兴凯湖地区天然沼泽和森林土壤重金属分布特征及潜在生态风险

石兰英+田新民+王永林

摘要：為了解兴凯湖地区沼泽和森林土壤重金属含量状况，利用ICP-OES测定As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Pb 7种重金属浓度，采用Hakanson潜在生态危害指数法对重金属潜在生态风险进行评价。结果表明，研究区域森林土壤As含量高于沼泽，其他含量均低于沼泽土壤。7种重金属中仅Cd含量超标严重，沼泽和森林土壤Cd含量超过土壤环境质量标准二级标准值比例分别为95.33%和61.00%，其他6种含量均未超过土壤环境质量标准一级标准值。7种重金属元素变异系数幅度为2.62%～481.52%，其中沼泽以As、Cd变幅显著，空间分布差异明显，其他元素变异系数不大，空间分布比较均匀，由大到小依次为As、Cd、Zn、Pb、Ni、Cr、Cu。森林土壤7种重金属元素变异系数由大到小依次为As、Ni、Cd、Pb、Cu、Zn、Cr，以As、Pb和Cd变幅较大，空间分布不均匀。由相关性分析可知，沼泽土壤Cu与Cd呈显著正相关；森林土壤Cd与Pb呈极显著正相关，Zn与Cu和Cr均呈显著正相关。沼泽土壤Ni与碱解氮间呈极显著负相关；森林土壤Zn和土壤速效钾间呈显著正相关，Pb与碱解氮间呈显著正相关。沼泽和森林土壤重金属的潜在生态危害已达到强潜在生态风险（RI分别为224.61和183.73），Cd已达到很强生态危害程度（Ei分别为204.42和168.49），其他均为轻微生态危害程度。

关键词：兴凯湖；沼泽；森林；重金属；生态风险

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）22-4299-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.022

Abstract： In order to determine heavy metal pollution status in swamp and forest soils in Xingkai Lake area，soil samples were collected in typical area， to analyze concentrations of seven heavy metals（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn and Pb） and chemical properties in the soils. The background values of the soil heavy metals in Heilongjiang province were used as references and the Hakanson potential ecological risk index method was adopted in the assessment. The results showed that the concentration of As in forest soil was 2 times of that of swamp，the other concentrations were lower than that of marsh soil. Cd had the highest accumulation， compared to level II of the China Soil Environment Quality Standard（GB 15618-1995） that the average concentration of Cd exceeded about 95.33% and 61.00% in marsh soil and forest soil， respectively. The other 6 heavy metals concentrations were lower than those in level Ⅰ of the China Soil Environment Quality Standard（GB 15618-1995）. The range of variation coefficient was 2.62%～481.52% for the seven heavy metals and variation coefficient followed an order of As>Cd>Zn>Pb>Ni>Cr>Cu in marsh soil， the amplitude of variation of As and Cd were remarkable，the spatial distribution difference was obvious， the spatial distribution of other elements had relatively uniform spatial distribution. The variation coefficient followed an order of As>Ni>Cd>Pb>Cu>Zn>Cr in forest soil， the amplitude of variation of As，Pb and Cd were remarkable，the spatial distribution difference was obvious. By correlation analysis， Cu was positively correlated with Cd in marsh soil； There was a significant positively correlation between Cd and Pb； There was a significant positively correlation between Zn and Cu，Cr in forest soil. There was a significant negative correlation between Ni and soil alkaline hydrolysis nitrogen in marsh soil； Zn and soil rapidly available potassium showed significant positive correlation； There was a significant positively correlation between Pb and soil alkaline hydrolysis nitrogen in forest soil. The potential ecological hazard assessment indices of heavy metals in marsh and forest soil had reached medium（RI were 224.61 and 183.73），As，Cr，Cu，Ni，Zn，Pb were slight，Cd were very strong and strong （Ei were 204.42 and 168.49）.endprint

Key words： Xingkai Lake； marsh； forests； heavy metals； ecological risk

兴凯湖国家级自然保护区面积222 488 hm2，是黑龙江省最大的自然保护区，由草甸、沼泽、湖泊和森林组成了一个完整复杂的湿地生态系统，保护区与俄罗斯一侧的湿地相连，地理位置独特，具有国际重要意义[1]。近年来，由于兴凯湖流域内农业和生态旅游资源的过度开发，大片湿地及森林被破坏，工业废水和城市污水排放，引发兴凯湖生态环境出现恶化趋势[2]，导致兴凯湖湿地退化，景观格局发生变化[3]。

