高原城市梯级湿地底泥重金属时空分布及生态风险评估才项措

毛周强 毛旭锋

摘要 为探究城市梯级湿地构建后，底泥重金属的时空分布及其潜在的生态风险，运用地累积指数法分析了西宁市火烧沟城市湿地构建8年后底泥中5种重金属的污染状况，并采用Hakanson潜在生态危害指数法，评估了2018年湿地底泥的污染风险等级，探讨了潜在的影响因素。研究发现，时间上，2018年底泥中多数重金属元素平均含量相较2012年的监测结果有下降趋势，总体处于中度或轻度污染水平;空间上，上游湿地阶梯G与H中As、Cd与Pb浓度较高，而下游湿地阶梯A、B、C中Cr与Zn的浓度较高;综合潜在生态危害指数表明，重金属元素Cd处于很高生态风险水平，且生态危害指数最高值处于湿地上游段。该研究可为高原城市湿地管理和风险防控提供参考依据。

关键词 湿地;重金属;时空分布;风险评价;火烧沟

Abstract To explore the spatial and temporal distribution of heavy metals in the sediment and their potential ecological risks after the construction of urban cascade wetland， cumulative accumulation index and Hakanson potential ecological hazard index were utilized to analyze their pollution status and potential ecological risk degrades after 8 years of operation. Research showed，temperally，the average content of heavy metals in the sediments in 2018 presented a downward trend compared with the monitoring results in 2012，and the overall was in the level of mild or moderate pollution;spatially，the peak concentrations of As，Cd and Pb appeared in the upstream wetland（G and H），while the peak concentrations of Cr and Zn appeared in the downstream wetland （A，B and C）;the comprehensive potential ecological hazard index indicated that the heavy metal Cd was at the high ecological risk level. And the highest value of the ecological hazard index was in the upper reaches of the wetland. This study could provide a reference for plateau urban wetland management and risk control.

Key words Wetland;Heavy metal;Temporal and spatial distribution;Risk assessment;Huoshaogou

城市湿地是指城市区域内具有水陆过渡性质的生态系统，如水源保护区、河岸、自然和人工池塘等[1]。城市湿地作为城市绿地生态系统的重要组成部分，是城市生态资源最丰富的区域，在降解污染物、涵养水源、调節气候、保护生物多样性等方面发挥了重要作用[2]。重金属作为一种持久有毒性的污染物，进入土壤和植物后难以被生物降解，并可以通过人体直接接触、地面扬尘、被人体直接吸入、食物链等途径影响人体健康[3-4]。

随着城市化进程的加快和人口的增加，城市湿地受到了人类活动的强烈干扰，伴随着工业化的发展，工业“三废”、城市交通运输、居民生活垃圾等的排放、土地利用变化等使重金属进入空气、土壤和水体之中，通过大气沉降、雨水冲刷等在沉积物中沉积并逐渐富集。底泥作为水生生态环境的重要组成部分，在为水生动植物生长提供基本养分的同时也是各种污染物富集的场所，通过检测底泥中污染物的含量可以反映其水体的污染程度[5]。随着城市湿地被过度开发利用，湿地生态环境质量变差，水体、动植物和土壤受到污染。关于城市湿地的生态保护、修复及可持续利用等方面的研究结果表明，我国城市湿地存在水质污染、面积缩小、水土涵养功能退化、生物入侵及严重的富营养化等问题[6-7]。近年来关于城市湿地水体沉积物重金属污染问题越来越受到国内外学者的关注。

目前，国内关于城市湿地重金属风险评价的研究多集中于人口密集以及工业和经济较为发达的地区，以地累积指数法和潜在生态危害指数法为主要评价方法[8]，分析湿地水体沉积物中不同重金属的来源、污染现状、空间分布以及生态风险评价等[9-11]。针对高原城市湿地沉积物中重金属含量开展的研究较少，西宁市作为青藏高原最大的城市，是青海省的政治、经济、文化中心，随着城镇化速率的加快，人类活动对湿地生态环境的影响日益加剧。该研究以青海省西宁市火烧沟湿地为对象，通过采集火烧沟湿地九级阶梯底泥、动植物样本，测定并分析了沉积物中重金属As、Cd、Cr、Pb和Zn含量，分析其时空分布特征并采用潜在生态危害指数对火烧沟湿地底泥进行生态风险评估，以期掌握火烧沟湿地底泥重金属的污染现状，为高原城市湿地生态修复和保护提供基础资料和决策依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

火烧沟湿地位于青海省西宁市城西区中部，沿南北向分布的狭长沟谷，沟道总长约20 km，在城西区内长度约9 km，属于湟水一级支流，黄河的二级支流，海拔2 243～2 340 m，年平均气温4.9 ℃，年平均降水量379 mm，属大陆性高原半干旱气候，发育高山地貌和第四纪黄土沟谷，湿地植物以小香蒲、芦苇、穿叶眼子菜和角果藻为主。

