金　丹, 鄭冬梅, 孫麗娜

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽　110044)

遼河鐵嶺段兩岸河岸帶土壤重金屬分布及風險評價

金丹, 鄭冬梅, 孫麗娜

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽110044)

摘要:通過測定遼河保護區(qū)鐵嶺段河岸帶土壤重金屬的全量和土壤的理化性質和各項指標,分析了其空間分布特征,運用潛在危害指數(shù)法對流域內(nèi)土壤重金屬進行評價.從空間分布上看,河岸帶左岸重金屬平均質量分數(shù)為:Cu 16.86 mg/kg,Pb 22.10 mg/kg,Zn 80.02 mg/kg,Cd 0.41 mg/kg;河岸帶右岸重金屬Cu 17.53 mg/kg,Pb 20.70 mg/kg,Zn 87.23 mg/kg,Cd 0.33 mg/kg.左岸只有Cu低于背景值,右岸銅、鉛質量分數(shù)低于背景值,而其他均高于背景值.與國家土壤環(huán)境質量標準中的一級標準相比,除鎘外,均低于國家一級標準.從單項潛在生態(tài)風險評價來看,左右兩岸河岸帶土壤中重金屬Cd處于強潛在生態(tài)風險,其他元素處于輕微的潛在風險.各個元素的單因子潛在生態(tài)風險指數(shù)從小到大依次為Cd

關鍵詞:遼河鐵嶺段; 重金屬; 河岸帶; 土壤; 污染; 風險評價

河岸帶是介于陸地與河流之間的過渡地帶,是重要的生態(tài)交互作用區(qū),河岸帶是連接水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要樞紐[1],河流水體季節(jié)性漲落對河岸帶影響明顯,上下游之間經(jīng)常處于河流沉積物的侵蝕搬運及沉積的交互作用的動態(tài)平衡[2].在歐美發(fā)達國家,對河岸帶的功能和重要性己形成較為系統(tǒng)的認識,而在我國,河岸帶方面的研究處于起步階段,還有許多工作亟待人們?nèi)パ芯?近年來,隨著河道水體及底泥受到污染,清淤淤泥對兩岸農(nóng)業(yè)土壤的環(huán)境影響問題顯得較為突出[3].許多地區(qū)河岸帶植被慘遭破壞,一些地區(qū)的河岸帶甚至成為垃圾堆放場.然而,目前國內(nèi)外對河岸帶的研究,大多數(shù)集中在河岸帶土地利用和水岸生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷等的生物地球化學過程和動態(tài)特性等方面[4],但是,有關河岸帶土壤污染研究較少.已有研究表明,重金屬是河岸帶土壤環(huán)境中的重要污染物.重金屬是毒性很強的化學物質,多數(shù)具有致癌、致突變的毒理屬性,如Cd可以改變胎盤內(nèi)各種代謝酶的功能,從而使胚胎死亡、畸形;Pb損害人體神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)等,對兒童心理,智力和行為發(fā)育損傷具有不可逆性;As對人體的各個器官都有一定程度上的損傷,具有致癌的毒性[5].開展河岸帶土壤重金屬質量分數(shù)與污染評價對于河岸生態(tài)系統(tǒng)保護和生態(tài)重建具有重要的理論和實踐意義.遼河作為遼寧的“母親河”在“九五”期間因水質受污染嚴重等問題列為國家重點治理的“三河三湖”之一.本文主要以遼河鐵嶺段兩岸河岸帶為研究對象,對河岸帶典型重金屬質量分數(shù)進行分析和評價,為遼河保護區(qū)河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的保護和生態(tài)重建提供理論依據(jù).

1研究地區(qū)與研究方法

1.1樣品采集與處理

圖1采樣點圖

Fig.1Diagram of sampling sites

遼河是遼寧省境內(nèi)最大的河流,遼河保護區(qū)總面積1 800多km2,保護區(qū)范圍從東遼河、西遼河交匯處鐵嶺市昌圖縣福德店,沿遼河干流至下游盤錦市大洼縣入海,全長538 km.近年來,隨著國家對遼河的治理,遼河生態(tài)環(huán)境有所改善.遼河鐵嶺段是指沿遼河干流自福德店至鐵嶺朱爾山附近,沿途接納招蘇臺河、亮子河、清河、王河、汎河等.采集兩岸河岸帶土壤,樣點分布如圖1所示.分別在遼河保護區(qū)干流鐵嶺段左岸設置采樣點22處,編號為F1～22,右岸設置采樣點20處,編號為A1～20.選點主要考慮了河流交匯處,城市和污染源的下游,每個采樣點采集河岸帶表層(0～20 cm)土壤5份,混合均勻后立即封于干凈的聚乙烯袋內(nèi),帶回實驗室.采集的樣品自然陰干,除去沙石等雜物,用瑪瑙研缽研細,過100目篩,保存待測.