土壤重金属污染已成为全球重大问题，而重金属污染可能成为湿地退化的一个重要驅动因素[4]。湿地是地球上水陆相互作用形成的自然综合体，因地势低洼，人类活动产生的重金属可通过地表或地下径流、大气降尘等多种途径进入湿地[5]，最终沉淀在泥土或固结在植物体内[6]，成为重金属重要的汇[7]。但当水文环境发生变化或土壤重金属富集超过其限定值，湿地有可能逐渐转变为重金属的源[8]。近年来，中国河流湖泊等水体由于长期大量生活污水与工业废水的排入，水质污染严重，污水流动及农业污灌又导致了更大面积的土壤污染[9，10]。因此，本研究以兴凯湖地区的泥炭沼泽湿地和湖岗森林为对象，研究土壤重金属元素的积累特征，进而对其潜在的生态风险进行评估，以期为兴凯湖地区土壤重金属生态风险预警及土壤重金属污染防治和退化湿地恢复提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区概况

研究区位于中国科学院兴凯湖湿地生态研究站（132°20′00″E，45°21′55″N）附近，属温带大陆性季风气候，为湿润半湿润地区，年平均气温3.1 ℃，1月平均气温-19.2 ℃，7月平均气温21.2 ℃，无霜期150 d左右，年降水量约750 mm，集中于夏季，约占全年降水的70%；冬季多暴风雪天气，封冻期从11月至次年3月[3]。兴凯湖地区大面积湿地的主要土壤类型为沼泽土和泥炭土。在湖岗和高地上主要是沙土及沙石质暗棕壤。研究站附近有天然沼泽湿地（主要覆盖植物是狭叶甜茅）和湖岗森林（由蒙古栎、白桦等组成的次生林）[11，12]。

1.2 样品采集与处理

2015年10月上旬在研究区内选取天然沼泽湿地及与其邻近的湖岗森林样地，天然沼泽湿地土壤类型为泥炭沼泽土，地理位置为132°19′14″E，45°20′59″N，海拔高度为110 m；湖岗森林土壤类型为沙石质暗棕壤，土层厚度在10 cm左右[11]，地理位置为132°22′4″E，45°20′41″N，海拔高度为102 m。每个样地随机设置3个重复，每个重复区面积为30 m2，沼泽湿地采取深度0～30 cm土壤样品；森林样地分别采取0～10、10～20 cm土壤样品，按“S”形样线采集5个点混合为1个土样[13]，因此，沼泽森林共取土样3份，森林样地共取土样6份，土样自然风干后磨碎，分别过2.000和0.149 mm筛，保存备测。

1.3 分析方法

2016年4月进行土壤消解及重金属含量测定，2016年1月进行土壤化学指标的测定工作。土壤重金属测定采用聚四氟乙烯坩埚HNO3-HCLO4-HF混酸消解，2%硝酸溶解定容于25 mL容量瓶，采用美国Perkin Elmer公司的ICP-OES（Optima 8300型全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪）测定7种重金属浓度[13]。pH采用电位计法测定（水土比为2.5∶1）；土壤有机质（SOM）采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤碱解氮（AN）采用碱解扩散法测定；土壤速效磷（AP）采用碳酸氢钠浸提-铝锑抗比色法测定；土壤速效钾（AK）采用中性乙酸铵浸提-火焰光度计法测定[13，14]。

1.4 土壤重金属污染和潜在生态风险评价方法

选用Hakanson[15]提出的潜在生态危害指数法，单种重金属潜在生态危害系数（Ei）的计算公式为Ei=Ti×（Ci/Si），其中，Ci、Si、Ti分别为第i种重金属的实测含量（mg/kg）、参比值（mg/kg）和毒性系数。参比值一般采用土壤中重金属元素的背景值，本研究重金属背景值采用黑龙江省土壤重金属元素背景值[16]。毒性系数根据徐争启等[17]计算的重金属毒性系数（Ti），Zn=1、Cu=Ni=Pb=5、As=10、Cd=30、Cr=2。多种重金属潜在生态危害指数（RI）的计算公式为RI=ΣEi。

