豫东黄河故道湿地土壤重金属污染评价及生态风险评估

马 丽，郭学良，么秀颖，刘希嘉，杨 森，梁明慧，张丽英

（1.商丘师范学院生物与食品学院，河南 商丘 476000；2.商丘市土壤肥料站，河南 商丘 476000；3.商丘医学高等专科学校，河南 商丘 476000；4.鄢陵县农业技术推广中心，河南 鄢陵 461200）

土壤是我们在地球上生存和发展不可缺少的基础，其环境质量安全对植物生长、人体健康乃至国家生态安全意义重大［1］。近年来，随着时代的发展，人口数量不断增长，工业生产规模连续扩张，土壤遭受了严重的重金属污染。重金属不易被肉眼观察、存在时间长、不能被植物完全吸收，且不能被土壤微生物降解［2］，而且可以通过食物链、食物网的逐级积累作用，危害人体健康，因此在建设环境友好型社会的当代，土壤重金属的污染问题引起了人们的高度重视［3］。

湿地有“地球之肾”之称，是水域生态系统和陆地生态系统之间的过渡，与此同时湿地也是重金属污染物的主要沉积场所之一。土壤重金属含量过高会影响湿地环境动植物的正常生活，进而影响湿地的生物多样性及其生态调节功能的发挥［4］。近年来人们对湿地过度开发利用，人类活动产生的重金属通过地表或者地下径流和大气沉降等途径进入地势低洼的湿地，严重破坏其生态服务功能。目前，已有许多学者对湿地重金属污染特征进行了分析。罗婷等［5］研究指出，江苏苏北湿地中的Cd含量严重超标，Cd污染主要来自农药化肥的施用，而湿地中的Pb、Cu、Cr、Zn主要来源于工业排放。王耀平等［6］对黄河口盐碱蓬湿地研究指出，淹水土壤受As和Cd的污染最严重；李卫平等［7］研究指出，南海湿地土壤重金属普遍超标，整体上属于中等风险等级。因此，湿地重金属污染的研究正在逐渐受到人们的关注。

对于湿地土壤重金属的相关性分析和含量表明，金属来源不同，其污染程度各不相同，国内外学者对重金属污染评价提出了许多方法，主要有基于重金属总量的污染评价方法，如地质累积指数法［8］和潜在生态风险指数法［9］等。刘江生等［10］2008年研究指出了山东省黄河故道区域土壤环境背景值，为黄河故道湿地环境污染监测及评价提供了参考依据。虽然有关湿地重金属污染的研究较多，但对于黄河故道湿地土壤重金属的研究目前尚不多见。豫东黄河故道湿地能有效地保护周边水源和气候，对区域生态系统可持续发展意义重大。本研究以豫东黄河故道为研究对象，通过检测湿地及周边耕地和林地土壤中Zn、Pb、Cr、Cd、Cu 5种重金属污染情况，了解重金属的来源及迁移规律，基于土壤重金属总量的评价方法，分析湿地土壤重金属的污染程度及其潜在的生态风险，以期为豫东黄河故道湿地重金属污染防治、生态修复及保护提供参考依据，为黄河流域生态保护和高质量发展奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

豫东黄河故道位于河南省与山东省接壤处，西起民权县、东至虞城县，是明清时期黄河改道后在河南省东部商丘市民权县至虞城县一线遗留下的一段洼地，位于115°47′～116°17′E、34°50′～34°33′N之间，黄河冲积平原中部，土壤多为砂壤质潮土，属于温带季风气候，年平均降水量726.5 mm，年平均气温14.1℃。豫东黄河故道湿地是许多野生动物觅食、停歇和越冬地，湿地内动植物资源丰富，原始生态系统较为完整。本研究选择黄河故道在商丘市最下游的虞城县内一段黄河故道湿地作为研究对象。

1.2 样品采集

在研究区域内沿黄河故道走向设置3个采样站位，分别是民权县、梁园区、虞城县，民权县站点选择在林七水库—吴屯水库黄河故道沿线，梁园区站点选择大张庄—咀尖王庄黄河故道沿线，虞城县站点选择小张庄—马滩村黄河故道沿线，分别位于豫东黄河故道西部、中部和东部。每个站位分别选择湿地（WL）、附近林地（FL）和耕地（CL）3种土壤用地类型，每种用地类型设置5个采样点，采样点之间间隔50 m以上，在每个采样点采用梅花采样法在0～20 cm土层取5个土样，然后将5个土样混合为1个样品，之后按照四分法取1 kg左右，挑拣出枯枝落叶和大块砖石瓦砾后，放在阴凉处自然风干，风干碾磨后过0.15 mm目尼龙筛备用。

