浦江，張翠萍，劉淑娟，3，楊小燕，趙斌，李淑英，陸軼峰，王媛媛，周元清*

（1.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650091；2.玉溪師范學(xué)院污染控制與生態(tài)修復(fù)研究中心，云南 玉溪 653100；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，昆明 650201；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；5.玉溪市撫仙湖保護開發(fā)投資有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100）

湖泊富營養(yǎng)化和重金屬污染一直是生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的重要課題[1]。2016 年以來，隨著湖泊污染控制與生態(tài)修復(fù)工程推進，農(nóng)業(yè)面源污染治理效果顯著，湖泊生態(tài)環(huán)境明顯改善，低污染水治理已成為我國湖泊水環(huán)境保護的重要組成部分。山水林田湖草生命共同體的理念將湖泊生態(tài)環(huán)境擴展為集水區(qū)-濕地-匯水河流等有機結(jié)合的開放水系統(tǒng)。享有“地球之腎”美譽的濕地，具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和多種生態(tài)功能[2]。濕地是各類污染物重要的“匯”[3-4]，也是研究污染物遷移轉(zhuǎn)化的敏感過渡帶，作為流域低污染水入湖生態(tài)屏障，對攔截、過濾、削減入湖污染物和改善水環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。農(nóng)業(yè)徑流區(qū)農(nóng)藥化肥大量施用所導(dǎo)致的重金屬污染不容忽視。低污染水中重金屬經(jīng)絮凝沉降、氧化還原等過程積累于沉積物中，當(dāng)環(huán)境因素變化時，部分重金屬會釋放進入水體，并通過食物鏈富集，危害人類健康[3，5-6]。

重金屬作為低污染水中典型污染物，其空間分布和生態(tài)風(fēng)險是濕地生態(tài)環(huán)境中的關(guān)鍵問題[7]。濕地受人類活動和土地利用方式等影響[8]，沉積物中重金屬具有一定空間分異特征，摸清湖濱帶低污染水不同類型濕地沉積物重金屬空間分布特征和生態(tài)風(fēng)險，對湖泊水環(huán)境保護具有重要指導(dǎo)意義[9]。國內(nèi)外關(guān)于湖濱帶低污染水的研究，主要集中在水處理技術(shù)和氮磷去除[10-11]，JIANG 等[12]基于PMF-RI 和PMF-HHR 方法對濕地土壤進行環(huán)境風(fēng)險評價，但流域低污染水對湖濱帶濕地重金屬污染的貢獻不容忽視[13]。

杞麓湖為云南省九大高原湖泊之一，通?？h是云南最大蔬菜種植和集散地[14]，流域內(nèi)蔬菜花卉復(fù)種指數(shù)較高，農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷較重[15]，杞麓湖農(nóng)田徑流區(qū)是研究低污染水所致重金屬污染的典型區(qū)。近年來，隨著杞麓湖“以漁凈水”項目和國家濕地公園恢復(fù)工程的實施，濕地成為“山-城-林-田-湖”空間格局的重要節(jié)點，濕地面臨的污染形勢更嚴(yán)峻，保護濕地生態(tài)環(huán)境尤為迫切。因此，本研究以農(nóng)業(yè)徑流區(qū)作為探究低污染水對不同類型濕地重金屬污染的切入點，摸清杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地沉積物重金屬空間分布和生態(tài)風(fēng)險，旨在為杞麓湖流域環(huán)保預(yù)警和低污染水治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

杞麓湖（102°30′25″～102°52′53″E，23°55′11″～24°14′49″N）屬珠江流域南盤江水系，滇中高原封閉型斷陷湖泊，徑流面積354.94 km2，總?cè)丝?4萬，流域四周高、中部低，湖周為平壩區(qū)[15]。湖泊長軸呈東西向新月形，長10.4 km，南北較窄，平均寬3.5 km，湖岸線全長32 km，最大水深6.84 m，平均4 m。湖泊海拔高程多在1 979～2 100 m 之間，屬亞熱帶濕潤高原季風(fēng)氣候，流域年均氣溫15.5 ℃，水源主要來自降雨徑流補給，年降雨量800～1 100 mm，蒸發(fā)量小，氣候濕潤[16]。杞麓湖屬典型富營養(yǎng)老齡化湖泊，是關(guān)系通?？h社會經(jīng)濟發(fā)展主體的“母親湖”，湖盆內(nèi)分布著通?？h90%人口，流域內(nèi)包含4 條主要入湖河流，即紅旗河、者灣河、中河和大新河，覆蓋了全縣7 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類，水質(zhì)污染以有機污染和氮、磷為主[17]。

