盐城海岸带土壤重金属污染风险评价比较研究*

钱庆腾 方淑波 乔亚军 成 海 印春生#

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；3.南京大学生命科学学院湿地生态研究所，江苏 南京 210093;4.江苏盐城国家级珍禽自然保护区管理处，江苏 盐城 224057)

盐城海岸带土壤重金属污染风险评价比较研究*

钱庆腾1方淑波2乔亚军3成 海4印春生1#

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；3.南京大学生命科学学院湿地生态研究所，江苏 南京 210093;4.江苏盐城国家级珍禽自然保护区管理处，江苏 盐城 224057)

以盐城海岸带为研究区，分别采用地质累积指数法、内梅罗指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染进行风险评价，分析不同方法在评价同一研究区时结果的差异性。结果表明，研究区Cr、Ni、Zn、Cd质量浓度平均值超过盐城海岸带环境背景值。地质累积指数法显示研究区土壤重金属在中度污染到强污染；内梅罗指数法显示研究区土壤重金属为重度污染；潜在生态危害指数法显示研究区土壤重金属处于中度潜在生态危害程度。3种方法评价结果的严重程度为：内梅罗指数法>地质累积指数法>潜在生态危害指数法。3种评价方法均有一定缺陷与局限性，相对于单一方法的污染评价，采用多种方法评价土壤重金属污染可使评价结果更加客观。

盐城海岸带 土壤重金属 地质累积指数法 内梅罗指数法 潜在生态危害指数法

土壤是重金属长期累积和停留的场所，重金属借由土壤介质进入生态系统，不仅危害整个区域的生态安全而且通过食物链影响动植物健康。因此，对土壤重金属的危害性和污染程度进行科学合理评价对于保护生态系统和人类健康有着至关重要的意义[1-2]。目前土壤重金属污染评价的方法有指数法、模型法、健康风险分析法等，方淑波等[3]运用潜在生态危害指数法对盐城海岸带土壤重金属污染情况进行评价，并对研究区域重金属生态风险的有效管理提出建议。滕彦国等[4]应用地质累积指数法对攀枝花地区昔格达组黏土中的重金属污染进行评价研究。王铁宇等[5]运用内梅罗指数法对北京官厅水库周边土壤重金属污染进行环境风险评价，并指出该方法可用于评价多种重金属的复合污染。此外，其他指数法还有污染负荷指数法[6]、回归过量系数法[7]、单因子指数法[8]、脸谱图集法[9]、生态风险指数法[10]等。目前用单一方法对土壤重金属污染评价的研究有很多，采用多种方法对同一区域进行评价的研究较少。

随着盐城海岸带的开发利用，港口建设、海水养殖、临海工业等一系列开发计划的实施，大量污染物排放，严重影响海岸带的土壤质量，需要对该地区土壤重金属的污染程度进行评价。然而每种重金属污染评价方法都有其优越性和局限性，为避免单一评价方法的不足，本研究分别采用地质累积指数法、内梅罗指数法和潜在生态危害指数法对研究区土壤重金属的整体累积特征、生态污染风险进行评价，其中地质累积指数法计算时考虑了成岩作用对土壤背景值的影响，内梅罗指数法可以防止由于平均作用而削弱关键重金属的权值，潜在生态危害指数法可将环境生态效应与毒理学联系起来，对3种评价方法及评价结果进行对比分析，可为相关区域重金属污染评价方法选择及区域重金属污染治理对策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盐城海岸带位于中国海岸中部，属典型的粉砂淤泥质平原海岸，地处北亚热带向暖温带气候过渡地带，气候类型以季风气候为主，受海洋性、大陆性气候双重影响，盐城海岸带是全球最大的海岸带滩涂湿地。沿海大丰、射阳两地分布着盐城国家级丹顶鹤自然保护区，沿海滩涂总面积45.7×104hm2[11]。研究区地貌类型主要属于海积平原类型，该区以斗龙港为界，南高北低，斗龙港以北的绝对高程在2 m左右，斗龙港以南的绝对高程在3 m以上，南部梁垛河闸附近多粉砂，向北泥质成分增加。