火烧沟植被稀疏，水土流失严重。2010年市政府对火烧沟进行了综合治理，将火烧沟下游的城市河道改造成为9级人工阶梯湿地，通过土地整理、水文修复、河岸改造、湿地植物补植等措施对该湿地进行生态环境修复。经过多年的生态恢复，植被覆盖度提高，水土流失减少，火烧沟湿地已经成为西宁市区重要的湿地景观。然而，火烧沟梯级湿地在提供净化水体、休息娱乐的同时，底泥中大量富集包括重金属在内的污染物质，其潜在的生态风险也不断加大[12]。对其重金属进行持续分析和监测，才能有效控制其生态环境风险，保证湟水乃至黄河的生态安全。

改造后的湿地全长2.8 km，河流均深0.7 m，由上到下共分为9级，每一级由高2～5 m的拦河坝隔开，海拔最低为河流下游区域A，最高为河流上游区域I。湿地周边主要分布有居民区、商业区、道路和绿化带，其中阶梯A、B、D、E、F两侧主要为植被绿化带，阶梯A、D、G、H内有城市主干道穿插而过，9级阶梯两侧均分布有居民住宅楼（图1）。

1.2 样品采集与处理

样品采集于2018年9月，每个阶梯中均布设2～4个平行样，底泥选取每个阶梯中人类活动较弱、底泥质地均一的区域进行采集，将底泥表层2～5 cm样品采集后，放入干净的自封袋中并标以记号，送往实验室分析。所有样品在105 ℃下烘烤30 min后，在烘干箱内80 ℃条件下烘干至恒重，然后将底泥、植物样品磨碎过筛（100 mm），装袋封存，标号待测。

1.3 样品分析与数据处理

湿地底泥中的重金属元素Cd、Cr、Pb、Zn、As含量测定均依据GB/T 1561—2008（修订版）中规定的电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[13]。数据采用Origin进行处理与分析，采用IBM SPSS statistics 19软件对数据进行相关性分析，底泥中的Cd、Cr、Pb、Zn和As的平均值、最小值、极差、变异系数等采用Excel 2010进行统计处理。采用重金属潜在生态危害指数法来评价重金属污染状况，并分析每种重金属含量在湿地阶梯的分布特征。

1.4 数据评价方法

1.4.1 地累积指数法。

2 结果与分析

2.1 底泥重金属的时空分布特征

2.1.1 总体情况。研究区内湿地底泥As、Cd、Cr、Pb、Zn平均含量分别为7.50、0.82、95.19、16.39和143.28 mg/kg（表2）。其中重金属元素Cd的平均含量大于西宁市土壤背景值，还超过了国家二级标准值;重金属元素Cr与Zn的平均含量超出西宁市土壤背景值，但未超过国家二级标准;重金属元素As与Pb的平均含量均未超出西宁市土壤背景值与国家二级标准。变异系数为反映数据离散程度的数值，可以比较不同量纲的指标[17]。将变异系数划分为3个等级，分别为高度变异（CV>0.36）、中等变异（0.16

2.1.2 底泥重金属的空间分布特征。因受不同的自然环境和人类活动影响，湿地不同区域土壤重金属在水平方向上分布差异显著[20]。火烧沟城市湿地底泥重金属的分布存在差异，为探究其空间分布的特点与规律，对不同重金属9级阶梯含量进行空间分布研究（图2）。重金属元素As在9级阶梯中呈现从下游至上游逐步增多的趋势，在阶梯H中分布最多，在阶梯C中分布最少;重金属元素Cd与Pb在9级阶梯中分布趋势相似，在阶梯E与F中分布较少，在湿地上游阶梯G与H中較为集中，主要分布在居民区与道路两侧;重金属元素As、Cd与Pb在阶梯中从下游至上游总体呈现上升趋势，在上游地区含量较高，说明其污染源分布在上游地区。重金属元素Cr与Zn在空间分布上也呈现相似性，其含量在阶梯中呈现出高—低—高的趋势，在阶梯E与F中含量较低，总体上呈现下降趋势，且含量较低区域两侧居民区较少，多为绿化带。

2.1.3 底泥重金属的动态变化。受湿地水环境变化和人类活动等影响，土壤重金属含量表现出明显的时间变化特征[20]。将2012年与2018年火烧沟湿地重金属元素As、Cd、Cr、Pb、Zn的平均值进行对比[11]，由表3可知，火烧沟城市湿地As、Cr、Pb、Zn这4种重金属元素含量近年来呈现减少的趋势，一方面可能是湿地内大量植被形成阻隔，减少了交通、大气沉降等带来的重金属输入;另一方面可能由于种植的湿地植被吸收了部分重金属物质[21]。同时值得注意的是，与2012年相比，重金属元素Cd的浓度增加至2倍，呈现明显上升趋势。元素Cd污染主要来源于大气中Cd的沉降和污水灌溉，有研究表明元素Cd在西宁市开发区和矿治区的活性相对其他功能区较高，说明火烧沟湿地上游地区的工厂、湿地两侧交通干道汽车汽油的燃烧和轮胎磨损产生的含Cd粉尘可能是其主要污染源[22-23]。元素Cd的空间分布显示上游地区污染最重，其次向外逐渐减弱，说明受上游工厂污水排放的影响较大。

