單監(jiān)利，周澤明，潘 敏， 朱維琴

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 3100036)

西溪濕地沉積物重金屬時空分布特征及污染評價

單監(jiān)利，周澤明，潘 敏， 朱維琴

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 3100036)

本研究分析了杭州市西溪濕地不同地點表層沉積物重金屬Cu、Zn、Cr、Pb和Ni的含量及季節(jié)分布特征，進一步運用單項和綜合污染指數(shù)法、Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法分別對西溪濕地沉積物重金屬進行了污染評價和生態(tài)風(fēng)險評價.結(jié)果表明, 空間分布上西溪濕地沉積物中重金屬Zn的含量較Cu、Cr、Pb、Ni居首位，Zn含量范圍為72.65～159.64 mg/Kg.季節(jié)分布特征上Cu、Zn含量在一年中逐漸降低，基本在11月份最低，Cr、Ni含量均在9月份最高，Pb含量在各采樣點全年波動趨勢差異較大.從綜合污染指數(shù)評價來看，五義橋沉積物全年均為輕度污染， 普濟橋和泊蓭沉積物中7月、9月和11月為輕度污染，4月達到安全等級，蔣相公橋沉積物在7月和9月達到輕度污染，4月處于警戒級，11月為安全等級.Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險評價表明，西溪濕地的整體生態(tài)風(fēng)險較輕微，全年的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高為五義橋.

西溪濕地;重金屬;分布特征;評價

0 前 言

西溪濕地位于杭州市西部，是浙江省的國家級重要濕地之一，其曾經(jīng)為原生濕地，在人為干預(yù)下，逐漸演變成為目前的次生濕地[1]，亦是杭州市城區(qū)最重要的城市濕地.相對而言，城市濕地更易受到人類活動的影響，特別是在人口稠密的城市，部分未經(jīng)處理的生活污水、工業(yè)廢水及暴雨徑流會直接排入濕地中，而其中包含的重金屬污染物則可能會對城市濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響[2].由于重金屬的累積作用，沉積物中重金屬濃度往往比水相中高幾個數(shù)量級[3]，因此，對城市濕地沉積物中重金屬污染進行評價具有重要意義.目前， 國內(nèi)外已有關(guān)于城市濕地沉積物中重金屬分布規(guī)律及其污染評價生態(tài)風(fēng)險的報道[4-6].前期亦有西溪濕地沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價[7]的相關(guān)報道.然而對西溪濕地國家公園在后期管理運行過程中沉積物重金屬污染現(xiàn)狀、季節(jié)分布特征的研究未見報道.此外，在眾多國內(nèi)外評價沉積物中重金屬污染的方法中，污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險評價法數(shù)最能反映單個和綜合的污染程度及生態(tài)風(fēng)險.因此，本研究以西溪濕地國家公園沉積物重金屬為研究對象，對沉積物中5種重金屬[銅(Cu)、鋅( Zn) 、鉛( Pb)、鎳(Ni)和鉻(Cr) ]的含量時空分布特征及對生態(tài)環(huán)境的影響狀況進行分析和評價，以期為西溪國家濕地公園后期管理運行過程中的環(huán)境保護提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù).

1 材料方法

1.1 樣品采集

本研究的采樣工作從2011年4月開始，每季采樣1次，一年4次(分別為4月、7月、9月、11月).期間采集西溪濕地11個采樣點的表層沉積物，采樣時間定在采樣當(dāng)天上午10:00左右.

采樣地位于西溪濕地一期工程，沿著濕地水體流向，從濕地南大門出發(fā)，至北端再繞回，均勻間隔選取11個采樣點，包括五義橋(WYQ)、普濟橋(PJQ)、泊庵(BA)、泊庵外(BAW)、練兵橋(LBQ)、蒹葭橋(JJQ)西溪植物園(ZWY)、緩沖區(qū)(HCQ)、西溪濱水閘橋(BSZ)、西溪草堂橋(CTQ)和蔣相公橋(JXG).實際取樣時采用GPS全球定位系統(tǒng)并記錄數(shù)據(jù)見表1.每個樣點用小號的彼得森采泥器(尺寸20 cm×30 cm×60 cm，重量5.5 kg)采集濕地表層(約0～10 cm)的沉積物樣品，采集后裝入干凈的可封口塑料袋(使用前用20%硝酸浸泡，然后用超純水清洗)并避光保存帶回實驗室.

