辽河铁岭段两岸河岸带土壤重金属分布及风险评价

金　丹, 郑冬梅, 孙丽娜

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳　110044)

辽河铁岭段两岸河岸带土壤重金属分布及风险评价

金丹, 郑冬梅, 孙丽娜

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳110044)

摘要:通过测定辽河保护区铁岭段河岸带土壤重金属的全量和土壤的理化性质和各项指标,分析了其空间分布特征,运用潜在危害指数法对流域内土壤重金属进行评价.从空间分布上看,河岸带左岸重金属平均质量分数为:Cu 16.86 mg/kg,Pb 22.10 mg/kg,Zn 80.02 mg/kg,Cd 0.41 mg/kg;河岸带右岸重金属Cu 17.53 mg/kg,Pb 20.70 mg/kg,Zn 87.23 mg/kg,Cd 0.33 mg/kg.左岸只有Cu低于背景值,右岸铜、铅质量分数低于背景值,而其他均高于背景值.与国家土壤环境质量标准中的一级标准相比,除镉外,均低于国家一级标准.从单项潜在生态风险评价来看,左右两岸河岸带土壤中重金属Cd处于强潜在生态风险,其他元素处于轻微的潜在风险.各个元素的单因子潜在生态风险指数从小到大依次为Cd

关键词:辽河铁岭段; 重金属; 河岸带; 土壤; 污染; 风险评价

河岸带是介于陆地与河流之间的过渡地带,是重要的生态交互作用区,河岸带是连接水生生态系统和陆地生态系统的重要枢纽[1],河流水体季节性涨落对河岸带影响明显,上下游之间经常处于河流沉积物的侵蚀搬运及沉积的交互作用的动态平衡[2].在欧美发达国家,对河岸带的功能和重要性己形成较为系统的认识,而在我国,河岸带方面的研究处于起步阶段,还有许多工作亟待人们去研究.近年来,随着河道水体及底泥受到污染,清淤淤泥对两岸农业土壤的环境影响问题显得较为突出[3].许多地区河岸带植被惨遭破坏,一些地区的河岸带甚至成为垃圾堆放场.然而,目前国内外对河岸带的研究,大多数集中在河岸带土地利用和水岸生态系统碳、氮、磷等的生物地球化学过程和动态特性等方面[4],但是,有关河岸带土壤污染研究较少.已有研究表明,重金属是河岸带土壤环境中的重要污染物.重金属是毒性很强的化学物质,多数具有致癌、致突变的毒理属性,如Cd可以改变胎盘内各种代谢酶的功能,从而使胚胎死亡、畸形;Pb损害人体神经系统、造血系统等,对儿童心理,智力和行为发育损伤具有不可逆性;As对人体的各个器官都有一定程度上的损伤,具有致癌的毒性[5].开展河岸带土壤重金属质量分数与污染评价对于河岸生态系统保护和生态重建具有重要的理论和实践意义.辽河作为辽宁的“母亲河”在“九五”期间因水质受污染严重等问题列为国家重点治理的“三河三湖”之一.本文主要以辽河铁岭段两岸河岸带为研究对象,对河岸带典型重金属质量分数进行分析和评价,为辽河保护区河岸带生态系统的保护和生态重建提供理论依据.

1研究地区与研究方法

1.1样品采集与处理

图1采样点图

Fig.1Diagram of sampling sites

辽河是辽宁省境内最大的河流,辽河保护区总面积1 800多km2,保护区范围从东辽河、西辽河交汇处铁岭市昌图县福德店,沿辽河干流至下游盘锦市大洼县入海,全长538 km.近年来,随着国家对辽河的治理,辽河生态环境有所改善.辽河铁岭段是指沿辽河干流自福德店至铁岭朱尔山附近,沿途接纳招苏台河、亮子河、清河、王河、汎河等.采集两岸河岸带土壤,样点分布如图1所示.分别在辽河保护区干流铁岭段左岸设置采样点22处,编号为F1～22,右岸设置采样点20处,编号为A1～20.选点主要考虑了河流交汇处,城市和污染源的下游,每个采样点采集河岸带表层(0～20 cm)土壤5份,混合均匀后立即封于干净的聚乙烯袋内,带回实验室.采集的样品自然阴干,除去沙石等杂物,用玛瑙研钵研细,过100目筛,保存待测.

