染潜在生态风险指标和分级[12]Table 3 Indicesandgradesofpotentialecologicalriskindexofheavymetalpollution

3 结果与分析

3.1 表层土壤的重金属含量特征

潼湖湿地18 个样点表层土壤中的10 种重金属含量均值见表4。由表4 可知，潼湖湿地10 种重金属含量表现为Zn ＞Mn ＞Cr ＞Cu ＞Ni ＞Pb ＞As ＞Co ＞Cd ＞Hg。与国家《土壤环境质量标准》（GB15618-2018）对比可知[16]，潼湖湿地10 种重金属中有6 种重金属含量均值没有超过国家土壤环境质量一级标准，但Cd、Cu、Zn3 种重金属元素的均值均超过国家土壤环境质量一级标准[17]。其中，Cd 的平均值是国家土壤环境质量标准的5.05 倍。与广东省土壤环境背景值对比可知，Zn、Cr、Cu、Ni、As、Cd、Hg 等7 种重金属元素的平均值均超过广东省土壤环境背景值[18]。其中Cd 的平均值是环境背景值的29.71 倍；其次是Zn、Cu、Hg、 Ni、Cr、 As，分别是环境背景值的6.27 、5.34 、3.97 、3.38 、1.47 、1.20 倍，Pb、Co、Mn 等元素含量比较低，仅在个别样点的含量高于环境背景值。

表4 潼湖湿地与国家标准和环境背景值重金属元素质量分数对比 mg·kg-1Table 4 Comparison of heavy metal content in Tonghu wetland with national standard and environmental background value

潼湖湿地10 种重金属含量最高的是Zn。近30 年来，潼湖湿地分布着大量的养鱼塘和养猪场，Zn 作为动物生长必须的微量元素之一，通常以氧化锌或硫酸锌的形式添加在养殖饲料中，但是鱼或猪等家禽对Zn 的吸收利用率一般在20% 以下，未吸收的Zn 会随着家禽代谢排放到水中，进而通过换水与排放流入潼湖水系[19]。对比国家土壤环境质量一级标准和广东省土壤环境背景值，潼湖湿地内明显富集了重金属Cd。重金属Cd 一般通过农药、化肥、污水灌溉等进入土壤，然后通过农作物富集后由食物链向人类传递，进而引起肾脏、骨骼等损伤[20]。潼湖湿地作为惠州市重要的农业生产基地之一，在农业生产过程中使用的杀虫剂、杀螨剂含Cd 量极低，走访农业生产现场发现所用化肥以国产岩石磷酸盐化肥为主，岩石磷酸盐化肥中较低的Cd 含量同样对环境影响较小。潼湖湿地内水系由“五进三出”共8 条河流组成，工业、农业用水较为便捷。据不完全统计，高峰期共有7 家电镀厂在湿地范围内同时进行生产作业，采用硫酸镉或氟硼酸镉对钢或铸铁进行镀镉作业，作业后产生的大量含Cd 废水直接排入湿地内水系中。农业生产则是直接抽取河水进行灌溉，潼湖湿地土壤中较高的Cd 含量可能是由于早期污水灌溉所致。

3.2 表层土壤重金属元素富集程度分析

潼湖湿地表层土壤重金属污染富集系数见表5，其中，Cd、Zn 属于很强的污染风险，尤其是Cd（富集系数29.706）；Hg、Cu、Ni 属于强污染风险；As、Cr 属于中等污染风险；Pb、Co、Mn属于轻微污染风险。潼湖湿地表层土壤中10 种重金属元素污染风险程度排序为：Cd ＞Zn ＞Cu ＞Hg ＞Ni ＞Cr ＞As ＞Pb ＞Co ＞Mn。

在18 个取样点中，Hg 有10 个样点为强污染风险以上，THSD6 污染风险最为严重。16 个样点的Cd 含量均为很强污染风险，仅有2 个样点Cd含量强污染风险，以THSD11 污染风险最为严重。仅有样点THSD3 的As 含量为强污染风险，有10 个样点的As 含量为轻微污染风险。Ni 有4 个样点为很强污染风险，分别是THSD2、THSD4、THSD5、THSD9。Pb 有6 个样点属于中等污染风险，12 个样点属于轻微污染风险。Cu 有6 个样点属于很强污染风险，剩余12 个样点均在中等污染风险以上。Co 仅在样点THSD1、THSD2、THSD11、THSD16 中表现中等污染风险，其余14个样点轻微污染风险。Mn 在所有样点均呈现轻微污染风险。

3.3 重金属元素潜在生态风险系数及总潜在生态风险指数分析

潼湖湿地表层土壤10 种重金属潜在生态风险系数及总潜在生态风险指数见表6。由表6 可知，Hg 的潜在生态风险系数平均值属于强风险，其潜在生态风险系数超过强风险的样点有8 个样点，风险程度表现为THSD6 ＞THSD11 ＞THSD5＞THSD12 ＞THSD3 ＞THSD4 ＞THSD9 ＞THSD1，均属于很强风险以上。Cd 的潜在生态风险系数平均值属于极强风险，仅有4 个样点属于极强风险以下，分别是THSD7、THSD14、THSD15、THSD17。其它8 种重金属潜在生态风险系数均值都小于40，属于轻微风险，具体风险程度表现为：Cu ＞Ni ＞As ＞Zn ＞Pb ＞Co ＞Cr ＞Mn。