表1 采樣點布設(shè)及pH年平均值Tab. 1 Annual average of pH of surface sediment

1.2 分析方法

采集來的表層沉積物先經(jīng)過自然風(fēng)干、研磨、過篩，然后將樣品經(jīng)過鹽酸+硝酸+高氯酸方法消解后，用原子吸收分光光度計火焰法[7-8]測定其重金屬含量(Cu、Zn、Pb、Cr、Ni)(GB/T17140-1997).

1.3 評價方法

1.3.1 單項污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)評價法

單項污染指數(shù)評價[9]依據(jù)質(zhì)量指數(shù)模式進行，其計算式為：

Pi=Ci/Si

式中:Pi為i單項污染指數(shù)，i代表某種重金屬；Ci為重金屬i的實測濃度；Si為重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)，Si選用國家標(biāo)準(zhǔn)，即《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)二級標(biāo)準(zhǔn).Pi≤0.7為清潔，0.73為重度污染，Pi越大受到的污染越嚴(yán)重.

綜合污染指數(shù)法[10]的計算公式為：

式中,P綜為綜合污染指數(shù);Pi為重金屬i的單項污染指數(shù)；Pi max為所有單項重金屬污染指數(shù)的最大值.一般P綜≤0.7為安全, 0.7

1.3.2Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

在Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法[12]中,單一重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Ei)的計算公式為：

Ei=Ti×Pi

式中,Ei為單一重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Ti為單一重金屬i的生物毒性響應(yīng)系數(shù)，反映了重金屬對人體及生態(tài)系統(tǒng)的危害程度；Pi為重金屬i的單項污染指數(shù)，是土壤樣品中重金屬i實測含量與其評價參考值(本文選用該重金屬i的浙江省土壤背景值[13])的比值.參考Hakanson的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對單一重金屬元素而言,Ei< 30為輕微級生態(tài)風(fēng)險, 30 60為強及以上生態(tài)風(fēng)險.

在潛在生態(tài)危害指數(shù)法中，多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的計算公式為：

式中，m為重金屬的種類;Ei的含義同上.就多種金屬而言，RI< 135為輕微生態(tài)風(fēng)險，135 265為強及以上生態(tài)風(fēng)險.

2 結(jié)果分析

2.1 西溪濕地沉積物重金屬污染狀況

表2 西溪濕地表層沉積物中重金屬含量特征(X±S,mg/Kg)Tab. 2 Content and characteristic of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland (X±S,mg/Kg)

圖1 西溪濕地各樣點沉積物重金屬含量聚類分析Fig. 1 Clustering analysis the content of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表2可見，西溪濕地沉積物中Cu含量范圍為27.23～223.77 mg/Kg，以采樣點五義橋、蔣相公橋中含量相對較高；Zn、Pb含量范圍分別為72.65～159.64 mg/Kg和13.15～36.05 mg/Kg，均以采樣點五義橋、泊蓭、泊蓭外、蔣相公橋中含量較高；Cr含量范圍為11.80～31.28 mg/Kg，且以采樣點五義橋、泊蓭、練兵橋中含量較高；Ni含量范圍為63.96～107.44 mg/Kg，以采樣點泊蓭、泊蓭外、蔣相公橋含量相對較高.有文獻對前期西溪濕地的重金屬含量[14]報道顯示，西溪濕地底泥重金屬含量平均值分別為：Cu為36.8 mg/Kg，Zn為91.5 mg/Kg，Pb為39.2 mg/Kg，Cr為64.9 mg/Kg，通過對比可以看出，采樣點五義橋和蔣相公橋外，其余9個采樣點沉積物Cu含量均呈下降趨勢，55%采樣點沉積物Zn 含量有下降的趨勢， 而所有樣點沉積物Pb、Cr含量均呈大幅降低的趨勢，這說明，西溪濕地的管理和整治在控制底泥重金屬含量方面取得了一定成效.