Hakanson[15]在设计生态危害指数和划分等级时，单种重金属潜在生态危害指数是要评价单项潜在生态危害系数；综合潜在生态危害指数是要评价重金属的单项潜在生态危害系数之和，所以其数值的大小取决于要评价的重金属的个数和潜在生态危害系数的大小，由于Hakanson评价了Pb、Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn 8种元素，而在应用这种方法时并不完全是这些元素，如果使用了同样的等级范围，就可能使其危害程度范围扩大，而不能正确地反映生态危害的程度，因此本研究参照文献[18]，结合当地背景值和Hakanson的划分方法重新划分了评价标准。单因子潜在生态风险指数30、60、120和240分别为轻度、中度、强、很强等级的阈值，区域多因子重金属综合潜在生态风险指数60、120、240和480分别为轻度、中度、强、很强等级的阈值。

1.5 数据处理

采用SPSS统计软件进行数据处理及相关性、显著性分析。

2 结果与分析

2.1 重金属分布特征及污染评价

由表1可以看出，兴凯湖地区沼泽与森林土壤7种重金属中仅Cd含量超标严重，沼泽和森林土壤Cd含量超过《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）[19]Ⅱ级标准值比例分别为95.33%和61.00%，沼泽和森林土壤超过黑龙江省背景值[16]比例分别为581.40%和461.63%；超过国家背景值[16]比例分别为504.12%和397.94%，其他6种重金属含量均低于黑龙江省和中国土壤背景值，且均未超过《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）Ⅰ级标准值。对2种土壤类型7种重金属的平均值比较分析表明，森林土壤As含量高于沼泽土壤，是沼泽土壤含量的2倍，其他6种重金属含量均低于沼泽土壤，其中沼泽土壤Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和Pb含量分别为森林土壤含量的1.2、3.7、3.8、5.2、1.7和1.4倍。在龙窝湖湿地、太阳垾湿地等大量研究中亦出现过土壤重金属Cd含量超过土壤环境Ⅱ级标准现象[13，20]。不同类型土壤成土母质存在较大差异，从而导致不同类型土壤中重金属含量存在差异。同时，湿地在淹水条件下形成还原状态，大多数重金属易形成硫化物沉淀，活动性小，从而更容易在表层累积[21]。因此，本研究中沼泽土壤除As外，其他6种重金属含量均高于森林，但是As的环境行为与其他重金属相反，不会形成硫沉淀，并且在强还原状态下，还可能被微生物活动转化为AsH3进入大气[22]，导致积水较深时湿地土壤As含量较低，所以出现本研究森林土壤As含量高于沼泽土壤。土壤中重金属除源于其母质外，主要来源于工业、农业、交通、大气沉降等[23，24]，该区域矿业开采以煤炭为主，其他产生重金属污染的工业生产相对较少，且主要分布在城市及其周边，对土壤重金属污染较小，因此，地质来源对该区域土壤重金属元素具有重要影响[25]。同时，调查样地位于公路附近，交通污染及人类旅游活动将在一定程度上增加土壤重金属污染的生态风险，因此，在大力发展当地旅游业时应兼顾重金属在土壤中的累积。endprint

重金属元素含量变异系数可以反映元素在该区域分布和污染程度的差异，变异系数越大，说明区域各采样点在总体样本中平均变异程度越大[26，27]，本研究中7种重金属元素变异系数幅度为2.62%～481.52%，其中沼泽湿地以As、Cd变幅显著，As为68.35%～121.43%，Cd为24.74%～39.25%，空间分布差异明显，其他元素空间分布比较均匀，变异系数较小，由大到小依次为As、Cd、Zn、Pb、Ni、Cr 、Cu。森林土壤7种重金属变异系数均较大，由大到小依次为As、Ni、Cd、Pb、Cu、Zn、Cr，其中以As、Pb和Cd變幅较大，这说明森林土壤元素空间分布不均匀（表1）。

