黄河三角洲表层土壤重金属环境质量评价

2016-07-06缪雄谊叶思源郝玉培阳莲锦陈伟海黄保健沈利娜中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部广西岩溶动力学重点实验室广西桂林500中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室山东青岛26607国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室山东青岛26607贵州地矿基础工程有限公司贵州贵阳55000

海洋科学 2016年2期

关键词：黄河三角洲三角洲金属元素

缪雄谊, 叶思源, 郝玉培, 阳莲锦, 陈伟海, 黄保健, 沈利娜(. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部广西岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 500; 2. 中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室, 山东青岛 26607; 3. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室, 山东青岛 26607; . 贵州地矿基础工程有限公司, 贵州贵阳 55000)

黄河三角洲表层土壤重金属环境质量评价

缪雄谊1, 2, 3, 叶思源2, 3, 郝玉培1, 阳莲锦4, 陈伟海1, 黄保健1, 沈利娜1
(1. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部广西岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004; 2. 中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室, 山东青岛 266071; 3. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室, 山东青岛 266071; 4. 贵州地矿基础工程有限公司, 贵州贵阳 550001)

主要针对黄河三角洲表层土壤及沉积物的重金属分布调查, 在2006~2008年间采集表层土壤样品219个(其中浅海湿地25个), 并运用受普遍认可的生态危害指数法、单因子及内梅罗污染指数法对黄河三角洲整体进行环境质量评价, 得出以下结论: (1)黄河三角洲表层土壤中重金属元素的污染指数从高到低为: Cr>Pb>Zn>As>Cu>Cd>Hg; (2)浅海湿地的近海表层沉积物中的重金属元素含量较上三角洲平原的表层土壤低, 前者最大影响来源于As, 土壤样品一级标准率达到96%; 后者的最大威胁是As 和Cd, 土壤样品一级标准率达到88.5%; (3)黄河三角洲表层土壤及近海沉积物的Eri值、RI值、单因子污染指数及综合污染指数均较小, 远未达到轻微污染的标准, 表明黄河三角洲土壤环境状况较好,整体处于清洁水平。

黄河三角洲; 表层土壤; 沉积物; 重金属

[Foundation: Scientific research fund of Ministry of land and resources public welfare profession of China(201111023); The National Natural Science Fund(41240022) and Marine Geological support Engineering Project(GZH201200503); Geological survey project(1212010611402)]

黄河三角洲是中国乃至世界暖温带唯一一块保存最完整, 最典型, 最年轻的湿地生态系统, 是具有国际意义的重要保护湿地, 黄河经三角洲入海, 来源于上游工业基地以及人口密集城市的各种污染物质被其携带入区内, 影响着黄河三角洲土壤质量的安全, 同时黄河三角洲又因其相当丰富的石油天然气储量, 成为全国的重要原油产区, 在石油开采到油气集输的一系列过程中, 处处存在着石油对脆弱生态系统的影响和土壤环境的污染。近几年, 黄河三角洲农业生产得到快速发展, 农用薄膜、化肥和农药的使用量也逐年增加, 由于人们环保意识薄弱, 致使农业土壤重金属污染的例子屡见不鲜。加上土壤重金属污染问题是人类的生活和健康最重要的威胁,同时也造成生态环境恶化现象的罪魁祸首。在土壤重金属污染日益严重的背景下, 围绕着重金属展开的土壤环境调查显得及其重要, 土壤重金属环境调查对之后的土壤修复或治理的实施具有关键性意义。

此前学术界对黄河三角洲生态系统进行了地质、水文、生物地球化学以及生态多样性等多方面的基础调查研究[1-5]。对该区域的重金属调查也时有进行, 如李任伟等[6]、刘志杰等[7]、郭德英等[8], 但研究较为局部, 仅对三角洲部分区域土壤重金属状况作出评价, 针对此区域的全区的环境地球化学特征研究却是无人问津。在当今世界都注重生态安全, 努力追求可持续发展的形势下, 加强有关生态脆弱区的环境地球化学研究, 是对区域生态环境监测、管理和发展提供科学的依据, 对本区的可持续发展也有着重要的现实意义。本研究通过黄河三角洲获取的表层土壤样的分析测试, 对黄河三角洲表层土壤重金属进行环境质量评价, 深化对黄河三角洲生态环境状况的了解。