1.2 采樣點布設(shè)與指標(biāo)分析

結(jié)合杞麓湖流域現(xiàn)狀及地形地貌，于2017—2019年8 月（豐水期）在杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)設(shè)32 個采樣點（其中河流濕地n=13、人工濕地n=10、湖泊濕地n=9，圖1）。在不同類型濕地樣地內(nèi)，用抓斗式采泥器采集0～30 cm 表層沉積物，用手持式GPS（GARMIN Oregon 739，上海佳明）記錄采樣點經(jīng)緯度。每個濕地按梅花形采集5 個以上沉積物樣品，混勻為2 kg，去除雜質(zhì)后裝入封口袋，帶回實驗室制樣，待測。土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni 用王水回流消解原子吸收法（NY/T 1613—2008）測定；Hg 用原子熒光法（GB/T 220105.1—2008）測定；全氮（TN）用半微量凱氏蒸餾定氮法（NY/T 53—1987）測定；全磷（TP）用鉬銻抗比色法（NY/T 88—1988）測定；pH 用PHS-3C 型酸度計測定；有機質(zhì)（OM）用硫酸與重鉻酸鉀氧化-外加熱-容量法（NY/T 1121.6—2006）測定。實驗室加入空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行質(zhì)量控制，各測試項目相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于10%，每個樣品三組平行實驗，平行樣間的誤差小于10%，按平均值統(tǒng)計。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Figure 1 Location of the study area and the sampling point distribution

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染評價

以云南省土壤重金屬背景值[18]（表1）作為參比值，用單因子污染指數(shù)法評價濕地沉積物中重金屬對環(huán)境的污染程度[19]。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

采用Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[18]評價杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地重金屬污染，重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)（）見表1，表示重金屬毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（IR）算式如下：

式中：為重金屬i相對于背景值的污染指數(shù)；為重金屬i的實測值，mg·kg-1；為重金屬i的背景參考值，mg·kg-1；為重金屬元素i的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，和IR值越大，生態(tài)危害程度越大，其分類等級見表2。樣點污染程度比例=重金屬元素不同污染等級樣品數(shù)/樣品總數(shù)×100%，樣點潛在生態(tài)風(fēng)險比例=潛在生態(tài)風(fēng)險評價等級樣品數(shù)/樣品總數(shù)×100%。

表2 污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險程度分類等級Table 2 Degree of pollution and potential ecological risk

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel 2013進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用SPSS 20.0軟件進行Pearson 相關(guān)性分析和主成分分析，不同處理結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SD）表示，用Origin 8.0 軟件作圖。用ArcGIS 15.0 軟件繪制采樣點分布圖，用ArcGIS反距離權(quán)重插值法（IDW）分析研究區(qū)數(shù)據(jù)，并繪制重金屬空間分布圖及潛在生態(tài)風(fēng)險分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地重金屬的污染特征

由表3 可知，杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)不同類型濕地沉積物重金屬平均含量總體表現(xiàn)為河流濕地＞人工濕地＞湖泊濕地；同類濕地重金屬平均含量排序為Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb＞Cd＞Hg；河流濕地沉積物Zn 和Ni 標(biāo)準(zhǔn)差較大，表明采樣點變異較大，主要是由于湖泊西北部納家營軋鋼廠附近采樣點數(shù)值偏高。除Pb 外，河流濕地其余6 種重金屬平均含量均超過云南省土壤背景值，Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、Hg 分別為土壤背景值的1.84、2.10、4.49、1.51、2.23、5.17 倍，人工濕地和湖泊濕地Zn、Cd、Cr和Hg 含量均超過背景值，表明杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)低污染水中存在不同程度重金屬污染，重金屬Cd 污染嚴(yán)重，在河流濕地和人工濕地超背景值的樣點比例高達100%。不同類型濕地的變異系數(shù)差異明顯，河流濕地Ni 和Hg、湖泊濕地Pb 的標(biāo)準(zhǔn)差高于平均值，變異系數(shù)較大，表明3 種元素含量空間分布不均勻，離散性相對較大。

