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重金属作为典型的环境污染物之一，具有难降解、隐蔽性强、易富集等特点[1]，其对环境污染危害大，持续时间长，治理成本高.含重金属废水进入环境后会对生态系统造成危害，因此对重金属废水的处理日益受到重视[2]. Cd，Cu，Zn，Pb，Cr 5种重金属元素是造成城市环境污染的典型元素，并已成为城市环境和居民健康的最大威胁之一，在湿地环境研究中日益受到关注[3-4].沉积物是湿地生态系统的重要组成部分，其中的重金属难以被排除，且在一定条件下还会重新释放入水体中，造成二次污染，因此不少学者对湿地中重金属在土壤中的分布、赋存形态、生态风险评价展开了广泛的研究[5-7].除此之外，重金属元素在一定条件下还可以转变为毒性更强的金属有机化合物[8]，并可以通过食物链的传递，对动、植物产生毒害并对人类的健康产生巨大威胁[9].
人工湿地具有投资低、能耗小、操作简单、水质净化效果好、景观效果良好等优点[10]，是目前世界各国大力推广的污水处理方法，尤其在农村和管网未普及地区尤为盛行.人工湿地可通过基质的吸附、离子交换、沉降反应等作用对重金属进行脱除，湿地植物可改变重金属离子的赋存形态，降低其毒性[11-12].在国内外，关于利用人工湿地对含重金属废水的处理展开了大量研究和实际应用[13-15].但湿地生态环境也容易受到人类活动的影响，而如何解决城市人工湿地生态环境与频繁的人类活动之间的矛盾已经成为了当下的研究热点[16].本研究通过现场取样，对重庆市璧山区城市人工湿地进行水体、沉积物、植物中重金属含量进行分析，对水体和沉积物中重金属进行污染评价并分析湿地植物对重金属的富集作用和转运能力，以期为改善城市人工湿地系统的环境质量、优化湿地结构提供理论依据.
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本研究选择重庆市璧山区观音塘湿地公园和秀湖湿地公园两个城市人工湿地为研究对象.观音塘湿地公园位于璧山区城区南部，紧邻璧南河，占地40.5 hm2，于2011年建成，2013年批准为重庆市首座国家级湿地公园.该湿地具有丰富的动、植物资源，地形多为丘陵和低洼沼泽，在处理市政污水、调节城市生态方面发挥着重要作用[17].秀湖湿地公园位于重庆市璧山老城区与绿岛新区的结合部，占地面积100 hm2，于2012年建成，其以自然的璧北河及其支流、库塘、泉眼、人工渠系等为湿地主体景观，是为了改善居民饮用水源地水质，以壁南水库为基础修建的一座湿地公园[18].两个国家级湿地公园是重庆市具有代表性的、运行时间较长、运行情况良好的湿地公园，已有研究对两湿地中水体汞的分布进行了分析，但对两湿地中Cd，Cu，Zn，Pb，Cr 5种重金属元素的研究较为匮乏[19].本研究于2019年9月21日至22日在上述两个人工湿地进行了一次采样，分别采集了上覆水体、沉积物和4种城市人工湿地优势植物样品(梭鱼草、黄菖蒲、再力花、睡莲).根据水域特征设置采样点，观音塘湿地按区域功能差异布设采样点，采样点编号1至4依次为入水口、大面积深度净化区、水生植物净化区、出水口；秀湖湿地采样点则根据水体流向自入水口向出水口依次均匀布设采样点，具体分布如图 1及图 2所示.
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(1) 水样样品采集和预处理
水样取水面下0.5m深度的上覆水体，每个采样点采取半径5m内3次重复水样的混合样品，采集后一部分现场测定其pH值、DO、OPR，另一部分带回实验室后用H2SO4调节至pH＜1，转移至蓝光瓶中，在0~4 ℃低温条件下保存.
