海南岛砖红壤中重金属环境质量评价

鲁双凤，王军广，王 鹏，赵志忠，王瑞强，袁建平

（海南师范大学 地理与旅游学院，海南 海口571158）

海南岛砖红壤中重金属环境质量评价

鲁双凤，王军广，王 鹏，赵志忠，王瑞强，袁建平*

（海南师范大学 地理与旅游学院，海南 海口571158）

以海南岛砖红壤调查资料为基础，分析砖红壤中重金属元素的含量分布特征，并利用地质累积指数法与内梅罗综合污染指数法对海南岛砖红壤中重金属污染状况进行评价.结果表明，由地质累积指数可知：Cr、Zn、Pb元素属于无污染到轻污染程度阶段，其中Cr元素接近轻污染水平；Ni、Cd元素属于轻污染水平；Cu、As元素处于轻污染到重污染阶段.以南方砖红壤背景值作为评价标准,发现Cd元素在研究区域已经达到重污染水平；Ni元素没有造成土壤污染，Cr、Cu、Zn、As、Pb元素在研究区域内达到了轻度污染水平；7种重金属污染元素的污染指数大小顺序为Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni.采用土壤环境质量标准，显示海南砖红壤中大部分重金属元素达到国家二级标准,但个别元素在个别区域处于轻度污染水平；有些地区土壤虽未受到污染，但一些重金属元素达到警戒值，应引起重视.

砖红壤；环境质量评价；重金属元素；海南岛

土壤是土地资源的核心，为植物、动物和微生物的生长与繁殖提供营养物质，是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分.随着社会的发展和科学技术的进步，大量的污染物通过不同的途径进入土壤环境，土壤承担着来自工业和生活污水、固体废弃物、农药化肥及大气沉积等各方面90%的污染物，所以土壤环境质量是环境问题的核心.造成土壤污染的重金属主要有Cd、Pb、Hg、Cr、As等具有生物毒性的元素，土壤重金属在土壤中不易降解、滞留时间较长，可以通过食物链在人体和生物体内积累，对人类的生存和健康构成严重威胁.土壤一旦被重金属污染，对其治理和恢复的难度将会很大[1-3].因此，世界各国环境生态学家对土壤重金属污染的研究非常重视，并取得了大量卓有成效的研究成果.

海南岛属热带海洋季风气候，光温充足，雨量充沛，光合潜力大，物种资源十分丰富，并且具有得天独厚的地理环境，是全国最大的热带地区，是发展热带特色高效农业的黄金宝地.因此，调查和评价土壤重金属污染程度和风险状况，对于查清土壤环境质量，防患于未然，保障粮食、水果和人身健康具有十分重要的现实意义.

1 研究区概况

海南岛位于中国的南部，介于北纬18°10′～20°10 ′，东经108°37 ′～111°03 ′之间，形似一个呈东北至西南向的椭圆形大雪梨形状，总面积（不包括卫星岛）3.39万km2，是我国仅次于台湾岛的第二大岛，总面积3.39万km2，海南岛四周低平，中间高耸，以五指山、鹦歌岭为隆起核心，向外围逐级下降，由山地、丘陵、台地、平原构成环形层状地貌梯级结构明显.山地和丘陵是海南岛地貌的核心，占全岛面积38.7%.海南岛地处热带，属热带季风气候.全岛中部地区气温较低，西南部较高，年均气温23.8℃，1月份平均气17.2℃，7月份平均气28.4℃，夏无酷夏，冬无严寒.海南雨量充沛，年均降雨量1500～2000 mm.年平均日照1750～2700 h，干湿季分明，光、热资源充足[4].

研究区内岩石化学风化强烈，土壤发育较成熟.主要土壤类型有黄壤、砖黄壤、砖红壤、赤红壤、燥红土等5大类型.其中本次的研究对象—砖红壤是区内最主要的土壤类型，其在地表的出露面积达到53.42%.按其成土母质特征又可分为玄武岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤、花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤，但后两者分布最广.

2 样品采集与研究方法

本次主要选择海南岛发育较好的14个砖红壤剖面，其中13个剖面采集了淋溶层（A层）、淀积层（B层）、母质层（C层）三层土壤样品，1个剖面只采集了淀积层（B层）、母质层（C层）样品.同一层位样品是由该层多个样品进行充分混合而成，得到的土样在室内经自然晾干→人工压碎→砾石及动植物残体剔除→混匀→碾磨→过筛（200目）等步骤的处理后，选取20 g用于Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb等元素的含量测定，各种重金属元素的含量测定均采用ICP-MS方法进行.全部分析项目在由澳大利亚西澳大学自然与农业科学学院土壤化学实验室和中科院贵阳地球化学研究所资源与环境测试分析中心共同完成.