1.2样品测定与质量控制

土壤pH值采用pH计进行测定,土样重金属的处理采用HCl-HNO3-HF-HClO4湿法消解.准确称取0.500 g上述土样置于50 mL聚四氟乙烯坩埚中,将坩埚放入通风橱中,依次加入HCl、HNO3、HF、HClO4加热消解.预处理后土样用ICP-MS测定Cu、Cd、Zn、Pb的质量分数.在重金属的分析过程中所有样品均做试剂空白,试验中所用的试剂均为优级纯,所用的器皿在使用前均用3 mol/L的硝酸浸泡24 h.同时采用国家标准样品(GSS-1)进行全过程的分析质量控制,随机选取总样品数的10%进行平行分析.样品的相对标准偏差小于10%.重金属统计分析采用SPSS 13.0软件计算.

1.3评价方法与标准

土壤潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hakanson[6]提出的.该方法从重金属生物毒性角度出发,综合考虑土壤中重金属质量分数、种类等,定量划分和评价单个核多种重金属污染物的潜在生态危害程度,比单纯采用重金属元素污染程度能更好地反映重金属元素的潜在危害.其计算公式如下:

表1　　综合及单项潜在生态风险评价

2结果与讨论

2.1两岸河岸带土壤重金属分布特征

辽河铁岭段两岸河岸带土壤重金属污染调查表明:左岸河岸带土壤重金属Cu质量分数为3.39～49.84 mg/kg,平均质量分数值为16.86 mg/kg,Pb质量分数为3.26～41.48 mg/kg,平均质量分数为22.10 mg/kg,Zn质量分数为23.94～227.75 mg/kg,平均质量分数为80.02 mg/kg,Cd质量分数为0.09～0.73 mg/kg,平均质量分数为0.41 mg/kg(图2);右岸河岸带土壤重金属Cu质量分数为5.34～44.23 mg/kg,平均质量分数为17.53 mg/kg,Pb的质量分数为14.97～30.74 mg/kg,平均质量分数为20.70 mg/kg,Zn的质量分数为55.05～135.11 mg/kg,平均质量分数为87.23 mg/kg,Cd的质量分数为0.10～0.95 mg/kg,平均质量分数为0.33 mg/kg(图3).从左岸、右岸重金属平均质量分数可以看出,Pb、Cd质量分数左岸高于右岸,而Cu、Zn质量分数低于右岸,可见河岸带土壤重金属受河流影响明显.与辽宁省的土壤背景值[12](Cu为19.8 mg/kg,Pb为21.4 mg/kg,Zn为63.5 mg/kg,Cd为0.108 mg/kg)相比,左岸重金属Cu,Pb,Zn和Cd的平均质量分数分别是辽宁省土壤背景值的0.85,1.03,1.26和3.80倍;右岸重金属Cu,Pb,Zn和Cd的平均质量分数分别是辽宁省土壤背景值的0.89,0.97,1.37和3.06倍.由此可见,从总体来看,Cd超出土壤背景值最多,其次是Zn,再次是Pb和Cu,辽河流域的河岸带的环境主要受到了Cd和Zn的影响.而左岸只有Cu低于背景值,而右岸只有Cu、Pb质量分数低于背景值,而其他均高于背景值.对两岸河岸带土壤pH分析得出,土壤pH的平均值为7.93,居于中性,因此与国家土壤环境质量标准中的一级标准相比,除Cd外,其他三种重金属均低于国家一级标准.

从图2中可以看出,左岸河岸带土壤重金属Cu、Pb、Zn、Cd的分布特征基本相似,即高值区与低值区基本吻合.