(2) 沉积物样品采集和预处理
沉积物采用抓取式抓斗采集水底0~30 cm的表层沉积物，每个采样点半径5 m内采集3~5次重复样品，混合均匀后用1/4取样法选取约1 kg的样品，将其装入自封袋，沉积物样品在阴凉处自然风干，过100目筛网，装入塑封袋中.
(3) 植物样品采集和预处理
选择再力花(Thalia dealbata Fraser)、梭鱼草(Pontederia cordata L.)、黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)、睡莲(Nymphaea L.)4种优势植物，多点分别直接将植物连根挖起，带回实验室后用去离子水洗净，将根、茎、叶剪开，在105 ℃烘箱中杀青2 h，之后在60 ℃下烘干，粉碎后过2 mm筛，封装入自封袋中保存待测.
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水体中Cd，Cu，Zn，Pb使用原子吸收分光光度计TAS-990仪器测定；沉积物和植物样品使用HNO3-HClO3在高温下消解，再采用原子吸收分光光度计TAS-990仪器测定样品中Cd，Cu，Zn，Pb的质量分数[20]；所有样品中Cr的测定使用高锰酸钾氧化-二苯碳酰二肼分光光度法[21].
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实验数据使用Excel 2013、Origin 8.0以及Spss 18.0进行统计分析与处理.
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(1) 水体重金属污染评价方法
本研究采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法评价湿地水体中重金属的污染情况，采用公式如下：
式中：Pi为重金属的单因子污染指数；I为重金属的综合污染指数；Max为重金属的最大质量浓度值；i为重金属的类别；Ci为重金属的测得质量浓度；n为水体中重金属评估的种类总数；Si为水体中重金属的参比质量浓度.该法评价标准如表 1所示[22]，重金属参比质量浓度依据地表水环境质量标准中的Ⅲ类标准值(GB 3838-2002)[23].
(2) 沉积物重金属污染评价方法
本研究采用潜在生态危害指数法评价湿地沉积物重金属的污染情况.该法是瑞典学者Hakanson提出的，其对多种重金属元素的生态效应、污染程度、重金属的毒性水平都进行了考虑，是一种使用范围广的沉积物重金属评价方法.
式中：Ci，Si，Ti分别为重金属i的测得质量浓度、参比质量浓度(本实验采用重庆市土壤背景值)、毒性响应系数(取值为Cd=30，Zn=1，Cu=Pb=5，Cr=2)[24]；Ei为重金属i的潜在生态风险系数；RI为潜在生态风险指数.该法潜在生态风险分级标准如表 2所示[25].
1.1. 研究区域概况
1.2. 样品的采集和预处理
1.3. 样品分析方法
1.4. 数据分析
1.5. 重金属污染评价方法
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分析了观音塘和秀湖水体的重金属质量浓度并与地表水环境质量标准比较(GB 3838-2002)，整体分布情况如表 3所示.由表 3可见，5种重金属的质量浓度处于较低水平，秀湖水体重金属质量浓度略高于观音塘.从平均质量浓度看，两湿地水体中Cd平均质量浓度分别为0.006 mg/L和0.010 mg/L，均超过地表水环境质量Ⅲ级标准；Pb质量浓度仅满足地表水环境质量Ⅲ级标准；Cu，Zn，Cr质量浓度均满足地表水环境质量Ⅱ级标准.两个湿地水体Pb，Cd污染较重，其余重金属的质量浓度均满足地表水环境质量Ⅱ级标准.观音塘湿地水体中5种重金属元素在不同采样点上差异均无统计学意义.秀湖湿地水体中采样点4的Zn质量浓度显著低于其他采样点(p＜0.05)；Cr质量浓度自采样点1~6显著递增(p＜0.05).
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根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中的Ⅲ类标准对两湿地水体中重金属进行污染评价.由表 4可以看出，两湿地综合污染指数(I)均大于1，属于警戒线等级、尚清洁水平，观音塘湿地中采样点1和4的综合污染指数均大于1，相对其他两样点较高，可能是由于采样点附近人类活动造成[26]；秀湖湿地所有采样点的I值均大于1，属于警戒线等级、尚清洁水平.两湿地中Cd的单因子污染指数(Pi)均大于1，属于警戒线等级、尚清洁水平，秀湖湿地中采样点6的Cd的Pi值达到了2.6，造成了轻微污染；两湿地中其余4种元素的Pi均值小于1，属于安全等级、清洁水平.整体看来，两个湿地水体均未出现重金属污染状况，整体处于尚清洁水平.