3 重金属元素含量特征

研究区位于海南岛内，主要包括文昌、琼海、屯昌、琼中、定安、昌江、乐东、白沙等地区的砖红壤剖面，并对研究区砖红壤重金属元素含量数值进行统计分析.海南岛砖红壤重金属元素含量及其分布特征见表1，根据表1所列的研究区砖红壤重金属元素含量范围、变异系数、平均值，并与海南岛土壤背景值、南方砖红壤均值和中国土壤均值进行对比，可以发现研究区内各重金属元素含量分布存在如下特征.

表1 海南岛砖红壤重金属元素含量统计 mg/kgTab.1 The statistics of heavy metal elements contents in latosol of Hainan Island mg/kg

Cr元素含量在研究区内的含量范围为2.68～151.15 mg/kg，平均值为64.97 mg/kg；Ni元素的含量范围为3.2～34.6 mg/kg，平均值为 15.77 mg/kg；Cu元素均值为33.29 mg/kg，含量在19.02～58.18 mg/kg之间；Zn元素含量范围为23.35～147.22 mg/kg，平均值为68.09 mg/kg；As元素含量为4.24～41.64 mg/kg，平均值为9.89 mg/kg；Cd元素含量范围为0.06～0.37 mg/kg，平均值为 0.19 mg/kg；Pb 元素均值为52.46 mg/kg，含量在26.33～116.06 mg/kg之间.

研究区内Cr、Cu、Cd、Pb平均值高于海南土壤背景值、南方砖红壤均值和中国土壤均值，其中Cr、Cu元素高出海南土壤背景值的4倍，Cd、Pb元素均值是海南土壤背景值、南方砖红壤均值和中国土壤均值的2倍左右；Ni元素均值是海南土壤背景值的将近4倍，而低于南方砖红壤均值和中国土壤均值；Zn元素均值大约是海南土壤背景值和南方砖红壤均值的2倍，而低于中国土壤均值；As元素均值高出海南土壤背景值的8倍多，高于南方砖红壤均值，而低于中国土壤均值.

从各种重金属的含量变异系数（标准差除以平均值）可以看出Cr、Ni、As、Cd元素变异系数较大，其含量分布不太均匀；Cu、Zn、Pb元素变异系数较小，其含量分布较均匀，离散性相对较小[6].

4 土壤环境质量评价

通过前面分析研究发现，研究区砖红壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb在表土中已有一定程度的累积，这将对该区域土壤环境质量以及农副产品的生产构成威胁，该地区土壤重金属含量出现变异，也显示该地区可能已经受到了较大的人为活动的影响.为了进一步了解以上重金属在该区域的生态危害，选择Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb元素作为研究对象，对该研究区的土壤重金属元素进行环境质量评价分析，为该区域今后农业生产、环境保护以及结构调整提供一定的科学依据.

当前对土壤重金属污染评价的方法有很多，但每种方法都有其本身的局限性，不同的学者根据各自的研究目的选取适合的评价方法.根据本次的研究内容，选用地质累积指数法（Geoaccumulation In⁃dex）和内梅罗综合污染指数法（N.L.Nemerow）.

4.1 地质累积指数法

地质累积指数法（Geoaccumulation Index）是1969年德国学者Muller提出定量评价重金属元素污染的参数，目前在地球化学评价中得到了比较广泛的应用[8].其计算公式为：

Igeo=Iog2（Cn/kBn）

式中：Igeo代表地质累积指数；Cn代表实测元素n在沉积物中的实测含量；Bn为该元素的区域背景值，在实际工作中，更多的研究者倾向于采用区域背景值作为参考，因为它能够代表特定区域内元素的空间分布特征，本研究以全国第二次土壤普查海南生态地球化学调查《海南岛1∶25万多目标区域地球化学调查报告》为背景值[5]，一般将系数k设定为1.5.不同学者对地质累积指数的划分级别有5～7级，其中Muller于1981年将地质累积指数评价级别划分为7级[8].

