银川阅海湿地沉积物重金属潜在生态危害评价

朱嵬+倪细炉

摘 要 为确定银川市阅海湿地湖水底泥中重金属的污染状态及潜在的生态危险，笔者采集了该湿地底泥，分析了8种常见重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）的含量及富集情况，又以现代工业化前正常颗粒底泥中重金属含量的最高背景值和自然背景值为参比值，对湿地底泥重金属的富集系数、生态危害系数及各采样点的生态危害指数进行探讨，最后运用Lars Hankanson潜在生态危害指数法对湿地底泥中重金属的生态危害程度做了评价。结果表明：以现代工业化前正常颗粒底泥中重金属含量的最高背景值为参比值，阅海湿地重金属富集顺序为Cr>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg；各重金属单因子生态危害程度为Cd>As>Hg>Pb>Cu>Cr>Zn，其中4号采样点的重金属潜在生态危害程度较高，其他采样点生态危害程度较轻微。总而言之，银川市阅海湿地底泥重金属的生态危害程度还是较小的。

关键词 阅海湿地 ；沉积物 ；重金属污染 ；危害评价

分类号 X820.4

Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals

in Superficial Sediments of Yuehai Wetland

ZHU Wei NI Xilu

（State Key Laboratory of the Seedling Bioengineering / Ningxia Institute of Forestry，

Yinchuan， Ningxia 750004）

Abstract In order to investigate heavy metal pollution and its potential ecological risk in sediments of Yuehai wetland， content and accumulation of heavy metals （As， Cd， Cr， Cu， Hg， Ni， Pb， Zn） were investigated. The highest values for heavy metals concentrations in sediments before the modern industrialization of the world and the natural background values were used to analyze the accumulation coefficient and potential ecological risk （PER） coefficients for heavy metal. The PER index for each sample location was also discussed. The method for evaluating PER index presented by Lars Hankanson was applied to assess the ecological risk. The results showed that when the highest values for heavy metals concentrations in sediments before the modern industrialization of the world were taken as references， the accumulation order for those heavy metals was Cr>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg， the potential risk order of elements was Cd>As>Hg>Pb>Cu>Cr>Zn. The 4th sample point was under the highest potential risk，， which is much higher than other elements， the while the others had relatively small risk. To sum up， the potential ecological risk of Yuehai wetland was light， at least not very serious.

Keywords Yuehai wetland ； sediment ； heavy metal pollution ； risk assessment

通过各种渠道进入水体的重金属绝大部分被悬浮颗粒吸附，并在水动力作用的搬运过程中，当其负荷量超过水体搬运能力时，便逐步沉积下来，导致沉积物中重金属含量比水中高很多倍。因此，开展沉积物中重金属含量特征和潜在生态风险评价的研究不仅为湿地中重金属污染的来源、现状和监测提供科学依据，而且对生物多样性和人类生存环境的保护具有深远的科学意义，因此，近些年沉积物重金属的生态效应一直是研究的热点[1-4]。

相对其他类湿地而言，城市湿地更易受到人类活动的影响，特别是在人口稠密的城市，部分未经处理的生活污水、工业废水、农田退水及暴雨径流会直接排入湿地中，而其中包含的重金属污染物则可能会对城市湿地生态系统产生负面影响[5]。阅海湿地地处银川市金凤区，是由原天然的大、小西湖经人工开挖、连通而形成的中型湖沼。地理位置介于东经106°11′～106°14′，北纬38°31′～38°37′之间，平均海拔1 104～1 107 m；湿地面积2 000 hm2，是宁夏境内西北候鸟迁徙的重要停留与繁衍地，也是银川市范围内重要的天然湿地，对城市生物多样性的保护和生态环境的改善有着重要的作用。2003年，阅海湖通过人工运河——艾依河与沙湖、鹤泉湖等10多个湖沼相连通，沿途农业用水、洪水、少量生活工业用水均排入该湖[6]，加上富含营养盐的黄河水源补给和不合理的渔业资源开发等，使阅海湿地生态环境健康状况逐步恶化，水质呈典型中度富营养化湖泊特点，湖泊系统的生态和社会功能逐渐被削弱。endprint

目前，国内外已有关于城市湿地沉积物中重金属分布规律及其污染评价生态风险的报道[7-8]。关于阅海湿地的研究主要集中在水体污染的环境功能影响、水质综合评价、生态需水量、环境承载力、生态系统保护、恢复与利用等研究[9-14]，湿地重金属相关研究鲜见报道。为查明银川市阅海湿地底泥重金属污染现状，预测其发展趋势，本文以湖泊表层沉积物为研究对象，通过对重金属含量的差异性分析，研究重金属元素在湖泊底泥中的污染状况，重点对国内外研究中普遍认为对生态环境有重要影响的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn这8种元素进行讨论，并采用潜在生态风险指数法[15]对其潜在生态风险进行评价，以期为阅海湿地重金属污染防治与治理提供参考，对银川市湖泊湿地保护与开发具有重要的借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 采样时间与点位