1 材料方法

实验分析样品均于2006年~2008年取自黄河三角洲上三角洲平原上的表层土壤及近海表层沉积物(0~20 cm), 地理坐标介于37°30′N~38°10′N, 118°19′E~ 119°27′E的区域(图1)。上三角洲平原采样时间为2006年~2007年, 共布设了194个采样站位, 在各采样站位采集表层土壤样(0~20 cm)。本次调查在黄河三角洲浅海 –6 m等深线以浅水域布设了25个采样点, 样品采集时间为2008年分布在北部黄河古道及东面黄河现行流路入海口等5条重要观测断面, 采集0~20 cm的近海表层沉积物。

图1 黄河三角洲研究区域及表层样品取样点分布图Fig. 1 Sample plots in the Yellow River Delta

1.1 样品分析测试及质量控制

沉积物样品使用冷冻干燥机干燥, 待干燥后去杂物及石块, 经玛瑙研钵研磨处理后过100 目尼龙筛, 贮存于塑料自封袋密封待用。重金属分析项目有: Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、As, 其中Cu用等离子发射光谱ICPOES(VARIAN VISTA-MPX) 测定, Cd用等离子体质谱法(ICP-MS)测定, Cr、Pb、Zn用压片法-X射线荧光光谱(XRF)测定, Hg用AFS-230a 型双道原子荧光光度计进行测定, As用氢化物-原子荧光光谱法(HG-FS)测定。沉积物重金属分析方法根据文献[9]进行。本实验表层样的元素测试工作在中化地质矿山总局地质研究院完成。所测样品均设置两个平行样, 分析时采用国标液控制工作曲线, 测量分析的相对标准偏差控制在10% 以内。实验所用试剂均为优级纯, 实验用水为超纯水。

1.2 评价方法

在本研究中, 拟选三种应用较广且被学者广泛认可的评价方法——单因子污染指数法、内梅罗(N. L. Nemerow)综合污染指数法、潜在生态危害指数法,联合对黄河三角洲表层土壤及沉积物进行重金属污染评价。

1.2.1 潜在生态危害指数法

生态危害指数法(Potential Ecological Risk Index, RI)由瑞典科学家Hakanson[9]提出, 此方法是目前最为常用的评价重金属污染程度的方法之一, 能够定量描述重金属在沉积物中潜在危害程度, 根据这一方法, 某一区域的沉积物中第i种重金属元素的潜在生态危害系数E及沉积物中多种重金属元素的潜在生态危害指数RI可分别表示为:

1.2.2 单因子污染指数法

采取指数法进行黄河三角洲表层土壤重金属污染评价的时候, 以国标土壤环境质量一级标准(GB15618 -1995)为参照标准[12]。其计算公式为:

表1 重金属元素的浓度参照值(c)和毒性系数(T)[10]Tab. 1 The global maximum background values (c) and toxic factors (T) of heavy metal elements[10]

金属元素Cr Cu Zn Cni(×10–6) 60.00 30.00 80.00 Tri2.00 5.00 1.00 Pb Cd As Hg 25.00 0.50 15.00 0.25 5.00 30.00 10.00 40.00

式中: Pi为土壤中污染物的污染指数; Ci为污染物i浓度的实测值(mg/kg); Si为污染物的评价标准(mg/kg), Pi≤1表示土壤未污染; 13表示重污染, Pi值越大, 则说明土壤污染越严重。

1.2.3 内梅罗(N. L. Nemerow)综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法进行评价是国内外较常用的土壤重金属污染评价方法[10, 13]。其计算公式为:

式中: Pint为内梅罗综合污染指数; Pimax为某样点单因子污染指数的最大值; Piave为某样点单因子污染指数的平均值。

综合污染指数可以用来评价每一个测试点的样品重金属综合污染水平。综合评价分级标准见表2。

表2 土壤污染评价分级标准[13-17]Tab. 2 The classification standards for the evaluation of soil pollution[13-17]