1.2樣品測定與質量控制

土壤pH值采用pH計進行測定,土樣重金屬的處理采用HCl-HNO3-HF-HClO4濕法消解.準確稱取0.500 g上述土樣置于50 mL聚四氟乙烯坩堝中,將坩堝放入通風櫥中,依次加入HCl、HNO3、HF、HClO4加熱消解.預處理后土樣用ICP-MS測定Cu、Cd、Zn、Pb的質量分數(shù).在重金屬的分析過程中所有樣品均做試劑空白,試驗中所用的試劑均為優(yōu)級純,所用的器皿在使用前均用3 mol/L的硝酸浸泡24 h.同時采用國家標準樣品(GSS-1)進行全過程的分析質量控制,隨機選取總樣品數(shù)的10%進行平行分析.樣品的相對標準偏差小于10%.重金屬統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0軟件計算.

1.3評價方法與標準

土壤潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典科學家Hakanson[6]提出的.該方法從重金屬生物毒性角度出發(fā),綜合考慮土壤中重金屬質量分數(shù)、種類等,定量劃分和評價單個核多種重金屬污染物的潛在生態(tài)危害程度,比單純采用重金屬元素污染程度能更好地反映重金屬元素的潛在危害.其計算公式如下:

表1　　綜合及單項潛在生態(tài)風險評價

2結果與討論

2.1兩岸河岸帶土壤重金屬分布特征

遼河鐵嶺段兩岸河岸帶土壤重金屬污染調(diào)查表明:左岸河岸帶土壤重金屬Cu質量分數(shù)為3.39～49.84 mg/kg,平均質量分數(shù)值為16.86 mg/kg,Pb質量分數(shù)為3.26～41.48 mg/kg,平均質量分數(shù)為22.10 mg/kg,Zn質量分數(shù)為23.94～227.75 mg/kg,平均質量分數(shù)為80.02 mg/kg,Cd質量分數(shù)為0.09～0.73 mg/kg,平均質量分數(shù)為0.41 mg/kg(圖2);右岸河岸帶土壤重金屬Cu質量分數(shù)為5.34～44.23 mg/kg,平均質量分數(shù)為17.53 mg/kg,Pb的質量分數(shù)為14.97～30.74 mg/kg,平均質量分數(shù)為20.70 mg/kg,Zn的質量分數(shù)為55.05～135.11 mg/kg,平均質量分數(shù)為87.23 mg/kg,Cd的質量分數(shù)為0.10～0.95 mg/kg,平均質量分數(shù)為0.33 mg/kg(圖3).從左岸、右岸重金屬平均質量分數(shù)可以看出,Pb、Cd質量分數(shù)左岸高于右岸,而Cu、Zn質量分數(shù)低于右岸,可見河岸帶土壤重金屬受河流影響明顯.與遼寧省的土壤背景值[12](Cu為19.8 mg/kg,Pb為21.4 mg/kg,Zn為63.5 mg/kg,Cd為0.108 mg/kg)相比,左岸重金屬Cu,Pb,Zn和Cd的平均質量分數(shù)分別是遼寧省土壤背景值的0.85,1.03,1.26和3.80倍;右岸重金屬Cu,Pb,Zn和Cd的平均質量分數(shù)分別是遼寧省土壤背景值的0.89,0.97,1.37和3.06倍.由此可見,從總體來看,Cd超出土壤背景值最多,其次是Zn,再次是Pb和Cu,遼河流域的河岸帶的環(huán)境主要受到了Cd和Zn的影響.而左岸只有Cu低于背景值,而右岸只有Cu、Pb質量分數(shù)低于背景值,而其他均高于背景值.對兩岸河岸帶土壤pH分析得出,土壤pH的平均值為7.93,居于中性,因此與國家土壤環(huán)境質量標準中的一級標準相比,除Cd外,其他三種重金屬均低于國家一級標準.

從圖2中可以看出,左岸河岸帶土壤重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的分布特征基本相似,即高值區(qū)與低值區(qū)基本吻合.

