衡水湖岸带重金属潜在生态风险评价及其对道路径流污染物的截留效应

王大安 张曼胤* 郭子良 王贺年 刘魏魏 王辽宏

(1 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；2 河北衡水湖湿地生态系统国家定位观测研究站，河北 衡水053000；3 中国电子工程设计院有限公司，北京 100036)

近年来，我国城市化的快速发展导致许多透水地面被改造成不透水地面，城市降雨径流已成为水体污染的三大污染源之一(Byeon et al, 2016;Schmidt et al, 1986)。城市道路作为城市不透水地面的典型代表，由于受到汽车尾气排放、轮胎刹车磨损、燃油及运输物品泄漏等原因，使得道路径流污染严重(张千千等, 2014)。

湿地岸带位于水生生态系统和陆生生态系统之间，具有显著的水质净化、保护岸坡稳定、维护生物多样性、调节微气候和提高湿地美学价值等作用(刘鸣等, 2013)。目前关于岸带对污染物的截留效应研究，多集中于植被类型和岸带宽度对污染物的截留效应，且多集中于岸带对农田面源污染的截留研究，针对湿地岸带对道路径流污染物的截留效应研究较少(Wu et al, 2017)。

以河北衡水湖国家级自然保护区东湖四周道路及北侧岸带作为研究区，通过多种评价方法，对衡水湖东湖四周道路和北侧岸带重金属污染状况进行评价，并在此基础上分析植被岸带对道路径流的截留效应，以期为衡水湖水污染来源分析和湿地岸带设计提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北衡水湖国家级自然保护区(37°31′40″～37°41′54″ N，115°27′50″～115°42′51″ E)地处华北平原中南部，面积187.87 km2，主要水体面积75 km2(王贺年等, 2019)。衡水湖地区属暖温带大陆性季风气候，年均气温13.0℃，年均降水量518.9 mm(魏圆云等, 2019)，夏季降雨集中且多暴雨，强降雨条件形成地表径流易将四周道路上的污染物带入湖内，造成水体污染。保护区依托衡水湖进行建设，被中湖大道分为西湖和东湖(张曼胤等,2007)，其中东湖四周环路，东侧为106国道，南侧为滨湖东路，西侧为中湖大道，东侧为101乡道和红旗大街。衡水湖北侧岸带为乔灌人工林岸带，宽度约40 m，坡度小于2°，栽植乔灌林前为耕地。

1.2 样品采集

(1)道路采样。如图1所示，在衡水湖东湖东、西、南、北4条道路上各选择2～3个点，利用毛刷扫取道路表面及路旁的降尘，同一条道路各采样点降尘混合后，获得4个样品，分别以道路东、道路西、道路南、道路北进行编号。

图1 衡水湖及采样点位置分布Fig.1 The location of Hengshui Lake and sampling points

(2)岸带采样。在衡水湖东湖北侧岸带(115°38′19.7″ E，37°39′24.91″ N)，垂直于道路和岸带的样线上，间距约10 m，均匀布设5个采样点，由公路排水渠与路基交点至岸带与水面相连位置采样点依次编号1、2、3、4、5。每个采样点利用环刀分0～10 cm和10～20 cm上下两层采样，以采样点1为例，上下两层土样分别编号岸带1-1和岸带1-2。

1.3 样品测定

采用原子吸收光谱法测定样品中铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)和锌(Zn)的含量；利用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定样品中铁(Fe)和锰(Mn)的含量；利用重络酸钾容量法测定样品中有机碳的含量；利用紫外可见分光光度法测定样品中全磷的含量；利用凯氏定氮法测定样品中全氮含量。

1.4 评价方法

土壤重金属污染评价方法很多，主要有单因子指数法(Pi)、地质累积指数法(Igeo)、内梅罗综合污染指数法(P综)、富集因子法、模糊综合评判法和Hakanson潜在生态危害指数法等(柴立立等，2019)。本研究采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和地质累积指数法对道路降尘和岸带重金属污染程度进行评价，具体公式见河北省地方标准(2015)和王贺年等(2020)，土壤环境质量评价分级见表1。采用Hakanson潜在生态危害指数法，对岸带潜在生态危害程度进行评估，具体公式见刘利等(2020)，土壤重金属潜在生态危害风险分级见表2。