2 重金属元素分布特征

2.1 黄河三角洲表层土壤重金属元素分布

为研究黄河三角洲表层土壤重金属元素分布(图2), 将表层土壤重金属元素含量数据用surfer软件投影在黄河三角洲底图上, 同时也投影上重金属含量超过土壤环境质量一级标准的取样站位, 但这些取样站位表层土壤重金属含量均满足土壤环境质量二级标准。除Hg元素以外, 上三角洲平原中的其余各重金属元素的含量变化具有较一致的规律, 最高值点的出现沿着入海河流依次分布, Hg元素的最高值点出现在上三角洲平原东部离入海口较近的区域。浅海湿地在紧邻东部入海口的近海表层沉积物中, Hg元素的含量出现0.03 mg/kg的最大值, 向北逐渐降低; Cr元素含量出现最低值, 为56.15 mg/kg, 而向北延伸逐渐增加, 在孤北水库的正北方向的近海表层沉积物中出现为62.43 mg/kg的最大值; 元素Cu、Zn、Pb、Cd、As的最大含量出现点较Hg元素最大含量的出现点, 稍向北移, 往北延伸各元素含量逐渐降低, 在黄河三角洲北部的近海区域测得最小值。表明Cr元素较其他重金属金属元素具有较强的迁移能力, 能在富集在稍远的近海表层沉积物中, 而Hg元素较其他重金属元素具有较弱的迁移能力, 只能在离入海口较近的近海表层沉积物中富集, Cu、Zn、Pb、Cd、As等元素的迁移能力处于中位位置, 容易富集在距入海口, 较Hg元素富集地稍远, 却较Cr元素富集地近的近海表层沉积物中。区内重金属元素中的Cd和As具有最多的超标点, 超标点为24个,超标点所处的区域也近乎一致, 推测Cd和As来源一致, Cu的超标点次之, 为11个, Cr、Zn和Pb存在的超标点较少, 分别为3个、2个和1个, Hg没有超标点。从重金属分布来看, 在近入海口处, 各重金属元素都出现高浓度, 这与大量物质沉降使得重金属元素吸附率增高有关, 而重金属元素浓度的向海降低则与海水的稀释有关。

2.2 黄河三角洲表层土壤及近海表层沉积物中重金属含量

图2 黄河三角洲表层土壤重金属元素分布据[18]Fig. 2 The distribution of heavy metal elements in the Yellow River Delta[18]

表3列出黄河三角洲表层土壤及近海表层沉积物224个表层样重金属元素的含量。由表3可见, 上三角洲平原表层土壤中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg的含量变化范围分别为: 46.7~97.0、10.0~42.8、34.1~102.6、13.4~39.2、0.08~0.28、5.9~21.9、0.004~ 0.145 mg/kg, 浅海湿地近海表层沉积物中Cr、Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg的含量变化范围分别为: 45.9~ 75.8、8.2~33.2、30.5~84.56、13.8~24.7、0.07~0.19、5.1~15.3、0.003~0.062 mg/kg, 将黄河三角洲表层土壤及近海表层沉积物的重金属元素平均值与之前研究相比[19], 重金属元素含量比较接近, 也表明这次研究的准确性; 与国家土壤环境质量一级标准[12]比较, 不论是上三角洲平原还是浅海湿地都能完全符合要求, 但是在上三角洲仅有28个取样点, 浅海湿地仅有1个取样点出现不同程度的重金属元素含量超标, 此少数取样点虽未能满足国家土壤环境质量一级标准, 但却完全能满足国家土壤环境质量二级标准, 土壤环境质量一级标准率接近87%, 并且这些点主要分布在黄河三角洲东部和北部区域, 沿入海河流分布, 这与刘志杰等[19]在2008年黄河三角洲局部区域的采样分析研究一致; 与中国土壤环境背景值[20]相比, 上三角洲平原中Cr、Cd、As含量较高, Cu、Zn、Pb、Hg含量都较低, 浅海湿地中仅Cd、As含量较高, Cu、Zn、Pb、Hg、Cr含量都较低; 与2004~2005年间吴晓燕等[21]在黄河口的研究结果相比, 上三角洲平原中Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、As含量均高于黄河沉积物, 仅Hg含量低于黄河沉积物, 浅海湿地中Cr、Zn、Pb含量高于黄河沉积物, Cu、Cd、As、Hg含量都低于黄河沉积物, 表现出黄河三角洲表层土壤的重金属来源与自身的工农业发展及其相关, 并非完全来源于上游黄河; 与胡宁静等[22]的研究结果相比, 黄河三角洲表层土壤及沉积物与莱州湾沉积物中的重金属含量较为接近, 其中Cr、Cd和Cu的含量整体稍高, As、Hg、Zn和Pb含量稍低于莱州湾; 与毕春娟[23]对长江口潮滩的研究结果相比,黄河三角洲整体仅Cr含量高于长江口潮滩, Cu、Pb、Zn含量都低于长江口潮滩; 与甘华阳等[24]的研究结果相比, 黄河三角洲整体Cu、Pb、Zn含量都低于珠江口沉积物; 对比英国梅德韦河口潮间带[25]和美国哈德逊河口沉积物[26], 黄河三角洲中的重金属元素含量均低于这两条河流; 研究区与北黄海沉积物[27]较为接近, 仅Cu的含量略高, 其余重金属含量均略低于北黄海, 这与此区的向海排污不无关系; 与东海沉积物[28]相比, 仅Cu较高, 其余均低于东海沉积物; 与南海沉积物[29]相比, 研究区中的Cr和As含量略高, 其余重金属远低于南海沉积物。

