張鑫, 余樹全, 李清林, 張超, 李領(lǐng)寰, 車?yán)^魯

洞頭列島土地利用對土壤及沉積物重金屬污染的影響及其生態(tài)風(fēng)險評價

張鑫, 余樹全*, 李清林, 張超, 李領(lǐng)寰, 車?yán)^魯

浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 杭州 311300

針對浙江省洞頭列島不同土地利用類型土壤及沉積物中的重金屬含量進(jìn)行調(diào)查, 選擇了五種土地利用類型,農(nóng)田、森林、圍涂、碼頭、養(yǎng)殖。主要評估重金屬的污染現(xiàn)狀, 區(qū)域快速產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)致的土壤及沉積物中重金屬污染及生物的潛在生態(tài)風(fēng)險。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、Hakanson潛在生態(tài)危害系數(shù)法對重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。結(jié)果表明, 洞頭列島不同土地類型的土壤重金屬含量均超過浙江省土壤背景值, 其中, Cr、Mn、Co超標(biāo)率為100%, Zn超標(biāo)率為84%。多數(shù)監(jiān)測點土壤重金屬含量的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)處于清潔水平, 但養(yǎng)殖類型中的As、Co, 圍涂類型中的As、Pb, 農(nóng)田類型中的Pb、Cr屬于尚清潔等級, 圍涂中的Co元素屬于輕度污染等級; 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)均顯著低于輕微生態(tài)危害水平, 五種土地類型土壤質(zhì)量的RI大小順序為: 養(yǎng)殖＞圍涂＞碼頭＞森林＞農(nóng)田, Pb、As是主要的重金屬生態(tài)風(fēng)險種類。重金屬元素之間的相關(guān)性分析表明, 圍涂與碼頭土壤中重金屬元素之間的相關(guān)性明顯高于其他三種類型。圍涂類型土壤中As與Co、Cu元素呈極顯著正相關(guān), Pb與Zn呈極顯著正相關(guān); 碼頭類型中的Cu與Co呈極顯著正相關(guān), As、Pb與Zn呈極顯著正相關(guān)。Cu與As在碼頭、養(yǎng)殖、圍涂類型中的含量較高。五種土地類型中除農(nóng)田和養(yǎng)殖用地的某些重金屬來源于成土母質(zhì), 其他各重金屬來源主要是人為活動影響, 如: 交通運輸、城市排污、三廢排放以及汽車尾氣等。因此, 應(yīng)該把由人類活動導(dǎo)致的有毒重金屬的污染控制作為首要任務(wù), 制定相應(yīng)的政策和法規(guī)。

重金屬; 內(nèi)梅羅指數(shù); 潛在生態(tài)風(fēng)險

1 前言

海島作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 是國家寶貴的資源財富[1]。中國是世界上海島最多的國家之一, 面積大于500 m2的海島有6500多個, 島嶼總面積約 8×104 km2, 占我國陸地面積的8%[2]。與其它生態(tài)系統(tǒng)相比, 海島生態(tài)系統(tǒng)具有海陸兩相性、結(jié)構(gòu)獨立完整性、生態(tài)脆弱性、資源獨特性、動力兩重性等獨特的生態(tài)特征[3]。海島的土地資源有限, 若過度或不當(dāng)開發(fā), 極易破壞良好的生態(tài)系統(tǒng)。近年來, 許多學(xué)者從各相關(guān)專業(yè)角度, 如海島土壤、植被、潮間帶生物等方面對部分海島進(jìn)行了相關(guān)研究[4–6], 對于海島重金屬的研究較少。2013年程芳等人對大金山島土壤重金屬污染進(jìn)行了評價及相關(guān)性分析, 結(jié)果表明, 大金山島陸域土壤重金屬基本符合一級土壤標(biāo)準(zhǔn), 保護(hù)尚好, 受人為活動影響較小[7]。孫元敏對中國南亞熱帶海島海域沉積物中的重金屬污染進(jìn)行研究, 用了潛在生態(tài)危害系數(shù)法評價了海島沉積物中重金屬的潛在生態(tài)危害, 判斷各海島的生態(tài)危害程度[8]; 馬立杰以2007年長島縣海島調(diào)查資料為基礎(chǔ), 分析了長島縣海島潮間帶沉積物重金屬含量特征及其與有機質(zhì)含量等之間的相關(guān)關(guān)系, 并對其潛在生態(tài)危害進(jìn)行了評價等[9]。

