衡水湖西湖区土壤重金属污染特征及退田还湖的生态风险初探.pdf
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1、土 壤(Soils),2023,55(4):838847 基金项目:国家自然科学基金面上项目(42177227)、江苏省社会发展项目(BE2022858)和江苏省属公益类科研院所自主科研经费项目(GYYS2021207)资助。*通讯作者()作者简介:尤本胜(1977),男,安徽宿州人,博士,高级工程师,主要从事湖泊污染治理与修复研究工作。E-mail: http:/ DOI:10.13758/ki.tr.2023.04.018 尤本胜,杨黎明,蔡健霞,等.衡水湖西湖区土壤重金属污染特征及退田还湖的生态风险初探.土壤,2023,55(4):838847.衡水湖西湖区土壤重金属污染特征及退田还湖的
2、生态风险初探 尤本胜1,杨黎明2,蔡健霞2,童丞飞2,周梓怡2,马书占1,陈开宁2,古小治2*(1 江苏省环境科学研究院国家环境保护长江中下游水生态健康重点实验室,南京 210036;2 中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,南京 210008)摘 要:衡水湖西湖区作为衡水湖重要的生态系统服务供给区,在开展生态补水和退田还湖的过程中,现有西湖区大部分露滩在淹水后土壤中赋存的重金属释放会产生一定的生态风险。本文从土壤重金属赋存特征、生态风险评价及淹水释放通量风险估算等方面综合评估西湖区土壤生态安全。在调查区域内布设 9 断面 46 个样方,以 0 60 cm 土壤为研究对象,7
3、 种管控重金属作为研究要素。采用地累积指数法和潜在生态危害指数法分析西湖区重金属空间分布特征和生态风险等级,并通过室内柱样模拟的方法开展土壤淹水后重金属释放风险评估。西湖区土壤中 Zn 和 Cd 的平均含量显著高于河北省土壤背景值,其中重金属 Cd 累积特征比较明显,中度污染水平以上的区域占 97.83%,各重金属含量在空间上呈现南北高中间低的分布规律,西湖区土壤总体处于低风险等级。7种重金属元素的生态风险贡献率依次为:CdAsPbCuNiCrZn,其中 37.71%的生态风险来自 Cd 的贡献,其次是 As(18.81%)和Pb(4.94%)。淹水后土壤中重金属的释放特征随土地利用类型变化差
4、异显著,其中菜地释放通量最高,果园次之,麦田最低,不同土地利用方式造成的有机质累积可能是土壤重金属释放通量差异的主要原因。此外,衡水湖周边主要以石灰性土壤为主(土壤表层浸出液 pH9;Ca2+含量为 1.135 1.143 mg/g),这些以碳酸盐结合态为主要赋存形式的重金属相对稳定,淹水之后,经跟踪监测发现各重金属水溶态浸出浓度均未超标。因此,西湖区退田还湖后整体的水生态安全风险为低风险。关键词:衡水湖西湖区;重金属分布特征;土壤淹水;释放通量;生态风险 中图分类号:S511;X53 文献标志码:A Pollution Characteristics of Heavy Metals in S
5、oils and Ecological Risk with Returning Farmland to Lake in West Lake Area of Hengshui Lake YOU Bensheng1,YANG Liming2,CAI Jianxia2,TONG Chengfei2,ZHOU Ziyi2,MA Shuzhan1,CHEN Kaining2,GU Xiaozhi2*(1 State Environmental Protection Key Laboratory of Aquatic Ecosystem Health in the Middle and Lower Rea
6、ches of Yangtze River,Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science,Nanjing 210036,China;2 State Key Laboratory of Lake Science and Environment,Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China)Abstract:The West Lake area of Hengshui Lake is an impor
7、tant ecosystem service supply area,part of the soil would be flooded in the process of ecological water replenishment and returning farmland to the lake.This paper scientifically evaluated the ecological risk of soils in the West Lake area from the following three aspects:the distribution characteri
8、stics of soil heavy metals,the assessment of ecological risk,and the risk estimation of flood release flux,in which 46 quadrats of 9 sections were arranged,060 cm soils were sampled,and 7 types of controlled heavy metals were determined,the spatial distribution characteristics of heavy metals and ec