表3 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中重金属元素的含量(mg/kg)及其他地区Tab. 3 The content of heavy metal elements in the Yellow River Delta and other region

2.3 黄河三角洲表层土壤及沉积物的重金属主要来源分析

2.3.1 区域流系和水文动力对重金属的影响

黄河三角洲上最重要的河流属黄河, 图2中框出了研究区内的黄河流经区域, 从利津县南宋乡流入区内, 然后向东北继续流动, 经垦利县进入渤海,在此区域中, 重金属高值点和超标点多次出现, 并具有沿岸分布特征, 此特征并在不同重金属含量分布图上都有体现, 这与黄河与携带的上游污染物的沿岸富集密切相关。黄河作为中国第二大长河, 世界第五大长河, 自青藏高原的发源地流出以后, 横跨我国北方大部分地区, 由于北方大部分工业区和人口密集区处于黄河流域范围, 因此众多未被处理的工业污水和生活污水被直接排入黄河, 如黄河兰州段, 该区以石油、化工、电力、机械、冶金、煤炭等重工业为主体, 炼油厂、化工厂和矿业公司遍布, 用水量和排水量都十分巨大, 生活污水的排放也由2001年的5381万吨, 飞速增加到2005年的6505万吨,年均增长134.8万吨, 在污水治理能力有限的情况下,大量污水直接排入黄河, 根据多年的监测结果, 由于黄河各支流的工业污水和生活污水的排放, 造成河水中六价铬、石油类、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、粪大肠杆菌群浓度居高不下, 直接影响黄河水质[30]。由于灌溉用水量的巨大和土壤肥料施用量的不断增加, 加之不科学的灌溉方式和肥料利用率低下, 导致黄河干流河水的各主要离子和总离子浓度近40年来不断上升, 污染物浓度也呈明显升高趋势[31]。

黄河三角洲重金属的分布也受到水动力状况的影响, 由于黄河三角洲位处滨海, 受到水流的冲刷以及海水的侵蚀的持续作用, 其沉积环境受影响而持续发生着变化, 沉积环境的变化能够促使某些形态的重金属从颗粒态转变为溶解态而释放出来, 从重金属分布来看, 在近入海口处, 河水与海水作用强烈, 大量物质沉降使得重金属元素吸附率增高,各重金属元素高值点得以出现, 而重金属元素浓度的向海降低则与海水作用增强, 重金属的稀释有关。