1.2 样品采集

盐城海岸带土壤采样点分布见图1。自射阳港起，沿着海岸带每隔3 km左右设置一个断面，断面附近布置样方点，每个土壤样方点采集5个重复样，每个重复样之间相隔50 m左右。对土壤样品进行编号后装入聚乙烯塑料袋以防止样品的污染和损失，本次研究共采集83个土壤样品。

1.3 样品处理与测试

土壤样品自然风干后，拣出砂砾、动植物残体，研磨过100目筛。过筛后称取0.125 g进行预处理。向土壤样品中添加少量水润湿后加入2 mL盐酸与1 mL硝酸，于60 ℃下加热30 min，加入6 mL氢氟酸以及0.5 mL高氯酸，于120 ℃下加热180 min，冷却后加1 mL硝酸溶解残渣并定容至25 mL。采用Optima 5300DV型等离子光谱质谱仪测试Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb共6种重金属元素含量，测量精密度：相对标准偏差(RSD)<2.0%，回收率95%～104%。由于土壤中Hg和As的含量较低，达不到检出限的精度要求，故本研究不对Hg和As的污染风险进行评价。

1.4 土壤重金属背景值选取

目前国内外对于土壤重金属背景值的选取还没有统一指标，通常选取页岩内各重金属的平均值作为背景值，但对于经历复杂风化沉积作用后所形成的土壤，以页岩重金属含量作为地球化学背景值得到的重金属污染信息难以反映真实的污染情况[12]。因此，在研究不同地区的重金属污染状况时应采取不同的参考标准。本研究采用王计平[13]测定的盐城海岸带柱状样地球化学元素含量作为背景值。盐城海岸带和其他地区表层沉积物及土壤、页岩中重金属元素的比较见表1。

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤重金属含量特征分析

研究区土壤重金属质量浓度统计结果如表2所示。可见，盐城海岸带土壤重金属质量浓度有较大差异，Cr、Ni、Zn、Cd的平均值分别为54.52、26.49、62.95、4.33 mg/kg，均高于研究区土壤背景值，Pb的平均值低于背景值；6种重金属中，除Pb、Cd的平均值与背景值相差较大，其他4种重金属的平均值均在背景值附近。计算各重金属的变异系数，发现Cr、Ni、Zn变异系数较低，其余重金属的变异系数均高于30%。其中Cd变异系数最大，为108.07%。总体看来，研究区土壤Cd污染最严重，其来源可能是工厂排放的粉尘、废渣、汽车排放的尾气和日常生产、生活垃圾污染[18]。

表1 盐城海岸带和其他地区表层沉积物及土壤、页岩中重金属质量浓度比较

表2 土壤重金属质量浓度统计信息

2.2 地质累积指数法评价

地质累积指数(Igeo)是区分人为活动影响的重要参数，能够反映各项重金属分布的变化特征和鉴别人为活动对环境的影响。根据Igeo可将土壤污染程度划分为7级，Igeo分级标准见表3。采用该方法对研究区土壤重金属环境质量进行评价，评价结果如表4所示。Igeo表达式如下：

(1)

表3 Igeo分级标准

式中：ci为土壤样品重金属i的实测值，mg/kg；K为修正指数，是由于岩石差异、成岩作用等因素引起的背景值波动而设定的常数，一般取值为1.5；ci0为重金属i的背景值，mg/kg。

由表4可见，根据重金属Igeo平均值，研究区土壤6种重金属污染程度和危害等级依次为：Cd>Ni>Cr>Zn>Cu>Pb，Cr、Cu、Ni、Zn、Pb属于无污染，Cd达到中度污染到强污染。对83个土壤样品进行统计分析，Cr、Cu、Ni、Zn多为无污染(1级)，少数为轻度污染到中度污染(2级)；Pb全部为无污染；土壤样品中Cd有66.2%为中度污染到强污染(4级)，13.2%为强污染(5级)。整体看来，研究区土壤重金属污染属于中度污染到强污染[19]。

