基于地积累指数法和生态危害指数法对黄河滩地土壤重金属污染的研究

2017-03-30李刚蔡苗魏样

绿色科技 2016年24期

李刚+蔡苗+魏样

摘要：為了全面了解韩城市下峪口黄河滩地土壤重金属的污染状况，通过布点采样，检测了该地区土壤中重金属的含量，并采用地积累指数法和生态危害指数法对该地区黄河滩区河道和沙洲中7种土壤重金属（镉、铬、镍、铜、锌、砷、铅）的污染状况和潜在生态危害进行了分析。结果表明：两种评价方法所得结果基本一致，韩城下峪口地区黄河滩地重金属含量符合国家土壤质量标准二级标准，其风险水平较低，不会对该地区土地整治和水田耕作造成影响，虽然黄河滩地土壤中锌含量略高，但是通过土体有机重构方法能够使得锌的影响降到最低。

关键词：黄河滩地；土壤重金属污染；地积累指数法；生态危害指数法

中图分类号：X705

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）24-0005-05

1 引言

近年来，黄河河道河势严重西移致使韩城市下峪口下延段部分高岸及滩地持续坍塌，频繁出险，造成大片滩地塌入河中，村庄后靠，防汛压力逐年加大，严重危及沿岸人民群众生命财产安全。根据韩城市市政府统计，近年来黄淤66～63断面间每年塌滩平均长度约7 m，

每年坍塌土地面积约100 hm2，桥南、下峪口、李村、林皋、潘庄等10 余村1.5 万人先后被迫搬迁3～4次，特别是2006年桃汛以来，河势西移态势进一步加剧，高岸持续坍塌后退约50 m，塌岸毁地万余亩。沿黄群众多次上访，强烈要求控制韩城段河势，筑堤修坝，防止高岸滩地坍塌，恢复治理所失耕地及荒芜滩地，进一步保护当地群众生命财产安全。因此，通过对韩城下峪口地区黄河滩地的综合整治，对促进地方经济和社会发展具有十分重要的意义。

韩城市下峪口地区存在较多煤矿企业及热电厂，可能会对黄河滩地土壤中重金属含量产生影响，这主要因为土壤中的重金属能从土壤迁移到其它生态系统中，如地下水、植物等，并通过饮用水和食物链影响人类健康[1]。因此，对土壤中重金属含量及其潜在危害性进行合理的评价尤为重要。为了探明该项目区土壤重金属含量及其污染现状，本研究通过普探调查，采用地积累指数法和生态危害指数法对该地区土壤重金属的含量进行评价分析，为土地整治项目的施工提供决策依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

韩城市下峪口土地整治项目东靠黄河河道，涉及薛村、昝村、番庄村、谢村、三林村、林皋村等6个村。地理位置介于东经110°30′34″～110°33′36″，北纬35°31′02″～35°34′01″，距离县城10 km。项目区为河道滩地和沙洲两部分组成，地面开阔、平坦，地下水位较高，多为沙质淤土，大部分老滩位置较高，常年水淹不到，历史上就已开发耕种，是适宜开发的土地资源。样品采集区地处我国内陆，属于暖温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，气候温和，光照充足。多年平均降水量555.2 mm，年内分配不均，年内降水主要集中在夏秋两季，7～9三个月平均降水量达306 mm，占全年降水量的一半以上。多年平均气温13.7 ℃，其中春季14.6 ℃，夏季25 ℃，秋季13.4 ℃，冬季0.2 ℃。最热月为7月，多年平均26.6 ℃；最冷月为1月，平均-1.5 ℃，气温年较差28.1 ℃。年极端最高温度达42.6 ℃，年极端最低温为-16.7 ℃。全年气温日较差平均10.3 ℃，其中6月份最大为12.7 ℃，11月份最小为8.8 ℃，日较差较大，有利于各种植物干物质的积累。

2.2 样品采集和处理

2.2.1 样品分布

采样点主要分布在沙洲和河道滩地（图1），沙洲和河道滩地每100亩设定一个采样单元，共采集表层0～30 cm土样108个，其中沙洲土60个，河道滩地土48个。

2.2.2 样品采集与处理

土样采集取自沙洲和河道，每个样点处5个点制成一个混合样，用四分法取大约1 kg的样品，保存在自封袋带回实验室。在实验室内自然风干，后取50 g，用木质工具碾碎并在玛瑙研钵上研磨，混匀后通过0.149 mm的尼龙筛过筛，保存在自封袋内，用于土壤重金属的检测。