1.3 样品处理与重金属测定方法

称取风干过筛土样2.500 g置于消化管中，加少量水润湿，加入10 mL王水（浓硝酸∶浓硫酸=1∶3），轻轻摇匀，140℃加热60 min，加入约5 mL高氯酸，继续加热消化产生浓白烟挥发大部分高氯酸，直至消化管内土壤样品呈灰白色糊状，冷却。然后将冷却液过滤至50 mL容量瓶中，用热水多次洗涤消化管，待完全冷却后用蒸馏水定容，采用原子吸收分光光度计测定金属元素Zn、Pb 、Cr、Cd、Cu的含量［11］。

1.4 土壤重金属污染与潜在生态风险评价方法

1.4.1 地质累积指数法

地质累积指数（Igeo）= log2［Cs/（k×Cb）］，其中，Cs为重金属的实测含量，Cb为元素背景值，采用刘江生等［10］提出的山东省黄河故道区域土壤环境背景值，其中，Zn、Pb、Cr、Cd、Cu元素背景值含量分别为42.31、16.23、30.97、0.063、13.46 mg·kg-1；k为常数，取1.5；参考周长松等［12］研究地质累积指数的分级标准（表1）。

表1 地质累积指数与污染程度

1.4.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数Eir=Tir×Ci/Cib，综合潜在生态风险指数其中，Eir为重金属i的潜在生态风险指数；Ci为研究区域土壤重金属i的实测含量；Cib为土壤重金属i的背景值，采用刘江生等［10］提出的山东省黄河故道区域土壤环境背景值；Tir为重金属i的毒性响应系数，取Zn、Pb、Cr、Cd、Cu的毒性响应系数分别为1、5、2、30、5［13］；参考林承奇等［14］提出的元素潜在生态风险分级标准（表2）。

1.5 数据分析方法

采用SPSS 16.0和Excel 2003进行试验数据的单因素方差分析及作图。

表2 潜在生态风险分级

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分析

由表3可知，豫东黄河故道区域各样地重金属Zn、Pb、Cr、Cd和Cu的含量见表3。土壤中重金属含量的变异系数（CV）可以说明土壤重金属元素在各采样点含量的差异，并反映人为活动对重金属含量的影响，变异系数越大，重金属元素的离散程度越高，说明该重金属元素受人为活动的影响越大［15］。根据变异系数大小进行分级，CV＜10%为弱变异，10%＜CV＜20%为中等变异，CV＞20%为强变异。豫东黄河故道区域湿地土壤中Zn和Cr元素变异系数均小于10%，根据变异系数大小，可得离散程度较小，属于弱变异，说明这2种元素在湿地土壤中分布较为均匀，受人为干扰不明显。而Pb和Cd元素变异系数均大于20%，属于强变异程度，说明这2种元素空间变异较强，可能受到了较多人为活动的影响。Cu元素变异系数为18.30%，属于中等变异，说明这种元素也受到了一定程度人为活动的影响。湿地土壤重金属Zn、Pb、Cr、Cd和Cu含量均值分别为48.32、5.89、289.46、2.03和9.67 mg/kg，其 中Pb和Cu含量未达到土壤背景值，超标率分别为0.00%和6.67%，而Zn、Cr和Cd含量均超过土壤背景值，且超标率为100%。与农用地土壤污染风险筛选值相比较，Cr和Cd均值分别是筛选值的9.3和6.8倍，Zn、Pb和Cu含量未超过筛选值。

表3 黄河故道湿地土壤重金属含量分析

豫东黄河故道湿地附近林地土壤中，重金属Cu的变异系数为23.67%，离散程度较高，属于强变异，说明林地Cu元素来源复杂，可能受到了较多人为活动的影响。其次为Zn、Cd和Pb元素，变异系数介于10%～20%之间，属于中等变异，而Cr变异系数最小，受人为活动影响较小。林地土壤中只有重金属Pb含量均值未达到土壤背景值，其余4种元素均超过土壤背景值，其中Cu元素超标率为80%，Zn、Cr和Cd的超标率均为100%。与农用地土壤污染风险筛选值相比较，Cr和Cd含量均值分别是筛选值的2.1和8.2倍，Zn、Pb和Cu含量未超过筛选值。