表3 研究區(qū)域土壤重金屬污染特征分析Table 3 Descriptive statistics of heavy metals in soils of the study area

2.2 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地重金屬的空間分布特征

杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地7 種重金屬空間分異特征明顯，總體呈西北部高于東南部，自北向南、自西向東遞減趨勢（圖2）。其中，Cu、Zn、Cr 和Cd 空間含量變化大體一致，具有一定相似性，空間分異較大。Cd存在多個點源，高值區(qū)較多；Ni和Hg除高值區(qū)外整體分布均勻，無明顯空間分異，Hg高值區(qū)出現(xiàn)在西南部杞麓湖國家濕地公園，Ni 空間分布最均勻，且平均含量略高于云南省土壤背景值；Pb 部分區(qū)域存在一定空間分異，除部分區(qū)域含量偏高外，整體分布均勻，西部和東部部分樣點含量稍高。重金屬污染高值主要在湖泊西北部納家營軋鋼廠附近及西南部杞麓湖國家濕地公園。

圖2 杞麓湖濕地沉積物重金屬的空間分布Figure 2 Spatial distribution of heavy metals in sediment of Qilu Lake wetlands

2.3 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地重金屬污染評價

2.3.1 單因子污染指數(shù)法

以云南省土壤背景值為參比值，杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地沉積物均受到不同程度的重金屬污染。除Pb和Ni 外，三種不同類型濕地沉積物重金屬Cu、Zn、Cd、Cr 和Hg 的單因子污染指數(shù)均大于1，呈現(xiàn)不同程度的富集。其中，河流濕地Cd 和Hg 的污染指數(shù)高達8.39和24.02，重度污染占比76.93%和38.46%（圖3）。說明Cd 和Hg 富集程度高，呈重度污染，存在較高生態(tài)風(fēng)險。

圖3 基于云南省土壤背景值的單因子污染指數(shù)Figure 3 Single factor pollution index based on soil background value in Yunnan Province

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

通過反距離權(quán)重插值法結(jié)合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對各風(fēng)險等級占比進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖4a 所示，農(nóng)業(yè)徑流區(qū)各采樣點潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)平均值為264，屬中度生態(tài)風(fēng)險水平。人工濕地和湖泊濕地強生態(tài)風(fēng)險樣點約占11%，大部分樣點處于輕微和中度生態(tài)風(fēng)險水平，河流濕地強生態(tài)風(fēng)險樣點占比高達30.7%，局部出現(xiàn)生態(tài)風(fēng)險高值區(qū)，極強生態(tài)風(fēng)險樣點占15.39%，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最大值達1 241。潛在生態(tài)風(fēng)險空間分布呈西高東低的趨勢（圖4b），西部地區(qū)處于強生態(tài)風(fēng)險水平，東部地區(qū)處于中度風(fēng)險水平，少數(shù)采樣點周圍處于輕微風(fēng)險水平。其中，極強潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)主要分布在西北部杞麓湖納家營軋鋼廠附近及西南部的杞麓湖國家濕地公園。

圖4 研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（IR）等級占比（a）和空間分布圖（b）Figure 4 The map of risk level proportion（a）and spatial distribution（b）of potential ecological risk index（IR）in the study area

2.4 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地沉積物重金屬空間分異特征及污染源分析

杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地表層沉積物各重金屬與土壤理化因子相關(guān)性分析見表4，結(jié)果表明：Cu與Zn、Cr、Ni，Zn與Pb、Ni、Hg，Ni與Cr之間呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），推測Cu、Zn、Cr、Ni、Hg 5種重金屬污染具有同源性，7種重金屬元素與土壤pH、OM、TN、TP間存在一定相關(guān)性，其中TN 與Cd 極顯著正相關(guān)（P＜0.01），TP 與Pb、Cr 顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），Zn、Pb、Cr、Ni、Hg 與OM呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表4 土壤理化因子與重金屬含量的相關(guān)性Table 4 Pearson correlation of soil physical and chemical factors and heavy metal concentrations

運用SPSS 軟件主要提取到PC1 和PC2 兩個主成分（表5），累計方差貢獻分別為50.77%和68.99%，能較好解析污染源信息。第一主成分（PC1）中Zn、Cr、Ni 載荷較高，分別為0.913、0.727 和0.834，由相關(guān)性分析結(jié)果可知，這3 種元素具有較好相關(guān)性且空間分布特征相似，說明來源可能一致。