2.3 内梅罗指数法评价

内梅罗指数法是当前计算综合污染指数常用的方法之一，该方法不仅考虑了各种影响因子的平均污染水平，又反映了最严重污染元素的重要性，从而在加权过程中避免了权重确定时主观因素的影响[20]。内梅罗指数计算式如下：

Pi=ci/Si

(2)

(3)

式中：Pi为重金属i的单项污染指数；Si为重金属i的质量标准，mg/kg，本研究以《土壤环境质量标准》(GB 15618—2008)中的二级标准值作为评价标准；Pn为综合污染指数；Pave为重金属的单项污染指数的平均值；Pmax为重金属单项污染指数的最大值。

表4 Igeo对研究区土壤重金属污染的评价结果

表5 内梅罗指数法分级评价指标

表6 Pi对研究区土壤重金属污染的评价结果

内梅罗指数法的分级评价指标见表5，研究区土壤重金属单项污染指数评价结果见表6，综合污染指数评价结果见图2。

图2 Pn对研究区土壤样品重金属综合污染评价结果Fig.2 Comprehensive pollution of heavy metals in soil of study area base on Pn

由表6可见，研究区土壤中6种重金属的Pi平均值为Cd>Ni>Cr>Zn>Cu>Pb，其中Cr、Ni、Zn达到轻微污染，Cd达到重度污染，Cu、Pb无污染。对各重金属的污染统计分析发现，83个土壤样品中，Cr有91.6%达到轻微污染；Cu有34.9%达到轻微污染，1.2%达到轻度污染；Ni有87.9%达到轻微污染；Zn有41.0%达到轻微污染，1.2%达到轻度污染；Cd有66.3%达到重度污染。由图2可见，75.9%的土壤样品受到重金属污染，其中66.3%的土壤样品达到重度污染。研究区土壤的Pn值为48.49，说明重金属污染程度达到重度污染，土壤Cd污染较其他元素严重。

2.4 潜在生态危害指数法评价

潜在生态危害指数是用于对重金属进行潜在生态危害评价的方法[21]。该方法结合了生态学、环境化学、病理学、生物毒理学等方面的内容，利用土壤中重金属相对于环境本底值的富集程度及相应的重金属生态毒性系数进行加权求和得到潜在生态危害指数[22-23]。潜在生态危害指数计算方法如下：

(4)

(5)

表7 潜在生态危害评价标准

表8 研究区土壤样品重金属统计分析

图3 RI对研究区土壤重金属污染的评价结果Fig.3 Evaluation results of heavy metals pollution in soil of study area base on RI

3 讨 论

区域土壤背景值反映了未受人类活动干扰的土壤本身的化学元素组成和含量，本研究采用了其他学者在盐城海岸带测得的重金属基线含量作为背景参考值，为相同研究区域，使本研究重金属污染状况的评价结果更客观、科学。

以土壤背景值作为评价基准值，分析研究区土壤单个重金属污染状况，地质累积指数法显示整体上研究区土壤重金属污染达到中度污染到强污染；内梅罗综合指数法显示研究区土壤重金属污染达到重度污染；潜在生态危害指数法显示土壤重金属污染属于中度潜在生态危害。3种污染评价方法所得结果的严重程度为：内梅罗指数法>地质累积指数法>潜在生态危害指数法。