2.3.2 人类活动对重金属的影响

人类活动的影响, 即是区内工业、农业和生活污水带来的影响, 黄河三角洲蕴含着丰富的石油天然气资源, 是胜利油田作业的主要范围, 胜利油田已探明石油地质储量约为30×108t, 天然气储量为2300×108m3, 另有伴生气资源近10×106m3[32]。油气开采, 易造成笨类、烃类及重金属等环境污染, 所处该区胜利油田的油气开采是我们石油工业的重要支柱, 也是该区生态环境最主要的潜在威胁。

胜利油田在1984 年到 1999 年的 15 年期间,油田集中区面积从 245.71 km2增加到 799.69 km2,年平均增长率为 8.18%, 不仅油田集中区的面积大为增长, 油井的密度也有很大的增加, 从油田开发初期的低油井密度到后来的高油井密度区。1984年以前的老油田主要集中在黄河以南的垦利县、东营区以及黄河北岸河口区境内。1984 年以来, 新增的油田开发区主要集中在黄河以北的黄河三角洲东北的渤海沿岸, 形成非常密集的油田建成区[33], 图2中虚线圈出的正是该区域, 从图中可以发现, 黄河以北的重金属高值点和超标点与密集的油田建成区重合, 表明重金属含量分布与区域油气开采密不可分, 而Cr、Pb、Hg和Zn在该区无超标点或超标点极少的事实, 表明黄河三角洲上受石油开采的影响较大重金属元素主要是Cu、Cd和As。

近年来, 由于不合理的农业活动的进行, 如污水灌溉、污泥利用、化肥、有机肥、农药和杀虫剂的滥用, 对土壤和生态环境造成威胁的例子比比皆是, 而城市人口急剧增加同样导致了生活污水的成倍暴增, 在污水处理能力限制的背景下, 含有各种污染物的污水未经处理便直接排放, 此类活动也逐渐成为Hg、Cr、Cd、As、Cu和Zn等多种重金属污染的重要来源[34-36], 研究区东南部重金属高值点和超标点出现在离城市生活区较近的位置, 此位置并不是传统的油田建成区, 也离黄河有一定距离, 其潜在主要来源为农业活动和生活污水的联合影响。

2.3.3 有机质对重金属富集的影响

黄河三角洲是典型的滨海湿地, 具有生物化学作用强烈的特征, 因此表层土壤中有机质含量较高,普遍大于1%[1], 有机碳是重金属元素主要的迁移载体[28], 重金属元素易于在有机质中富集, 是因为有机质与重金属元素之间存在着络合、螯合作用, 在此类作用下有机碳将重金属元素吸附其上, 于是重金属元素随着有机碳进行迁移转化, 所以有机碳含量的高低能够对重金属元素的含量产生直接影响[37]。由于有机碳与有机质之间具有较好的正相关关系,因此有机碳的变化能够较好的对有机质的变化作出反映。

此外重金属富集也受沉积物的粒度组成和季节变化的影响, 粒度组成的不同使得沉积物的矿物组成、表面物理化学性质、比表面积和表面自由能出现差异[38], Forstner等[37]指出: 重金属元素含量随着沉积物颗粒由粗到细的变化, 而逐渐增加。通常解释为越细的沉积物颗粒就越具有较大接触表面积, 因此吸附的重金属元素含量也就越高; 碎屑矿物在具有较粗粒度的沉积物中含量较高, 由于碎屑矿物本身富含重金属元素的缘故, 因此当粒径增加到63 μm以上时, 重金属元素含量又具有增高的趋势。一般认为[38],沉积物中的细粒部分(主要为黏土部分, 细粉砂部分其次), 表面积和吸附交换能力均较高, 因此重金属元素喜欢赋存在此部分上, 而粗粉砂中重金属元素含量则相对较少。黄河三角洲表层土壤及近海沉积物继承于黄河沉积物, 黄河沉积物多为粉砂质, 而重金属元素易富集在粘土部分, 因而研究区良好的环境状况与此不无关系。由于黄河携带物质的成分和粒径受季节性的气候更替能够形成周期性变化,进而引起重金属元素含量的变化, 季节性演替也引起生物活动的改变, 黄河三角洲内由于水源充足和生态环境较好, 所以植被覆盖丰富、动物种类繁多、微生物活动也较为频繁, 这些生物对于重金属元素的富集运移扮演者非常重要的角色。植物生长的周期性变化能够引起沉积物含量的季节性循环, 重金属元素较低的含量出现在植物生长期内[39], 重金属元素的分布还能够受不同种类的覆盖植物影响。

