黄河湿地（小白河片区）土壤重金属风险评价

韩剑宏+杜方圆+李卫平+高静湉+王晓云+鲍交琦+樊爱萍

摘要：为了加强包头黄河湿地生态系统的保护和管理，测定了黄河湿地小白河片区土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的含量，采用地累积指数和潜在生态危害指数法对湿地土壤重金属污染环境质量和潜在生态风险进行了评价，并采用相关分析和因子分析对湿地重金属的来源进行了初步的探讨。结果表明，黄河湿地小白河土壤7种重金属平均含量Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。湿地土壤重金属污染环境质量和生态风险评价结果显示，多种重金属为中度和偏中度污染，黄河湿地土壤重金属潜在生态风险为中等。最后，讨论了黄河湿地小白河片区土壤重金属的可能来源，表明湿地重金属主要来源于人为影响因素。

关键词：黄河湿地；重金属；因子分析；地累积指数评价；潜在生态风险评价

中图分类号： X53文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0239-04

湿地土壤中往往含有毒性较强的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn 等重金属，其富集对环境变化具有重要的指示意义。在人类活动频繁的白洋淀和洞庭湖湿地，湿地土壤中重金属超过其土壤背景值或土壤质量标准，Cd、Cr 污染较为严重[1-2]，人为干扰较小的青海湖和西溪湿地土壤重金属污染相对较轻[3-4]，生态环境良好。

内蒙古包头黄河湿地地处我国寒区、干旱半干旱区，是包头市乃至西北寒旱地区1个得天独厚宝贵的自然资源。目前，对于黄河湿地土壤的研究还有所欠缺，因此，该研究加强对湿地土壤重金属的研究，以期为湿地的生态环境的保护提供理论依据，对湿地科学发展具有重要意义。

1数据与方法

1.1采样与样品分析方法

内蒙古包头黄河湿地（图1）位于包头市南侧，黄河北岸，由昭君岛、小白河、南海湖、共中海和敕勒川5个片区组成，总面积12 222 hm2。其中，小白河片区西起昆都仑河东岸、南至黄河中心线、东至画匠营子水源地保护区东界、北至小白河应急分洪区现状水域北界及分洪区内岛屿南侧，总面积 2 257 hm2。

2015年5月，该研究以黄河湿地的小白河片区（图2）为主要研究对象，自西向东分布了10个样方（S1～S10），每个样方按网格布点选取了5个点位，并将5个点位0～20 cm和20～40 cm土层的土壤分别混合均匀、装袋、做好标记。

将土壤自然风干、磨碎、过筛。参照《土壤农化分析》方法[5]消解土壤，并采用ICP-AES测量Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As这7种重金属元素的含量。应用统计分析软件SPSS和Excel对 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、 Ni、As这7种土壤重金属元素含量进行描述性统计分析；运用地累积指数评价法、潜在生态风险评价法分别定量的描述黄河湿地土壤重金属污染超标的程度和对生物危害程度；利用相关分析和因子分析探讨重金属的来源。

1.2土壤重金属污染地累积方法和潜在生态风险评价方法

为了更好的描述重金属污染的水平及生态风险，采用2种方法进行综合评价，以便相互补充和借鉴，使评价结果更符合实际情况。

1.2.1地累积指数评价法地累积指数评价法（geoaceumulation index，Igeo），是科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标[6]。地累积指数法实质是以现在的重金属含量除去相应的天然含量或背景含量，从而得到因人为活动而造成的金属总富集程度[7]。其公式为：

式中：Igeo为地质累积指数；Cn为某元素n在灰尘及土壤中的实测含量值，mg/kg；Bn为沉积岩中的地球化学背景值，mg/kg；K为修正指数，一般为1.5。按受污染程度强弱，将地质累积指数分为7个级别（表1）。

1.2.2潜在生态危害指数法生态风险指1个种群、生态系统或整个景观的正常功能受到外界胁迫，是其在目前和将来的健康状况、结构、生产力、经济价值和美学价值受到影响的可能性及其程度[8]。瑞典科学家Hakanson 提出采用潜在生态危害指数法对重金属进行评价（表2）[9]。该方法作为国际上土壤（沉积物）中重金属研究的先进方法之一，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价

式中：Cif为重金属的富集系数，Cif=Cir÷Cin；Cir为第i个采样点土壤单元素含量实测值；Cin为参比值；Eir为重金属的潜在生态危害系数；RI为潜在生态危害指数；Tir为重金属i的毒性系数（经Hakanson研究[9]，有关重金属元素毒性系数为 As=10、Cd=30、Cr=2、Cu=5、Ni=5、Pb=5、Zn=1）。

2结果与分析

2.1土壤重金属含量

对黄河湿地小白河片区0～20 cm和20～40 cm土层的7种重金属元素进行监测，结果见表3。

由表3可知，0～20 cm的土壤重金属含量高于20～40 cm 土壤含量，重金属受人为干扰较强[2]。其中As含量高于国家三级标准，Cd含量、表层Pb含量、Zn含量高于国家一级标准，Cr含量、表层Ni含量、下层Pb高于背景值低于国家一级标准值，Cu含量、下层Ni含量低于背景值[11-12]。7种重金属含量从大到小的顺序为Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd。

2.2地累積指数评价和潜在生态风险评价

潜在生态风险评价与地累积指数法相互补充和借鉴，以求进一步的完善[13]。采用双重评价标准[14]进行生态风险评价，综合分析湿地土壤重金属污染情况。

2.2.1地累积指数评价根据污染指数评价公式（1）及河套地区土壤背景值和我国GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的一级自然背景值，对黄河湿地小白河片区0～20 cm和20～40 cm土壤层次重金属含量进行地累积指数评价，结果见表4。