表1 土壤环境质量评价分级Table 1 Classification form of soil environmental quality evaluation

表2 Hakanson潜在生态危害指数法污染程度划分Table 2 Classification of pollution degree under Hakanson's potential ecological hazard index method

1.5 数据处理

采用Excel 2016软件处理实验数据，并利用多个指数进行重金属污染程度评价。利用SPSS 18.0软件，采用Pearson相关系数对重金属含量进行相关分析；采用配对样本T检验，对两个土层的重金属含量进行差异性分析。采用Origin 8.1软件绘图。

2 结果与分析

2.1 重金属含量及污染现状

由表3数据可知，道 路Pb、Cd、Zn、Fe 4种重金属含量分别为37.0 mg/kg、0.26 mg/kg、129.23 mg/kg、34.0 g/kg，均超过了河北省重金属含量背景值(中国环境监测总站, 1990)。道路Cr(94.6 mg/kg)和Mn(655 mg/kg)含量均有1个样品超过河北省背景值(分别为68.3 mg/kg、608 mg/kg)，Ni和Cu重金属含量均低于河北省背景值。

表3 各样点重金属元素含量Table 3 Contents of heavy metal elements in various sampling sites

岸带土壤仅Cd含量(0.10 mg/kg)超过河北省重金属含量背景值(0.09 mg/kg)，其余7种重金属含量均低于背景值。靠近公路排水渠的第1个采样点，表层土样Pb含量(23.6 mg/kg)超过背景值(21.5 mg/kg)，第1、2个采样点表层土样Zn含量(分别为84.5 mg/kg、83.8 mg/kg)超过背景值(78.4 mg/kg)。

参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618-2018)》，道路降尘和岸带土壤所有重金属含量均低于农用地土壤污染风险值(表3)。

2.2 岸带重金属之间的关系及其与土壤理化指标的关系

由表4可以看出，岸带土壤Pb含量与土壤有机碳、全磷、全氮含量呈显著正相关(n=10，P＜0.01)；Cd含量和Zn含量与土壤有机碳、全氮含量(n=10，P＜0.01)和全磷含量(n=10，P＜0.05)呈显著正相关。Pb含量分别与Cd含量和Zn含量(n=10，P＜0.01)呈显著正相关，Pb、Cd素和Zn含量可能具有相似的来源。

表4 岸带重金属元素含量之间及其与理化指标的相关系数Table 4 Correlation coefficients between contents of the heavy metal elements, and with physico-chemical indexes in the riparian zone

2.3 重金属生态风险评价

由表5可知，道路Pb和Cd重金属单因子指数均值超过1，说明道路降尘中存在轻微的Pb污染和Cd污染。岸带土壤单因子指数≤0.7，不存在重金属污染。

表5 道路及岸带单因子指数Table 5 Single factor indexes of roads and riparian zone

由表6可知，道路降尘Pb、Cd和Zn内梅罗指数大于1，说明道路降尘中存在轻微的Pb、Cd和Zn污染。岸带土壤0～10 cm和10～20 cm所有重金属内梅罗指数＜0.7，不存在重金属污染。

表6 道路及岸带内梅罗指数Table 6 Nemerow index of roads and riparian zone

由表7可知，道路降尘中Pb、Cd、Zn 3种重金属的地质累积指数＞0，说明道路降尘中存在轻微 的Pb、Cd和Zn污 染。岸带0～10 cm、10～20 cm和0～20 cm土壤重金属地质累积指数＜0，说明岸带土壤整体不存在重金属污染，但Cd在靠近道路排水渠的第1、2采样点表层土样和Zn在靠近道路排水渠的第1采样点表层土样地质累积指数＞0，表现出轻度的Cd和Zn污染。

