河岸带重金属时空变化与土壤环境质量分析*

陈 刚 赵银军 胡宝清 杨金美 黄玉莹

(1.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室(广西师范学院)，广西 南宁 530001； 2.潍坊学院化学化工与环境工程学院，山东 潍坊 261061)

河岸带重金属时空变化与土壤环境质量分析*

陈 刚1,2赵银军1#胡宝清1杨金美2黄玉莹1

(1.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室(广西师范学院)，广西 南宁 530001； 2.潍坊学院化学化工与环境工程学院，山东 潍坊 261061)

分析了南流江河岸带土壤重金属元素的时空变化规律、累积性变化特征。结合污染指数与潜在生态风险指数计算结果，评估了河岸带重金属污染状况、污染等级，以及土壤环境潜在生态风险。结果表明：各位点重金属元素浓度，在空间上沿江水流向大体呈下降趋势，大部分位点在年际变化上则呈现出上升趋势，其中以Cd、Zn最为典型；土壤中各重金属元素均有不同程度的超出《食用农产品产地环境质量评估标准》(HJ/T332—2006)现象。内梅罗综合污染指数计算结果表明，全流域土壤污染处于重度污染水平；对单一元素而言，除Cd为重度污染外，Pb、Cu、Zn均处于轻度污染及以下水平。综合潜在生态风险指数计算结果表明，南流江河岸带土壤环境整体上存在极强等级的生态风险，而单一元素的单项潜在生态风险水平为Cd>Pb>Cu>Zn。

河岸带 重金属 时空分布 土壤环境

Abstract: The present work explored spatiotemporal distribution and accumulations of heavy metals concentrations in riparian zone of Nanliujiang river. The pollution situation,pollution grade and potential ecological risk of heavy metals in soil was assessed by calculating pollution index and potential ecological risk index. The results showed that the concentrations of heavy metals of each sampling site gradually decreased along the flow direction of Nanliujiang river,while those of most sampling sites increased significantly with inter-annual variation,especially for Cd and Zn. Compared with “Farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products”(HJ/T 332-2006),the concentrations of heavy metals had higher values in various degree. The Nemerow index indicated the soil environment was heavily polluted. Cd was at heavy pollution grade,while others were at or below light pollution grade. The potential ecological risk of riparian zone soil in Nanliujiang river was severe,with corresponding ecological risk rank as Cd>Pb>Cu>Zn,which was based on the results of potential ecological risk index.

Keywords: riparian zone; heavy metals; spatial and temporal variation; soil environment

河岸带是河流生态系统与陆地生态系统的交界，是生态系统的重要过渡地带，具有河流和陆地双重系统功能[1-2]。河岸带作为一个特殊的复合生态系统，承担着河流上、下游之间，地表上、下层之间等多维度的物质与能量迁移、转换功能；同时能够阻挡、隔离污染物，转化污染形态、降低污染风险，是保护河流生态安全的天然屏障[3-5]。但是，随着人类活动加剧，社会土地需求的快速增长，造成河流周边土地用途异化，重金属等污染物大量累积，影响土壤环境质量、河流生态健康，并通过迁移、转化危及食品安全与人体健康[6-8]。南流江作为北部湾区域最大的入海河流，流经区域人口、经济要素高度密集，入海年径流量大，对流域内生态环境和水质，以及北部湾近海生态环境具有重大影响。本研究分析了南流江河岸带土壤重金属含量及相应规律趋势，结合各元素累积程度综合考察了河岸带重金属时空分布变化；在此基础上，一方面分析了重金属污染状况及等级，另一方面分析了河岸带土壤环境潜在生态风险。

1 材料与方法

1.1 样品采集

实验土样采自南流江干流沿岸，包括上游的六洋水库至雍菜坝等8处位点，以及下游的江口大桥至入海口等7处位点(见图1)，采样时间为2015年8月。样品采集地表5～20 cm土壤，各样品由相邻的3处土壤混合而成，封口袋中保存，登记编号、记录位点信息。样品送实验室经冷冻干燥机(Scientz-10N)低温冻干，破碎，拣除植物碎屑、砂石，研磨过100目筛、封装，4 ℃下避光保存备用。