豫东黄河故道湿地附近耕地土壤中，重金属Cd的变异系数最大，表现为强变异水平，说明耕地土壤中Cd元素来源较为复杂，受到较多人为因素的影响。耕地土壤中Zn元素变异系数小于10%，属于弱变异水平，而元素Pb、Cr和Cu属于中等变异水平。耕地土壤重金属含量均值与黄河故道湿地土壤背景值相比，只有Pb元素含量略低于背景值，但Pb含量在某些采样点也超过了背景值，超标率为53.33%；而元素Zn、Cr、Cd和Cu含量均高于背景值，且超标率均为100%。其中Cr和Cd含量均值分别为378.58和2.62 mg·kg-1，分别达到了黄河故道区域土壤元素背景值的12.2和41.6倍。与农用地土壤污染风险筛选值相比较，重金属Cr和Cd含量均值超过筛选值，分别是筛选值的2.5和8.7倍，Zn、Pb和Cu含量未超过筛选值，这与黄河故道湿地、林地土壤表现一致。

不同类型样地Zn、Pb、Cr、Cd和Cu的含量均表现为湿地最低，耕地最高，Zn、Pb和Cu这3种元素在各样地类型间差异显著；Cd元素含量在林地和耕地土壤类型中差异不显著，但均显著高于湿地；而3种类型样地的Cr含量表现为耕地显著高于湿地和林地，湿地和林地Cr含量差异不显著。耕地土壤中5种重金属的富集最高，这可能是在耕作过程中施用化肥、农药等进行田间管理活动所导致的重金属含量升高，其次为林地，而湿地最低。

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 地质累积指数法评价

以山东省黄河故道区域土壤环境背景值作为基准值，应用地质累积指数法计算得到黄河故道湿地及附近林地和耕地土壤中Zn、Pb、Cr、Cd和Cu 5种重金属的Igeo（表4）。各类型样地重金属Igeo的平均值大小顺序为Cd（4.61）＞Cr（2.87）＞Zn（-0.07）＞Cu（-0.35）＞Pb（-1.37）。根据地质累积指数分级标准［12］，可知豫东黄河故道区域土壤Zn、Pb和Cu总体处于无污染水平，但发生了弱重度Cr污染和弱极度Cd污染。所以研究区域土壤最主要的污染因子是Cr和Cd。各样地类型间重金属Igeo相比较，这5种重金属的Igeo均表现为耕地＞林地＞湿地，且不同类型样地间Zn、Pb和Cu的Igeo值差异显著，Cr的Igeo表现为耕地显著高于湿地和林地，而湿地和林地间差异不显著，Cd的Igeo值表现为林地和耕地显著高于湿地，而林地和耕地间差异不显著。3种类型样地Pb的Igeo均小于0，处于无污染水平；Zn和Cu的Igeo在湿地和林地土壤中小于0，属于无污染水平，但在耕地土壤中介于0～1之间，属于轻度污染；3种类型样地Cr和Cd的Igeo均大于0，其中重金属Cr在湿地和林地土壤中处于弱重度污染（Igeo在2～3之间），在耕地土壤中处于重度污染水平（Igeo在3～4之间），而3种样地土壤均属于弱极度Cd污染（Igeo在4～5之间）。

表4 黄河故道湿地土壤重金属的地质累积指数

2.2.2 潜在生态风险指数法评价

表5为豫东黄河故道湿地及其附近林地和耕地5种重金属潜在生态风险指数评价结果。从表5可以看出，各重金属潜在生态风险指数的平均值大小顺序为Cd（1130.58）＞Cr（21.01）＞Cu（6.49）＞Pb（3.22）＞Zn（1.45），根据各元素潜在生态风险分级标准，Zn、Pb、Cr、Cu 4种重金属在各类型样地中均为轻度潜在生态风险（Eir＜40），而Cd在各类型样地的潜在生态风险指数为965.54～1248.67，远超320，具有高度潜在生态风险，可知Cd是豫东黄河故道湿地区域最主要的致险因子。各类型样地间相比较，5种重金属潜在生态风险均表现为CL＞FL＞WL，且Zn、Pb和Cu的潜在生态风险指数在各样地类型间差异均达到显著水平，而湿地土壤中Cr的含量显著低于耕地，与林地差异不显著，湿地土壤中Cd的含量显著低于耕地和林地，耕地和林地间差异不显著。

