西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价

西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价 西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评 价 林业科学研究2009,22(6):801,806 ForestResearch 文章编号:1001—1498(2009)06-0801--06 西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价 邵学新,吴明,蒋科毅,贾兴焕 (中国林业科学研究院亚热带林业研究所,国家林业局杭州湾湿地生态系统定位研究站,浙江富阳311400) 摘要:对杭州西溪湿地不同水体干扰和沉积过程干扰类型的底泥重金属进行研究,分析了底泥表层和剖面重金属 cu,zn,cr,Pb,Cd,Hg和As的含量及分布特征,探讨不同湿地保护措施和水体干扰类型等因素对底泥重金属含量的 影响及重金属的可能来源,在此基础上,运用单因子污染指数,Hakanson潜在生态风险指数和基于沉积物质量基准 的方法对底泥污染的生态风险进行了评价.结果表明,底泥7种重金属含量平均值均低于《土壤环境质量标准》 (GB15618—1995)的二级标准.除Hg和As外,其他元素含量平均值高于当地土壤元素背景值.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在底泥中的含量要明显高于土壤,指示底泥中有不同于土壤的重 金属污染来源.空间上,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,景区外围样点污染物含量 要高于景区内样点,且景区外围样点重金属污染物仍然处于一个增加的趋势,而景区内污染物输入则呈现为减少的 态势.水体类型对底泥重金属的影响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.Hiikanson潜在生态风险评价表明,西溪湿地的整体生态风险较轻微,元素中cd 和Hg具有中等生态风险,其余 为轻微生态风险.基于沉积物质量基准的风险评价结果则有所不同. 关键词:西溪湿地;重金属;影响因素;评价 中图分类号:X52文献标识码:A AssessmentonHeavyMetalPollutioninSedimentofXixiNational WetlandParkinHangzhouCity SHAOXue-xin,WUM,JIANGKe—yi,JIAXg—huan (ResearchInstituteofSubtropicalForestry,CAF,WetlandEcosystemResearchStationofHangzhouBay StateForestryAdministration,Fuyang311400,Zhej~kng,China) Abstract:HeavymetalsinsedimentsofXixiWetlandwereresearched.Effectsofprotectionmeasures.sediment dredgingandwatertypesonheavymetalcontentwerediscussed.TheresultsindicatedthatmeancontentsofCu. Zn,,Pb,Cd,HgandAswerelowerthanthesecondgradestandardofChineseenvironmentalqualitystandards forsoils(GB15618— 1995).HgandAswerelowerthanthebackgroundvaluesofagriculturesoilsinHangzhou City,whileZn,Cr,PbandCdwerehigherthanthat.Thevariouscorrelationsofheavymetalsindicatedamulti— sourceofsedimentpollutants.ZnandCdcontentsinsedimentswerehigherthanthatinsoils.whichindicated differentsourcesofheavymetalsinsedimentandsoils.Spatially.thepollutantcontentswerelowerincenter wetland(firstphaseproject)thanthatinoutside.Andtheaccumulationofheavymetalshadbeenreducedincenter wetland,whileitwasimprovedinoutsideareaswhichwerebeingdisturbedbyhumanactivitiesmorefrequently. HeavymetalcontentswerehigherinsedimentofclosedpoundsOrbigpoolsthanthatingenera lwatercoursesas 收稿日期:2007-08-01 基金项目:"十一五"国家科技攻关专题(2006BAD03AI902);中国林科院亚热带林 业研究所基本科研业务费专项(RISF6805);浙江省 重点科技攻关计划(2005C22072) 作者简介:邵学新(1980一),男,浙江富阳人,助理研究员,硕士,主要从事湿地生态监 测与评价研究.E—mail:shaoxuexin@126.com }通讯作者:E—mail:hangzhoubay@126.com 802林业科学研究第22卷 watertypeshadalsoeffectsontheheavymetalcontentsinsediment.TheH~ikansonintegrate dpotentialecological riskofXixiwaslightasthemeanintegratedindexwaslow(110.9).CdandHgwereinmediumlevels,whichhad theheaviestcontributiontointegratedpotentialecologicalrisk,whileother5metalshadlowle velsofrisk.Andthe resuhsconcludedfromAmericanNationalOceanicandAtmosphericAdministrationofSedimentQualityGuidelines forthesedimentriskassessmentwasdifferentcomparingwiththeHakanson'S. Keywords:XixiWetland;heavymetals;influencingfactors;assessment 底泥是湿地水环境三大要素(水体,水生生物和 底泥)之一,是底栖生物的栖息地和水生植被生长的 重要场所,也是水体污染物的重要蓄积库,污染底泥 在一定条件下可由污染物的"汇"转变为"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J,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"_4J,底泥重金属污染受到广泛 关注一. 