2.2 土壤重金属之间及其与土壤化学性质指标的相关性

土壤重金属污染物的来源途径可能是相同，也可能是多种途径的，而同一来源土壤重金属元素之间通常存在一定的相关性，此种显著相关性说明元素之间一般具有同源关系或存在复合污染[14，28]。为探讨不同类型土壤中各种重金属的来源和迁移，对2种土壤类型重金属元素之间及其与土壤化学性质指标间进行相关性分析。Person相关分析结果表明，沼泽土壤Cu与Cd呈显著正相关；森林土壤Cd与Pb呈极显著正相关，森林土壤Zn与Cu和Cr均呈显著正相关，其他重金属之间均无显著相关性，这说明Cu与Cd、Cd与Pb、Zn与Cu和Cr间可能分别存在相同的来源和相似的化学行为。重金属元素的地球化学行为与土壤理化性质相关[29]，沼泽土壤Ni与碱解氮间呈极显著负相关；森林土壤Zn与土壤速效钾间呈显著正相关，森林土壤Pb与碱解氮间呈显著正相关，其他重金属与土壤化学指标之间无显著相关性（表2）。

2.3 土壤重金属的潜在生态风险评价

如表3所示，以黑龙江省土壤背景值[16]作为参比值，沼泽和森林土壤不同重金属元素对土壤污染贡献率存在差异，但沼泽土壤和森林土壤Cd潜在生态危害系数均处于强的水平，重金属总污染贡献率均为Cd最大，其他元素的潜在生态危害系数远低于轻微的危害指标。Cd的很强的污染等级直接导致沼泽和森林土壤综合潜在生态风险指数贡献率达91.01%和91.71%，最终导致沼泽和森林土壤重金属污染均达到强潜在生态风险。因此，兴凯湖沼泽和森林土壤总体处于强污染状态，存在强潜在生态风险，而引起土壤重金属严重污染主要贡献者为Cd。

3 小结

通过对兴凯湖地区天然沼泽及森林土壤7种重金属元素含量的统计分析和对土壤重金属污染状况和潜在生态风险的评价，得出以下结论。

1）除了森林土壤As含量是沼泽含量的2倍外，其他6种重金属含量均低于沼泽土壤。沼泽和森林土壤Cd含量超过《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）Ⅱ级标准值比例分别为95.33%和61.00%，其他6种含量均未超过《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）Ⅰ级标准值。

2）7种重金属元素变异系数幅度为2.62%～481.52%，其中沼泽以As、Cd变幅显著，空间分布差异明显，其他元素变异系数较小，空间分布比较均匀，变异系数由大到小依次为As、Cd、Zn、Pb、Ni、Cr、Cu。森林土壤变异系数由大到小依次为As、Ni、Cd、Pb、Cu、Zn、Cr，以As、Pb和Cd变幅较大，空间分布不均匀。

3）重金属元素间及其与土壤化学性质间相关性分析结果表明，沼泽土壤Cu与Cd呈显著正相关；森林土壤Cd与Pb呈极显著正相关，Zn与Cu和Cr均呈显著正相关。沼泽土壤Ni与碱解氮间呈极显著负相关；森林土壤Zn和土壤速效钾间呈显著正相关，Pb与碱解氮间呈显著正相关。

4）沼泽和森林土壤整体表现为强潜在生态风险等级，Cd是潜在生态风险的主导因子，其贡献率为91.01%和91.71%，其余元素都处于低生态风险等级，对潜在生态风险贡献很少。因此，兴凯湖地区沼泽和森林应采取一定的措施防控土壤Cd污染。

参考文献：

[1] 王仁春，苑泽宁，焉申堂.黑龙江省兴凯湖湿地生态效益补偿研究[J].中国林业经济，2016（5）：100-103.

[2] 谭迎春.全面治污还兴凯湖一泓清水[N].黑龙江日报，2015-09-01.

[3] 曾 涛.兴凯湖湿地生态旅游资源评价、监测与开发研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[4] BAI J H，HUANG L B，YAN D H，et al. Contamination characteristics of heavy metals in wetland soils along a tidal ditch of the Yellow River estuary，China[J].Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2011，25（5）：671-676.