隨著溫州洞頭半島工程的完成, 對外交通更加便捷, 使洞頭成為一個別具特色的旅游度假地,洞頭列島各項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快, 使海島的自然生態(tài)過程受到嚴(yán)重干擾, 生態(tài)風(fēng)險不斷加大。在自然情況下, 海島土壤重金屬主要來源于母巖和殘落的生物物質(zhì), 但隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的發(fā)展,人為活動對土壤重金屬分布的影響不斷加強, 土壤中重金屬含量呈現(xiàn)增長趨勢[10]。環(huán)境中高濃度的重金屬不僅會抑制生物的生長, 破壞群落結(jié)構(gòu),造成生態(tài)系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)的危害, 同時, 重金屬還能通過各營養(yǎng)級生物的富集和食物鏈的傳遞最終危害人類的健康[11]。因此, 研究洞頭列島土壤重金屬的含量及分布特征, 具有十分重要的理論與實踐價值。本文以洞頭列島五種不同土地利用類型作為研究對象, 結(jié)合洞頭列島的特點, 重點闡明了洞頭列島重金屬在五種不同土地利用類型中的含量水平、分布差異, 并歸納總結(jié)了洞頭列島重金屬的綜合污染水平, 污染現(xiàn)狀的生態(tài)風(fēng)險評價等, 探究了重金屬的潛在污染來源。本研究有助于客觀掌握洞頭列島土壤重金屬污染水平及生態(tài)風(fēng)險, 為洞頭列島重金屬污染防控措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1研究區(qū)概況

洞頭縣位于浙江省東南部, 地處浙江省東南海域溫州灣口和樂清灣的匯集處, 地理坐標(biāo)介于東經(jīng)120°59′45″—121°15′58″, 北緯27°41′19″—28°01′10″之間。屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 溫暖濕潤, 雨量充沛、四季分明。近年來, 隨著溫州市經(jīng)濟的快速發(fā)展, 輸入甌江的污染物也有所增加, 對洞頭列島的海域環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。

2.2樣品的采集

本研究樣品于2014年12月在洞頭列島多個島嶼采集, 根據(jù)洞頭列島土地利用現(xiàn)狀以及漁業(yè)、交通分布的特點, 通過現(xiàn)場勘探, 資料分析, 選取5個能反應(yīng)洞頭列島農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、交通、林業(yè)主要活動特征以及土壤潛在污染可能性差異較大的功能區(qū)[12],包括農(nóng)田區(qū)、森林區(qū)、圍涂區(qū)、碼頭區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)。共設(shè)置15個采樣點, 主要位于洞頭本島、大門島和元覺等地, 每個功能區(qū)土壤樣品采樣點隨機布設(shè),每個樣點取3個0—20 cm土壤樣品, 共采集樣品45份, 樣品用聚乙烯塑料袋盛裝, 封口、編號、貼好標(biāo)簽運回室內(nèi), 以防止污染, 同時記錄取樣位置的經(jīng)緯度信息, 采樣點位分布如圖1所示。

2.3樣品的分析測定

2.3.1 樣品處理

將土壤樣品置于陰涼處蔭干, 避免陽光直射,人工剔除根須、石塊等雜物, 粉碎研磨后過篩60目,將土樣裝進(jìn)密封袋中, 做好標(biāo)記, 以備分析。取五個類型土壤, 稱10 g樣品溶解于25 mL蒸餾水, 盛于小瓶中, 加蓋震蕩半小時, 測量pH值。

圖1 調(diào)查區(qū)域及采樣站位Fig. 1 Study area and sampling locations

表1 浙江省土壤中重金屬元素背景值[15](mg·kg-1)Tab. 1 Backgronds of heavy metals in Zhejiang soil (mg·kg-1)

2.3.2 重金屬各元素的分析測定

土壤中重金屬元素Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pb的測量采用由德國牛津儀器生產(chǎn)的手持X射線熒光(EDXRF)光譜儀[13], 型號為X-MET7000,取出待測土壤樣品, 裝入聚氯乙烯盒內(nèi), 用高壓機進(jìn)行壓片, 然后用美國進(jìn)口的聚乙烯膜覆蓋與表面,上機測試, 元素測試誤差小于3%。測試完成于浙江農(nóng)林大學(xué)生態(tài)學(xué)實驗室。