当Igeo≤0时，处于无污染，0级别；当0＜Igeo≤1时，处于无污染到轻污染阶段，为级别1；当1＜Igeo≤2时，属于轻污染水平，为级别2；当2＜Igeo≤3时，处于轻污染到重污染阶段，为级别3；当3＜Igeo≤4时，属于重污染水平，为级别4；当4＜Igeo≤5时，处于重污染到高度污染阶段，为级别5；当Igeo＞5时，属于高度污染水平，为级别6.计算研究区砖红壤中各重金属元素的地质累积指数，由表2可知：以平均水平而论，Cr、Zn、Pb元素处于0～1之间，属于无污染到轻污染程度阶段，其中Cr元素接近轻污染水平；Ni、Cd元素地质累积指数处于1～2之间，属于轻污染水平；Cu、As元素处于2～3之间，处于轻污染到重污染阶段.在整个研究区内的污染程度顺序为：As＞Cu＞Cd＞Ni＞Cr＞Pb＞Zn.

表2 研究区砖红壤中各重金属地质累积指数Tab.2 Geoaccumulation Index of heavy metals in latosol

以各站位地质累积指数比较：

Cr元素在琼海长坡和昌江车站处于无污染水平，比较清洁；介于无污染到轻污染之间的为文昌抱罗、琼海加积、白沙二中、五指山庄、乐东卫校；琼中城北、定安仙沟、乐光农场为轻度污染水平；屯昌城北、儋州大成、儋州那大、东方抱板处于轻污染到重污染水平之间.Ni元素在琼海长坡和昌江车站处于无污染水平；文昌抱罗、定安仙沟、白沙二中、乐光农场介于无污染到轻污染之间；屯昌城北、琼海加积、儋州大成、五指山庄、东方抱板、乐东卫校属于轻污染水平；琼中城北和儋州那大则介于轻污染到重污染水平之间.研究区中Cu元素相对其他重金属元素，污染比较严重，大部分站位都存在着污染，其中在文昌抱罗、琼海长坡、屯昌城北、琼海加积、琼中城北、定安仙沟、乐光农场、儋州那大、五指山庄、乐东卫校介于轻污染到重度污染水平之间，在其他站位均处于轻污染水平.Zn元素在研究区中仅个别站位的污染指数大于1，为轻度污染水平，主要包括琼中城北、五指山庄站位；介于无污染向轻污染水平之间的站位主要为琼海加积、儋州大成、乐光农场、东方抱板和乐东卫校.As元素在各站位均处于污染水平，处于轻污染站位为屯昌城北、琼海加积、琼中城北、儋州大成、五指山庄和昌江车站；在其他站位均介于轻污染水平，但在文昌抱罗处于重污染向高度污染的水平之间.Cd元素在研究区内的大部分站位处于轻污染水平，只有在琼海长坡、琼中城北、白沙二中、东方抱板处于无污染至轻污染水平之间，在屯昌城北和定安仙沟为无污染水平.Pb元素在研究区内整体清洁状况良好，只有在乐光农场、儋州那大、乐东卫校处于轻污染水平，在其他站位均介于无污染至轻度污染水平之间.

4.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法主要反映土壤的污染现状，它不仅考虑到各种污染物实测含量的平均值与相应的污染物的环境标准的比，而且也考虑了污染物中含量最大的污染物与环境标准之比，强调了最大值的作用.土壤往往遭到多种污染物的污染，采用综合污染指数可以综合判断某土壤多种污染物的联合污染效应[9-10].主要计算公式如下：

1）单项污染指数

Pi=Ci/Si

式中：Pi表示污染物i的污染指数；Ci表示重金属元素i的实测浓度；Si表示重金属元素的评价标准；Pi值越大，表示污染越严重.本次采用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）为依据[11]，并结合海南土壤背景值；由于海南土壤的pH值小于6.5，所以使用二级标准中pH小于6.5的指标.首先以南方砖红壤壤背景值作为评价标准[6]，对各元素的污染程度加以分析，然后再用《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）进行评价分析[11]，从而判断土壤污染程度，并进行比较.

土壤重金属单项污染指数的分级标准为：Pi≤1表示非污染，1＜Pi≤2表示轻污染，2＜Pi≤3表示中度污染，3＜Pi≤5表示重污染，Pi＞5表示严重污染.

表3 重金属元素土壤环境质量标准 mg/kgTab.3 The soil environmental quality standards of heavy metals mg/kg

2）根据本次调查的实际情况，一种土壤多种污染物超标的情况很少，因此采用兼顾平均值与最大值的土壤污染指数来计算分析，以便可以突出某种污染较重的污染物作用.

