湿地土壤重金属的研究及进展

赵 津

(烟台市莱阳环境监控中心,山东 烟台 265200)

湿地是位于陆生生态系统与水生生态系统之间的过渡地带,具有独特的生态环境调节功能,是全球三大生态系统之一,在维持生物的多样性、降解污染物质、抗旱、防洪以及调节气候等方面具有其他生态系统不可替代的作用[1]。湿地一般位于地势比较低洼的地区,容易接收来自河流等污染物质的输入,因此,随着环境问题的日益增加及突出,保护湿地以及保持湿地生态系统的可持续性的发展已经成为社会的热点。在许多情况下,湿地担任了重金属储存库的重要角色[2]。但是当重金属的含量超过湿地所能容纳的环境的容量时,湿地就会逐渐的变成重金属的提供者,从而危害生态环境的稳定性。湿地的研究已经逐渐成为许多国内外研究学者研究的热点领域。湿地的定义,国际《湿地公约》这样给出,“不问其为天然的或人工的、长久的或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带、静止的或流动的、淡水、半咸水、咸水体,包括低潮时水深不超过6m的水域。还可包括与湿地毗邻的河岸和海岸地区,以及不位于湿地内的岛屿或低潮时水深超过6m的海洋水体”[3]。

重金属由于其在环境中的难降解性、毒性、生物富集性等地球化学特征,被认为是严重的污染物质,具有潜在的生态危害性[4-7]。重金属的存在、迁移和转换,可能会对土壤、水体、沉积物等产生严重的重金属污染,并且会对人类、动物、植物和其它生物产生持久性的潜在风险性[8-9],重金属在土壤中的积累可能会给周围环境带来比较严重的环境问题。

1 不同类型湿地重金属的研究

湿地根据成因分为天然湿地和人工湿地两大类,天然湿地分为滨海湿地、河流湿地、湖泊湿地和沼泽湿地4类[10]。

1.1 滨海湿地

滨海湿地是位于海洋与陆地之间的过渡地带,研究滨海湿地的变化,可以为近海岸的湿地生态环境保护及湿地生态系统的保护提供依据[11]。刘志杰等[12]对黄河三角洲滨海湿地表层沉积物进行了分析,发现黄河三角洲湿地的主要的潜在生态风险因子是重金属Cd,这一结果与姚新颖[13]对黄河三角洲湿地土壤重金属的研究分析得出的结果是一致的。马香菊等[14]对天津临港滨海湿地公园重金属进行了监测,发现Cr、Cu、Zn和Cd不同程度超过我国土壤环境背景值。

1.2 河流湿地

河流湿地包括跟河流连接的浅湖,河流的岸边带,以及河边、河叉、河口的沼泽区,具有净化水体,降解污染物,调蓄洪水,调节河川径流及维持生物多样性等功能特点[15-16]。敖亮等[17]对三门峡库区河流湿地沉积物重金属进行研究发现,重金属累积发生在渭河入黄口下游处,重金属Cu、Cd、Pb的污染及累积最为明显。张军等[18]对会仙湿地典型河流重金属进行研究发现,Hg的强生态风险率高达95.8%。

1.3 湖泊湿地

湖泊湿地是属于流域内的水陆交错地带,具有净化水体、保持生物的多样性、维持生态系统稳定性等作用,湖泊湿地又是相对脆弱的地带,是流域可持续发展、以及流域生态学研究应密切关注的地带[19]。Zhang等[20]对衡水湖湿地水、沉积物和芦苇中进行重金属研究发现,沉积物中重金属的含量最高。朱嵬等[21]对宁夏黄河流域湖泊湿地底泥重金属进行研究发现,以现代工业化前,正常颗粒底泥中重金属含量的最高背景值作为参比值,重金属的单因子生态危害程度顺序为:Cd >As >Hg >Pb >Cu >Cr >Zn,重金属的富集系数顺序为:Cr >Pb >Zn >Cu >As >Cd >Hg,鹤泉湖底泥中重金属的潜在生态危害性相对最高,其他湖泊底泥中重金属的潜在生态危害性比较轻。