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表 5反映了湿地沉积物重金属的质量分数和分布特征，观音塘湿地不同采样点重金属累积情况差别较大，其重金属质量分数从大到小为：Zn，Pb，Cu，Cr，Cd. Cd，Cu，Zn，Pb，Cr平均质量分数分别为0.30，24.27，147.31，36.39，21.17 mg/kg，除Cr外均高于重庆市土壤重金属背景值[27]和全国土壤重金属背景值[28]，其中Cd质量分数在0.21~0.37 mg/kg间，其平均质量分数分别为重庆土壤背景值的2.1倍，全国土壤背景值的3.1倍.与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行) 》(GB15618-2018)中的土壤污染风险筛选值对比[29]，除Cd外，其余元素质量分数均低于风险筛选值.秀湖湿地中重金属质量分数大小趋势与观音塘湿地一致，Cd，Cu，Zn，Pb，Cr平均质量分数分别为0.38，24.51，120.33，46.54，23.31 mg/kg，同样是除Cr外均高于重庆市和全国土壤重金属背景值，Cd质量分数是重庆土壤背景值的2.7倍、全国土壤背景值的4.75倍.与土壤环境质量风险筛选值相比(GB15618-2018)，仅Cd超过了该值.采样点3处Cu质量分数显著低于其他点位；Zn质量分数在采样点6处显著低于其他点位.观音塘湿地4个采样点的沉积物中，Cd，Cu，Zn，Pb，Cr变异系数分别为23.57%，19.94%，21.09%，16.09%，61.12%，其中Cr变异系数较大，显示其具有较复杂的来源，其他4种元素具有来源一致性[30].秀湖湿地6个采样点的沉积物中，Cd，Cu，Zn，Pb，Cr变异系数分别为13.31%，18.84%，15.97%，8.28%，30.25%，规律与观音塘湿地一致.
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本研究以重庆市土壤背景值为参比值，通过计算两个湿地沉积物的5种重金属元素分别的潜在生态风险系数(Ei)以及潜在生态风险指数(RI)，反映出该湿地的沉积物生态风险情况，具体计算值如表 6所示.从单个重金属元素来看，两湿地各元素潜在生态风险系数(Ei)从大到小顺序均为：Cd，Pb，Cu，Zn，Cr，计算结果表明，观音塘湿地Cd的平均Ei的值为64.29，属于中等生态风险等级，其他4种元素均属于轻微生态风险等级，其中采样点4的几种元素Ei值较其他点位处于相对较低水平.秀湖湿地中Cd的平均Ei为81.43，属于强生态风险等级，其余4种元素处于轻微生态风险等级，其中采样点6的各元素Ei较其他点位处于相对较低水平.
从综合污染程度看，观音塘湿地的平均潜在生态风险指数(RI)为80.74，属于轻微生态风险等级，从进水口到出水口有明显的下降趋势.秀湖湿地的平均RI为99.96，属于中等生态风险等级，由于该湿地无明显的进出水口，沉积物的重金属积累分布较为均匀，但由于采样点6处水流速快，可能促进了沉积物中重金属释放，导致重金属富集较少[31].
朱嵬等[32]对宁夏黄河流域中湖泊湿地的沉积物重金属分布和生态风险进行了研究，发现2个湖泊湿地中Cd污染最为严重，重金属富集从高到低顺序为：Cr，Pb，Zn，Cu，As，Cd，Hg.敖亮等[33]对三门峡库区河流湿地沉积物中Cr，Cu，Pb，Zn，Cd等重金属质量分数和形态进行了研究，并使用污染指数评价法分析了沉积物的生态潜在风险，发现Cu，Cd，Pb的污染最为严重.本文所研究的观音塘和秀湖湿地中的5种重金属污染情况与前人研究较为吻合，主要为Cd，Pb，Cu的污染较为严重.
