杭州西溪湿地底泥重金属分布特征及生态风险评价

杭州西溪湿地底泥重金属分布特征及生态风险评价

土壤是湿地水环境的三个因素之一（水生生物和土壤）。它不仅是水土私有物种的栖息地和重要栖息地，也是水土私有污染物的重要积聚场所。在一定条件下，污染物的积累可以从污染物的“集合”转变为“来源”。重金属是一类典型的累积性污染物,环境一旦受到重金属污染,就较难清除和恢复原状。有毒重金属在水相中通常表现为微量或痕量分布,而在底泥的富集水平则可能是水相的数百乃至数万倍,因而底泥可反映水体状况,是水环境中重金属污染程度的“指示剂”,底泥重金属污染受到广泛关注。西溪湿地位于杭州市西部,距西湖仅5km,是杭州市区仅存的一块城郊型湿地,也是国内第一个国家湿地公园。历史上的西溪湿地,面积达60km2,可谓地广人稀。随着工业化和城市化的推进,且由于地处城郊这一特殊的位置,受人为活动干扰强烈,西溪湿地退化严重,面积锐减至目前的10余km2。然而,无论从历史还是现实看,西溪湿地都是杭州绿地生态系统的重要组成部分,具有多种重要生态功能,可谓杭城之“肾”。目前,对西溪湿地底泥重金属含量的研究尚未开展,因此,本文对该区底泥重金属污染状况进行了专门研究,意在查明该区底泥重金属分布规律及潜在生态风险,为西溪国家湿地公园环境质量的评价和湿地公园的环境整治提供科学依据。1研究领域的总结和研究方法1.1ee概况杭州西溪国家湿地公园东至紫金港,西以五常港与余杭区为界,南至沿山河,北至余杭塘河(120°0′26″~120°9′27″E,30°3′35″~30°21′28″N)。全区东西长约5.7km,南北宽约4.1km,总面积为10.08km2,目前对游客开放的一期工程景区面积约为3.46km2。区内河网密布,池塘、河港、沟汊、溪流共同构成水环境,水面率超过50%。湿地属亚热带季风气候区,四季分明,雨量丰沛,光照充足,该区多年平均降水量为1400mm,多年平均气温16.2℃。1.2样品采集和处理在西溪湿地的一期工程景区内和景区外,分别根据湿地水系分布及水体干扰类型(河道、大水面、封闭池塘等)、底泥沉积过程干扰类型(深层疏浚或未疏浚)及人为活动的不同干扰程度,总共布置了12个点(表1)。采用荷兰Eijkelkamp公司Beeker型底泥原状采样器采集,剖面样品每20cm分层,采样时间为2006年9月。样品经自然风干,去掉杂物及石块后研磨过100目筛,贮存备用。重金属铜(Cu)、锌(Zn)、铬(Cr)、铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)的分析方法参照《水和废水监测分析方法》(第3版)和《湖泊富营养化调查规范》(第2版)进行。2结果与分析2.1底泥重金属含量西溪湿地底泥7种重金属平均含量见表2,由于缺乏底泥中重金属元素的背景值,因而将其与杭州市农业土壤元素背景值和《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)的二级标准进行比较。结果表明,底泥中Hg和As元素平均值低于背景值,而Cu、Zn、Cr、Pb和Cd含量分别为背景值的2.2、1.3、1.1、1.9和1.5倍;7种元素平均值都要低于国家二级标准。与西溪湿地土壤重金属含量的调查结果相比(表2),底泥中Zn和Cd的含量明显要高(p<0.05),而其他元素含量在两者之间的差异不显著。由于作者调查的西溪湿地土壤基本上为上世纪五六十年代由开辟圩田、疏浚河道而采用底泥人为堆积的堆叠土,因而Zn和Cd含量在土壤和底泥之间差异的变化,可能指示近50年来由于工农业的发展,底泥中有不同于土壤的重金属污染来源。从分析结果看,尽管底泥疏浚将污染底泥永久去除,但在外源未得到有效控制的情况下,疏浚效果的持续性尚值得商榷。如同时进行疏浚的景区内6#(河道)样点和景区外围9#(河道)样点在3年后底泥重金属含量差异明显(6#样/9#样:Cu23.2/87.2,Zn82.3/149.4,Cr54.3/60.9,Pb27.7/107.3,Cd0.157/0.231,Hg0.036/0.402,As5.4/8.3。