图1 南流江河岸带土壤采样位点示意图Fig.1 Soil sampling sites in riparian zone of Nanliujiang river

1.2 土壤分析

土壤样品中Pb、Cd的提取按照《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)进行；Cu、Zn的提取按照 《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)进行。

1.3 数据处理

采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法[9-10]，结合污染指数分级标准[11](见表1)判断土壤受污染程度。通过潜在生态风险指数法[12]计算相关指数，根据潜在生态风险等级划分标准[13](见表2)，表征土壤环境生态风险等级。 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

单项潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

表1 污染指数分级标准

表2 潜在生态风险等级划分标准

2 结果与讨论

2.1 重金属时空变化

图2 不同年份河岸带土壤重金属质量浓度Fig.2 Concentrations of heavy metals in riparian zone soil of different years

2.1.1 时空分布

对比采集所得河岸带土样重金属分析结果与资料收集整理所得结果[18-19]可知，重金属分布呈现出两方面特征：空间上，随着水流向，沿程位点土壤中Cd(见图2(a))、Zn(见图2(b))、Pb(见图2(c))、Cu(见图2(d))4种元素浓度，大体上呈现出下降趋势，其中Cd、Zn最为明显，Cu次之。2015年，各位点重金属极大值(Cd为12.571 mg/kg，Pb为83.757 mg/kg，Cu为59.403 mg/kg，Zn为279.801 mg/kg)对应出现在六洋水库至雍菜坝间上游段的旺瑶社区和船埠村。重金属在船埠村、常乐大桥、马鞍沙3处位点或邻近存在明显的峰值，其中以2015年的表现最为明显。时间上，3个年份间，河岸带土壤重金属浓度差异较大，而且伴随着年份的推移，大部分位点浓度明显上升。

各位点土壤中重金属浓度随着年份变化波动性大体增加；4种元素浓度曲线中对应的波动位点数也随之明显增加。这可能与船埠村、常乐大桥、马鞍沙位点地理形貌有关，样品采集过程中考察发现，这3处地点均开阔、坡缓、水量大且水位变化痕迹明显，地势、水文的变化可能会影响重金属的迁移、转运及沉积。另外，六洋水库至旺瑶社区，Pb的浓度1992年高于2007年。六洋水库至叉江段，Cu的浓度大体表现为1992年>2015年>2007年；而在船埠村至沙河大桥段，Cu浓度则呈现为2015年>1992年>2007年的规律，且3个不同的年份均在此段呈现下降趋势。

2.1.2 积累性变化

由表3可知，南流江河岸带土壤Cd、Pb、Cu、Zn浓度，2015年总体均值较2007年增长明显(因1992年数值作为地区性背景调查值与1990年相近，个别元素较后者微高，故此不考察积累程度)。通过积累倍数计算发现，截止2015年，4种元素均有不同程度的富集状况发生，积累倍数为Cd>Pb>Zn>Cu。

4种元素除Cd外，积累倍数均在3倍以下；但是，从重金属超过背景值的位点数比例来看，2015年超背景值位点数比例在40.0%到100.0%不等，而且较2007年均有所增长。超背景值位点数比例的变化表明，南流江河岸带重金属污染位点数量有所增多，污染趋于普遍性。除了全部位点超背景值外，Cd在积累程度上亦发生了从无到有的质变，意味着2007年以来全流域Cd浓度增长普遍，增长比例高，这种污染态势应当引起重视。

2.2 土壤环境质量分析

2.2.1 重金属污染评价

根据2015年的实际采样检测结果，结合单因子污染指数和内梅罗综合污染指数计算可知(见表4)，南流江全流域河岸带土壤Cd污染均处于重度污染水平，表明土壤环境污染已相当严重，且有很大可能已延及地面作物。各位点土壤中Pb、Cu、Zn的污染等级均处于3级(轻度污染)水平及以下，说明其所处污染程度尚轻、土壤环境还相对清洁。虽然4种元素中的3种单独对应的污染等级都不高，但是由于Cd污染严重，导致内梅罗综合污染指数居高不下，这也是除汉水村外几乎所有位点综合污染程度都处在5级(重度)污染水平的主要原因。由此也可以看出，内梅罗综合污染指数突出地反映了重金属极值浓度对土壤环境质量的影响。