豫东黄河故道区域湿地、林地和耕地这3种类型样地综合潜在生态风险指数分别为990.78、1208.15和1289.34，均达高度潜在生态风险水平。从不同重金属对综合潜在生态风险指数的贡献（图1）可以看出，5种重金属中，Cd对综合潜在生态风险的平均贡献最高，其贡献率为97.23%，Zn、Pb、Cr和Cu对综合潜在生态风险的贡献很小，可见Cd是豫东黄河故道湿地区域重要的重金属对象，由于Cd的影响，使豫东黄河故道湿地及其附近林地、耕地均达到高度潜在生态风险。

表5 黄河故道湿地土壤潜在生态风险指数评价结果

图1 不同重金属对综合潜在生态风险指数的贡献

2.2.3 评价结果比较

综合比较地质累积指数法和潜在生态风险指数法这2种评价方法，其分析的结果基本一致，即黄河故道湿地及附近林地、耕地土壤中Cd是最主要的重金属污染因子，同时也要注意Cr的影响。地质累积指数法不能全面反映重金属对环境综合污染的影响；而潜在生态风险指数法既反映出了重金属的含量，又体现了重金属的环境生态效应和毒害程度，但是能评价的元素种类较少［16］。这2种方法各有利弊，所以将2种方法结合起来，能更加全面地评估豫东黄河故道湿地区域土壤重金属的污染情况及生态风险。

2.3 土壤重金属来源分析

从表6可以看出，豫东黄河故道湿地区域土壤 重 金 属Zn-Pb、Zn-Cu、Pb-Cr、Pb-Cu、Cr-Cu之间表现为极显著正相关关系，相关系数分别为0.929、0.941、0.892、0.974、0.850，这说明该区域土壤中这些元素可能来源一致；重金属Zn-Cr、Pb-Cd、Cr-Cd、Cd-Cu之间也表现为显著正相关关系，说明这些元素在豫东黄河故道湿地区域土壤中也具有一定的同源性。

表6 黄河故道区域土壤重金属含量相关性分析（n=9）

图2是根据重金属Zn、Pb、Cr、Cd、Cu之间的Pearson相关系数进行的聚类分析。从图2中可以看出，这5种重金属可以聚为4类，其中Pb和Cu为1类，Zn、Cr、Cd各为1类。表6中也显示Pb和Cu之间为极显著正相关关系，这说明Pb和Cu之间具有良好的伴生关系。同时Pb、Cu和Zn又可以聚为1个大类，且Pb、Cu和Zn两两之间相关性也达到极显著水平（表6），因此可以认为Pb、Cu和Zn的来源具有一致性。如果将这5种重金属聚为3类，则Pb、Cu和Zn属于第1类，Cr属于第2类，Cd属于第3类。结合表6可以看出，这5种重金属元素之间均存在着一定的相关性。

图2 黄河故道区域土壤重金属分层聚类分析

3 讨论

由于该研究区域不同土壤利用类型（湿地、耕地和林地）的环境特点不同，其研究侧重点也不同。本研究选取Zn、Pb 、Cr、Cd、Cu这5种常见重金属元素对豫东黄河故道湿地土壤进行污染评价。结果表明，豫东黄河故道湿地土壤重金属Zn、Pb和Cu的含量均低于或略高于黄河故道区域土壤环境背景值，而重金属Cr和Cd含量均严重超过土壤背景值。本研究选择地质累积指数法和潜在生态风险指数法这2种方法进行污染评价，评价结果基本一致。豫东黄河故道区内发生了不同程度的积累，造成了一定的重金属污染，大致表现为湿地＜林地＜耕地。

污染评价结果表明，重金属Zn、Pb和Cu在湿地、林地土壤中处于无污染水平，在耕地土壤中处于轻度污染水平；重金属Cr在湿地、林地土壤中属于弱重度污染，在耕地土壤中属于重度污染，Zn、Pb、Cu和Cr这4种重金属元素在湿地、林地和耕地3类土壤中均为轻度潜在生态风险。重金属Cd在3类土壤用地类型中则均属于弱极度污染水平和高度潜在生态风险程度。一般认为，农药和化肥中含有较高Pb、Cu和Zn，此外，汽车尾气也是Pb污染的主要来源［17］，豫东黄河故道湿地及附近林地和耕地这3种类型土壤中Pb、Cu和Zn的含量均值个别超过了土壤背景值，但均未超过农用地土壤污染风险筛选值，地质累积指数表现为湿地＜林地＜耕地。耕地农药、化肥的施用势必会影响土壤中这些重金属的含量，张妍等［18］研究了商丘市土壤重金属的污染情况，指出商丘市Cu、Pb、Zn 重金属污染为人为因子，主要来源有农业生产和交通排放等。浦江等［19］研究也指出，湖滨带湿地重金属Cu和Zn的污染源主要是农业活动，Pb主要受道路交通和工业活动的影响。由此推测豫东黄河故道湿地重金属Pb、Cu和Zn污染可能主要来源于人类的农业活动。