3 黄河三角洲重金属元素环境污染评价

3.1 黄河三角洲重金属元素的污染指数分析

经计算, 上三角洲平原表层土壤的重金属元素整体较浅海湿地近海表层沉积物高, 其中的Zn含量较浅海湿地中高约20%, Cu、Cd含量较浅海湿地中高约25%, 也反映出重金属元素受海水清扫作用的客观事实。通过重金属元素含量实测值与全球最高背景值对比, 得到污染指数见表4。从表中可以看出黄河三角洲表层土壤及沉积物中污染程度最大的是Cr, 在上三角洲平原中的平均污染指数为1.05, 而在浅海湿地中的平均污染指数也达到0.99, 其次依次为Pb、Zn、As、Cu、Cd和Hg, 在上三角洲平原中的平均污染指数分别为0.78、0.73、0.7、0.66、0.27和0.09, 而在浅海湿地中的平均污染指数分别为0.72、0.61、0.59、0.53、0.22和0.06。因此黄河三角洲中重金属元素的污染指数为: Cr>Pb>Zn>As>Cu>Cd>Hg, 而浅海湿地中近海表层沉积物中的重金属元素含量都较上三角洲平原表层土壤中重金属元素的含量低。

表4 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中重金属元素的含量(mg/kg)及其污染指数[18]Tab. 4 The content (×10-6) and accumulation ratios of heavy metal elements in surface soil and sediment[18]

3.2 潜在生态危害评价

为将土壤中重金属含量与重金属的生态效应、环境效应和毒理学联系起来, 并消除重金属区域背景值差异对重金属污染评价的影响, 划分真实可靠的重金属潜在危害的程度, 因而选用潜在生态危害指数法进行重金属污染评价, 评价结果见表5。按工业化以前沉积物中重金属元素最高背景值为参照值的计算结果列于表1中。从表5可知上三角洲平原中重金属元素的潜在污染程度为Cd>As>Pb>Hg> Cu>Cr>Zn, 浅海湿地中重金属的潜在污染程度为Cd>As>Pb>Cu>Hg>Cr>Zn, 在浅海湿地中RI值和E值都比上三角洲平原中的RI值和E值低, 表明海水对近海沉积物中的重金属有一定的清扫作用。整个黄河三角洲平原的RI值没有大于80的, 在上三角洲平原中RI值为16.93~70.68, 平均为28.75, 在浅海湿地中RI值为16.67~37.22, 平均为23.66, 上三角洲平原的RI值高于浅海湿地中的RI值; 整个三角洲的E值没有大于30的, 均值更是没有大于10的; 无论是上三角洲平原, 还是浅海湿地的E值都低于40, RI值也远低于150的轻微生态危害程度, 表明黄河三角洲生态环境良好, 整体处于清洁水平。

3.3 单因子及综合因子污染评价

为更全面有效地了解研究区重金属污染状况,特在潜在生态危害评价基础上引入单因子及综合因子污染评价。由于土壤环境质量标准GB15618-1995是根据全国样点资料制定的[12], 将其作为评价标准, 不仅能降低区域土壤环境背景值的差异,也将更客观真实地反映研究区内重金属污染状况。鉴于国家土壤环境质量一级标准包含于研究区各重金属含量区间内, 遂选取国家土壤环境质量一级标准作为Si评价参照标准[12], 对研究区重金属污染情况运用单因子指数及综合因子指数进行评价, 评价结果如表6、表7所示。计算研究区土壤样品中不同重金属单因子指数值变异系数规律与重金属含量规律基本相同, 在上三角洲平原209个取样点的表层土壤样品中, 各重金属含量达到国家土壤环境质量一级标准的频率分别为Cr 98.56%、Cu 94.74%、Zn 99.04%、Pb 99.52%、Cd 88.52%、As 88.52%、Hg 100%; 综合污染指数最小值为0.45, 最大值达1.24, 仅略低于一级标准, 平均为0.63, 变异系数达27.67%, 表明上三角洲平原各取样点间重金属综合污染指数值平均差异程度较大。