单位:mg·kg-1)。这可能是由于9#样点处于湿地外来水源(沿山河)的注入口,而沿山河上游及沿线承接工业、生活等污水的排放,水体中携带的各种重金属元素,在入口处沉积导致该处含量很快变高。此外,水体类型对底泥重金属的含量也有影响(为便于对比,仅统计未进行疏浚的9个样点,见表2),一般表现为封闭池塘和大水面中底泥重金属元素含量高于普通河道中的含量。这可能与封闭池塘和大水面水流平缓,沉淀作用较强,稀释、混合能力较差等因素有关。底泥表层(0~20cm)重金属Cu、Zn、Pb、Hg含量的最高值都位于9#(河道),Cr、Cd和As含量的最高值分别位于10#(大水面)、11#(封闭池塘)和3#(河道)样点。除Cr含量的最低值位于1#(河道)样点外,其余6种重金属含量的最低值都位于6#(疏浚河道)样点。从整体上来看,这6种元素的分布特征基本相似,底泥污染物高含量的点基本位于9#~11#点位,而低含量点全部位于1#或6#。从空间上看,8#~11#点位处于保护工程外围,目前这些点位附近的生活区尚未搬迁,仍有部分工业和生活污水输入,因而反映近期污染物沉积状况的表层底泥中重金属的含量仍较高。而1#~7#样点处于保护工程范围内,其生态环境状况相对较好,且6#样点还进行过底泥疏浚,因而重金属含量明显要低(表2)。重金属在底泥剖面中的分布主要可以归纳为2种类型,第1类随剖面深度增加而含量表现为降低的趋势,以景区外的8#(河道)、10#(大水面)和11#(封闭池塘)为代表,第2类随剖面深度增加而含量表现为增加的趋势,主要为分布在景区内1#~5#(河道)和7#(大水面)样点。由于篇幅关系,仅列出景区内的5#和景区外11#样点的Cd、Cu和Pb3种重金属的剖面分布图(图1)。由于底泥柱样中污染物含量的变化可以反映出不同历史时期污染物的演化特征,因而可以推断,景区外围样点重金属污染物仍然处于一个增加的趋势,而景区样点中污染物输入则处于一个不断减少的态势,这主要是由于景区内生态环境在保护前就优于景区外围,而保护工作开展后外源污染物进入更少。2.2底泥与重金属的关系底泥中重金属元素含量的高低主要与集水区内母岩类型和土壤类型有关,大气降水、地表径流及人类活动对底泥中的重金属元素含量也有重要影响。重金属含量间的相关性通常被用来推测重金属的来源,若不同元素有显著的相关性,说明其来源可能相同,否则来源可能不止一个。表3给出了底泥中各重金属含量之间的相关系数矩阵。从中可以看出,Cr和As元素与其他元素之间的相关性均很低,考虑到土壤中Cr和As较低的含量,推测它们主要来源于自然的地球化学过程。Cu、Zn、Pb和Hg元素之间均呈现较明显的正相关关系,这表明在底泥中这些重金属元素的含量具有共同变化的趋势,也说明这些元素在底泥中的污染具有一定的同源性,由于这些元素在底泥中的含量较高,因而它们在自然背景的基础上还叠加了一定的人为污染来源。Cd元素仅仅与Zn的相关性达到显著水平,这说明底泥中Cd和Zn还有不同于Cu、Pb和Hg的其他来源。也正是由于元素的不同来源,削弱了底泥中各元素间的相关性。底泥中重金属的人为来源有多种,如Pb和Zn通常被作为交通污染源的标识元素,西溪湿地处于杭州市区,附近繁忙的公路交通运输对底泥元素的积累不无影响。又如Cu的富集可能与历史上该地区的畜禽养殖有关,据调查,历史上当地产业结构以农业为主,而农业总产值中养猪业占了近70%,曾有生猪存栏2万头,由于动物饲料中高Cu添加剂的广泛使用,使得残弃饲料中的重金属元素直接或间接地进入底泥。此外,西溪湿地上游及周边水系流域的工业企业和城乡生活污水排放也是底泥中重金属积累的一个重要原因。2.3潜在生态风险指数2.3.1生态风险指数法采用瑞典科学家L.H¨aa¨kanson提出的潜在生态风险指数法,对重金属可能存在的生态风险进行评估。