進一步進行聚類分析結(jié)果如圖1所示，各采樣點基本可以分為3大類，五義橋為一類，為高Cu、Pb、Zn含量為主要特征；蔣相公橋和泊蓭為一類，為較高的Ni、Zn含量為特征；其余采樣點為一類，以較低重金屬含量為主要特征.

2.2 西溪濕地表層沉積物重金屬的季節(jié)分布

根據(jù)前述聚類分析結(jié)果，從西溪濕地的11個采樣點中選取4個有季節(jié)代表性的采樣點(五義橋、普濟橋、泊蓭、蔣相公橋)進行表層沉積物重金屬(Cu、Zn、Cr、Pb和Ni)的季節(jié)分布特征分析如圖2所示.

圖2 西溪濕地4個樣點沉積物中5種重金屬含量季節(jié)分布Fig. 2 Season distribution of content of 5 kinds of heavy metal in sediments of 4 sample point of Xixi Wetland

圖2可見，4個樣點沉積物中Cu、Zn含量在一年中逐漸降低，基本在11月份最低，此時Cu、Zn大量的溶于水體或富集于水生植物中.除五義橋外，普濟橋、泊蓭、蔣相公橋的表層沉積物中Pb含量均在9月時達最低含量.王亞平[15]的研究指出：Pb在沉積物中的釋放主要是在酸性條件下發(fā)生的，并且釋放率隨pH的升高而迅速降低，pH>7.0后，釋放率都非常低.由于西溪濕地各采樣點的pH值范圍在7.18～7.54之間，因此Pb釋放量非常低，其沉積物重金屬Pb含量的季節(jié)性變化應(yīng)該主要受水文條件的影響.

五義橋、普濟橋、泊蓭、蔣相公橋的表層沉積物中Cr、Ni含量均在9月份最高，這可能是因為夏季沿岸懸浮泥沙及污染物隨著降雨被帶入河道，使得表層沉積物中重金屬快速富集.因此，雖然西溪濕地沉積物Cr含量比前期報道[14]降低，依然不能放松其季節(jié)性增高的特征并警惕其人為污染的可能性.

2.3 西溪濕地重金屬單項污染指數(shù)評價及綜合污染指數(shù)評價

沉積物污染通常為多項污染物的復(fù)合污染所致，單項污染指數(shù)能反映各個污染物的污染程度；綜合污染指數(shù)能全面反映沉積物的綜合污染狀況.本文在對研究區(qū)域原始數(shù)據(jù)分析評價的基礎(chǔ)上，采用單項污染指數(shù)法(如表3)和綜合污染指數(shù)法(如表4)就4個具有代表性采樣點(五義橋、普濟橋、泊蓭、蔣相公橋)沉積物的污染現(xiàn)狀進行評價，結(jié)果分別如表3和表4所示.

表3 西溪濕地沉積物重金屬單項污染指數(shù)及其評價Tab. 3 Single pollution index and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表4 西溪濕地沉積物重金屬綜合污染指數(shù)及其評價Tab. 4 Comprehensive pollution index and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

表3可見，一年中，除五義橋沉積物中Cu在4月份和7月份達到中度污染等級、在9月份達輕度污染等級外，其余樣點沉積物中Cu含量均處清潔污染水平，說明五義橋沉積物中Cu污染相對嚴(yán)重；除4月份時五義橋、普濟橋、泊蓭沉積物中Ni及11月份時蔣相公橋沉積物Ni達清潔水平外，其余各樣點沉積物中Ni在一年中則多呈中輕度污染，可見，西溪濕地沉積物中Ni污染不容忽視.而各樣點沉積物中Zn、Pb、Cr含量在一年中則多呈清潔或尚清潔水平.從綜合污染指數(shù)評價(見表4)來看，五義橋沉積物全年均為輕度污染.普濟橋和泊蓭沉積物中7月、9月和11月為輕度污染，4月達到安全等級.蔣相公橋沉積物在7月和9月達到輕度污染，4月處于警戒級，11月為安全等級.