表7 道路及岸带地质累积指数Table 7 Geological accumulation index of roads and riparian zone

由单因子指数、内梅罗指数和地质累积指数综合分析可知，衡水湖四周道路存在轻微的Pb、Cd和Zn污染，北侧植被岸带在靠近道路排水渠10 m范围内，表层土壤存在轻微的Cd和Zn污染，深层土壤和靠近湖泊水面的土壤不存在重金属污染。

由表8可以看出，道路和岸带土壤各重金属的潜在生态危害系数均值＜40，且各样点的潜在生态风险指数＜150，表明衡水湖道路降尘和岸带重金属的潜在生态风险为轻微。但值得注意的是靠近道路排水渠的样点潜在生态风险指数要高于靠近湖泊水面的采样点。

表8 道路及岸带潜在生态风险指数Table 8 Potential ecological risk indexes of roads and riparian zone

2.4 植被岸带对重金属元素的截留效应

由图2可知，岸带土壤存在Pb、Cd、Zn、Fe的轻度污染，其中表层土壤重金属含量随着远离公路表现出较明显的下降趋势，说明植被岸带在水平方向上对重金属有较好的截留效应。

图2 岸带不同采样点重金属含量Fig.2 Heavy metal content at different sampling points in riparian zone

植被岸带上下两层土壤重金属配对T检验结果表明，岸带下层土壤Cd和Zn含量显著低于表层土壤，表明岸带在垂直方向上对重金属有较好的截留效应(表9)。

表9 岸带不同土壤深度重金属样品T检验Table 9 T-test of heavy metal samples at different soil depths in riparian zone

3 讨论

道路浮尘中的重金属一般来源于汽车尾气排放、轮胎刹车磨损、燃油及运输物品泄漏等原因。国外学者研究发现受刹车和轮胎磨损影响，道路径流中可溶态Cu、Zn、Pb和Cd等重金属含量较高（Drapper et al，2000；Toranjian et al，2017）。国内学者对多个城市研究表明Pb、Cd、Zn、Cr等重金属为道路径流中的主要污染物（甘华阳等，2000；李倩倩等，2011；王文全等，2011；赵剑强等，2002）。本研究通过多种指数分析表明，衡水湖四周道路存在轻微的Pb、Cd和Zn污染，这与国内外研究道路径流中主要重金属类型一致。

重金属含量之间的相关性，可以推测出重金属是否具有同源性(崔邢涛等，2016)。本研究中植被岸带Pb、Cd和Zn之间显著相关，说明3种重金属可能具有相同的来源，结合道路浮尘重金属检测结果，植被岸带中的重金属可能来源于道路径流中污染物的累积。

植被类型、生长季和岸带宽度等能够影响重金属的截留效应，土壤中的有机碳能够与重金属结合形成络合物，进而影响重金属的移动性和生物有效性（王蓓等，2016）。本研究岸带中Pb、Cd和Zn 3种重金属与土壤有机碳、全氮和全磷含量显著相关，而有机碳、全氮和全磷表现出水平方向和垂直方向的差异(图3)，这可能是导致3种重金属在水平方向和垂直方向含量降低的原因。

图3 不同采样点岸带土壤养分含量Fig.3 Nutrient content at different sampling points for the riparian zone

4 结论

(1)衡水湖四周道路降尘中Pb、Cd、Zn、Fe 4种重金属含量超过河北省重金属含量背景值。植被岸带土壤仅Cd含量超过背景值，表层部分土壤Pb和Zn含量超过背景值。

(2)结合单因子指数、内梅罗指数和地质累积指数分析，衡水湖四周道路存在轻微的Pb、Cd和Zn污染，岸带在靠近道路排水渠10 m范围内表层土壤存在轻微的Cd和Zn污染。

(3)岸带表层土壤Pb、Cd、Zn和Fe含量随着远离公路表现出较明显的下降趋势，岸带下层土壤Cd、Zn含量显著低于表层土壤，表明岸带在水平方向上和垂直方向上对重金属都具有较好的截留效应。