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60km, 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1O余km. 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研究区概况与研究方法 1.1研究区概况 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(120.026" ,120927"E,30335"-"30.2128"N)[73.全区东西 长约5.7km,南北宽约4.1km,总面积为lO.08km2, 目前对游客开放的一期工程景区面积约为3.46 km.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1400mln,多年平均气温16.2oC[73. 1.2样点设置与分析 别 在西溪湿地的一期工程景区内和景区外,分 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 l2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《湖白富营养化调查规范》..(第 2版)进行. 表1西溪湿地底泥采样点信息 注:样点位置指是否处在目前一期工程保护景区的约3.46km范围内. 第6期邵学新等:西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价 2结果与分析 2.1底泥重金属的含量及分布 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着.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? ).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,在人 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l0(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). 表2底泥重金属含量mg?kg 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),1O(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人更少. 2.2底泥重金属含量间的相关性 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. 林业科学研究第22卷 宣 涨 含量/(mg?kg) —- ?一Cu 图1底泥重金属污染物的剖面分布 表3底泥重金属含量相关系数矩阵 Cu l O.91? O.26 O.96? O.28 O.88? O.10 l 0.43 O.81.. 0.64 0.8l? 0.14 1 O.O8 0.39 0.17 0.22 1 0.14 O.83.. O.07 l 0.3O 0.17 1 一 O.O5 注:表不P<O?01水平上相关,表不P<0?05水平上相关. ,重金属含量间的相关性通常被用来推测重金属的来 源,若不同元素有显着的相关性, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 其来源可能相 同,否则来源可能不止一个?J.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的相关性达到显着水平,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卜埘J,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底泥重金属污染评价 2.3.1生态风险指数法采用瑞典科学家L. Hakanson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()的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 为: E=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. Hakanson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(R,)的计算公式为: 尺,=?E=1 对西溪湿地底泥样品,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(,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~kanson_如的划分标准,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(3O 谅一.叫.罢 第6期邵学新等:西溪国家湿地公园底泥重金属污染风险评价 <Ei<60),其他5种重金属具有轻微生态风险( <30).多金属综合生态风险指数(耐)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<R/<265),其余9个样点处于轻微 生态风险等级(R/<135),耐平均值为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. 表4底泥重金属污染评价指数 潜在生态危害指数法是L.碥kans0n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_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(P/)和生态风险指数 ()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 【】J .