3 研究方法

3.1土壤重金屬超標(biāo)倍數(shù)及超標(biāo)率

土壤中重金屬的超標(biāo)倍數(shù)反應(yīng)土壤被污染的程度[14], 如表1所示。以浙江省土壤背景值為依據(jù), 計算了洞頭列島不同土地類型的重金屬超標(biāo)倍數(shù)及超標(biāo)率。

超標(biāo)倍數(shù)=(土壤中某污染物實測值-浙江省土壤中某重金屬元素背景值)/浙江省土壤中某重金屬元素背景值

式中: Pi——土壤中i重金屬污染超標(biāo)倍數(shù),

Ci——土壤中i重金屬實測含量,

C0——土壤中i重金屬質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

土壤污染樣本超標(biāo)率(%)=(土壤超標(biāo)樣本總數(shù)/

監(jiān)測樣本總數(shù))100%

3.2土壤重金屬污染評價

由于土壤重金屬污染常常是多種不同元素的復(fù)合污染, 僅靠單一指標(biāo)難以正確評價土壤重金屬的污染程度, 因此, 國內(nèi)外普遍采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來評價土壤的重金屬污染情況[16]。其計算公式為:

式中, P為綜合污染指數(shù), Pi為單項污染指數(shù), Ci為i種污染物的實測含量, Si為土壤中i種污染物的背景值或?qū)φ罩? Pmax為土壤中重金屬元素中污染指數(shù)最大值; 一般綜合污染指數(shù)小于或者等于1表示未受污染, 大于1表示已受污染[17]。綜合污染指數(shù)(P值)越大表示土壤污染越嚴(yán)重, P分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤綜合污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Standard of soil pollution classification

表3 洞頭列島不同土地類型土壤pH值及背景值Tab. 3 The pH values of different land use types and their reference pH values

表4 土壤無機污染物在不同土地類型中的環(huán)境質(zhì)量第二級標(biāo)準(zhǔn)值[18]Tab. 4 The secondary standards for soils pollution (mg·kg–1)

3.3土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

潛在生態(tài)危害系數(shù)法[19], 是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的一種土壤重金屬的評價方法, 為了使區(qū)域質(zhì)量評價更具有代表性和可比性, Hakanson從重金屬的生物毒性角度出發(fā)建議對重金屬元素進(jìn)行評價。本文中重金屬元素的選擇按相關(guān)學(xué)者建議選用Pb、Cu、Zn、Cr和As[20]等5種毒性較強的重金屬元素, 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的計算公式為:

表5 重金屬元素的背景參考值()及毒性系數(shù)()Tab. 5 Heavy metals reference values () and their toxicity coefficient ()

表5 重金屬元素的背景參考值()及毒性系數(shù)()Tab. 5 Heavy metals reference values () and their toxicity coefficient ()

重金屬 Pb Cu Zn Cr As Cni35.7 22.6 83.1 56 6.9 Tri5 5 1 2 10

表6 潛在生態(tài)危害評價指標(biāo)Tab. 6 Indices of potential ecological risk assessment

4 數(shù)據(jù)處理

采用Spss18.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(One-way Anova)對不同土地類型間土壤重金屬含量的差異性進(jìn)行比較, 使用皮爾森相關(guān)系數(shù)(Pearson Correlation Coefficient)探究不同重金屬元素之間的相關(guān)性。

