馬永玲 王勇 梁仁君 邱繼彩

摘要 采集武河濕地沉積物，采用四酸消解法（HCI-HNO3-HF-HCIO4）對樣品進行處理，測定武河濕地沉積物中6種重金屬（As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn ）的含量，分析其空間分布特征，并采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和ERL/ERM評價法評價重金屬的環(huán)境風險。結果表明，武河濕地表層沉積物中重金屬含量大多高于環(huán)境背景值，空間分布差異性較小。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)按由大到小依次為Hg、Cd、As，Zn、Cu、Pb，Hg的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)最大為3.74，綜合污染程度最為嚴重。潛在生態(tài)風險評價表明，濕地沉積物中潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）為743.91，屬Ⅴ極強生態(tài)危害。ERL/ERM評價結果顯示，濕地沉積物中Cu、Hg含量高于ERM值，對水生態(tài)系統(tǒng)有很強毒性；As、Zn的含量介于ERL和ERM之間，可能會對水域生物產(chǎn)生一定的毒性。

關鍵詞 武河濕地；沉積物；重金屬；空間分布；潛在生態(tài)風險評價

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0059-04

The Spatial Distribution and Ecological Risk Assessment of Characteristics Heavy Metals in the Artificial Wetland Sediment

MA Yong-ling1， WANG Yong2， LIANG Ren-jun1* et al

（1.College of Resources and Environment，Linyi University， Linyi， Shandong 276005；2.President Office， Linyi University， Linyi， Shandong 276005）

Abstract The study collected Wuhe wetland sediments and used four acid digestion methods （HCL-HNO3-HF-HClO4） to process samples， content of 6 kinds of heavy metals （As，Cd，Hg，Pb，Zn） and spatial characteristics in the sediments were determined and analyzed. The environment risk of heavy metals further was evaluated by the method of the Nemerow Pollution Index method， Potential Ecological Harm Index and the ERL/ERM.The results showed that the heavy metals in surface sediments of Wuhe Wetland content were mostly higher than those of environment background values， and the spatial distribution difference was smaller. Comprehensive Pollution Index from high to low was Cd， Hg， As， Zn， Cu， Pb. The Pollution Index of Hg element was 3.74， the most serious pollution degree. Potential ecological risk assessment showed that the Potential Ecological Harm Index RI was 734.91， belonging to the very strong ecological harm Ⅴ. ERL/ERM evalution results showed that the content of Cu and Hg element in wetland sediments was higher than the value of ERM， which has a strong toxicity to the water ecological system. The content of As and Zn element was between the ERL and ERM， which may produce certain toxicity to water organisms.

Key words Wuhe Wetland；Deposit Sediment；Heavy Metal；Spatial distribution；Potential ecological risk assessment

重金屬具有難降解性和易累積性，并且具有顯著的生物毒性和持久性，對生態(tài)環(huán)境構成潛在威脅，現(xiàn)已成為沉積物具有潛在危害的重要污染物[1-3]。沉積物作為濕地中重金屬污染物的匯和源，重金屬可以通過各種途徑進入沉積物，并且在外界條件適宜時，會重新釋放進入水體，造成二次污染，因此對濕地沉積物中重金屬的研究已引起眾多專家學者的重視[4]。

目前，對于沉積物重金屬污染的研究主要集中于重金屬的總量特征、空間分布特征及規(guī)律、形態(tài)組成、來源分析及生物有效性方面，但對于濕地沉積物重金屬的動態(tài)變化過程研究較少，且主要是實驗室研究，野外相關研究較少[5-6]。未來對于濕地沉積物重金屬的研究，尤其是在大時間尺度下濕地沉積物重金屬的歷史變化和濕地土壤形成環(huán)境變遷等方面，具有很大的研究和探索空間；同時，可以充分利用GIS和遙感的時效性和動態(tài)性特征，豐富沉積物中金屬污染研究[7]。筆者測定了武河濕地沉積物中6種重金屬（As、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn ）的含量，分析其空間分布特征，并采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和ERL/ERM評價法評價重金屬的環(huán)境風險，旨在為濕地保護和重金屬治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