由圖2,圖3可以看出,右岸和左岸的河岸帶土壤重金屬污染空間分布特征相似,峰值出現(xiàn)的地點基本是相互吻合的.在F5點重金屬質量分數(shù)較高,這與該點是跨河鐵橋,車流量較大,對河岸帶土壤有一定影響.F12(招蘇臺河),F18(中固河),F19(柴河),A19(長溝子河),F2(汎河)污染比較嚴重,這些點位位于支流河匯入的下游,支流河水質多數(shù)為四類、五類水[13],河岸帶作為水陸過渡地帶,土壤受河流影響比較大,特別是這些受污染的支流河,加重了遼河河岸帶重金屬的質量分數(shù),因此應該加強支流河的管理.

2.2左右兩岸河岸帶土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

圖2河岸帶左岸重金屬分布圖

Fig.2Heavy metals distribution on the left bank of riparian zone

(a)—Cd; (b)—Cu,Pb,Zn.

根據(jù)式(1)～(3)計算表明,Cu的單因子污染系數(shù)最低,左岸為0.852,右岸為0.885;Cd污染系數(shù)最高,左岸為1.374,右岸為3.056;各個元素的單因子污染系數(shù)從小到大依次為Cu

圖3　河岸帶右岸重金屬分布圖

地帶重金屬CinCisCifTirEirRI左岸Cu19.816.860.85254.260124.565Pb21.422.101.03355.165Zn63.580.021.26011.260Cd0.1080.411.37450113.880右岸Cu19.817.530.88554.425102.314Pb21.420.070.96754.835Zn63.587.331.37411.374Cd0.1080.333.0563091.680

3結論

從空間上來看,遼河流域鐵嶺段河岸帶土壤重金屬總體質量分數(shù)較低.左岸Pb、Cd質量分數(shù)高于右岸,而Cu、Zn質量分數(shù)低于右岸.可見河岸帶土壤重金屬受河流影響明顯.左岸重金屬Cu,Pb,Zn和Cd的平均質量分數(shù)分別是土壤背景值的0.85,1.03,1.26和3.80倍;右岸重金屬Cu,Pb,Zn和Cd的平均質量分數(shù)分別是土壤背景值的0.89,0.97,1.37和3.06倍.左岸只有Cu低于背景值,右岸Cu、Pb質量分數(shù)低于背景值,而其他均高于背景值.與國家土壤環(huán)境質量標準中的一級標準相比,除Cd外,均低于國家一級標準.河岸帶土壤重金屬中的Pb、Zn質量分數(shù)高,可能有小范圍的污染點源.Cd的污染最為嚴重,但從重金屬綜合潛在危害系數(shù)(RI)看,遼河干流鐵嶺段兩岸,屬于輕微危害水平,生態(tài)環(huán)境處于較優(yōu)水平,但個別支流匯入口應引起有關部門的注意.

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【責任編輯: 李艷】

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Heavy Metal Pollution and Risk Assessment of Riparian Soils along Liao River in Tieling Region

JinDan,ZhengDongmei,SunLina

(Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Through the determination of total amount of soil heavy metal and physical and chemical properties and the indicators of soil in riparian zone of Tieling section of the Liao River, the spatial distribution characteristics are analyzed, and the heavy metals of riparian zone are evaluate by using the potential hazard index method. From the point of spatial distribution, the average mass fractions of heavy metals in the left bank of river are: Cu 16.86 mg/kg, Pb 22.10 mg/kg, Zn 80.02 mg/kg, Cd 0.41 mg/kg, while the values in the right bank are Cu 17.53 mg/kg, Pb 20.70 mg/kg, Zn 87.23 mg/kg, Cd 0.33 mg/kg. In left bank, only the value of Cu is lower than the background values; in the right bank, the values of Cu and Pb are lower than the background values. Comparing with the primary standard of the national soil environmental quality standards, in addition to Cd, the average mass fractions of heavy metals are lower than the national level standards. From the point of individual potential ecological risk assessment, Cd in the riparian zone of both side of Liaohe River has strong potential ecological risk, and the other elements have minor potential risk. The order of potential ecological risk index of single factor in each element is Cd

Key words:Liao River in Tieling region; heavy metal; riparian zone; soil; pollution; risk assessment

中圖分類號:S 714; X 825

文獻標志碼:A

文章編號:2095-5456(2015)06-0451-06

作者簡介:金丹(1990-),女,遼寧葫蘆島人,沈陽大學碩士研究生; 孫麗娜(1960-),女,遼寧北票人,沈陽大學教授,博士研究生導師.

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202); 國家自然科學基金資助項目(41001346,41571085); 遼寧省教育廳一般項目(L2013454); 沈陽市科學事業(yè)費競爭性選擇項目.

收稿日期:2015-04-16