式中：PN为综合污染指数；（Ci/Si）max表示土壤污染物中污染指数最大值；（Ci/Si）ave表示土壤污染物中污染指数的平均值；土壤重金属内梅罗综合污染指数分级采用《土壤检测技术规范》（HJ/T 166-2004）中的标准：PN≤0.7，表示土壤安全，清洁，为1等级；0.7＜PN≤1表示土壤未受污染，但是已经达到警戒级，土壤尚清洁，为等级2；1＜PN≤2表示土壤受轻度污染，为等级3；2＜PN≤3表示土壤受中度污染，为等级4；PN≥3表示土壤受到重度污染，为等级5.

4.2.1 基于南方砖红壤背景值标准计算的污染程度分析

以南方砖红壤背景值作为评价标准，采用内梅罗综合污染指数法海南14个采样站位的砖红壤A层和B层重金属含量的均值进行分析，统计并计算出7种评价指标的污染指数，并按照综合污染指数质量评价模型元素污染程度分级标准进行分级（见表4）.

表4 研究区砖红壤中重金属单项污染指数和综合污染指数（南方砖红壤背景值标准）Tab.4 Single pollution index and the integrated pollution index of latosol heavy metals(background values of standard in southern latosol)

采用南方砖红壤背景值为标准，就平均水平而言，海南砖红壤7种重金属元素的单项因子污染指数变动范围较大，最大的是Cd元素，其评价单因子污染指数均值为3.235，最大值为6，表示Cd元素在研究区域已经达到重污染水平；Ni元素没有造成土壤污染（0.517）；Cr、Cu、Zn、As、Pb元素的单项因子污染指数在1～2之间，表明研究区域内这几种元素达到了轻度污染水平.7种重金属污染元素的污染指数大小顺序为Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni，其污染指数分别为 3.238、1.828、1.720、1.665、1.188、1.006、0.517，综合污染指数平均值为1.936.

就各站位各元素的单项污染指数而言，Cr元素在屯昌城北、儋州大成、儋州那大、东方抱板的污染指数在2～3之间，属于中度污染水平，在其他站位均小于1，处于无污染水平；Ni元素仅在琼中城北、儋州那大处于轻污染水平，在其他站位均处于无污染水平；Cu元素在琼中城北、乐东卫校处于中度污染，在其他各站位处于轻度污染水平；Zn元素在琼中城北、乐光农场、东方抱板、乐东卫校处于中度污染水平，在五指山庄站位达到重度污染水平，在其他站位处于轻污染水平；As在文昌抱罗、乐东卫校处于中度污染，在琼海长坡、定安仙沟、白沙二中、乐光农场、东方抱板处于轻度污染水平，在其他剩余站位均无污染；Cd元素在儋州大成、琼海加积、乐光农场、儋州那大处于重污染水平，在文昌抱罗、乐东卫校则达到了严重污染程度，在其他站位均处于轻度污染和中度污染水平；Pb在儋州那大、乐东卫校处于中度污染，在其他各站位均处于轻污染水平.

就各站位各元素的综合污染指数而言，这7种重金属元素的综合污染指数在文昌抱罗、琼中城北、儋州大成、乐光农场、儋州那大、东方抱板、乐东卫校在2～3之间，处于第4等级，表明土壤已经受到中度污染，在其他站位数值在1～2之间，处于第3等级，表明土壤受到轻度污染.

4.2.2 基于土壤环境质量标准计算的污染程度分析

土壤环境质量标准是国家为防止土壤污染、保护生态系统、维护人体健康所制定的土壤污染物在一定时间和空间范围内的容许含量值.该标准目前在土壤环境质量评价工作中应用最为广泛[12-13].本研究采用通用的国家二级标准值，统计并计算出7种评价指标的污染指数（见表5），并按照综合污染指数质量评价模型元素污染程度分级标准进行分级，以初步判断和识别研究地区土壤是否被污染.