武河濕地位于山東省臨沂市羅莊區(qū)黃山鎮(zhèn)，地處羅莊、郯城、蒼山3縣交界處，東臨沂河，北接蔣史汪橡膠壩，南至廖家屯閘，南北長15 km，占地面積866.67 hm2，是全國最大的人工濕地。臨沂市的城市污水經(jīng)過陷泥河上游的蘭山區(qū)污水處理廠和南涑河上游的羅莊區(qū)污水處理廠處理后，進入武河濕地，是濕地的全部水源[8]。濕地的主要功能是對沂河流域陷泥河和南涑河2條城市河道污水進行深度凈化，以確?；春恿饔蚝湍纤闭{(diào)東線輸水的安全。武河濕地是典型的納污濕地，濕地設計建造了8個滯留塘，使沉積物充分沉降，因此沉積物能夠大量富集重金屬元素。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與預處理。

2015年7月18日在武河濕地不同河段采用GPS定位選擇合適水域采集底泥，沿濕地入口至出口選取6個采樣點。采用裝有有機玻璃管的柱狀采泥器采集沉積物柱芯樣品，柱長35 cm，柱芯樣品按0～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～30、30～35 cm進行切樣，分別裝入聚四氟乙烯袋中，24 h內(nèi)運回實驗室，風干研磨后過100目篩備用[9]。

1.2.2 樣品消解與測定。

底泥采用四酸消解法（HCl-HNO3-HF-HClO4）進行消解處理，冷藏備測。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國瓦力安公司）測定As、Cd 、Cu、Hg、Pb、Zn 含量。

1.2.3 評價方法。

（1）采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[10]評價武河濕地沉積物中重金屬的污染程度。內(nèi)梅羅指數(shù)法是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，特別考慮了污染最嚴重的因子，并且在加權過程中避免了權系數(shù)中主觀因素的影響，是當前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算的最常用方法之一[11]。其計算公式為

式中，P綜是采樣點的綜合污染指數(shù)；Pimax為i采樣點重金屬污染物單項污染指數(shù)中的最大值；=1nni=1Pi為單因子指數(shù)平均值。

（2）采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行濕地沉積物中重金屬的生態(tài)危害評價。潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學家Hakanson提出，是目前國內(nèi)外沉積物質(zhì)量評價應用最為廣泛的方法[12-13]。評價公式如下：

式中，RI 為沉積物中多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)；Eir為潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tir為單個污染物i的毒性系數(shù)，反映其毒性水平和生物對其污染的敏感程度。Cif為重金屬富集系數(shù)（Cif=CiCin）；Ci為沉積物中重金屬i的實測值；Cin為沉積物背景參考值。該研究采用現(xiàn)代工業(yè)化前沉積物中重金屬的正常最高背景值（表1），重金屬的毒性系數(shù)及潛在生態(tài)風險程度級別劃分見表2。

（3）采用ERL/ERM評價法預測沉積物中重金屬的潛在生物毒性。ERL/ERM評價方法又稱沉積物質(zhì)質(zhì)量基準法，ERL和ERM為基準值，取值均來自沉積物生物效應數(shù)據(jù)庫，其中，ERL是效應范圍低值（Effects Range Low），ERM是效應范圍中值（Effects Range Median）[14]。當污染物中的目標污染物濃度小于ERL時，表示不利生物毒性效應很少發(fā)生，反之則不利生物毒性效應將頻繁發(fā)生；當污染物濃度介于ERL和ERM之間，則表示不利生物毒性效應有可能發(fā)生[15]。沉積物重金屬基準值見表3。