采样时间为2013年8月底；采样方法：在阅海湖由北向南均匀设置5个断面带，采用机械采样与随机采样结合的方法，用抓斗式采泥器采集底泥，每个断面带的3个底泥样品各取等量充分混合后取1 kg，装入聚乙烯样品袋带回，共采集样品11个。其中，样品1～5为断面带样品，另外在湿地进水口（10）、出水口（8）、围网养殖区（9、11）、城市排污口（7）、农田退水口（6）采集混合底泥样品6个，具体点位见图1。

1.1.2 试验仪器

等离子体质谱仪（美国热电公司X SeriesⅡ），等离子体光谱仪（美国热电公司 IRIS Intrepid II）；原子荧光光谱仪（国家工程中心实验工厂 XGY-1011A型）。

1.2 方法

1.2.1 样品处理

将取回的底泥放在阴凉通风的地方阴干、均一，然后用玛瑙钵研磨过200目尼龙筛后送样分析。本研究的阅海湿地底泥样品检测的重金属污染指标有As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn。

1.2.2 样品检测时间、地点、方法

2013年9月上旬，样品经预处理后送中国地质科学院-地球物理地球化学勘查研究所分析检测。其中，As全量测定采用氢化物-原子荧光光谱法；Hg全量采用冷蒸气-原子荧光光谱法；Cr全量采用等离子体光谱法；其他元素均采用等离子体质谱法测定。

1.2.3 重金属潜在生态危害评价方法

从沉积学角度对重金属污染及其环境风险的研究备受关注[16-18]。关于底泥的污染评价，应用较多的有生物效应数据库、潜在生态危害评价、地质累积常数、多变脸谱图、污染负荷指数法等方法。生物效应数据库方法是目前美国、加拿大、北欧等国家和地区进行评价沉积物重金属质量基准的方法[19]。本文主要运用潜在生态危害指数法进行评价。

1.2.4 统计分析

利用Microsoft Excel进行数据描述和分析。

2 结果与分析

2.1 各湖泊湿地底泥重金属特征

阅海湿地底泥常见重金属元素含量如表1所示。

由于湿地自身环境的异质性，导致湿地各采样点底泥重金属含量具有一定的差异性，其中：Pb的差异性最大，变异系数为30.24%；Cr的差异性最小，变异系数仅为6.27%。根据湿地底泥重金属含量（表1），结合中国《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）的一级、二级自然背景值[20]和宁夏背景值[21]（表2）可知：所有采样点中，4号点的Cd、Cr、Ni含量都是最高的，7号点Hg、Cu含量最高，1号点Zn含量最高，11号点As含量最高，10号点Pb含量最高。整体来看，阅海湿地底泥各重金属元素平均含量均小于一级自然背景值（理想值），单个采样点来看，4号点的Cd、7号点的Cu、10号点的Pb含量高于一级自然背景值，尤其是Pb污染相对较严重，但都远小于国家二级自然背景值。因此，阅海湿地底泥重金属污染程度相对较轻。值得关注的是，除了As和Ni，其他重金属元素均值均高于宁夏背景值，说明随着时间的流逝，各种工农业及人类活动，导致湿地底泥重金属含量有增加的趋势。

2.2 湿地重金属的富集情况

通常采用富集系数来衡量单种重金属的富集程度，富集系数可表示为：

Cif=Cim/Cin（1）

式中：Cim为底泥中重金属i含量的实测值；Cin为计算所需的参比值（环境背景值）。

本文采用Lars Hankanson 提出的现代工业化前正常颗粒底泥中重金属含量的最高背景值[16]为参比值（表2）来反映调查湖泊重金属的实际污染程度。由于缺乏宁夏黄河流域湿地周边环境土壤这8种重金属的背景值，而各湿地大多属于国家级湿地自然保护区，所以选用我国《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）的一级自然背景值[15]为参比值（表2），来反映宁夏黄河流域湖泊湿地的相对污染程度。二者相结合能较好地反应湖泊潜在的生态危害程度。根据式（1）计算出各采样点重金属的富集系数，结果见表3、4。

从表3可知，以现代工业化前正常颗粒沉积物中重金属含量的最高背景值为参照，阅海湿地底泥重金属中Cr的富集程度最高，平均富集系数达1.03，其次是Pb、Zn、Cu的较低，Hg的富集程度最低，平均富集系数仅为0.11。单元素富集程度Pb最高，富集系数为1.85，来自10号采样点，远高于其他采样点（0.80～1.00）。由表4可知，以我国《土壤环境质量标准》一级自然背景值为参照，Cd的富集程度最高，平均富集系数达0.81，其次是As较低，Hg的富集程度最低，平均富集系数只有0.18。