5 結(jié)果與分析

5.1重金屬的含量特征

洞頭列島土壤中的重金屬元素在不同土地利用類型中的含量有較大差別, 就Ti元素來看, 碼頭和農(nóng)田類型中含量較低, 方差分析表明碼頭類型中Ti的含量顯低于養(yǎng)殖、森林類型; Cr元素在圍涂類型中的含量最高, 由高到低的順序為圍涂＞養(yǎng)殖＞碼頭＞農(nóng)田＞森林, 方差分析表明圍涂類型的Cr含量顯著高于森林和農(nóng)田類型; Mn在森林類型中的含量最高,其次為圍涂; Co在圍涂類型中含量的平均值為35.64,分別是農(nóng)田類型的2.4倍, 森林類型的1.8倍, 碼頭類型的1.3倍, 養(yǎng)殖類型的1.4倍, 方差分析表明圍涂類型中的Co元素含量顯著高于農(nóng)田、森林和養(yǎng)殖類型; Ni在養(yǎng)殖類型中的含量最高, 其次為圍涂類型, 方差分析表明養(yǎng)殖、圍涂、碼頭中Ni元素含量顯著高于農(nóng)田、森林類型; Cu元素含量在養(yǎng)殖類型、圍涂類型中較高, 在農(nóng)田類型中低于背景值, 方差分析表明養(yǎng)殖、圍涂、碼頭類型中Cu元素含量顯著高于農(nóng)田類型; Zn在森林類型中含量最高, 農(nóng)田、森林類型中的Zn含量有顯著性差異; As在養(yǎng)殖類型中含量最高, 是農(nóng)田類型中As平均值含量的5倍, 圍涂、碼頭、養(yǎng)殖類型中的As含量顯著高于農(nóng)田、森林類型; Pb在森林類型中的含量最高, 平均值為53.86, 顯著高于養(yǎng)殖類型。變異系數(shù)(CV)能夠反映不同樣點間數(shù)據(jù)的離散程度, 一般認(rèn)為CV≤10%為弱變異性, 10%＜CV＜100%為中等變異性, CV≥100%為強變異性[21]。從表8可以看出, 研究區(qū)內(nèi)采樣點間的重金屬元素含量差別較大, 養(yǎng)殖類型中的Ti、Cr、Mn、Cu、Zn呈弱變異性, 其他類型中的重金屬元素均呈中等變異性。

以浙江省土壤背景值為依據(jù)計算了各重金屬元素的超標(biāo)率及超標(biāo)倍數(shù), 從表8可以看出, 超標(biāo)率從高到低的順序為: Cr=Mn=Co＞Zn＞Ni＞Pb＞Ti＞As＞Cu。其中, Cr、Mn、Co元素所有樣品均超過浙江省土壤重金屬背景值, 超標(biāo)率為100%, Zn元素的超標(biāo)率為84%。從圖2可以看出, 與浙江省土壤重金屬元素背景值相比, Ti元素除了碼頭類型, 其余類型均超過背景值; 5種土地類型中的Cr、Mn、Co均超過背景值; Ni除了農(nóng)田類型外, 其余類型均超過背景值; Cu、As在農(nóng)田和森林類型中低于背景值, 在圍涂、碼頭、養(yǎng)殖類型中高于背景值; Zn在所有類型中均超過背景值; Pb在養(yǎng)殖類型中低于背景值,其余類型中均超過背景值?？傮w上看, Cr、Co元素的超標(biāo)倍數(shù)最高, 分別達(dá)到1.35、1.34倍。

5.2重金屬綜合污染指數(shù)分析

從表9可以看出, 農(nóng)田土壤中Pb、Cr的綜合污染指數(shù)分別為0.90和0.94, 處于尚清潔(警戒線)等級, 其他元素均處于清潔(安全)等級; 森林土壤中的各金屬元素處于清潔(安全)等級; 圍涂土壤中的As、Pb處于尚清潔(警戒線)等級, Co的綜合污染指數(shù)為1.11, 屬于輕度污染等級, Cr、Cu、Ni、Zn均處于清潔(安全)水平; 碼頭類型中的Co, 處于尚清潔(警戒線)等級, 其余元素均處于清潔(安全)等級; 養(yǎng)殖土壤中的As、Co分別為0.84、0.72, 處于尚清潔(警戒線)等級, 其余各元素均處于清潔(安全)等級。Pb在農(nóng)田、圍涂土壤中處于尚清潔等級, Co在圍涂類型中達(dá)到輕度污染等級, 在養(yǎng)殖土壤中達(dá)到警戒線水平, 由此可知, Pb和Co是較危險的重金屬元素, 土壤面臨被其污染的風(fēng)險。

5.3洞頭列島土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

表7 洞頭列島不同土地類型土壤重金屬含量水平 (mg·kg–1)Tab. 7 Heavy metal content of soil from different types of land use of Dongtou (mg·kg–1)

表8 洞頭列島土壤中各重金屬元素超標(biāo)率 (%)Tab. 8 The percentage of heavy metals contents overpass their reference values (%)

圖2 洞頭列島不同土地類型土壤各重金屬超標(biāo)倍數(shù)Fig. 2 The percentage of the heavy metals overpass the reference values in different land use types

表9 洞頭列島不同土地類型土壤重金屬綜合污染指數(shù)Tab. 9 Comprehensive pollution appraisal indexes of soil heavy metal in the studied areas.