2.4 西溪濕地沉積物重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

目前，在沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價研究中，瑞典科學(xué)家Hakanson的潛在生態(tài)危害指數(shù)法是應(yīng)用最廣的一種，該指數(shù)法不僅反映了某一特定環(huán)境中各污染物的單一影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響，并且可定量劃分出潛在生態(tài)危害程度.本研究選取4個有代表性的采樣點(五義橋、普濟橋、泊蓭、蔣相公橋)進行西溪濕地沉積物中重金屬(Cu、Zn、Cr、Pb和Ni)潛在生態(tài)風(fēng)險評價，結(jié)果如表5所示.

2.4.1 單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Ei)及其評價

表5可見，五義橋在4月份時，各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小為Cu> Pb>Ni > Zn >Cr， Cu為強及以上生態(tài)風(fēng)險等級；在7月和9月時，各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較大的為Cu> Ni >Pb，其中Cu生態(tài)風(fēng)險等級為中等；而在11月份，則為Ni >Cu>Pb>Cr >Zn，生態(tài)風(fēng)險等級均為輕微.普濟橋在7月和11月中，其各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較大的均為Ni >Cu>Pb，生態(tài)風(fēng)險等級為輕微.泊蓭在9月和11月時，各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小為Ni >Cu>Pb > Cr> Zn，在7月中為Ni > Cu> Pb > Zn > Cr，而在4月則為Cu>Pb>Ni>Zn>Cr，其生態(tài)風(fēng)險等級均為輕微.蔣相公橋在4月份時，各重金屬的單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小為Cu >Ni >Pb>Zn >Cr，在7月和9月較大的均為Ni >Cu，而在11月份則為Pb >Ni > Cu > Zn >Cr，其生態(tài)風(fēng)險等級均為輕微.

表5 西溪濕地沉積物重金屬單項潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Ei)及其評價Tab. 5 Single potential ecological risk index (Ei) and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

2.4.2 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)及其評價

由表6得知，五義橋在全年的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均為最高，其4月、7月、9月、11月的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分別為83.48、78.05、63.69和30.05.而普濟橋在4月、7月和9月的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均最低，11月重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)罪的的采樣點是泊蓭.這4個采樣點的綜合生態(tài)風(fēng)險等級均小于135，為輕微等級.

表6 西溪濕地沉積物重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)及其評價Tab. 6 Comprehensive potential ecological risk index (RI) and evaluation of heavy metal in surface sediment of Xixi Wetland

綜合來看，全年的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高為五義橋，所以在濕地的重金屬治理保護過程中應(yīng)特別注意五義橋的整治，尤其應(yīng)該注重加強對五義橋沉積物中Cu、Ni、Pb的治理.前期對西溪濕地的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價[7]結(jié)果則表明：Cd和Hg具有中等生態(tài)風(fēng)險且對總生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻值較大，其他5種重金屬Cu、As、Pb、Cr、Zn則具有輕微生態(tài)風(fēng)險.這可能與在西溪濕地國家公園在后期管理過程中五義橋等處長期停泊搖櫓船和電瓶船導(dǎo)致沉積物重金屬存在生態(tài)風(fēng)險升高趨勢有關(guān).

3 結(jié) 論

(1)西溪濕地沉積物中Cu含量范圍為27.23～223.77 mg/Kg，以采樣點五義橋、蔣相公橋中含量相對較高；Zn、Pb含量范圍分別為72.65～159.64 mg/Kg和13.15～36.05 mg/Kg，均以采樣點五義橋、泊蓭、泊蓭外，蔣相公橋中含量較高；Cr含量范圍為11.80～31.28 mg/Kg，且以采樣點五義橋、泊蓭、練兵橋、中含量較高；Ni含量范圍為63.96～107.44 mg/Kg，以采樣點泊蓭、泊蓭外、蔣相公橋含量相對較高.進一步聚類分析表明，各采樣點基本可以分為3大類，五義橋為一類，為高Cu、Pb、Zn含量為主要特征；蔣相公橋和泊蓭為一類，為較高的Ni、Zn含量為特征；其余采樣點為一類，以較低重金屬含量為主要特征.

(2)代表性采樣點五義橋、普濟橋、泊蓭、蔣相公橋的季節(jié)分布特征表明，Cu、Zn含量在一年中逐漸降低，基本在11月份最低.Cr、Ni含量均在9月份最高，Pb含量在各采樣點全年波動趨勢差異較大.