表5 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中重金属元素的潜在生态危害系数(E)和危害指数(RI)Tab. 5 The potential ecological risk factors (E) and risk indices (RI) of heavy metal elements in the Yellow River Delta

Eri地区Cr Cu Zn最大值3.23 7.13 1.28上三角洲最小值1.56 1.67 0.43平原平均值2.10 3.32 0.73标准偏差0.34 1.17 0.20变异系数0.16 0.35 0.27最大值2.53 5.53 1.06最小值1.53 1.36 0.38浅海湿地平均值1.98 2.65 0.61标准偏差0.27 1.22 0.21变异系数0.14 0.46 0.34 Pb Cd As Hg RI 7.83 16.62 14.59 23.15 70.68 2.69 4.70 3.93 0.56 16.93 3.88 8.20 6.98 3.54 28.75 0.78 2.49 2.32 2.62 8.51 0.20 0.30 0.33 0.74 0.30 4.94 11.30 10.20 9.86 37.22 2.77 4.28 3.41 0.49 16.67 3.62 6.53 5.94 2.32 23.66 0.61 1.87 1.87 2.10 7.09 0.17 0.29 0.32 0.90 0.30

表6 上三角洲平原表层土壤重金属污染指数统计分析Tab. 6 The descriptive statistics of the heavy metal pollution index in the upper delta plain

从以上结果(表6)可以看出, 上三角洲平原各重金属元素的污染指数均值均小于等于0.7, 最低平均污染指数出现在Hg中, 仅为0.11, 而综合污染指数也只达到了0.63, 远低于土壤轻微污染的临界值1,再次说明了上三角洲表层土壤未受污染的良好状况,受威胁程度较高的重金属为As、Cd, 在所有取样点中造成约11.5%的表层土壤未达到一级标准, 但其含量超过一级标准不多, 应与局部地区的工农业活动有关, 而其余各重金属的威胁较小, 土壤达到一级标准的比例接近甚至高于95%, 未达标的最高含量也与一级标准接近, 特别是Hg, 达标率为100%,表明区内完全不受此元素的影响。

表7 浅海湿地表层沉积物重金属污染指数统计分析Tab. 7 The descriptive statistics of the heavy metal pollution index in the shallow sea

在浅海湿地25个取样点的近海表层沉积物中, As含量达到国家土壤环境质量一级标准的频率为96%, 而其余各重金属含量达到国家土壤环境质量一级标准的频率为均为100%, 综合污染指数最小值为0.46, 最大值为0.9, 平均值为0.6, 变异系数为20.27%, 远低于上三角洲平原, 说明潜在的综合污染指数平均差异程度较小。

从以上结果(表7)可以看出浅海湿地各重金属元素的污染指数均值均低于0.7, 最低的平均污染指数也出现在Hg, 仅为0.07, 而综合污染指数只达到了0.6, 较上三角洲平原中更低, 表明表层沉积物的环境状况更加良好, 整个浅海湿地中有且仅有一个未达到一级标准的点, 未达标的也只是As元素, 其污染指数近似于1, 其余均满足土壤一级标准。

从整体上看, 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中个重金属单因子污染指数、综合污染指数都小于1, 均未达到轻微污染的标准, 浅海湿地中各重金属单因子污染指数、综合污染指数更较上三角洲平原中低, 并且达到一级标准的比例也大大高于上三角洲平原, 反映出更加良好的表层沉积物环境状况。

4 结论

(1) 黄河三角洲表层土壤及沉积物中重金属含量高于黄河口及其附近区域的沉积物, 而与国内其他河口沉积物比较, 重元素含量低于国内河口沉积物, 同时也低于发达国家城市化地区的污染水平,满足国家土壤环境质量的一级标准。