1.4 沼泽湿地

沼泽湿地是典型的湿地类型之一,具有重要的生态调节功能,在生物多样性保护方面发挥着不可替代的作用[22]。叶华香等[23]对扎龙湿地表层沉积物重金属的含量进行研究,以松嫩平原土壤背景值作为参比值,发现重金属Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr的平均含量都超标,并且含量分布存在着明显的差异,各重金属相互之间呈现着极显著正相关性,除了Hg、Pb之外,这表明这些重金属元素之间可能具有着同源性。

湿地重金属含量及分布特征与湿地的类型、环境、含量背景值、污染物质输入输出量、地理位置等有关,不同类型的湿地重金属污染因子不同、潜在环境风险性不同。因此,湿地重金属研究为湿地保护提供了重要的科学依据及理论价值。

2 湿地重金属形态研究

重金属污染的严重性不仅仅取决于重金属的总量,也取决于在土壤中重金属存在的化学形态,土壤本身的物理化学性质也会影响重金属的化学形态[24]。重金属化学形态的研究分析,在某种程度上,反映了人类作用及自然作用等对重金属的生物毒性,以及来源的贡献。土壤重金属是以不同化学形态存在于土壤颗粒物中的,确定重金属存在的化学形态,对于揭示重金属的来源、迁移、转化、以及对环境的污染程度等具很重要的意义。土壤的化学物理性质等比较复杂,重金属的化学形态不同,产生的环境效应不同[25-26]。因此,对湿地土壤重金属进行化学形态的研究分析具有十分重要的意义。

重金属形态目前还没有统一的分类和定义。目前经常性采用的重金属形态提取的方法有Tessier法、BCR法等方法,Tessier法常被用作土壤及沉积物重金属形态的提取。Tessier等[27]将重金属的形态划分为:可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机态及残渣态五种化学形态。可交换态,指吸附在腐殖质上、粘土上等的重金属形态,对环境比较敏感,容易迁移、转化,反映人类对环境的影响,以及对生物的毒性作用;碳酸盐结合态,指与重金属结合形成的共沉淀态,受pH值影响最大,pH值越大,越容易形成碳酸盐结合态;铁锰氧化物结合态,指活性的铁锰氧化物共沉淀或吸附阴离子而形成的,水体氧化还原电位较高时,有利于铁锰氧化物结合态的形成;有机态,指土壤中各种有机物质等,与重金属结合而形成的;残渣态,指一般存在于原生矿物、次生矿物、硅酸盐等土壤晶格中,比较稳定,不易释放,能长期稳定在沉积物中[25-29]。Tessier法是近20年来环境科学、地球化学、土壤学等领域较多采用的重金属形态划分的方法[30-32]。李如忠等[33]利用Tessier五步提取法对铜陵市惠溪河沉积物重金属Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As进行形态分析,发现主要以有机态形式存在于沉积物中的是重金属Cu,主要以残渣态及铁锰氧化物结合态存在于沉积物中的是重金属Zn、Pb,主要以残渣态存在于沉积物中的是重金属Cr、As,这一结果与李如忠等同年一月份利用Tessier法分析研究的结果相一致[34]。臧飞等[35]利用Tessier五步提取法对东大沟、西大沟沉积物中重金属Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、Cr进行形态分析,发现东大沟沉积物中主要以铁锰氧化物结合态存在的是重金属Pb,主要以残渣态存在的是重金属Zn、Ni、Cr,主要以有机态存在的是重金属Cu、Cd,,西大沟沉积物中Pb主要以铁锰氧化物结合态存在,其余重金属均主要以残渣态存在。

BCR法将重金属的化学形态分为弱酸溶解态、可还原态、可氧化态、残渣态四种形态[35]。BCR法与Tessier法不同的是,BCR法将Tessier法中的可交换态及碳酸盐结合态合并为一项,称为弱酸溶解态,BCR法虽然其它几种形态的分类与BCR法相同,但提取所用的试剂、温度、时间等不同[36]。秦延文等[37]利用BCR提取法对太湖表层沉积物重金属Cd、Pb、Cu、Zn进行形态分析,发现四种重金属以可提取态(弱酸溶解态、可还原态、可氧化态并称为可提取态)为主,且可提取态具有较高的二次释放潜力性,这一结果与陈春霄等[38]采用BCR提取法对太湖表层沉积物重金属分析,发现重金属Cu、Zn、Pb的可提取态具有较高的二次释放潜力的结果相一致。李必才等[39]利用BCR四步提取法对白洋淀底泥重金属形态及垂向分布进行分析。