(3)單項污染指數(shù)評價表明，各采樣點沉積物中Ni和Cu的污染程度最嚴(yán)重，其中五義橋、普濟橋、泊蓭在7月份和11月份均Ni為輕度污染，蔣相公橋在7月份為Ni中度污染.五義橋4月份和7月份是Cu中度污染.Zn在泊蓭和將相公橋的4月份屬于尚清潔污染水平，其余采樣點和月份屬于清潔水平.Pb、Cr在各個采樣點屬于清潔水平.從綜合污染指數(shù)評價來看，五義橋沉積物全年均為輕度污染.普濟橋和泊蓭沉積物中7月、9月和11月為輕度污染，4月達到安全等級.蔣相公橋沉積物在7月和9月達到輕度污染，4月處于警戒級，11月為安全等級.

(4)西溪濕地的整體生態(tài)風(fēng)險較輕微，全年的重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高為五義橋，所以在濕地的重金屬治理保護過程中應(yīng)特別注意五義橋的整治，其中著重對Cu、Ni、Pb的治理.運用兩種評價方法，污染指數(shù)評價結(jié)果顯示Ni和Cu是主要的風(fēng)險重金屬，Ei值則揭示出Cu、Ni、Pb是主要的風(fēng)險因子，兩種評價方法得出的結(jié)論基本類似.綜合兩種評價結(jié)果可知，西溪濕地呈現(xiàn)出以Ni、Cu和Pb為主的多種重金屬復(fù)合污染特征.

(5)鑒于本研究區(qū)域是城市內(nèi)濕地，在豐水期里雨水大量流進濕地，有時甚至導(dǎo)致濕地公園不能對外開放，由雨水帶進濕地沉積物中的重金屬會對濕地水質(zhì)和濕地水生態(tài)系統(tǒng)會造成重要影響，甚至?xí)绊懼苓吘用竦纳罱】?西溪濕地周邊無明顯的自然污染源，污染主要來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染等人類活動.因此，需要加大濕地周邊環(huán)境管理與治理力度，防止重金屬人為污染的可能性，同時需要進一步加強對西溪濕周邊雨水、污水管網(wǎng)及污水處理廠的建設(shè).

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TheSpatialDistributionCharacteristicsandPollutionAssessmentofHeavyMetalintheSedimentsinXixiWetland,Hangzhou

SHAN Jianli, ZHOU Zeming, PAN Min, ZHU Weiqin

(College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

This research analyzed the content and seasonal distribution characteristics of heavy metals including Cu, Zn, Cr, Pb and Ni in the sediments of different locations in Xixi wetland, and made pollution evaluation as well ecological risk assessment of these heavy metals by the individual and comprehensive pollution index and Hakanson potential ecological risk index. The results indicate the spatial distribution of Zn is more than Cu, Cr, Pb and Ni, and the content range of Zn is 72.65～159.64mg/Kg. The seasonal distribution of the content of Cu and Zn decreases gradually in a year and reaches the lowest value in November. Both the highest content of Cr and Ni is in September, but the content of Pb in each sampling point is different annually. The results of comprehensive pollution index evaluation show the pollution level of the sediments in Wuyi Bridge is slight throughout the year. Both the sediments in Puji Bridge and Boan cause mild contamination in July, September and November but reached safety level in April. The sediments in Jiang Xianggong Bridge is mild contamination level in July and September, alert level in April and safety level in November. Hakanson potential ecological risk assessment reveals overall ecological risk of Xixi wetland is minor and the potential ecological risk index of annual heavy metals in Wuyi Bridge is the highest.

Xixi wetland; heavy metal; characteristics of distribution; assessment

2012-10-20

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目資助(2010R50039)；杭州市西溪濕地研究中心開放基金資助項目(PD11001004002010)；浙江省大學(xué)生新苗人才項目(2011R421016).

朱維琴(1975—)，女，副教授，博士，主要從事固體廢棄物資源化研究.E-mail: zhwq-2000@tom.com

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.02.015

X52

A

1674-232X(2013)02-0161-07