从研究区域各重金属的Igeo总平均值看，0～20cm 土层中重金属元素Cu无污染，Cr、Ni、Pb为轻微污染，Cd、Zn为偏中度污染，As为中度污染；在20～40 cm 土层，Cu、Ni属无污染水平，Cr、Pb属轻污染水平，Cd、Zn属偏中度污染水平，As属于中度污染水平。

从元素的平均地累积指数来看，0～20 cm土层的重金属污染程度为As>Zn>Cd> Pb >Cr>Ni>Cu，20～40 cm土层的重金属污染程度为As> Cd >Zn>Pb>Cr>Ni>Cu。并且0～20 cm土壤各种重金属元素地累积指数均高于20～40 cm土层中的地累积指数，进一步表明表层土壤中重金属污染程度要高。

2.2.2潜在生态风险指数评价法根据污染指数评价公式（2）和（3）及河套地区土壤背景值和我国GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的一级自然背景值，对黄河湿地小白河片区0～20 cm和20～40 cm土壤层次的重金属含量进行潜在生态风险指数评价，结果见表5。

根据表5可知，在0～20、20～40 cm 土壤层次中，重金属Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的潜在生态风险系数都小于40，属于轻微生态危害；重金属As的潜在生态风险系数均大于40，属于中等生态危害；重金属Cd潜在生态风险系数均大于80，属于较强的生态危害。由以上对潜在危害系数分析可得，黄河湿地的小白河湿地片区土壤中重金属构成的潜在生态危害影响程度依次为Cd>As>Pb> Ni>Cu>Zn>Cr。由表5可知，重金属元素在0～20 cm 土壤层中构成的潜在生态危害程度比在20～40 cm 土壤层中稍高，进一步说明表层土壤受到的污染相比而言较为严重。由潜在生态危害指数可知湿地土壤整体呈中等生态危害水平。

3讨论

3.1相关分析

当湿地土壤中重金属元素来源相同或者相似时，其中的各个元素具有显著的相关性。通过对重金属元素及其土壤理化性质等参数之间的相关分析，可以判别湿地土壤重金属来源及其重金属元素含量变化的影响因素。相关系数越大，说明各组数据之间的关系越密切，各元素分布或来源越相近，说明可能来源相同或者不同重金属元素的污染程度相似[15-16]。

本研究分别对黄河湿地小白河片区土壤中0～20、20～40 cm 土层中不同重金属元素（As、Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr）的含量间进行相关分析，结果见表6。

0～20 cm土层中 As与Cd、Pb、Zn具有较好的相关性，说明As、Cd、Pb、Zn具有相同的来源；Cd于Cu、Ni、Pb、Zn相关性较好，湿地土壤中 Cd 主要来源于周围生活区垃圾随意倾倒[17]；Cr与Ni具有相关性，有研究表明Ni、Cr、Cu来源于母质[7，18]，Cu与Zn相关性较好，Pb、Cu、Zn的分布与汽车活动数据是相关的[2]，说明此区域受人類活动的影响较大。Ni与Pb、Zn具有较好的相关性，说明Ni、Pb、Zn具有相同的来源，而旅游活动是土壤中 Ni、Zn 的重要来源[7]，并有研究表明扎龙湿地东部土壤中 Pb 含量较高与其生态旅游开发密不可分[19]。20～40 cm土层中As与Cd、Pb、Zn具有极显著相关性，与表层土壤中重金属来源相似。

3.2因子分析

因子分析是基于变量之间的相关性，通过1种降维的方法进行简单化得到综合指标（综合指标是原来多个变量的线性相关组合）。这种综合指标也可用来反映原来的观察指标信息[20-22]。因子分析可判别重金属来源，并采用正交旋转来突出影响重金属来源的主要因子。本研究分别对0～20 cm和20～40 cm土层的重金属进行因子分析，其特征值和因子载荷，见表7、表8。

对黄河湿地小白河片区0～20 cm土壤样品中7个指标进行因子分析，提取的2个因子解释了总方差的74.779%。由表8可知，As、Cd、Pb、Zn在因子1中占了较大的因子载荷；并由表3可知，Cd、Pb、Zn高于国家一级标准，As高于国家三级标准，并且As、Cd、Zn具有中度或偏中度的污染，而As、Cd分别具有中等和较强的生态危害。Pb常被作为机动车污染源的标志元素[23]，Zn作为1种添加剂被广泛的应用于汽车轮胎中[24]，所以因子1为人为污染源。Cr、Cu、Ni在因子2中占主要因子载荷，属于自然因子[7，18]。

同样对20～40 cm土层的7个指标进行因子分析，提取的2个因子解释了总方差的92.115%。结果与表层土壤结果类似，因子1为人为污染源，因子2受地球化学成因影响。

综上分析，黄河湿地小白河片区土壤重金属既受自然因子限制，也受人为因素的干扰，且以人为因素占主要部分，尤其是金属As为中度污染，中等生态危害。Cd为偏中度污染，具有较强的生态危害。因此，湿地部门应加强对金属元素As和Cd的防治和治理。

4结论

（1）黄河湿地小白河片区土壤中重金属含量为Zn>Cr>As>Pb>Ni>Cu>Cd，其中As超过国家三级标准，0～20 cm土层重金属元素的含量高于20～40 cm土层；（2）土壤中As为中度污染且中等生态危害，Cd为偏中度污染且具有较强的生态危害，Zn为偏中度污染具有轻微生态危害，其余5种金属元素污染及危害程度较低；（3）土壤重金属间具有较好的相关性，说明来源基本一致，有人为污染源和自然因子，其中以人为污染因子占主要部分。

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