9、ological risk levels were assessed using the methods of geo-accumulation index and potential ecological hazard index,the risk of heavy metal release of flooded soils were evaluated by indoor simulation method.The results showed that the average contents of Zn and Cd in the soil of the West Lake area
10、 was significantly higher than the background values in Hebei Province,Cd accumulation was relatively obvious,with 97.83%of the area above the moderate pollution level.The contents of all heavy metals were higher in the south and north but lower in the middle,the soil was at a low risk level as a wh
11、ole.The contribution rates of heavy metals to ecological risk were as follows:CdAsPbCuNiCrZn,37.71%of the ecological 第 4 期 尤本胜等:衡水湖西湖区土壤重金属污染特征及退田还湖的生态风险初探 839 http:/ risk was from Cd,followed by As(18.81%)and Pb(4.94%).The release characteristics of heavy metals in flooded soil varied significantly
12、 with land use types,in which the vegetable fields had the highest release flux,followed by the orchards,while the wheat fields were the lowest.The accumulation of organic matter caused by different land use types may be the main reason for the difference in heavy metal release flux in soils.The sur
13、rounding area of Hengshui Lake is dominated by calcareous soil(soil surface leaching solution pH9;Ca2+content was 1.1351.143 mg/g),these heavy metals mainly occurred in carbonate binding state are relatively stable,the leaching concentrations of all heavy metals in water soluble state did not exceed
14、 the standard after being flooded.Thus,the overall risk of water ecological security is low after returning farmland to lake in the West Lake area of Hengshui Lake.Key words:West Lake area of Hengshui Lake;Distribution characteristics of heavy metals;Soil flooding;Release flux;Ecological risk 衡水湖作为国
15、家级自然保护区,是北方重要的淡水湖泊1,具有防洪蓄水、涵养水源、局部气候调节、改善生态环境、维护生物多样性等多种重要的生态服务功能2,在水生态安全方面具有重要意义。衡水湖主要分为东、西 2 个湖区。目前主要靠东湖常年蓄水,西湖区主要由沼泽、滩地和农田构成3。衡水湖没有自然入径河流,水源主要来自西南部汇水、引蓄卫运河及黄河水,满足景观用水和灌溉需求,以维持其湿地生态系统的结构和功能4。目前,衡水湖经过大规模排水造田,从事农业生产后,使得水资源短缺和用水矛盾十分突出,近年来又开始重新蓄水,恢复湖泊湿地生态功能5。实施退田还湖可大幅增强衡水湖的蓄水功能,打通衡水湖与周围水系之间的联系,对打造京津冀生
16、态环境支撑区具有重大意义6。另一方面,在西湖区开展生态补水和退田还湖的过程中,应充分考虑经过农业生产和人类活动后的土壤实施淹水处理可能产生的生态安全性问题,其中被重金属污染的土壤经过淹水处理后因土壤环境条件改变可能会发生重金属再释放过程,从而加重湖库的生态风险等级79,根据环保部调查数据显示,我国大约有 80%以上的水体沉积物受到不同程度的重金属污染10,重金属作为典型的累积性污染物,具有持久性和生物毒性,对生态环境和人类健康造成严重的威胁11。而湖库作为人类主要的饮用水源地,其重金属污染已成湖库用水安全的重大威胁之一。西湖区以景观用水为主,区域内无工业污染,周围居民以农业生产为主,主要考虑农
17、业生产过程中土壤重金属输入的风险评估。目前关于衡水湖水体和沉积物中重金属污染特征及生态风险评价等方面的研究报道较多12,而关于衡水湖保护区开展退田还湖后生态安全性评估的研究较少,因此开展衡水湖西湖区土壤重金属污染特征分析及淹水后生态安全性评估,对衡水湖水生态安全保护有着重要的意义。本文以衡水湖西湖区土壤为研究对象,通过野外调研的手段对研究区域内土壤中 7 种管控重金属进行分析,利用地累积指数法和潜在生态风险指数法来评价土壤重金属的污染特征和空间分布规律。此外,通过室内原位土柱模拟淹水现象考查淹水过程对土壤重金属浸出释放的影响,分析上覆水水体中重金属含量变化和释放通量,对淹水土壤重金属短期释放风