由图2,图3可以看出,右岸和左岸的河岸带土壤重金属污染空间分布特征相似,峰值出现的地点基本是相互吻合的.在F5点重金属质量分数较高,这与该点是跨河铁桥,车流量较大,对河岸带土壤有一定影响.F12(招苏台河),F18(中固河),F19(柴河),A19(长沟子河),F2(汎河)污染比较严重,这些点位位于支流河汇入的下游,支流河水质多数为四类、五类水[13],河岸带作为水陆过渡地带,土壤受河流影响比较大,特别是这些受污染的支流河,加重了辽河河岸带重金属的质量分数,因此应该加强支流河的管理.

2.2左右两岸河岸带土壤重金属潜在生态风险评价

图2河岸带左岸重金属分布图

Fig.2Heavy metals distribution on the left bank of riparian zone

(a)—Cd; (b)—Cu,Pb,Zn.

根据式(1)～(3)计算表明,Cu的单因子污染系数最低,左岸为0.852,右岸为0.885;Cd污染系数最高,左岸为1.374,右岸为3.056;各个元素的单因子污染系数从小到大依次为Cu

图3　河岸带右岸重金属分布图

地带重金属CinCisCifTirEirRI左岸Cu19.816.860.85254.260124.565Pb21.422.101.03355.165Zn63.580.021.26011.260Cd0.1080.411.37450113.880右岸Cu19.817.530.88554.425102.314Pb21.420.070.96754.835Zn63.587.331.37411.374Cd0.1080.333.0563091.680

3结论

从空间上来看,辽河流域铁岭段河岸带土壤重金属总体质量分数较低.左岸Pb、Cd质量分数高于右岸,而Cu、Zn质量分数低于右岸.可见河岸带土壤重金属受河流影响明显.左岸重金属Cu,Pb,Zn和Cd的平均质量分数分别是土壤背景值的0.85,1.03,1.26和3.80倍;右岸重金属Cu,Pb,Zn和Cd的平均质量分数分别是土壤背景值的0.89,0.97,1.37和3.06倍.左岸只有Cu低于背景值,右岸Cu、Pb质量分数低于背景值,而其他均高于背景值.与国家土壤环境质量标准中的一级标准相比,除Cd外,均低于国家一级标准.河岸带土壤重金属中的Pb、Zn质量分数高,可能有小范围的污染点源.Cd的污染最为严重,但从重金属综合潜在危害系数(RI)看,辽河干流铁岭段两岸,属于轻微危害水平,生态环境处于较优水平,但个别支流汇入口应引起有关部门的注意.

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【责任编辑: 李艳】

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Heavy Metal Pollution and Risk Assessment of Riparian Soils along Liao River in Tieling Region

JinDan,ZhengDongmei,SunLina

(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Through the determination of total amount of soil heavy metal and physical and chemical properties and the indicators of soil in riparian zone of Tieling section of the Liao River, the spatial distribution characteristics are analyzed, and the heavy metals of riparian zone are evaluate by using the potential hazard index method. From the point of spatial distribution, the average mass fractions of heavy metals in the left bank of river are: Cu 16.86 mg/kg, Pb 22.10 mg/kg, Zn 80.02 mg/kg, Cd 0.41 mg/kg, while the values in the right bank are Cu 17.53 mg/kg, Pb 20.70 mg/kg, Zn 87.23 mg/kg, Cd 0.33 mg/kg. In left bank, only the value of Cu is lower than the background values; in the right bank, the values of Cu and Pb are lower than the background values. Comparing with the primary standard of the national soil environmental quality standards, in addition to Cd, the average mass fractions of heavy metals are lower than the national level standards. From the point of individual potential ecological risk assessment, Cd in the riparian zone of both side of Liaohe River has strong potential ecological risk, and the other elements have minor potential risk. The order of potential ecological risk index of single factor in each element is Cd

Key words:Liao River in Tieling region; heavy metal; riparian zone; soil; pollution; risk assessment

中图分类号:S 714; X 825

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2015)06-0451-06

作者简介:金丹(1990-),女,辽宁葫芦岛人,沈阳大学硕士研究生; 孙丽娜(1960-),女,辽宁北票人,沈阳大学教授,博士研究生导师.

基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202); 国家自然科学基金资助项目(41001346,41571085); 辽宁省教育厅一般项目(L2013454); 沈阳市科学事业费竞争性选择项目.

收稿日期:2015-04-16