3 湿地重金属污染评价研究

湿地重金属来源不同,以及存在的形态不同,并且形态的不同导致其生态效应不同,因此,重金属的来源、存在形态、生态效应等可以由重金属的风险评价来反映出来。

目前,国内外土壤中重金属污染的评价方法比较多,如有:地累积指数法,潜在生态危害指数法,单因子指数法,内梅罗综合指数法,生物效应浓度法,富集系数法,污染负荷指数法,生物效应数据库法,综合响应因子法,健康风险评价方法,基于GIS的地统计学评价法等,但目前还没有统一的标准,以及成熟的方法[40-42]。重金属的各种评价方法有其各自的使用特点以及局限性。在进行土壤中重金属的污染评价时,应该选择合理有效的一种或几种评价方法进行评价。卢君勇等[43]运用地累积指数法及潜在生态危害指数法对四川省马边老河坝磷矿重金属进行研究,发现Cd元素危害最大。Arunkumar等[44]利用污染系数、地累积指数及污染负荷指数对印度南部的特里凡得琅地区(Thiruvananthapuram)滨海湿地进行研究分析发现Poonthura湿地和Akkulam-Veli湿地潜在危害热点地区。郭伟等[45]利用单因子指数法及内梅罗综合指数法对内蒙古包头矿尾土壤中的不同重金属及不同地区的重金属进行污染评价,发现土壤环境的健康与稳定正在遭受着土壤重金属的威胁。Li等[46]利用单因子污染指数法(SFCI)、金属污染指数法(MCI)、生物-沉积物富集因子法(BSAF)来评价黄河三角洲滨海湿地沉积物及底栖生物中九种重金属的潜在生态危害性及生物富集性,发现重金属As超标率达50%以上,且九种重金属的单因子污染指数秋季比春季要大,金属污染指数没有固定的模式,但生物-沉积物富集因子法表明重金属Cd从沉积物到底栖生物中产生生物富集。

4 湿地重金属污染防治对策及生态修复技术应用

强化源头的控制,提高湿地重金属污染防治水平。控制河、湖、江等水质中重金属的通量,分类别、分区域对河、湖、江等的水质进行污染防治及监管,可采取将直排江河湖等的企业废水进行循环再用,减少排放量,或者提高废水重金属治理工艺,如沉淀法、离子交换法、吸附法、电解法等,降低江、河、湖等的重金属污染,从而减少湿地重金属的污染;加大中间环节的巡查力度,降低湿地重金属通量。分地区、分类别对不同江河湖等进行沿岸徒步巡查,将排查到的排水口进行登记记录,建立排水口台账,严格排水标准,从而降低湿地重金属的含量;重视湿地本身的保护,提高湿地的观赏价值。可充分利用现在的高科技,加强对湿地的在线监测力度,可加强湿地的生态修复技术应用,如植物在湿地中起着非常重要的作用,可以起到吸附重金属的作用,随着植物的定期收割,将重金属从湿地中去除。

5 展望

湿地重金属研究虽然已逐渐成为研究的热点问题之一,但关于不同类型湿地重金属污染特点的比较及重金属形态的研究比较少,湿地重金属的污染评价没有统一的评价方法与评价标准。因此,应重点对不同类型湿地重金属污染的比较、湿地重金属形态、湿地重金属的污染评价等进行深入研究。在研究上,应注重新技术的应用与开发。这将更加有利于湿地的保护。

湿地污染不但会使水质恶化,同时还严重危害着湿地的生物多样性。由于湿地保护存在如湿地保护管理体系不完善、监测体系不完善、公众对湿地的保护意识不高等问题,因此湿地的保护及修复尤为重要。应完善湿地的管理保护体系,建立联防联动机制、部门间建立信息联动,以进一步强化对湿地的保护;同时,应加大电视、网络、报纸等的宣传力度,提高群众保护湿地的意识。以为人类创造良好的湿地生态环境。