本研究表明，土壤重金属Cr在湿地和林地中属于弱重度污染水平，在耕地中属于重度污染水平，且聚类分析中重金属Cr为1类，此外，湿地和林地土壤中Cr元素的变异系数较小，均属于弱变异水平，耕地土壤中Cr属于中等变异。相关研究指出，土壤中的Cr污染主要来源于土壤成土母质及制造工业［20-21］，由此推测黄河故道湿地土壤Cr元素可能主要来源于土壤成土母质。土壤中Cd主要受工业活动的影响［22］，本研究表明，在湿地、林地和耕地土壤中重金属Cd含量均达到弱极度污染水平，具有高度潜在生态风险，而Cd元素在湿地和耕地土壤中变异系数均较高，属于强变异，在林地土壤中Cd属于中等变异水平。研究表明，重金属Cd污染可能来源于工业原料及“三废”排放、汽车尾气等［23-24］，豫东黄河故道区域洗选业、化学原料及化学制品制造业、黑色金属、有色金属冶炼及压延加工业规模较大，结合相关研究和豫东黄河故道区域工业、农业等主要污染源分布，推测黄河故道湿地土壤Cd污染可能主要来源于工业原料及“三废”的排放。相关性分析和聚类分析结果显示这5种重金属元素之间均存在着一定的相关性，除Cd-Zn外，各种金属间相关性均达到显著或极显著的水平，这表明豫东黄河故道区域重金属元素间具有一定的同源性［25］，由此推测，豫东黄河故道湿地Cd污染也可能主要受到了成土母质和人类农业活动的影响。

本研究结果显示，豫东黄河故道湿地重金属Cr和Cd含量严重超过土壤背景值，而附近林地和耕地这些重金属含量均有升高趋势，且湿地和耕地间差异显著。由于耕地中农药、化肥的施用相对频繁，而农药和化肥中含有较多的Cr和Cd元素［26-27］。李福燕等［28］研究了海南省农用地土壤重金属含量特征，结果表明农用地土壤中重金属Cr和Cd含量的最大值均超过了国家土壤环境质量的二级标准。由此认为，黄河故道湿地土壤重金属Cr和Cd含量受到了附近林地和耕地的影响。此外，耕地土壤的重金属含量较高，而湿地显著低于耕地，这也体现了湿地的生态缓冲功能。因此，为保持豫东黄河故道湿地良好的生态环境，应加强湿地及附近土壤的管理，控制周边“工业三废”的排放，减少农药化肥的施用，并采取合理的措施进行重金属污染的治理，尤其加强对重金属Cd的治理。

4 结论

豫东黄河故道区域不同类型样地Zn、Pb、Cr、Cd和Cu的含量平均值分别为61.42、10.45、325.40、2.37和17.49 mg·kg-1，均表现为湿地＜林地＜耕地，且在湿地中的含量显著低于林地或耕地。

湿地及附近林地、耕地土壤发生了不同程度重金属Cr和Cd的聚积，其含量均远远高于土壤背景值，其中重金属Cd在3种类型样地中均达到弱极度污染水平，重金属Cr在3种类型样地中达到弱重度或重度污染水平，而重金属Zn、Pb和Cu则属于无污染或轻度污染水平。

研究区域5种重金属潜在生态风险指数的平均值大小顺序依次为Cd＞Cr＞Cu＞Pb＞Zn。其中，重金属Cd表现为高度的潜在生态风险，是最重要的危险因子，Cd对综合潜在生态风险的平均贡献最高，其贡献率为97.23%，而其他4种元素均属于轻度潜在生态风险。3种类型样地土壤重金属的平均综合潜在生态风险指数为1162.76，属于高度潜在生态风险水平。通过比较不同类型样地土壤重金属的综合潜在生态风险指数，发现湿地土壤的综合潜在生态风险指数是最小的，即相比较黄河故道附近林地和耕地，黄河故道湿地具有最低的潜在生态风险。

豫东黄河故道区域重金属Pb、Cu和Zn污染可能来源于人类农业活动的农药、化肥等，重金属Cr可能主要来源于土壤成土母质，重金属Cd可能主要来源于工业原料及“三废”，也可能受到成土母质和农业活动等的影响。