18、险进行初步分析。本研究为西湖区开展退田还湖工程中土壤重金属污染释放风险评估提供理论依据,有助于评价西湖区土壤重金属对衡水湖土壤重金属污染的贡献率,为衡水湖土壤重金属污染的有效控制和科学管理提供理论支撑。1 材料与方法 1.1 研究区概况 调查区域范围为衡水湖西湖区域,囊括桃城区和冀州区部分村庄,调查总面积为 45.79 km2。调查区域内主要为农作物种植区以及衡水湖森林公园用地,土地利用类型为种植业和林地用地,农业生产方式主要以种植业为主。该区域成土母质为河流沉积物,沙、壤、黏质俱全,湖区及东部以亚黏土和黏土为主;中隔堤及湖区西部以亚黏土及砂土为主;湖区围堤以亚黏土为主。保护区土壤大体可归纳为
19、两个土类:潮土和盐土。湖东岸以中壤质潮土和轻壤质潮土为主,有少量盐化潮土。湖西岸以沙壤质潮土为主,有部分沙壤质轻盐化潮土。潮土是自然保护区的主要土壤类型,潮土母质主要是由黄河携带的泥沙沉积形成,土壤颜色以棕色为主,沉积层理清楚明显。此外,地下水直接参与成土过程,表土、底土有潜育化现象。土壤有机质含量湖区大部分为 类(0.7%1.0%),少量为 类(0.6%)。840 土 壤 第 55 卷 http:/ 1.2 样品采集与处理 根据土地利用类型、池塘分布、村庄及点源分布特征,本研究沿东湖区湖滨带环湖公路至西湖区纵深 7 km 范围内布设调查断面,共布设 9 个调查断面,共计 46 个采样点(图
20、1)。每个采样点利用铁铲或螺旋取土钻进行样品采集,为了保证样品的准确性,本研究选取同一区域内的混合样品作为该区域的土壤样品。具体采样步骤为:在 5 m 对角线上采集 5 个分样组成混合样,充分混合后选取 3 kg土壤样品装入自封袋,并运回实验室进行冷冻干燥处理,去除样品中的沙石和动植物残体后,研磨过200 目筛后装入自封袋中备用。制备完成后的土壤样品放入干燥器内保存并送至中国科学院南京地理与湖泊研究所所级公共技术服务中心进行重金属指标测定。此外,池塘、麦田、果园和菜地等不同类型的区域分别采集沉积物柱状样品,沉积物柱状样品使用柱状采样器(90 mm 500 mm,Rigo 公司,日本)进行原位无
21、扰动采集,每个区域采集 3根原位柱状样品,泥层厚度不少于 20 cm,每个柱状样品采集后立即用橡胶塞和密封膜密封后运至实验室。同时,每个区域采集 10 L 上覆水用于沉积物重金属释放试验。图 1 衡水湖西湖区土壤样品采集点分布图 Fig.1 Soil sampling sites in West Lake area of Hengshui Lake 1.3 室内模拟土壤淹水静态释放试验设计 所有柱状样品转运至实验室后,立即使用 400目筛绢过滤原位采集的上覆水样,以去除水样中40 m 粒径以上的颗粒物及一些浮游动物,以避免对柱内水样和泥水界面的扰动,便于开展静态释放培养试验。所有样品按照编号顺
22、序整齐排列,采用虹吸的方法,使用乳胶管引流排出柱状泥样的上覆水,避免搅动沉积物水界面,随后沿壁缓慢加入过滤后的水样至界面以上 20 cm 处并做标记。释放试验开始后,分别于 0、12、24、36、48、60、72、108 h 以及 20、30和43 d在上覆水中抽取100 mL水样,使用0.45 m玻璃纤维膜过滤并检测水样中的重金属含量,取样后添加原水样至 20 cm 刻度线标记处。1.4 样品分析测试 土壤分析指标包括 7 种有害重金属(As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)元素含量测定及浸出毒性测定。重金属的测定参考土壤环境监测技术规范13;底泥浸出毒性的测试采用 HJ/T 29920
23、07 固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法中的方法14,测定浸出液中重金属含量。其中 16 种重金属的测定使用7700X 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。重金属释放通量计算方法参考杜奕衡等15研究方法。1.5 重金属污染生态风险评价 本次所调查衡水湖西湖区土壤为碱性(土壤表层浸出液 pH9),依据 GB 156182018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)16第 4 期 尤本胜等:衡水湖西湖区土壤重金属污染特征及退田还湖的生态风险初探 841 http:/ 确定调查区域农用地土壤污染风险筛选值,表 1为河北省土壤重金属背景值与农用地土壤重金属污染管控风险筛选值参照表。同时
24、采用地积累指数(geoI)和潜在生态风险指数法(RI),评价衡水湖保护区西湖区域地块土壤重金属污染状况。表 2 为农用地土壤重金属风险评价参照表,若地累积指数法结果为正值说明土壤被污染,结果为负数说明土壤未被污染。geo2log1.5nnCIB(1)11RI=nniiiirrDRiiETCC(2)式中:nC为所测的重金属含量(mg/kg);nB为河北省土壤重金属背景值(mg/kg);iDC为土壤重金属 i 的含量(mg/kg);iRC为计算所需参比值;irT为重金属 i 的毒性响应因子;irE为重金属 i 潜在危害指数。表 1 河北省土壤重金属背景值与农用地土壤重金属污染风险筛选值参照表(mg
25、/kg)Table 1 Background values of soil heavy metals and risk screening values of heavy metals in agricultural soil in Hebei Province 重金属 河北省土壤背景值 农用地土壤污染风险筛选值 执行标准 Cr 68.3 350 Ni 30.8 190 Cu 21.8 200 Zn 78.4 300 As 13.6 20 Cd 0.094 0.8 Pb 21.5 240 Be 1.98 V 73.2 Mn 608 Sr 179 Mo 0.7 Sb 1.22 Co 12.4 B
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