3种方法评价的污染程度不同，分析原因，内梅罗指数法在计算公式中含有最大的单项污染分指数，这是造成内梅罗指数法评价结果比地质累积指数法和潜在生态危害指数法更严重的原因。其次，较低的毒性响应系数是潜在生态危害等级比地质累积指数法评价结果低的另一个原因。内梅罗指数法通过突出各个研究断面(区域)污染最严重的元素对环境质量的作用进而避免平均作用减弱权重现象的发生，但过度强调最大单项污染指数的重要性在评价时会人为夸大高浓度元素对土壤环境质量的影响作用。而地质累积指数法的修正指数通常选取1.5，由于缺乏对实际研究区域岩石土壤的调查，该值的选择带有很强的主观经验性。

分析3种评价方法的差异，地质累积指数法更倾向于单项重金属的污染评价，该方法能很好的评价单元素的污染状况，但欠缺对综合污染贡献度的分析。同时，由于不同研究区域岩石土壤的差异性，修正系数的选取对于土壤污染评价结果的科学性具有很大的影响，因此，在运用地质累积指数法进行土壤重金属污染评价时，应根据研究区域的具体情况选定修正系数；潜在生态危害指数法综合考虑了单项重金属的污染状况以及各个重金属的生物毒性响应系数。但在确定重金属毒性响应系数时带有很强的主观经验性，而且也未考虑多种重金属元素之间可能存在的联合作用致使重金属毒性的大小发生变化；内梅罗指数法过度突显污染指数最大的污染物对环境质量的影响，同时没有考虑土壤中各个污染元素对生物病理性毒害性的作用，当样品中出现异常值时会对土壤重金属污染评价结果造成较大影响，从而难以反映研究区域真实的污染状况。通过3种方法对盐城海岸带土壤重金属污染进行评价，可使评价结果更加真实、客观。

4 结 论

(1) 采用3种重金属污染评价方法对盐城海岸带表层土壤重金属污染状况进行评价。地质累积指数法显示研究区土壤重金属污染达到中度污染到强污染；内梅罗综合指数法显示研究区土壤重金属污染达到重度污染；潜在生态危害指数法显示土壤重金属污染属于中度潜在生态危害。内梅罗综合指数法评价结果最严重，地质累积指数法的评价结果次之，潜在生态危害指数法的评价结果最轻。

(2) 3种土壤重金属污染评价方法各有优越性和局限性，采用一种方法对研究区域的重金属污染进行评价不能准确说明研究区土壤重金属污染的程度和污染范围，利用多种方法对研究区进行评价可使评价结果更加真实、客观。

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ComparisonofsoilheavymetalspollutionassessmentresultofYanchengcoastalzone

QIANQingteng1，FANGShubo2，QIAOYajun3,CHENGHai4,YINChunsheng1.

(1.CollegeofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306;2.CollegeofFisheriesandLifeScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306;3.TheInstituteofWetlandEcology,SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,NanjingJiangsu210093;4.AdministrativeAgencyforJiangsuYanchengNationalNaturalReserve,YanchengJiangsu224057)

The potential risks of soil heavy metals in Yancheng coastal zone was evaluated by geoaccumulation index,Nemerow index,and potential ecological risk index separately. The difference of evaluation results of 3 methods was analyzed. The results showed that the average concentration of Cr,Ni,Zn and Cd exceeded background value of Yancheng coastal zone. The geoaccumulation index indicating the moderate or strong heavy metals pollution in soil of Yancheng coastal zone,Nemerow index showed that the soil heavy metals in Yancheng coastal zone was severely polluted,and the potential ecological risk index showed soil in study area was in the moderate degree of potential ecological risk. The evaluation results of Nemerow index was more severely than geoaccumulation index and potential ecological risk index. Each method had its limitations in actual application,while integrating various evaluation methods could help researcher got more objective results of the heavy mentals potential risks.

Yancheng coastal zone; soil heavy metals; geoaccumulation index; Nemerow index; potential ecological risk index

钱庆腾，男，1990年生，硕士研究生，主要从事海陆交错带研究。#

。

*国家重点基础研究发展(“973计划”)项目(No.2013CB430405);国家科技支撑计划子课题(No.2012BAC07B03)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.009

编辑:丁 怀 (

2016-06-25)