鄱阳湖南矶山典型湿地重金属铜含量及污染评价

马丹丹

(江西科技学院护理学院，江西南昌 330022)

铜是人类健康和植物生长的必需微量营养元素，是动植物体内多种酶的重要组成成分，参与各种代谢过程，但过高或缺乏均会对人体和植物产生有害影响。土壤是高度不均一的时空连续体，具有高度的时空变异性[1-2]。土壤铜污染主要来自铜矿及灌溉农田的冶炼废水。随着铜矿业的发展，大量铜废液流入土壤环境，进而影响动植物的正常生长和人类身体健康。因此，国内外学者对土壤铜元素的研究异常活跃，从不同角度对铜元素[3-5]的性质和稳定性等进行大量研究。因此，研究土壤铜元素的动态变化具有重要意义。

鄱阳湖是由赣江、抚河、信江、饶河和修河五大主要河流构成完整的水系，是我国最大的淡水湿地分布区之一，同时也是受人类活动影响天然湿地分布面积减少较快的区域之一。南矶山湿地是鄱阳湖最主要的湿地景观类型，是水陆相互作用的核心，分布在高漫滩、低阶地及沼泽性河流的分水线上，具有面积大、生物多样性丰富、环境梯度变化较大、对环境变化反应敏感等特点[6-7]，因此鄱阳湖湿地是研究湿地土壤铜污染动态变化理想的场所。目前，对铜污染的评价研究主要集中在水体、蔬菜和水果等方面[8-11]，而对鄱阳湖湿地潜在的土壤铜污染评价研究还鲜见报道。该研究拟对鄱阳湖南矶山湿地受不同强度人为活动干扰下土壤铜元素含量进行测定，评价其污染情况，以为潜在污染物的预防提供依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况鄱阳湖南矶湿地(116°10′24″～116°23′50″E，28°52′21″～29°06′46″N)位于江西省南昌市东北部，鄱阳湖主湖区的西南部，周围有常湖、流湖、菱湖、东湖、神塘湖等湖泊和草洲，随着季节性湖水落，一年一度水陆相互交替，因此具有典型的江南水乡泽国的地貌景观。保护区属亚热带湿润季风气候区，热量丰富，雨量充沛，无霜期长，四季分明。极端最高气温为40.2 ℃，极端最低气温为-9.8 ℃，年均气温为17.1 ℃，年均日照时数达1 970 h，年均降水量1 426. 4 mm，多集中在4—6月。每年夏季为丰水季节(4—9月)，水体面积大约为32 894 hm2，占整个保护区总面积的98.4%。秋冬季为枯水季节(10月—翌年3月)，水位退去，露出大小湖泊及洲滩。保护区多年最高水位为22.43～22.57 m，最低水位为9.59～11.02 m[12]。

1.2样品的采集与处理标准样地为江西省南昌市南矶山保护区退潮后即在2015年12月和2016年12月2个时期赣江与饶河交汇处的中湖池样点的典型湿地土壤，根据不同的植物带确定样方布点采集土壤样品，采用系统随机抽样和典型抽样相结合的方法，即在离赣江西支水边大概400 m的草洲，从低到高在高程为1～4 m的典型植物带内每隔100 m取一个样，这4个典型植物群落分别为：湖底、苔草和荸荠群落、藜蒿和苔草群落及荻和藜蒿群落。同一植物群落类型每隔5 m左右采取3个(1 m×1 m)样方作为重复，每个样方根据土壤的发生层取垂直的土壤剖面样品，土样深10 cm，2次采样4个植物群落类型，3次重复，共计24个样品，每份样品1 000 g左右。样品采集后送回实验室，铺于干净纸上置阴凉通风处风干，剔除各种杂物，辗碎、磨细，将土样在105 ℃左右的烘箱中烘干2 h，过60目筛，并存储试剂瓶待测。

1.3试验方法土壤试样的消化：称取经105 ℃烘干(过60目筛)土样0.500 0～1.000 0 g于30 mL聚四氟乙烯坩埚内，加几滴蒸馏水湿润，加10 mL HF，加5 mL 1∶1 HClO4-HNO3混合液，低温消化(100 ℃以下)1 h后，升高温度(低于250 ℃)继续消化至HClO4大量冒烟，再加5 mL HF和5 mL HClO4-HNO3混合液，消化至HClO4大量冒烟并至干，再加5 mL HNO3消化至干，加2 mol/L盐酸溶液5 mL加热溶解，定容至25 mL，待测[13]。

1.4地积累指数法及其评价地积累指数Igeo(geoaccumulation index)是20世纪60年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标，尤其用于研究现代沉积物中重金属污染的评价。选择普通页岩的平均值作为重金属元素的地球化学背景值。其表达公式为：

Igeo=log2[Cn/1.5Bn]

式中，Cn为样品中元素n的浓度；Bn为地球化学背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响因素。