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(Effects RangeMedian,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卜. 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Hakanson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. 表5底泥重金属污染风险评价 3结论 (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,污染物高含量点主要位于一 期工程外围,而一期工程保护范围内样点污染物含 量较低.水体类型对底泥重金属的含量也有影响. 从重金属在底泥剖面中的分布看,景区外围样点重 金属污染物仍然处于一个逐年增加的趋势,而景区 污染物输入则处于一个不断减少的态势. (3)Hakanson潜在生态风险指数评价表明,西 溪湿地底泥重金属的整体生态风险轻微.7种重金 林业科学研究第22卷 属元素中Cd和Hg具有中等生态风险,对总生态风 险指数的贡献值较大,其他5种重金属具有轻微生 态风险.基于美国NOAA沉积物质量基准的风险评 价结果则表明,部分样点Hg和cu可能会对水域生 物产生负面影响. 参考文献: .土壤中化学物质的行为与环境质量[M].北京:科学 [1]陈怀满 出版社.2002 [2]崔丽娟,张曼胤.鄱阳湖与长江交汇区陆域重金属含量研究 [J].林业科学研究,2006,19(3):307—310 [3]陶澍,骆永明,曹军,等.水生与陆生生态系统中微量金属 的形态与生物有效性[M].北京:科学出版社,2006 [4]杨丽原,沈吉,张祖陆,等.南四湖表层底泥重金属朽染及其 风险性评价[J].湖泊科学,2003,15(3):252—256 [5]HuangKM.LinS.Consequenceandimplicationofheavymetal spatialvariationsinsedimentsoftheKeeliungRiverdrainagebasin, Taiwan[J].Chemosphere,2003,53:1113一l121 [6]SeguraR,ArancibiaV,ZfihigaMC,eta1.Distributionofcopper. zinc,leadandcadmiumconcentrationsinstreanlsedimentsfromthe MapochoRiverinSantiago,Chile[J].JournalofGeochemicalEx— ploration,2006,91(1—3):71—8O [7]程乾,吴秀菊.杭州西溪国家湿地公园1993年以来景观演变 及其驱动力分析[J].应用生态,2006,17(9):1677—1682 [8]高乙粱.西溪国家湿地公园模式的实践与探索[J].湿地科学与 管理,2006,2(1):55—59 [9]国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].3版.北京:中国 环境科学出版社,1997 [1O]金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京:中 国环境科学出版社,1990 [11]中国环境保护总站.中国土壤元素背景值[M].北京:中国环 境科学出版社.1990 [12]邵学新,吴明,蒋科毅.西溪湿地土壤重金属分布特征及生 态风险评价[J].湿地科学,2007,5(3):253—259 [I3]刘恩峰,沈吉,朱育新.西太湖沉积物污染的地球化学记录 及对比研究[J].地理科学,2005,25(1):102—107 [14]李仁英,杨浩,陈捷,等.盘龙江口滇池沉积物重金属的 分布及污染评价[J].土壤,2006,38(2):186—191 [15]管东生,陈玉娟,阮国标.广州城市及近郊土壤重金属含量特 征及人类活动的影响[J].中山大学:自然科学版,2001, 40(4):93—101 [16]柴世伟,温琰茂,张云霓,等.广州市郊区农业土壤重金属含 量特征[J].中国环境科学,2003,23(6):592—596 [17]王学松,秦勇.徐州城市表层土壤中重金属环境风险测度与 源解析[J].地球化学,2006,35(1):88—94 [18]PetersonE,SankaM,ClarkL.Urbansoilsaspollutantsinks.A CaSestudyfromAberdeen,Scotland[J].ApplGeochem,1999, 11(1/2):129—131, [19]高凤仙,杨仁斌.饲料中高剂量铜对资源及生态环境的影响 [J].饲料工业,2005,26(12):49—53 [20]HakansonL.Anecologicalriskindexforaquaticpollutioncontrol: asedimentologiealapproach[J].WaterResearch,1980,14: 975—100l [21]ChapmanPM,MannGS.Sedimentqual~values(SQVs)and ecologicalriskassessment(ERA)[J].MarinePollutionBelletin, 1999,38(5):339—344 [22]ngER,FieldLJ,MacDonaldDD.Predictingtoxicityinnla- rinesedimentswithnumericalsedimentqualityguidelines[J].En— vironmentalToxicologyandChemistry,1998,17(4):'714—727 [23]李莲芳,曾希柏,李国学,等.北京市温榆河沉积物的重金属 污染风险评价[J].环境科学,2007.27(2):289—297 [24]范文宏,张博,陈静生,等.锦州湾沉积物中重金属污染的 潜在生物毒性风险评价[J].环境科学,2006,26(6): 1000—1005 [25]BuehmanMF.NOAAscreeningquickreferencetables:NOAA hazardousmaterialsreportno.99—1[R].Seattle,WA:Coastal ProtectionandRestorationDivision,NationalOceanicandAtmos— phericAdministration,1999:9—12