2.2.3 样品分析

土壤样品重金属的测定：首先对样品进行消解[2]，然后利用ICP-MS测定土壤中镉、铬、镍、铜、锌、砷、铅等元素，测定过程中，所有样品均由空白样、二次平行样加标回收率进行质量控制。实验室所用玻璃器皿均在10%的HNO3或HCl中浸泡24 h，然后分别用自来水、蒸馏水各洗涤3次。实验所用酸均为优级纯，其他试剂均为分析纯。

2.3 研究方法

2.3.1 地积累指数法

地积累污染指数法（Mull指数）是德国海德堡的地学沉积物研究所Muller于1969年提出，是一种用于研究水体沉积物中重金属污染的定量指标[2]，被广泛的应用于土壤重金属污染评价，其计算公式为：

式中，IGeo为地积累污染指数；Ci为重金属i的实测浓度，Bi为所测元素的环境背景值（本研究选取陕西土壤背景值，见表1）[3，4]；k为常数，是对成岩作用可能引起背景值变动的修正，一般k=1.5。根据IGeo数值的大小，可以将重金属污染程度分为7个等级，见表2[5]。

2.3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是由瑞典科学家Hakanson提出[6，7]，主要是根据重金属性质及环境行为特点进行评价的方法。该方法除了考虑土壤重金属含量外，还将重金属的生态效应、环境效应与毒理学研究联系在一起，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价。其公式如下：

式中，Eir为潜在生态危害单项系数，Tir为某一种金属的毒性响应系数，评价依据采用徐争启等人[8]结合Hankanson制定的标准化重金属毒性系数所计算的毒性系数（表3）。Cif为单项污染系数，Ci为土壤重金属浓度实测值，Cin为参比值，本研究采用陕西省土壤中重金属元素背景值作为参比值。生态风险程度划分[9]（表4）。

3 结果分析

3.1 重金属元素含量分析

韩城下峪口黄河滩地中河道滩地和沙洲中镉、铬、镍、铜、锌、砷、铅这7种重金属元素含量的描述性统计表明（表1）：就平均值而言，在河道滩地和沙洲中锌含量的平均值最高，其次为铬、镍，镉含量的平均值最小。除沙洲中铜的变异系数较大外，其余各重金属元素的变异系数都较小，说明该地区黄河滩地土壤重金属污染状况类似，这可能与黄河滩地土壤形成和淤积年代有关[10]。此外，河道滩地和沙洲中锌含量平均值分别为252.59 mg/kg和278.22 mg/kg，略高于陕西省土壤元素背景值，这可能与该地区长期燃煤有关。但是由表5可知，该区域黄河滩地土壤重金属含量均符合国家土壤环境质量标准二级标准[11]，可用于土地整治及水田耕作。

3.2 地积累指数评价结果

由表6可知，该地区锌含量略高，其次铜和镍有轻微污染，这主要是由于韩城市龙门地区有大量煤矿及热电厂存在，通过大气沉降等方式对该地区黄河滩地土壤产生一定的污染，但污染状况不严重，通过对黄河滩地河道和沙洲的土地整治及水田耕作，能够显著降低该地区锌、铜等土壤污染[12]。其余重金属镉、铬、砷、铅等含量很低，基本对该地区土壤无污染。

综合分析上述重金属的地积累指数等级，可以看出，韩城下峪口黄河滩地中7种重金属元素污染程度由强至弱的顺序为：锌>铜>镍>铅>砷>镉>铬。

3.3 生态危害指数法评价结果

由表7可以看出，韩城下峪口黄河滩地河道和沙洲中土壤均受到不同程度的重金属污染和潜在生态危害，但污染和潜在生态危害程度都较低。从单项污染系数来看，黄河滩地中镉、铬、镍、铜、锌、砷、铅这7种重金属均为轻微污染，其中，镍、铜、镉等重金属污染程度略高；由潜在生态危害综合指数可以看出，河道滩地中7种重金属污染程度均为轻微，沙洲中镍、铜等重金属污染程度为中等，这可能是当地长期采煤、燃煤后，大气沉降产生的结果。