2 結果與分析

2.1 沉積物中重金屬含量空間分布特征

武河濕地沉積物中重金屬含量統(tǒng)計結果見表4。水平方向上，由表4可知，研究區(qū)表層沉積物中As、Cd 、Cu、Hg、Pb、Zn的含量之和為32237～536.76 mg/kg。就單一元素而言，含量最高的分別為Zn和Cu，平均值分別為301.27和36.26 mg/kg，占6種重金屬總含量的86.10%，其中，以國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）二級土壤環(huán)境質(zhì)量標準值300.00 mg/kg為參比，Zn的平均含量超出標準值0.42%；其次是Pb和As，平均值分別是27.05和23.16 mg/kg，占6種重金屬總含量的12.80%，其中As的平均含量超出二級標準值15.81%，屬嚴重污染；含量最低的是Cd和Hg，平均值分別是1.05和3.23 mg/kg，其中Cd的平均含量超出二級標準值75.00%，屬嚴重污染，Hg含量平均值超出二級標準值223.00%，屬嚴重污染。從含量特征來看，Hg、As和Cd污染較為嚴重。沉積物中6種重金屬的變異系數(shù)均較?。?4.50%～25.85 %），說明武河濕地沉積物中重金屬空間分布差異性較小，在濕地各區(qū)域分布較均勻。

在垂直方向上，對深度0～30 cm的沉積物進行分層并測定其中的重金屬含量，重金屬垂直分布規(guī)律見圖1。由圖1可知，As含量曲線隨土層深度的變化呈現(xiàn)鋸齒多峰狀，As含量總體變化趨勢為隨著沉積物深度的增加呈先下降后增加，并在15 cm處出現(xiàn)1個波谷，在25 cm處出現(xiàn)1個高峰，底層沉積物中含量較大，并且含量變化波動也相對較大。Cd含量除采樣點1、5外，其余采樣點含量變化相對平緩，采樣點1的含量變化在深度15 cm處出現(xiàn)1個最高值，隨后隨土層深度的增加而降低，其他各采樣點含量總體是隨土層深度的增加而降低；采樣點5的Cd含量在5～25 cm土層變化不大，在30 cm土層增大，超過2.0 mg/kg。Cu含量除個別采樣點外，含量變化最平緩，波動較小，在13和23 cm處出現(xiàn)1個不明顯的波谷和1個不明顯的高峰值，總體變化呈現(xiàn)隨深度增加而降低的趨勢。Hg含量在各采樣點變化都比較明顯，采樣點1、5均在10 cm處達到1個高峰，在25 cm處，采樣點1出現(xiàn)1個低峰，采樣點5出現(xiàn)波谷，其他各采樣點變化趨勢相對一致。Pb含量在采樣點5波動較大，在10 cm處達到最小值，30 cm處含量最高，其他各點變化相對平穩(wěn)，在25 cm處有1個高峰，含量總體變化大致隨深度的增加而降低。Zn含量在采樣點1、5、6波動較明顯，均在10 cm處出現(xiàn)波谷，隨深度的增加，以15 cm為界，采樣點1隨深度的增加呈先增加后降低趨勢，在23 cm處達到高峰；5號點Zn含量在15 cm處達到低峰，在20 cm處為最低值；采樣點6含量變化相對平緩，波動較小，總體呈下降趨勢，其他3點含量變化較平緩。

2.2 沉積物中重金屬污染特征及潛在生態(tài)風險評價

2.2.1 內(nèi)梅羅綜合污染評價。由式（1）得出武河濕地沉積物中重金屬污染物內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結果，沉積物重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)見表5。由表5可知，Hg、Cd、As、Zn的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均大于1.00，表明這4種元素均處于污染狀態(tài)，其中Hg的內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)最大，為3.74，處于重度污染狀態(tài)；Cd為2.13，屬于中度污染，As、Zn分別為1.27、121，屬于中度污染；Cu、Pb均小于1.00，綜合污染屬于安全等級。該評價結果同時也符合單因子指數(shù)法評價所得結果。

以上評價結果表明，武河濕地沉積物重金屬污染狀況不容樂觀。經(jīng)該試驗實地采樣得知，武河濕地污染物主要來源于工業(yè)、生活污水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥農(nóng)藥殘留，對于濕地內(nèi)重金屬的治理建議以污染源頭治理為主；同時，植物作為濕地的重要組成部分，對底泥中的重金屬具有一定的吸收和富集作用，在整治過程中應通過收割從系統(tǒng)中除去[16]。