表5 土壤重金屬元素因子載荷Table 5 Factor matrix of heavy metal elements of soil

第二主成分（PC2）中Cd 和Pb 載荷值分別為0.623和0.390，其中，Cd與其他重金屬相關(guān)性不顯著，說明Cd具有單獨來源，且與TN呈極顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 杞麓湖徑流區(qū)不同濕地沉積物重金屬分布特征

杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)不同類型濕地沉積物重金屬平均含量表現(xiàn)為河流濕地＞人工濕地＞湖泊濕地，原因是濕地對重金屬具有削減作用，由農(nóng)業(yè)徑流區(qū)上段城鎮(zhèn)生活低污染水、交通運輸以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥施用等產(chǎn)生的重金屬經(jīng)地表徑流或大氣沉降進入河流濕地，一部分重金屬在河流濕地沉積物中積累，另一部分重金屬先進入人工濕地，經(jīng)濕地削減后進入湖泊濕地，最后進入湖泊水體。除Pb外，河流濕地其余6 種重金屬平均含量均超過云南省土壤背景值，河流濕地和人工濕地Cd 超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率達100%。變異系數(shù)可以反映各樣本數(shù)據(jù)變量空間上的離散程度，有研究表明，變異系數(shù)較小的元素自然來源占主導(dǎo)地位，而變異系數(shù)較大的元素則受人為影響較大[20]。Ni、Hg和Pb這3種重金屬呈強變異，表明河流濕地Ni和Hg、湖泊濕地Pb 受人為活動干擾嚴(yán)重，主要受徑流區(qū)農(nóng)業(yè)活動影響，還與流域內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)及其加工制造業(yè)等有關(guān)。

杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地沉積物Cu、Zn、Cr 和Cd具有相似的空間分布特征，整體呈西北高東南低，自北向南、自西向東遞減的趨勢。Cd 空間分異較大，存在多個點源，整體為高值分布，Hg高值區(qū)出現(xiàn)在西南部杞麓湖國家濕地公園，該區(qū)域人類活動密集，環(huán)湖公路車輛較多，其產(chǎn)生的尾氣中重金屬Hg 經(jīng)大氣沉降隨雨水進入濕地，導(dǎo)致該區(qū)Hg濃度偏高，這主要與通海縣壩區(qū)密集人類活動和交通運輸有關(guān)。Ni 空間分布最均勻，且平均含量略高于云南省土壤背景值，其高值貢獻區(qū)主要來自湖泊西北部納家營軋鋼工業(yè)，說明Ni元素主要受成土母質(zhì)和點源影響。Pb存在一定空間分異，除部分區(qū)域含量偏高外，整體分布均勻，西部和東部局部地區(qū)含量稍高。

3.2 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)沉積物重金屬潛在生態(tài)危害解析

濕地沉積物重金屬的風(fēng)險評價一直是濕地生態(tài)環(huán)境評價的核心方法[21]，基于云南省土壤背景值進行評價，從單因子污染指數(shù)看，三種類型濕地Cd 和Hg呈重度污染，富集嚴(yán)重，存在較大生態(tài)安全隱患，應(yīng)優(yōu)先控制。由于濕地沉積物對Cd 和Hg 具有較強的吸附作用[22]。強潛在生態(tài)風(fēng)險主要貢獻區(qū)是西北部杞麓湖納家營軋鋼廠及西南部的杞麓湖國家濕地公園，高值區(qū)內(nèi)有紅旗河、者灣河、中河和大新河4 條主要入湖河流（圖1），土地利用類型主要以農(nóng)業(yè)用地為主，人類活動頻繁，地表植被覆蓋率低，以農(nóng)作物為主，因此整個西北部地區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險偏高。其中，杞麓湖西南部和西北部坡面是流域內(nèi)重要水源涵養(yǎng)區(qū)，也是生態(tài)敏感性和土壤可蝕性較高地區(qū)[23]，應(yīng)得到管理部門重視。