2.2 底泥重金属地累积指数污染评价

根据公式（1）计算火烧沟湿地底泥地累积指数得出，火烧沟湿地底泥中重金属Igeo数值总体在-2.37～2.93（表4），重金属元素As与Pb的地累积指数显示其在9个阶梯中为无污染;元素Cd在阶梯E中为无污染，阶梯F为轻度污染，在9个阶梯中有5个阶梯属于偏中度污染，阶梯G与H属于中度污染，其中在阶梯H中地累积指数最高;元素Cr在阶梯A、B、D中显示为轻度污染，其余6个阶梯均为无污染;元素Zn在阶梯C中显示为偏中度污染，其余8个阶梯均显示为轻度污染。总体上，火烧沟城市湿地底泥重金属元素As与Pb的Igeo值显示其在9级阶梯中无污染;元素Cd在阶梯H、G中显示中度污染，污染程度最高;其余元素均呈现偏中度或轻度污染。

2.3 底泥重金属潜在生态风险评估

根据公式（2）、（3）计算火烧沟城市湿地底泥单个重金属的潜在生态危害指数（Eir）及重金属元素As、Cd、Cr、Pb及Zn在9级阶梯中的综合潜在生态危害指数（RI）。

火烧沟湿地底泥单个重金属的潜在生态危害指数（Eir）从大到小排序为Cd（163.12）、As（6.25）、Pb（3.73）、Cr（2.57）、Zn（2.39）（表5）。元素Cd的潜在生态危害指数最大，平均值为163.12，为很强生态危害水平，这说明元素Cd在研究区内污染程度较重;元素As、Cr、Pb与Zn的潜在生态危害指数显示其均为轻微生态危害。

重金属元素As、Cd、Cr、Pb与Zn在9级阶梯中的综合潜在生态危害指数（RI）排序为H（364.80）、G（352.70）、I（181.60）、A（150.20）、C（140.40）、B（139.50）、D（125.30）、F（98.43）、E（49.62）（表5），阶梯H与G污染程度最大，属于强生态危害;阶梯A与I为中等生态危害。阶梯A、H、G、I处于高生态危害主要与元素Cd含量超标相关，元素Cd在这4个阶梯的污染较高，可能与其周围为居民住宅区且上游有工厂有关;阶梯B、C、D、E、F为轻微生态危害。总体上，火烧沟9级阶梯湿地底泥重金属潜在生态危害程度主要受重金属元素Cd影响。

2.4 底泥重金属相关性

在同一区域内，土壤重金属污染物的富集有可能是同一种污染源导致，也可能是多种污染源共同作用产生，具有相同污染来源的重金属之间存在一定的相关性[24]。城市湿地中的重金属主要来源于大气降尘、生活污水、汽车尾气及工业三废的排放等，人类活动越频繁的区域湿地重金属累积越严重，但湿地中多种水生植物对重金属具有吸收和富集作用[25]。探究城市湿地底泥中各种重金属元素间的相关性，可以了解其沉积环境，有利于重金属元素污染来源的研究。该研究采用Pearson相关系数对采样点底泥各重金属元素含量进行分析，来推测火烧沟城市湿地各重金属的主要来源。Pearson相关系数表明相关性越显著，来源于同一污染源的可能性越大，否则存在多个污染源[5]。

由表6可知，底泥重金属元素Cr与Cd、Cr与Zn之间均存在显著正相关（P<0.05），相关研究表明重金属元素Cd、Zn受道路交通影响较大，车流量越大，重金属越富集[26];Pb与其他元素之间没有明显的相关性，可能來自多个污染源。底泥中元素As的含量未超过青海平均值与国家平均值，说明元素As以自然沉积为主。

3 结论

火烧沟湿地底泥中重金属元素平均含量从大到小依次为Zn、Cr、Pb、As、Cd。但Cd的平均含量超出西宁市土壤背景值和国家二级标准，且显示为高度变异，可能存在点源污染;Cr与Zn的平均含量超出西宁市土壤背景值，As与Pb的平均含量均未超出。

（1）对火烧沟湿地时空分布分析得出，2012—2018年火烧沟湿地底泥重金属除元素Cd以外其余元素含量均有所减少，元素Cd含量是2012年的2.10倍，空间上重金属多分布于湿地上游地区，受人为扰动因素较大。

（2）地累积指数评价显示重金属元素Cd在阶梯G与H中污染最高，显示为中度污染;Cd的潜在生态危害指数为最高，阶梯G与H显示为强生态危害。人类活动是影响湿地生态环境的主要因素，针对湿地中污染较高的元素，应该采取相应措施减缓重金属污染。

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