根据Hankanson的潜在生态危害系数，韩城下峪口黄河滩地河道中7种重金属潜在危害由强至弱顺序为：镍>铜>镉>锌>砷>铅>铬；黄河滩地沙洲中7种重金属潜在危害由强至弱的顺序为：铜>镉>镍>砷>铅>锌>铬。其中，铜、镍、镉对RI值的贡献较大。

3.4 两种评价方法结果比较

地积累指数法侧重于对底泥沉积物中重金属含量与背景值的对比评价，主要反映外源重金属的富集程度，而Hankanson潜在生态风险指数法不仅考虑了重金属的含量，更侧重于反映不同金属的生物毒性影响，以定量的方法划分重金属的潜在危害程度[13]。

对比两种不同的评价方法，就污染元素来说，结果都表明其中重金属镍、铜、锌对土壤具有中等污染程度，其余重金属污染程度较小。在评价中，二者評价结果基本一致，相比较而言，生态危害指数法较为保守，主要是针对锌的污染评级有差异，这与徐玉霞等人的研究结果一致[4]。通过比较可知，应用生态危害指数评价时会考虑到整个生态系统中重金属对环境的毒性因素，所以更符合实际状况。

两种评价方法结果都显示重金属镍、铜、锌对黄河滩地有一定的污染，其余重金属污染程度较小（表8）。该地区黄河滩地重金属元素来源主要是当地煤矿开采和热电燃煤后的大气沉降，但是在整体上重金属污染水平均比较低。

通过综合分析，结果还表明，黄河滩地沙洲土壤重金属的风险影响略高于河道，这主要是因为沙洲是冲击河道泥沙长期淤积的产物[14]，经过长期的淤积过程，沙洲内重金属含量逐渐增加。此外，由于沙洲具有天然的过滤作用，通过黄河滩地的河水经过沙洲时，沙洲内部通过物理、化学以及生物等方式能够截留河水中大量杂质及重金属有害物质。因此在工程实施的过程中，通过水的渗透压原理，将黄河水通过沙洲过滤，最终达到人畜饮用水标准，彻底解决项目区周边群众用水水源问题。对于沙洲重金属残余问题，通过韩城市下峪口黄河滩区土体有机重构工程的开展，一系列物理、化学以及生物等有机重构方法的应用，例如在水田耕作过程中施用有机肥和磷肥[15]等措施，可以使得该地区土壤重金属风险降到最低，保障周边地区人民的安全生产及健康生活。

4 结论

（1）地积累指数法和生态危害指数评价法是区分自然与人类活动引起重金属对环境影响评价的重要方法，通过这两种方法均可以区分自然异常对土壤带来的富集以及环境引发的元素污染和损耗，较为准确地判断人类对土壤污染的贡献，最终为污染治理以及工程进度提供一定的理论依据。

（2）本研究采用陕西省土壤元素背景值计算地积累指数和生态危害指数，最终所获得的结果基本一致，说明评价结果可靠，所获得的结果可以作为该区域的土体有机重构和土地工程开发的参考依据。

（3）两种研究结果均表明沙洲土壤重金属的风险影响略高于河道。

（4）通过评价比较，结果显示：韩城下峪口地区黄河滩地重金属含量均符合国家土壤质量标准二级标准，其风险水平较低，不会对该地区土地整治和水田耕作造成影响。

参考文献：

[1]范拴喜.土壤重金属污染与控制[M].北京：中国环境科学出版社，2011.

[2]孙锐，舒帆，郝伟，等.典型Pb/Zn矿区土壤重金属污染特征与Pb同位素源解析[J].环境科学，2011，6（4）：1146～1153.

[3]薛澄泽，肖玲，吴乾丰，等.陕西省主要农业土壤中十种元素背景值研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），1986（3）：30～53.

[4]徐玉霞，彭囿凯，汪庆华，等.应用地积累指数法和生态危害指数法对关中西部某铅锌冶炼区周边土壤重金属污染评价[J].四川环境，2013，32（4）：79～82.

[5]Loska K，Wiechu？a D，Korus I.Metal Contamination of Farming Soils Affected by Industry[J].Environment International，2004，30（2）：159～65.

[6]王广林，刘登义.冶炼厂污灌区土壤-水稻系统重金属积累特征的研究[J].土壤，2005，37（3）：299～303.