(2) 黄河三角洲表层土壤中重金属元素的相对污染指数为: Cr>Pb>Zn>As>Cu>Cd>Hg, 浅海湿地中近海表层沉积物中的重金属元素含量都较上三角洲平原表层土壤中重金属元素的含量低。

(3) 上三角洲平原中重金属元素的潜在污染程度为Cd >As>Pb>Hg>Cu>Cr>Zn, 浅海湿地中重金属的潜在污染程度为Cd>As>Pb>Cu>Hg>Cr>Zn, 浅海湿地中RI值和E值都比上三角洲平原中的RI值和E值低, 表明海水对近海沉积物中的重金属有一定的清扫作用。黄河三角洲的E值都低于40, RI值也远低于150的轻微生态危害程度, 表明生态环境良好, 整体处于清洁水平。

(4) 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中个重金属单因子污染指数、综合污染指数都小于1, 均未达到轻微污染的标准, 浅海湿地中各重金属单因子污染指数、综合污染指数更较上三角洲平原中低, 并且达到一级标准的比例也大大高于上三角洲平原,反映出更加良好的表层沉积物环境状况。

(5) 单因子污染指数分析的结果是上三角洲表层土壤中受威胁程度较高的重金属为As、Cd, 此两元素造成约11.5%的表层土壤未达到一级标准, 但其含量超过不多, 应与局部地区的工农业活动有关,浅海湿地近海表层沉积物中仅As出现未达到一级标准的情况, 但达标率却高达96%。

(6) 从整体上看, 黄河三角洲表层土壤及近海沉积物中个重金属单因子污染指数、综合污染指数都小于1, 均未达到轻微污染的标准, 浅海湿地中各重金属单因子污染指数、综合污染指数更较上三角洲平原中低, 并且达到一级标准的比例也大大高于上三角洲平原, 反映出更加良好的表层沉积物环境状况。

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(本文编辑: 康亦兼)

Assessment of heavy metal Contamination in the surface soil of the Yellow River Delta, China

MIAO Xiong-yi1, 2, 3, YE Si-yuan2, 3, HAO Yu-pei1, YANG Lian-jin4, CHEN Wei-hai1, HUANG Bao-jian1, SHEN Li-na1
(1. Institute of Karst Geology, CAGS/Key Laboratory of Karst Dynamics, MLR & GZAR, Guilin 541004, China; 2. Key Laboratory of Coastal Wetland, China Geological Survey, Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China; 4. Guizhou Geology and Mineral Foundation Engineering Co., Ltd, Guiyang 550001, China)

Mar., 16, 2015

Yellow River Delta; Heavy metal; Surface Soil; Sediment

The research focuses on the distribution of heavy metal elements in surface soil and sediments. Total 219 surface soil samples, including 25 samples of shallow coastal wetlands, were sampled. The content of heavy metal elements in these samples were tested using modern techniques. The potential ecological risk index (RI), single-factor pollution index, and Nemerow index were used, which reflects Cr > Pb > Zn > As > Cu > Cd > Hg. Because the sea water washes the shallow coastal wetlands, their samples have a lower content of heavy metal elements. The greatest threat of heavy metal pollution in the upper delta plain is from As and Cd, and 88.5% of soils achieved the soil environmental standard of National First Grade. Further, the greatest threat of heavy metal pollution in the shallow coastal wetlands is from As, and 96% of soils achieved the soil environmental standard of National First Grade. A deeper analysis of potential pollution disclosed that RI, single-factor pollution index, and Nemerow index are too low. They do not reach the lowest pollution standard, implying that the soils in the Yellow River Delta are in good environmental condition.

1000-3096(2016)02-0065-12

10.11759/hykx20150316003

2015-03-01;

2015-04-23

国土资源部公益性行业基金(201111023); 国家自然科学基金(41240022)以及海洋地质保障工程项目(GZH201200503); 大地调项目(1212010611402)联合资助

缪雄谊(1988-), 男, 贵州贵阳人, 实习研究员, 从事环境地质研究, E-mail: 44224630@qq.com; 郝玉培, 通信作者, 主要从事水文地质、工程地质研究, E-mail: 936979627@qq.com.