2.2.2 潛在生態(tài)污染評價。該研究以我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）二級土壤環(huán)境質(zhì)量標準值為參比，由式（2）對武河濕地進行潛在生態(tài)風險評價，評價結果見表6和圖2。

由表6可知，以各采樣點重金屬含量的平均值來看，濕地潛在生態(tài)風險等級呈Ⅴ極強生態(tài)危害，6種重金屬元素的RI從大到小依次為Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb，因此Hg綜合潛在生態(tài)危害程度最為嚴重，是武河濕地最主要的潛在生態(tài)風險因子，并且其Eir值為645.45，單因子污染物生態(tài)危害程度極為嚴重。由圖2可知，采樣點1位于滯留塘內(nèi)，潛在生態(tài)危害最強，表現(xiàn)為Ⅴ極強生態(tài)危害，推測是因為陷泥河流域來水在采樣點1處水流減緩，重金屬富集；在南涑河流域的采樣點4、6、5次之，但均表現(xiàn)為Ⅲ較強生態(tài)危害以上；采樣點3位于南涑河與陷泥河交匯處，潛在生態(tài)危害程度較低，也表現(xiàn)為Ⅲ較強生態(tài)危害以上；采樣點2潛在生態(tài)危害程度最低，也表現(xiàn)為Ⅲ較強生態(tài)危害。

由以上分析可知，濕地內(nèi)不同區(qū)域重金屬污染程度存在一定差異，推測是由于流域內(nèi)受多股不同來源的處理后的廢水匯流以及濕地內(nèi)植物因素的影響所導致。

2.2.3 ERL/ERM評價。為了研究武河濕地沉積物對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，筆者將該濕地各采樣點表層0～35 cm沉積物中重金屬含量與底泥質(zhì)量標準（SQGs）進行比較，結果表明，武河濕地沉積物中Cu和Hg含量遠高于ERM值；As和Zn的含量介于ERL和ERM之間；Cd和Pb的含量低于ERL值。

上述結果表明，武河濕地沉積物中，Cu和Hg處于較為嚴重的污染水平，不利生物毒性效應將會頻繁發(fā)生，對河流有較大的生態(tài)危害性，需引起一定重視；As和Zn有可能發(fā)生不利生物毒性效應，對水體有一定污染，可能會對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負面效應；Cd和Pb處于較輕污染水平，對生態(tài)環(huán)境影響較小。

Cd元素表層含量較高，遠遠超過我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）二級土壤環(huán)境質(zhì)量標準值，但ERL/ERM評價結果表明Cd的潛在生物毒性并不強，原因可能是武河濕地生態(tài)系統(tǒng)與制定效應范圍法所采用的生物效應數(shù)據(jù)庫有所差異，生物效應數(shù)據(jù)庫中生物對Cd的耐受性可能比較高。

3 結論

（1）濕地表層沉積物中，除Cu和Pb含量符合國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）二級標準要求以外，Hg、As、Cd和Zn的含量均高于環(huán)境背景值，且6種重金屬的變異系數(shù)均在14.50%～25.85%，重金屬空間分布差異性較小。

（2）垂直方向上，除As和Hg含量變化較為明顯外，其他4種重金屬元素含量變化相對平緩，且總體的變化趨勢是隨著土層深度的增加含量有所降低。

（3）污染評價的結果表明，武河濕地表層沉積物中Hg內(nèi)梅羅污染綜合指數(shù)最大，為3.74，屬于重度污染；Cd為213，屬于中度污染；As、Zn屬于輕度污染；Cu、Pb的污染程度處于安全等級。各重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)按由高到低依次為Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb。

（4）潛在生態(tài)風險指數(shù)表明，武河濕地表層沉積物中6種重金屬對該區(qū)域構成極強的潛在生態(tài)危害，風險程度由高到低依次為Hg、Cd、As、Zn、Cu、Pb，與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結果一致，其中Hg的潛在生態(tài)風險最大。

（5）參照SQGs基準，武河濕地表層沉積物中Cu和Hg含量高于ERM值，對水生態(tài)系統(tǒng)有很強毒性；As和Zn的含量介于ERL和ERM之間，可能會對水域生物產(chǎn)生一定的毒性。

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