在2.1.1部分分析可知，重金属在空间变化上随着水流向大体呈现下降趋势。结合表5各重金属污染土壤位点的污染等级数量占比可以看出，虽然上游(六洋水库—雍菜坝)、下游(江口大桥—入海口)间不同污染等级位点数量较相近，但2级(警戒)水平及以上等级在上游段出现的比例相对多一点；下游段则多为2级以下等级。由此说明污染相对较重的位点多集中在上游，下游位点土壤环境相对更清洁。

表3 河岸带重金属均值与积累倍数1)

注：1)“/”表示检测值未超过对应的背景值。

表4 HJ/T 332—2006限值为标准的各位点污染等级

表5 各污染等级位点数量比例1)

注：1)*为上游(六洋水库—雍菜坝)位点污染等级比例，**为下游(江口大桥—入海口)位点污染等级数量比例， 未标注*或**的数值为上下游相应等级超标比例总和。

表6 河岸带土壤环境潜在生态风险等级

2.2.2 潜在生态风险评价

由各位点重金属元素单项潜在生态风险指数、综合潜在生态风险指数计算结果(见表6)可知，重金属Cd对全流域位点土壤环境均具有极强的潜在危害性，而Pb、Cu、Zn则相对轻微；各元素对河岸带土壤环境的潜在危害作用为Cd>Pb>Cu>Zn；从综合潜在生态风险指数来看，流域土壤环境整体上存在极强等级的重金属污染潜在生态风险。

Cd的单项潜在生态风险指数远高于其他几种元素，说明南流江河岸带土壤环境的潜在生态危害作用绝大程度上是由Cd污染造成。这说明：一方面，相对于其他元素，Cd的高浓度、高毒性响应系数是造成严重污染并导致高生态风险的关键；另一方面，虽然Pb、Cu、Zn等元素也显示出一定的生态危害性，但是很容易被Cd掩蔽，从而导致土壤综合潜在生态风险等级与Cd的单项潜在生态风险等级等同或近似。综上可知，南流江河岸带重金属污染治理研究和风险管控工作应将Cd作为重点，同时关注Pb、Cu、Zn等元素的污染状况。

3 结 论

(1) 各位点重金属元素浓度，在空间上沿水流向顺序大致呈下降趋势，在年际变化上则大部分位点呈现出上升趋势，其中以Cd、Zn最为典型。各元素均有不同程度的超出HJ/T 332—2006限值情况，积累程度为Cd>Pb>Zn>Cu。

(2) 整体上，全流域河岸带土壤处于重度污染水平。单一元素而言，Pb、Cu、Zn在各位点均处于轻度污染水平及以下，Cd却呈现重度污染；较重污染多集中在六洋水库至雍菜坝段。

(3) 南流江河岸带土壤环境整体上存在极强等级的潜在生态风险。其中，Cd对全流域位点土壤环境均具有极强的潜在危害性，而Pb、Cu、Zn潜在危害轻微；各元素对土壤环境的潜在危害作用程度为Cd>Pb>Cu>Zn。

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SpatialandtemporaldistributionofheavymetalsinriparianzoneandsoilenvironmentalqualityanalysisCHENGang1,2，ZHAOYinjun1,HUBaoqing1,YANGJinmei2,HUANGYuying1.

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf

(GuangxiTeachersEducationUniversity),MinistryofEducation,NanningGuangxi530001;2.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,WeifangUniversity,WeifangShandong261061)

陈 刚，男，1981年生，博士，讲师，主要从事土壤污染控制研究。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.41661085)；北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室系统开放基金资助(No.2014BGERLKF03)；广西自然科学基金资助项目(No.2016GXNSFAA380011)；潍坊市科学技术发展计划项目(No.2015GX004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.011

2016-12-01)