其中,单一金属潜在生态风险指数(Ei)的计算公式为:Ei=Τi×ΡiEi=Ti×Pi式中:Ti为不同重金属的生物毒性响应因子,反映了重金属对人体及生态系统的危害程度,L.H¨aa¨kanson给出的7种重金属的毒性响应系数的顺序为:Hg(40)>Cd(30)>As(10)>Pb=Cu(5)>Cr(2)>Zn(1);Pi为元素单项污染指数,为某元素污染浓度实测值与该元素的杭州市农业土壤元素背景值。多金属综合生态风险指数(RI)的计算公式为:RΙ=m∑i=1EiRI=∑i=1mEi对西溪湿地底泥样品Pi、Ei值的分析结果见表4。根据底泥重金属含量与背景值的比值(Pi,表4),得出湿地底泥重金属积累顺序为Cu>Pb>Cd>Zn>Cr>As>Hg。7种重金属的平均单一潜在生态风险指数大小为:Cd>Hg>Cu>As>Pb>Cr>Zn。参考L.H¨aa¨kanson的划分标准,重金属风险指数大小可以分为两类:Cd和Hg具有中等生态风险(30<Ei<60),其他5种重金属具有轻微生态风险(Ei<30)。多金属综合生态风险指数(RI)在50.0~156.5,其中9#(河道)和11#(大水面)处于中等生态风险等级(135<RI<265),其余9个样点处于轻微生态风险等级(RI<135),RI平均值为110.9,整体而言生态风险较轻微,但对部分具有中等生态风险的样点(主要分布于景区外围)需要引起重视。此外,Cd和Hg对总生态风险指数的贡献值较大,即对生态系统的危害最大。潜在生态危害指数法是L.H¨akanson根据重金属性质及环境行为特点,从沉积学角度提出的对底泥中重金属污染进行评价的方法,不仅考虑土壤重金属含量,而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价。从单一重金属的污染指数(Pi)和生态风险指数(Ei)来看,两者评价结果有所不同,比如西溪湿地底泥中Cu的单项污染指数最高,但其生态风险指数却较低。相反,Hg的含量平均值低于土壤背景值,单项污染指数小于1,但其生态风险指数却明显较大。这主要是由于Cu为植物的必须营养元素,其对生物的毒性响应因子较小,而Hg的毒性响应因子最大。2.3.2基于沉积物质量基准(SQG)的风险评价沉积物质量基准SQG(SedimentQualityGuidelines)已成为世界水环境污染研究与治理所关注的焦点之一。按照SQG评价沉积物中重金属的毒性效应,可以反映污染沉积物的生态风险。该方法将各重金属的浓度与相应的生物毒性效应范围低值(EffectsRangeLow,ERL)或效应范围中值(EffectsRangeMedian,ERM)比较,若其结果高于ERM,表明底泥受到严重污染,不利生物毒性效应将频繁发生;若低于ERL值,表明底泥未污染或轻度污染,基本无生物毒性效应;而介于ERL和ERM之间时,可能会产生不利生物效应。由于我国尚未建立自己的沉积物质量基准,因而将西溪湿地底泥重金属含量与美国大气与海洋管理局(NOAA)的沉积物质量基准进行比较(表5)。结果表明:所有样点Cd和Zn的浓度均低于ERL,即不会对水域生物产生负面影响;10#(大水面)样点的Cr,3#(河道)、7#(大水面)和12#(封闭池塘)样点的As,7#、9#(河道)和11#(封闭池塘)样点的Pb含量则在ERL和ERM之间,而大部分样点的Hg和Cu含量处于ERL和ERM之间,这些样点可能会对水域生物产生负面影响。与H¨akanson潜在生态危害指数法的评价结果比较表明,Hg可能是该区域需要进一步关注的元素。3底泥重金属污染的生态风险(1)西溪湿地底泥重金属元素平均值低于《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)的二级标准。除Hg和As外,其余元素含量平均值要高于土壤元素背景值。重金属元素间的不同相关性指示底泥污染物的多种来源。Zn和Cd含量在土壤和底泥之间差异的变化指示它们在底泥中有不同于土壤的污染来源。(2)底泥污染物的分布与人为活动干扰的强度具有较为密切的关系,污染物高