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表 7为植物各部分中重金属质量分数，植物根部Cd，Cu，Zn，Pb，Cr质量分数范围分别是0.05~0.23，7.14~13.32，36.78~86.22，22.07~45.45，3.29~13.70 mg/kg；茎部Cd，Cu，Zn，Pb，Cr质量分数范围分别是0.06~0.15，2.65~5.57，17.35~35.02，7.89~30.65，0.18~2.85 mg/kg；叶部Cd，Cu，Zn，Pb，Cr质量分数范围分别是0.04~0.16，3.03~5.78，24.07~44.72，6.99~24.02，0.37~2.00 mg/kg.从表中可以看出植物中重金属主要累积在地下部，地上部质量分数相对较少，质量分数总体趋势从大到小为：根、茎、叶(黄菖蒲无茎).这与前人的研究结果一致[34-35]. 4种植物总体重金属质量分数从大到小为：Zn，Pb，Cu，Cr，Cd.通过与植物体内重金属正常质量分数[36]比较，Cd，Cu，Zn未超过正常范围，Pb，Cr不同程度地超正常范围或逼近临界值；睡莲体内Pb质量分数很高，且在根、茎、叶中均有大量累积；梭鱼草体内Cr质量分数很高，但大部分积累在根部.除黄菖蒲外，其他植物体内Cd，Zn累积质量分数较高.
潘义宏等[37]发现，大多数挺水湿地植物根系中重金属质量分数远远高于地上部分. Martinez等[38]研究了水生植物体内Cd，Cu，Pb，Zn，As的质量分数发现，除Zn在茎与根中质量分数无显著差异外，其余几种重金属元素在根中质量分数均高于地上部分，本研究与前人结论一致.
植物体内不同部位重金属质量分数转移系数为植物地上部与地下部中重金属质量分数的比值，它能反映植物将重金属从地下部向地上部转运的能力[39].如表 8所示，4种植物对Cd的转移系数较大，对Cr的转移系数较小；观音塘湿地中梭鱼草对Cd，Cu，Zn，Cr的转移系数最大，分别为1.486，1.243，1.213，0.329；睡莲对Pb转移系数最大，为1.109；再力花对Cd，Cu，Zn转运能力较强，黄菖蒲对Cd转运能力较强.秀湖湿地中梭鱼草对Cr转移系数最大，为0.346；再力花对Cd转运系数最大，为1.386；睡莲对Zn，Pb转移系数最大，分别为1.018，1.506.两湿地中植物综合转移能力从高到低排序均为：梭鱼草、睡莲、再力花、黄菖蒲.
2.1. 水体重金属分布情况及污染评估
2.1.1. 水体重金属质量浓度分布特征
2.1.2. 水体重金属污染评价
2.2. 沉积物重金属质量分数分布特征及生态风险评价
2.2.1. 沉积物重金属质量分数分布特征
2.2.2. 沉积物生态风险评价
2.3. 植物重金属质量分数及转移系数
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(1) 两湿地水体均未出现重金属污染状况，处于尚清洁水平，秀湖湿地水体综合污染指数(I)略大于观音塘湿地.
(2) 两湿地沉积物重金属质量分数除Cr外均高于重庆土壤背景值和全国土壤背景值，Cd为两湿地的主要污染重金属元素，但5种元素尚未超过风险管控标准.观音塘湿地属于轻微生态风险等级，秀湖湿地属于中等生态风险等级.
(3) 两湿地的主要优势植物体内重金属质量分数处于正常水平，且主要累积在根中，睡莲对Pb明显富集较多，梭鱼草对Cr明显富集较多.植物综合转移能力从高到低排序为：梭鱼草、睡莲、再力花、黄菖蒲，梭鱼草和睡莲具有较强重金属转移能力，在修复人工湿地沉积物中重金属具有较高的潜在价值.