3.3 農(nóng)業(yè)徑流區(qū)沉積物營養(yǎng)鹽與重金屬的相關(guān)性

依據(jù)重金屬相關(guān)性可間接推測沉積物重金屬污染來源和途徑，若各元素間相關(guān)性顯著或極顯著，表明在該地區(qū)重金屬元素具有同源性或呈復(fù)合污染[24]。其次，濕地沉積物理化性質(zhì)也直接影響重金屬隨低污染水進入濕地的環(huán)境行為[25]。本研究中，TN 與Cd 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），TP 與Pb、Cr 顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），Zn、Pb、Cr、Ni、Hg 與OM 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），農(nóng)業(yè)徑流區(qū)低污染水OM 含量豐富，對重金屬絡(luò)合能力強，這可能是造成該徑流區(qū)表層沉積物中Zn、Pb、Cr、Ni、Hg 含量較高的主要原因。農(nóng)業(yè)徑流區(qū)濕地沉積物pH 平均值為7.73，呈弱堿性，7 種重金屬均與pH呈負(fù)相關(guān)，其中Cd與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），這是因為pH 越高，土壤表面的負(fù)電荷數(shù)量越多，與有機酸形成配合物的機率也越大，導(dǎo)致重金屬吸附能力減弱，重金屬在土壤中的移動性增強[26]。

主成分分析法（PCA）是研究多個變量相關(guān)性的多元統(tǒng)計方法，能較好地根據(jù)相關(guān)性密切程度進行元素分類，通過各因子中的特征元素判斷元素來源[27-28]。本研究第一主成分為混合來源，主要與人類生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)。第二主成分為Cd 和Pb，載荷值分別為0.623 和0.390，其中，Cd 與其他重金屬的相關(guān)性不顯著，說明Cd 具有單獨來源，且與TN 呈極顯著正相關(guān)，表明Cd與農(nóng)業(yè)活動和農(nóng)藥、化肥施用等有關(guān)[29]，此外，Cd 污染與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)，可解釋杞麓湖西北部納家營鋼鐵產(chǎn)業(yè)樣點Cd污染嚴(yán)重。結(jié)合風(fēng)險評價和空間分布結(jié)果，Cd 應(yīng)作為該區(qū)域污染防控與生態(tài)修復(fù)重點。Pb 主要在車輛的燃料燃燒和催化劑、鉛蓄電池的使用中大量產(chǎn)生[30]，Pb 的高值區(qū)主要在杞麓湖國家濕地公園環(huán)湖公路附近，說明其主要來自人類活動與交通運輸。

4 結(jié)論

（1）杞麓湖農(nóng)業(yè)徑流區(qū)不同濕地類型的重金屬含量存在一定差異，表現(xiàn)為河流濕地＞人工濕地＞湖泊濕地，同類濕地中重金屬平均含量大小為Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb＞Cd＞Hg，Pb、Ni 和Hg 呈強變異性，其中Cd 和Hg超背景值樣點比例較高，應(yīng)重點防控。

（2）ArcGIS 反距離權(quán)重插值法分析結(jié)果表明，Cd、Cu、Cr、Zn含量具有相似空間分異特征，呈自北向南、自西向東遞減趨勢，兩個含量高值區(qū)分別是西北部的納家營鋼鐵廠附近濕地和西南部的杞麓湖國家濕地公園，應(yīng)予優(yōu)先關(guān)注和重點管控。

（3）單因子污染指數(shù)結(jié)果表明Cd 和Hg 呈重度污染，存在危害風(fēng)險，其余5 種重金屬污染程度較輕。農(nóng)業(yè)徑流區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)介于112～1 241，平均264，屬中度風(fēng)險水平，且生態(tài)風(fēng)險空間分布呈西高東低趨勢，與含量空間分布特征一致。

（4）相關(guān)性分析和主成分解析結(jié)果表明，徑流區(qū)濕地沉積物各重金屬主要受人類農(nóng)業(yè)活動干擾。Cu、Ni、Cr 和Zn 的污染源主要是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動；Pb 來源主要與道路交通有關(guān)，還受工業(yè)活動影響；Cd 主要受農(nóng)業(yè)活動和工業(yè)活動影響。

研究區(qū)采樣點的位置和數(shù)量對分析結(jié)果具有一定程度的影響，本研究缺乏沉積物分層采樣和重金屬形態(tài)分析，還需在后續(xù)研究中提高采樣密度并進行重金屬形態(tài)的深入研究。