5.4重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性

本研究通過重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性分析可知, 從農(nóng)田類型上看, Ti與Cr呈顯著負(fù)相關(guān), Ti與Co、Cu呈顯著正相關(guān), 其余重金屬元素相關(guān)性不顯著; 從森林類型上看, Cr與Mn、Ni、Zn呈極顯著正相關(guān); 從圍涂類型上看, As與Zn、Pb呈極顯著負(fù)相關(guān), Zn與Pb呈極顯著正相關(guān), As與Co呈極顯著正相關(guān); 從碼頭類型研究區(qū)上看, Cu、Co、Zn、As、Pb有顯著的相關(guān)性; 從養(yǎng)殖類型上看, Mn與Co、Zn呈顯著性正相關(guān), 其他重金屬元素相關(guān)性不

顯著。相關(guān)性分析顯示, 圍涂與碼頭類型中重金屬元素之間相關(guān)性明顯強于其他3種類型, 圍涂類型中As與Zn呈極顯著負(fù)相關(guān), Pb與Zn呈極顯著正相關(guān), As與Cu呈極顯著正相關(guān)。在碼頭類型中As、Pb與Zn呈極顯著正相關(guān)。

表10 洞頭列島不同類型土壤重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)()和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)Tab. 10 Potential ecological risk factor () and potential ecological risk index(RI) of heavy metals in different zones soil from Dongtou

表10 洞頭列島不同類型土壤重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)()和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)Tab. 10 Potential ecological risk factor () and potential ecological risk index(RI) of heavy metals in different zones soil from Dongtou

類型Eir Zn Cr As Cu Pb RI農(nóng)田 1.15±0.04 4.40±0.36 4.01±2.26 3.69±0.86 5.43±0.64 18.68±1.52森林 1.56±0.49 4.13±0.57 6.25±2.42 4.45±1.21 7.54±1.02 23.93±4.43圍涂 1.36±0.32 5.20±0.13 16.66±1.10 6.21±6.73 5.93±2.10 35.36±5.67碼頭 1.43±0.19 4.85±0.30 16.65±0.33 5.84±4.19 5.28±1.58 34.05±6.58養(yǎng)殖 1.24±0.27 5.01±0.30 20.44±0.03 7.33±1.30 4.77±0.48 38.79±1.90

表11 土壤重金屬元素之間的相關(guān)性分析Tab. 11 Correlation analysis between heavy metals in soil

6 討論

洞頭列島不同土地利用類型中的重金屬元素含量均高于浙江省土壤重金屬元素背景值, 佘運勇等人對舟山群島潮間帶表層沉積物重金屬進(jìn)行調(diào)查,沉積物質(zhì)量整體較好, 相對于區(qū)域背景值, 除Pb含量相對較低外, 其余各元素含量水平顯著高于背景值[22]。喬永民等人對南澳島表層沉積物重金屬的調(diào)查研究顯示, 除了Cr外, 各重金屬元素總平均值含量超過背景值, 其中Cu、Pb更是高于背景值的2倍以上[23]。海島重金屬含量超標(biāo)現(xiàn)象已普遍存在我國很多島嶼上, 這已經(jīng)成為需要關(guān)注和解決的問題。洞頭列島不同土地利用類型中的重金屬含量存在差異, Cr、Co是主要的超標(biāo)元素, 在土壤中有較高的含量, 圍涂、碼頭類型中的Co元素含量相對最高,農(nóng)田、森林的重金屬環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于養(yǎng)殖、圍涂、碼頭類型。國內(nèi)關(guān)于海島土壤重金屬污染方面的研究較少, 沒有關(guān)于海島不同土地利用類型重金屬污染情況的研究, 與陸域研究區(qū)的狀況相比, 吳新民對南京市不同功能城區(qū)土壤中重金屬元素的污染狀況進(jìn)行分析, 礦冶區(qū)Pb、Cd含量最高, Cu、Zn在老居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、城市廣場含量較高, 新開發(fā)區(qū)、風(fēng)景區(qū)及城市廣場的重金屬環(huán)境質(zhì)量較好, 其他區(qū)域污染嚴(yán)重[24]。人類活動頻繁的區(qū)域, 土壤重金屬質(zhì)量環(huán)境較差, 與本文的研究結(jié)果一致。