采用土壤环境质量标准，海南岛砖红壤各剖面中七种重金属元素的综合污染指数绝大多数小于1，评价值小于1的剖面达到92.9%，也就是说明92.9%剖面的重金属元素达到国家二级标准.但文昌抱罗剖面的Cd，琼中城北的Cu，乐东卫校的Cd，数值都大于1，表明这些元素在在这几个区域处于轻度污染水平；Cu元素在琼海长坡、乐光农场、儋州那大、乐东卫校，Zn元素在五指山庄，Cd元素在琼海加积、儋州大成、乐光农场、儋州那大的数值大于0.7，说明这些地区的该种重金属元素达到警戒值，应引起人们重视[14].

表5 研究区砖红壤中重金属单项污染指数和综合污染指数（土壤环境质量标准）Tab.5 Single pollution index and the integrated pollution index of latosol heavy metals(soil environmental quality standards)

就各站位综合污染指数值而言，文昌抱罗、琼海加积、琼中城北、乐光农场、儋州那大、乐东卫校的土壤虽未受到污染，但这些重金属元素已经达到警戒值，而其他站位土壤均未受到污染.

5 结论

通过对海南砖红壤中重金属元素的含量及其土壤环境质量进行评价，可以得到如下结论：

1）研究区内Cr、Cu、Cd、Pb平均值高于海南土壤背景值、南方砖红壤均值和中国土壤均值；Ni元素均值是海南土壤背景值的将近4倍，而低于南方砖红壤均值和中国土壤均值；Zn元素均值大约是海南土壤背景值和南方砖红壤均值的2倍，而低于中国土壤均值；As元素均值高出海南土壤背景值的8倍多，高于南方砖红壤均值，而低于中国土壤均值.

2）计算研究区砖红壤中各重金属元素的地质累积指数显示，Cr、Zn、Pb元素介于无污染到轻污染之间，其中Cr元素接近轻污染水平；Ni、Cd元素地质累积指数属于轻污染水平；Cu、As元素介于轻污染到重污染之间；在整个研究区内的污染程度顺序为：As＞Cu＞Cd＞Ni＞Cr＞Pb＞Zn.

3）采用内梅罗综合污染指数法对研究区重金属元素进行评价：①以南方砖红壤背景值作为评价标准：Cr、Cu、Zn、As、Pb元素的单项因子污染指数在1～2之间，表明研究区域内这几种元素达到了轻度污染水平，7种重金属污染元素的污染指数大小顺序为 Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni；就各站位各元素的综合污染指数而言，这7种重金属元素在文昌抱罗、琼中城北、儋州大成、乐光农场、儋州那大、东方抱板、乐东卫校土壤已经受到中度污染，在其他站位土壤受到轻度污染.②土壤环境质量标准：研究区内七种重金属元素的综合污染指数绝大多数小于1，评价值小于1的剖面数量达到92.9%，也就是说明92.9%剖面的重金属元素达到国家二级标准.虽然这些站位土壤未受到污染，但有些站位重金属元素已经达到警戒值，应引起重视.

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Environmental Quality Assessment of Heavy Metal in Latosol in Hainan Island

LU Shuangfeng，WANG Junguang，WANG Peng，ZHAO Zhizhong，WANG Ruiqiang，YUAN Jianping＊
（College of Geography and Tourism，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

In this thesis,a series of samples collected during the survey in latosol in Hainan island are analyzed to re⁃veal the content distribution of heavy metals.And by use of Geoaccumulation and N.L.Nemerow,the pollution of heavy metal in latosol were evaluated.Through the geological cumulative index we can know,Cr,Zn,Pb elements are in pollu⁃tion-free to light pollution degree phase,Among them Cr element is close to light pollution levels;Ni,Cd elements are in light pollution levels;Cu,As elements are in light pollution to heavy pollution stage.Using the latosol background value as evaluation standard,it was found that Cd elements in the study area has reached the level of heavy pollution,Ni ele⁃ment does not cause soil pollution,Cr,Cu,Zn,As,Pb elements reached a level of light pollution in study area;Pollution index of 7 kinds of heavy metal was in the order of Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Cr＞Ni.Using soil environmental quality standards,found most of the heavy metal element were found to reach the national secondary standard,but individual ele⁃ments in separate areas reach light pollution levels.In some areas the soil is not polluted,however,some heavy metals reach the warning value,These areas should be paid attention to.

latosol；environmental quality assessment；heavy metal；Hainan island

X 825

A

1674-4942（2011）02-0210-06

2011-02-24

海南省自然科学基金项目(40879)；海南省教育厅项目（HJKJ2010-28）；海南师范大学“地图学与地理信息系统”、“自然地理学”重点学科项目

*通讯作者

黄 澜