Forstner[14]将地积累指数分为7个级别，Igeo值与重金属污染水平关系如表1。

2 结果与分析

2.1不同群落类型土壤Cu含量特征从表2可以看出，对2015年和2016年2年土壤Cu含量的比较来看，不同群落类型土壤Cu含量2016年均高于2015年，其中湖底增幅最高，为38.39%，苔草和荸荠群落增幅最低，为19.53%，说明土壤Cu污染加剧。2015年的样品土壤Cu含量变化范围为41.26～48.58 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg[15]，超过土壤环境质量标准值[16]，其中以苔草和荸荠群落土壤类型最高，为48.58 mg/kg，其次为藜蒿和苔草群落类型、荻和藜蒿群落类型，分别为48.53和45.61 mg/kg，湖底土壤Cu含量最低，为41.26 mg/kg。2016年土壤样品Cu含量57.10～64.10 mg/kg，与2015年的群落类型规律并不完全一致，其大小顺序为：藜蒿和苔草群落>荻和藜蒿群落>苔草和荸荠群落>湖底。另外，不同群落类型和采集时间的土壤Cu含量变异系数均较小，在0.91%～8.14%。

表1 地积累指数与污染程度

表2 南矶山湿地不同植物群落类型土壤铜含量

2.2地积累指数法及其评价地积累指数法(Igeo)主要用来评价沉积物中重金属污染情况，该研究的Cu含量背景平均值，其值为4.75 mg/kg[15]。不同群落类型土壤Cu含量、地积累指数及其分级如表3所示。从表3可以看出，2016年地积累指数土壤样品均高于2015年。2015年以湖底土壤Igeo值最低，为2.576，苔草和荸荠群落Igeo值最高，为2.771；2016年土样地积累指数为2.983～3.176。从这2年土样样品Cu地积累分级指数可以看出，基本在2～3(表3)，污染强度属于中等-强污染区域。

表3 各样点铜地积累指数及分级

3 讨论

2015年和2016年不同群落类型土壤Cu含量在41.26～64.10 mg/kg，均高于背景值4.75 mg/kg，超过土壤环境质量标准值[16]。2016年的Cu含量均比2015年的要高，且铜元素的污染程度以19.55%～38.39%的速度在增加。对比2年所得结果发现，同一植物群落类型土壤Cu含量变化规律并不一致，其原因可能是2016年水位较2015年要高。对同一年度土壤Cu含量，以湖底增加最高，其原因主要是由于上游砂石无序开采以及生活垃圾所导致的。如一些矿区大面积密集和废石堆中铜元素顺水而下形成，并且铜元素的浓度主要与砂石的开采、残存铜元素的扩散以及生活关系密切[17]，以致深层土壤的铜被挖掘起来，在丰水期顺流而下被湖底枯枝夹带并长期堆积而造成铜元素的富集。在自然界中铜常伴生于铁、汞、铅、锌等有色金属的硫化物矿床中，日常用品中如采砂船、电线、铜钥匙、铜刀、电池等含有大量的铜。以苔草和荸荠群落土壤Cu含量增加较缓，可能是荸荠根部庞大部分对Cu元素的积累，缓减其含量的增加。

铜含量2次采样时最低值均出现在湖底，分别为41.26和57.10 mg/kg，最高值则出现在苔草和荸荠群落、藜蒿和苔草群落，这2个群落类型都是湖水和岸地的过渡区域。较低水位和岸地Cu元素浓度高，说明Cu元素的浓度主要与水位高低有着密切的空间依存关系，其原因可能是高水位的丰水期较短，水体中的铜元素在此停留时间较短，而且在常年的风化淋滤过程中迁移到下中水位的土壤中，造成高水位铜富集较少。而低水位因水一直在流动，铜元素还没有来得及富集就被水冲走，所以在低水位偏低。

近年来，国内外的科学家从沉积学角度提出重金属污染评价的多种方法，如地累积指数法(Igeo)和潜在生态危害指数法(PERI)等[18]。该研究采用地累积指数法，结果表明2016年土壤样品比2015年高，2015年湖底土壤Igeo值最低，为2.576，苔草和荸荠群落Igeo值最高，为2.771；2016年土样地积累指数为2.983～3.176，并且从低水位到高水位有先增后降的变化趋势。从这2次所采土样的分析得出，Cu元素地积累分级指数基本在2～3，污染强度属于中等-强污染区域。

4 结论

现阶段鄱阳湖南矶山保护区重金属Cu污染依然较重，铜的污染程度仍在加剧，尤其是苔草和荸荠群落、藜蒿和苔草群落土壤污染更加显著，富营养化严重。从2015年和2016年2次所采土样分析结果看，Cu元素地积累分级指数基本在2～3，污染强度属于中等-强污染区域，因此需要引起高度的重视。治理鄱阳湖，改善鄱阳湖环境，必须减少鄱阳湖外源铜元素的输入，同时对内源铜元素的产生机制进行合理的研究，使得内源铜元素的产生得到有效遏制。最终使鄱阳湖沉积物中的铜含量控制在合理的水平，这对改善鄱阳湖水质、治理整个鄱阳湖流域的生态环境具有重要意义。