2.3 生态危害指数RI（Risk Index）

采用瑞典学者Lars Hakanson潜在生态危害指数法，对阅海湿地11个采样点沉积物中重金属的潜在生态危害进行评价。endprint

该方法利用沉积物中重金属相对于工业化以前沉积物的最高背景值的富集程度及相应重金属的生态毒性系数进行加权求和得到生态危害指数。计算方法为某一区域沉积物中第i种重金属的潜在生态危害系数及沉积物中多种重金属的潜在生态危害指数RI可分别表示为：

E=TgC=Tg（2）

RI=E=TgC=Tg（3）

C为表层沉积物重金属i浓度的实测值；C为计算所需的参照值，参照值采用工业化以前沉积物中重金属的最高背景值（表2）；T为重金属i的毒性系数，它主要反映重金属的毒性水平和生物对重金属污染的敏感程度。以工业化以前沉积物的最高背景值为参比值，可在更大程度上反映可能的潜在危害程度（表4）。本研究中Hg、As、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、的值分别取40、10、5、1、5、30、2。沉积物重金属生态危害程度的划分标准[15]见表5。

评价结果显示，阅海湿地底泥重金属生态危害系数均远小于40，表明生态危害程度都很轻微。其中，单项生态危害系数较高的是Cd，均值为9.75，有4个采样点的生态危害系数都超过10，远高于其它元素。按生态危害系数阅海湿地各采样点底泥重金属元素生态危害排序为：Cd>As>Pb>Hg>Cu>Cr>Zn。湖泊底泥中多种重金属的潜在生态危害指数RI显示，阅海湿地各采样点底泥重金属生态危害系数远小于40，生态危害指数远小于150，危害程度都为生态轻微危害。其中，采样点4底泥重金属潜在生态危害程度相对最高，RI为37.56，最低为6号采样点，只有27.98。总体而言，阅海湿地底泥重金属生态危害程度还是比较轻的，详见表6。

3 讨论与结论

阅海湿地表层沉积物重金属分析结果表明，以土壤环境质量国家一级自然背景值为参比值，各采样点沉积物重金属中，仅4号采样点的Cd含量、7号采样点的Cu含量、10号采样点的Pb含量高于自然一级背景值，说明阅海湿地沉积物重金属污染程度很低。已有研究表明：沉积物中的Cd含量与生活排污和化肥农药的流失严重有着密切联系，Cu 元素常用于杀虫剂、杀菌剂及工业生产；Zn 元素在工业用途上极为广泛，如冶金、印刷、染料、杀虫剂等均有用及，大部分的锌盐均可溶于水，在工业废水中，往往存在大量锌盐。7号点位于城市排污口附近，旁边有银川市第四污水处理厂，Cu、Hg含量均为11个采样点中最高；10号点为阅海湿地进水口，而且紧邻繁华路段，汽车尾气也是 Pb 污染的一个重要来源；4号点附近有围网养殖，人为干扰较大，且靠近城市排污口。总的来看，阅海湿地重金属可能来源为（1）农业来源：周边有大量农田，污水灌溉、农药、劣质化肥等的不合理使用，随农田退水流进阅海，渔业养殖废水偷排；（2）工业污染：水源上游工业废水等。

以现代工业化前正常颗粒底泥中重金属含量的最高背景值为参比值，阅海湖泊湿地重金属富集顺序为：Cr>Pb>Zn>Cu>As>Cd>Hg。由此可见，实际污染程度相对较严重的重金属主要为Cr、Pb、Zn。利用生态危害指数对阅海湿地表层沉积物重金属进行评价，生态危害排序为：Cd>As>Pb>Hg>Cu>Cr>Zn。宁夏湿地沉积物重金属相关研究很少，因此，本研究结论无法与以往数据对比，但可作为银川市环保等政府部门制定相关政策时的参考依据。总体而言，银川阅海湿地表层沉积物中重金属生态危害程度还是较小的。

随着工业现代化的快速发展、生活污水的不达标排放以及农田化肥的大量使用等，银川阅海湿地已受到重金属污染，无论以单种重金属的潜在生态危害系数，还是以多种重金属的潜在生态危害指数进行评价，湿地都受到了较轻微的重金属污染，尤其是个别采样点沉积物中Cd、Cu、Pb含量超过土壤一级自然背景值，而且除了As、Ni外，其他元素含量均超过了宁夏背景值，即重金属元素含量一直在缓慢上升，应该引起环境监测和环境治理等部门的关注，采取适当补救及保护措施，从而为整个阅海湿地的保护及可持续开发、利用提供科学依据。

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