[5] RAMOS-MIRAS J，ROCA-PEREZ L，GUZM？魣M-PALOMI M，et al. Back-ground levels and baseline values of available heavy metals in Mediterranean greenhouse soils （Spain）[J].Journal of Geochemical Exploration，2011，110：186-192.

[6] STEAD D K，WARD N L. Mobility of heavy metal within fresher water sediments affected by motorway stormwater[J].Science of the Total Environment，2004，334：271-277.endprint

[7] SUN Z G，MOU X J，TONG C，et al. Spatial variations and bioaccumulation of heavy metals in intertidalzone of the Yellow River estuary， China[J].Catena，2015，126：43-52.

[8] XIE Z L，ZHAO G S，SUN Z G，et al. Comparison of arsenic and heavymetals contamination between existing wetlands and wetlands created byriver diversion in the Yellow River estuary，China[J].Environ Earth Sci，2014，72：1667-1681.

[9] 王庆仁，刘秀梅，董艺婷，等.典型重工业区与污灌区植物的重金属污染状况及特征[J].农业环境保护，2002，21（2）：115-118，149.

[10] 姜菲菲，孙丹峰，李 红，等.北京市农业土壤重金属污染环境风险等级评价[J].农业工程学报，2011，27（8）：330-337.

[11] 霍莉莉.沼泽湿地垦殖前后土壤有机碳垂直分布及其稳定性特征研究[D].长春：中国科学院东北地理与农业生态研究所，2013.

[12] 于 丹，杨国亭，刘丽华.小兴凯湖的水生植被及其生态作用[J].水生生物学报，1992，16（1）：24-32.

[13] 杨艳芳，邵 婷，吕梦宇，等.龙窝湖湿地不同土地利用方式土壤养分和重金属污染特征[J].生态学杂志，2014，33（5）：1312-1318.

[14] 方 晰，唐志娟，田大伦，等.长沙城市森林土壤7种重金属含量特征及其潜在生态风险[J].生态学报，2012，32（23）：7595-7606.

[15] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control：A sediment ecological approach[J].Water Research，1980，14：975-1001.

[16] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[17] 徐争启，倪师军，庹先国，等.潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J].环境科学与技术，2008，31（2）：112-115.

[18] 任华丽，崔保山，白军红，等.哈尼梯田湿地核心区水稻土重金属分布与潜在的生态风险[J].生态学报，2008，28（4）：1625-1634.

[19] GB15618-1995，土壤环境质量标准[S].

[20] 王 波，冯昌伟，刘晓青，等.大阳垾城市湿地公园土壤重金属污染及生态风险预警评估[J].土壤通报，2013，44（2）：484-489.

[21] 王耀平，白军红，肖 蓉，等.黄河口盐地碱蓬湿地土壤-植物系统重金属污染评价[J].生态学报，2013，33（10）：3083-3091.

[22] 滕 葳，柳 琪，李 倩，等.重金属污染对农产品的危害与风险评估[M].北京：化学工业出版社，2010.

[23] TU C，ZHENG C R，CHEN H M. Effect of applying chemical fertilizers on forms of lead and cadmium in red soil[J].Chemosphere，2000，41：133-138.

[24] NOURI J，MAHVI A H，JAHED G R，et al. Regional distribution pattern of groundwater heavy metals resulting from agricultural activities[J].Environ Geol，2008，55：1337-1343.

[25] 曹宏杰，王立民，罗春雨，等.三江平原地区农田土壤中几种重金属空间分布状况[J].生态与农村环境学报，2014，30（2）：155-161.

[26] 王美青，章明奎.杭州市城郊土壤重金屬含量和形态的研究[J].环境科学学报，2002，22（5）：603-608.

[27] 秦鱼生，喻 华，冯文强，等.成都平原北部水稻土重金属含量状况及其潜在生态风险评价[J].生态学报，2013，33（19）：6335-6344.

[28] GAILEY F A，LLOYD O L L. Grass and surface soils as monitors of atmospheric metal pollution in central Scotland[J].Water，Air， and Soil Pollution，1985，24（1）：1-18.

[29] 王祖伟，李宗梅，王景刚，等.天津污灌区土壤重金属含量与理化性质对小麦吸收重金属的影响[J].农业环境科学学报，2007， 26（4）：1406-1410.endprint