洞頭列島五種不同土地利用類型中, Pb、Co是較危險的重金屬元素, 森林類型中重金屬的綜合污染指數(shù)處于清潔安全等級, 圍涂、養(yǎng)殖、碼頭類型的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較高。郭偉、孫文惠等人在2013年對呼和浩特市不同功能區(qū)土壤重金屬污染情況進(jìn)行調(diào)查, 其中 Cu、Zn的污染程度最高, 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明商業(yè)區(qū)最嚴(yán)重, 綜合污染指數(shù)達(dá)到3.03。李曉燕的研究表明, 工業(yè)區(qū)土壤處于輕度污染,城市廣場和交通邊緣帶土壤重金屬處于清潔水平,引起污染的重金屬元素種類為Cu、Pb、Zn[25]。楊紅等人的研究表明, 上海無居民海島黃瓜沙和九段沙上沙段處Cd元素濃度處于中等生態(tài)危害范圍, 總體上看上海無居民海島未收到明顯的重金屬污染[26]?？盗岱业难芯勘砻? 工業(yè)活動對于重金屬污染情況的影響最大, 交通活動次之, 在依次是農(nóng)業(yè)活動和居民生活[27]。土地利用方式不同導(dǎo)致產(chǎn)生污染的重金屬的種類不同, 同時也影響了土壤受重金屬污染的程度。

在森林類型中, Pb與Mn元素的超標(biāo)率較高,且Pb與Mn呈極顯著正相關(guān), 可以判定Pb與Mn為同一污染來源, Mn是土壤中的主要元素, 認(rèn)為主要來源于成土母質(zhì), 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法及內(nèi)梅羅指數(shù)顯示Pb的生態(tài)風(fēng)險較高但處于清潔安全等級,考慮主要來源為成土母質(zhì), 其次也可能來源為汽車尾氣。洞頭列島位于森林區(qū)域的樣點多采集于聚居的村莊附近, 考慮到有一定的生活污水排放及交通活動, 推斷Zn、Pb主要來源為生活污水排放及交通污染。在圍涂類型中, Zn與Pb為同一污染來源, As與Co為同一污染來源, 研究表明, Pb、Zn可能來源于工業(yè)污染、燃燒產(chǎn)生“三廢”的排放[28], 在實際考察中得知, 取樣點附近為工業(yè)建設(shè)用地, 近年來一直進(jìn)行開發(fā)建設(shè)工程, 推斷Pb、Zn主要來源于工業(yè)廢物的排放。As與Co則可能來源于城市污水排放。由于人類交通活動頻繁, 碼頭周邊道路密集, 道路兩側(cè)的污染物主要是汽車尾氣的排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沉降,污染元素則主要為Pb、Cu、Zn等元素[29]。從洞頭列島的碼頭類型研究區(qū)上看, Cu、Co、Zn、As、Pb有顯著的相關(guān)性, 考慮為交通污染; 碼頭類型中As、Pb與Zn呈極顯著正相關(guān), 說明碼頭類型中的As、Pb、Zn可能來源于船只交通污染, 圍涂類型中的As、Cu元素可能來源于工業(yè)三廢的排放, Zn、Pb可能來源于汽車尾氣、輪胎摩擦產(chǎn)生的污染。調(diào)查重金屬的污染來源有助于制定合理的措施預(yù)防和控制重金屬污染, 建議海島城市適度的發(fā)展?jié)O業(yè)和旅游業(yè), 合理安排交通, 使用綠色清潔能源, 控制沿海岸的工業(yè)建設(shè), 合理利用海島土地資源, 減少環(huán)境污染。

7 結(jié)論

(1) 洞頭列島不同土地利用類型中重金屬含量的含量差別較大, 大多數(shù)重金屬元素超過浙江省土壤背景值。圍涂、碼頭、養(yǎng)殖類型土壤重金屬超標(biāo)倍數(shù)顯著高于農(nóng)田和森林, Cr、Co是主要的超標(biāo)元素。

(2) 重金屬元素的綜合污染指數(shù)表明, 農(nóng)田、圍涂中的Pb、Cr, 碼頭類型中的Co, 養(yǎng)殖類型中的As、Co達(dá)到警戒線水平; 圍涂類型中的Co達(dá)到輕度污染水平; 其他類型的重金屬元素處于清潔安全水平。