表6 潼湖湿地土壤重金属潜在生态风险系数和总潜在生态风险指数Table 6 The potential ecological risk factors and potential ecological risk index of heavy metals in the surface sedimentinTonghu wetland

从潼湖湿地表层土壤10 种重金属的总潜在生态风险指数看，其潜在风险指数值在187.561～2 588.719 之间，均值为1 124.063，潼湖湿地重金属总潜在生态风险指数为很强风险。对18 个样点总潜在生态风险指数进行分析发现，THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等8 个样点属于极强风险，THSD3、THSD5 、THSD6 等3 个样点属于很强风险THSD7、THSD8、THSD15、THSD 16、THSD18 等5 个样点属于强风险，THSD14、THSD17 等2 个样点属于中等风险。受农耕、工厂、养殖等影响，潼湖湿地内重金属含量较高，在野外调研过程中也见养殖场、排污管道、废弃渔船等[21-22]。样点THSD14、THSD15、THSD16、THSD17、THSD18 远离养殖场和农场、工厂，相对受到人为干扰较少。

表 5 潼湖湿地表层土壤重金属元素富集系数Table 5 The heavy metal element enrichment coefficient of contamination in the surface sediment in Tonghu wetland

4 结论与讨论

本文在对惠州潼湖湿地表层土壤重金属元素含量进行测定的基础上，运用潜在生态风险指数法对潼湖湿地表层土壤重金属污染程度进行分析评价，得到以下结论。

（1）潼湖湿地表层土壤内10 种重金属富集系数表现为Cd ＞Zn ＞Cu ＞Hg ＞Ni ＞Cr ＞As ＞Pb ＞Co ＞Mn，Cd、Cu、Zn 等3 种重金属元素含量的平均值均超过国家土壤环境质量一级标准，Zn、Cr、Cu、Ni、As、Cd、Hg 等7 种重金属元素含量的平均值均超过广东省土壤环境背景值，其中Cd 含量平均值分别是国家土壤环境质量标准和广东省土壤环境背景值的5.05 倍、29.71 倍。外源重金属主要来源于工业和农业生产，金属加工、电镀等工业生产排放的污水导致潼湖湿地内的河流遭受污染，利用被污染的河水进行农业灌溉是潼湖湿地表层土壤中重金属富集的主要影响因素。表层土壤中的重金属主要以自然沉降为主，人类活动能够显著影响部分区域的重金属浓度[23]。尽管2005 年以后湿地范围内的电镀厂已悉数关闭，但土壤中镉的富集、转移是一项漫长的过程，在没有人为因素介入的情况下，可能仍需较长的时间才能够恢复至健康的水平。

（2）潼湖湿地表层土壤重金属潜在生态风险评价结果表明，潼湖湿地总体上属于很强—极强污染风险，其中潜在生态风险最大的是Cd 元素，属于极强污染风险；其次是Hg 元素，属于强污染风险，其余8 种重金属元素属于轻微污染风险。THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等8 个样点属于极强污染风险，THSD3、THSD5 、THSD6 3 个样点属于很强污染风险，THSD7、THSD8、THSD15、THSD 16、THSD18 等5 个样点属于强污染风险，THSD14、THSD17 等2 个样点属于中等污染风险。重金属富集系数体现了某种重金属在某一区域内的富集程度，受人类活动影响，潼湖湿地18 个样点中的Cd 都呈现出不同程度的富集，Hg 在10 个样点内出现富集现象。Cd 在18 个样点的富集系数明显高于其它重金属元素，平均值为29.706，THSD1、THSD2、THSD4、THSD9、THSD10、THSD11、THSD12 、THSD13 等原电镀厂及其周边区域的Cd 富集系数更高。潼湖湿地中生态风险较高的Cd 和Hg 在土壤中很难被生物降解，通过积累、富集后会导致湿地内土壤质量退化和生态环境恶化，同时也会通过食物链的“放大效应”影响到人类的身体健康[24]。

（3）受潼湖湿地范围内农场、养殖场、工厂等污染源影响，潼湖湿地内Cd 的潜在风险系数最高，属于极强生态风险水平；其次为Hg，达到强风险水平。总体来看，潼湖湿地总潜在生态风险指数达到很强生态风险水平，需引起相关方面的重视。重金属进入生物圈后会在生物圈内不断循环，很难做到简单有效的控制和治理。因此，重金属的污染防治需要在控制源头的基础上，结合物理、化学以及生物修复等技术手段来进行。物理防治（换土等）方法成本高、对周边区域影响大，同时会引起水土流失等问题。采用磷灰石、硫肥、有机酸等化学修复方式则具有成本高、短期见效快等特点，但化学修复方式会引起土壤营养成分质的改变，长期来看有悖于土壤修复的初衷[25]。近年来的研究结果表明，通过筛选超富集植物或引入能够富集重金属镉的植物是有效的生物修复方法之一，这些植物能够将镉富集转移至自身体内，再通过人为收获的方法将镉清除出去[26]。潼湖湿地面积大、范围广且居民多，受环境影响、修复成本等制约，可以尝试采用种植一些重金属低积累植物新品种的方法加以改善。增加超富集植物或低积累植物新品种种植面积能够有效提升潼湖湿地植被覆盖率，进而减少土壤重金属向空气中迁移，降低土壤重金属的生态风险[27]。总之，生物修复方式可能是潼湖湿地较为行之有效的土壤修复方法之一。