(3) 洞頭列島土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)顯著低于輕微生態(tài)危害水平, 五種土地類型的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由高到低的順序為: 養(yǎng)殖＞圍涂＞碼頭＞森林＞農(nóng)田, 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與人為活動的強烈程度存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

(4) 不同土地類型內(nèi)部重金屬的分布存在一定的相關(guān)關(guān)系, 圍涂與碼頭類型中重金屬元素之間的相關(guān)性明顯高與其他三種類型。As元素在不同土地利用類型中的來源不相同, 在碼頭類型中, As元素主要來源為交通活動, 在圍涂類型中, As元素則主要來源于城市排污、污水灌溉、三廢排放。農(nóng)田類型中的Ti與Co、Cu呈顯著性正相關(guān), 主要來源為成土母質(zhì); 森林類型中的Zn、Pb元素主要來源為生活污水排放及交通污染。圍涂類型中的Zn、Pb推斷為工業(yè)三廢排放, As、Co為城市排污; 碼頭類型中的Zn與As、Pb的來源推斷為交通污染; 養(yǎng)殖類型中的Mn與Co、Zn呈顯著性正相關(guān), 推斷Mn、Co、Zn主要源于成土母質(zhì)。

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The effects of land use on soil/sediment heavy metal pollution and ecological risk assessment at Dongtou Islands, Zhejiang, China

ZHANG Xin, YU Shuquan*, LI Qinglin, ZHANG Chao, LI Linghuan, CHE Jilu
College of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A&F University, Zhejiang311300,China

The heavy metals contents in sediments/soils from different land use types were investigated at Dongtou islands, Zhejiang Province, China. The five land use types were port, aquiculture, agriculture, reclamation, and forests. It aims to assess the status of heavy metals pollution due to the regional fast-pace industrialization. The major heavy metals were chromium (Cr), manganese (Mn), cobalt (Co), nickel (Ni), copper(Cu), zinic (Zn), arsenic (As), and lead (Pb). The Nemerow index (NI) and Hakanson potential ecological risk index (RI) were adopted to assess the heavy metal pollution status and the risks to biota, respectively. The results indicated that the heavy metal contents in each land use types were higher than the provincial base values (BV), especially the Cr, Mn, and Co over-passedBV100% and Zn over-passedBV84%. The Nemerowindex also indicated that most of the heavy metals under investigation were no threats and at safe level, but the As and Co in aquiculture, As and Pb in reclamation, and Pb and Cr in agriculture were in the warning level, while the Co in reclamation was in light pollution status. TheRIwas significantly lower than the light risk level to biota; theRIvalues were aquiculture ＞reclamation ＞ port ＞ forests ＞agriculture. Among all the heavy metals, Pb and As were highly toxic to environments, which had great threats to biota. In addition, the correlation analysis indicated that the reclamation soils and port sediments had much higher correlation than others. In reclamation soils, As positively correlated with Co and Cu, while Pb positively correlated with Zn. In port sediments, Cu and Co were positively correlated, while the As, Pb and Zn were positively correlated. The Cu and As contents were much higher in port sediments, aquiculture sediments, and reclamation soils. This research clearly indicated that the heavy metals of agriculture and aquiculture were originated from their parent materials, while other land use types might be introduced by anthropogenic activities, such as transportation, sewage discharge from the cities, waste disposals, and car tail gas. Thus, pollution control of human-induced toxic heavy metals in practice should be put on first priority in formulating local, provincial and/or federal level policies and regulations.

heavy metals; Nemerow index; potential ecological risk index (RI)

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.018

X825

A

1008-8873(2016)05-126-10

張鑫, 余樹全, 李清林, 等. 洞頭列島土地利用對土壤及沉積物重金屬污染的影響及其生態(tài)風(fēng)險評價[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(5): 126-135.

ZHANG Xin, YU Shuquan, LI Qinglin, et al. The effects of land use on soil/sediment heavy metal pollution and ecological risk assessment at Dongtou Islands, Zhejiang, China[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 126-135.

2015-09-09;

2015-10-06

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目(2011R50027)

張鑫(1990—)女, 黑龍江牡丹江人, 浙江農(nóng)林大學(xué)在讀碩士, 研究方向為生態(tài)規(guī)劃, 重金屬污染, E-mail: 1239889484@qq.com

*通信作者: 余樹全, 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為森林生態(tài), 生態(tài)規(guī)劃, E-mail: yushuq@zafu.edu.cn