五台山土壤重金属污染及潜在生态风险评价*

王丹丹 郑庆荣# 侯艳军 勾朝阳 张永清

(1.山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000；2.忻州师范学院地理系，山西 忻州 034000)

五台山土壤重金属污染及潜在生态风险评价*

王丹丹1，2郑庆荣1，2#侯艳军2勾朝阳2张永清1

(1.山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041000；2.忻州师范学院地理系，山西 忻州 034000)

为全面了解五台山地区土壤重金属的污染状况，利用电感耦合等离子体质谱法对五台山台顶和北部山区3条河流的49个土壤样品进行测试，运用地积累指数和潜在生态危害指数开展污染评估和生态风险评价，并通过相关性分析方法探究污染来源。结果表明：(1)台顶土壤重金属富集相对较少，山区富集较明显；山区农田重金属含量高于河漫滩。重金属高值区主要出现在中部羊眼河流域。(2)地积累指数表明，台顶重金属污染整体轻微，山区重金属污染受矿产开采活动影响明显。Hg在台顶和山区污染均较严重。(3)生态风险评价表明，台顶和山区均受到土壤重金属的威胁。Hg是主要生态风险贡献因子。(4)相关性分析表明，5种重金属元素的来源除Cr是自然界产物外，其余4种均与矿产资源的开发利用有关，其中Hg受金矿开采影响明显。

重金属污染 潜在生态风险 五台山

随着矿产资源开采力度的加大，大量的矿产废弃物被排放到环境中，重金属作为潜在危害的污染物，在土壤中大量积累，造成严重的土壤污染。国内外学者对土壤重金属的污染状况及生态风险评价进行了大量的研究[1-8]。地积累指数法、潜在生态危害指数法和相关性分析在土壤重金属污染、生态风险评价和来源分析中广泛应用。TEIXEIRA等[9]对巴西煤矿区河流底部沉积物重金属污染状况进行分析。吕书丛等[10]研究认为，海河流域沉积物中的4种重金属元素具有相似的来源；潜在生态危害指数评价表明，Cd为主要污染因子，海河流域为轻微生态风险。贾亚琪等[11]474-479采用潜在生态危害指数法对煤矿区进行研究，结果表明，Cd、Hg是主要的生态风险贡献因子，且农田区为强生态危害水平；相关性分析认为，三废排放是造成Cd、Cu、Ni、Zn污染的主要来源。本研究采用地积累指数法、潜在生态危害指数和相关性分析对五台山土壤重金属的生态风险和来源进行多角度分析，为五台山生态环境的保护提供科学依据。

1 样品采集与测试

1.1 采样区域选择与采样点布置

五台山地处山西省东北部，隶属忻州市管辖，位于38°50′N～39°15′N、113°15′E～114°0′E，地处太行山系的北端，由一系列大山和群峰组成，最高处北台顶3 061 m，号称“华北屋脊”。五台山区地形复杂，高差悬殊。以5个台顶为主的山地属于剥蚀构造的断块高中山地，呈北东向斜列[12]。台顶为古夷平面，海拔高且地面平坦，受人类活动干扰较小；北部山区及滹沱河两岸地势起伏不平，受峨河、羊眼河和青羊河流水冲刷严重，分布有大量的铁矿、金矿、钼矿等矿产资源，峨河流域铁矿业集中分布在中下游，羊眼河流域中游铁矿、金矿分布较集中，青羊河流域上游铁矿集中分布。本研究选择台顶和矿产资源集中开发的北部山区为研究区域，通过对比分析，研究五台山土壤中重金属的污染程度及生态风险。

1.2 样品采集与前处理

土壤样品的采集主要分布于五台山台顶和北部山区，共采土样49个。台顶选择距离道路和寺庙50 m外平坦区进行布点，采集表层0～20 cm土壤，共采土样17个；山区选择矿产集中分布的峨河、羊眼河和青羊河3条流域进行布点，考虑到水力和风力作用的不同影响，采样点布设于河漫滩和沿岸农田，从上游采矿影响区开始顺流而下依次布点，共设采样点16处，采集土样32个，用手持全球定位系统(GPS)仪定位。河漫滩选取1 m×1 m的较平整样地，用木勺采集地表0～20 cm表层土壤。农田选取10 m×10 m的平整地块，用梅花形布点法采集5个样品，用四分取样法混合形成一个土样，用聚乙烯自封塑料袋封装，登记编码。所有土壤样品在实验室内自然风干，捡除其中的植物残体和石块，磨碎过100目筛，取100 g保存于封口袋中备用。

1.3 测试方法与结果

土壤样品消解采用酸溶法，其中Cr、Cd、Pb采用HF、HCl、HNO3、HClO4消解，As、Hg采用王水消解。本次测试采用电感耦合等离子体质谱法进行，载气环境采用稳定的氩气[13]。电感耦合等离子体质谱法可迅速检测样品中的多种元素，具有检出限低、干扰少、线性范围宽等优点而被广泛使用[14]。

2 结果分析与讨论

2.1 五台山区土壤重金属富集和空间分布特征

采用SPSS 17.0和ArcGIS 10.2对五台山台顶和山区土壤重金属含量进行统计和空间分析。由表1可知，台顶土壤呈中性偏酸，山区土壤为碱性。台顶Pb和Hg富集明显，超过五台山和山西土壤背景值，Cr、Cd、As富集不明显，未超过土壤背景值；与《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级标准相比，Hg超标，其余均未超标。山区5种重金属均超过土壤背景值；与GB 15618—1995二级标准相比，只有As、Hg超标。总体上，台顶土壤重金属富集较少，山区富集较明显；山区农田重金属含量高于河漫滩。

从图1可知，Cd、Pb、As的空间分布趋势基本一致，由中间向东西两侧递减，高值区集中分布在中部羊眼河流域。羊眼河流域上游污染较轻，中游矿区集中，受采掘场、洗矿污水、排污渠等人为因素影响，污染较严重；西部峨河流域受矿区影响较小，东部青羊河由于受地形和风力的影响自上游到中游污染逐渐加重。Cr高值主要分布在东部的青羊河，由东向西递减，说明Cr受铁矿开采和生活活动有关。Hg的污染较严重，主要集中在人为活动开采较强烈的金矿、铁矿开采区域和尾矿堆放区的中东部羊眼河、青羊河和东南部的台顶区域，北部地区金矿的开采中混汞法的大量使用以及废矿排放是Hg污染的主要来源。总体上，重金属高值区主要出现在中部羊眼河流域，其次为青羊河、峨河。Hg在台顶和山区均严重富集，是污染的主要因素。

2.2 地积累指数法污染评价

地积累指数法由MULLER[17]提出，在重金属污染评价中广泛使用。其计算公式如下：

Igeo=log2(Ci/1.5Bi)

(1)

式中：Igeo为地积累指数；Ci、Bi分别为重金属元素i的实测值、环境背景值，mg/kg。

将台顶和山区实测值代入式(1)，计算出五台山土壤重金属元素地积累指数，并根据表2[18]进行划分，结果见表3。台顶Hg是主要的污染元素，为严重污染；Pb为偏中度污染；Cr、Cd、As为清洁；空间上污染程度总体依次为北台>西台>中台>东台>南台。山区Hg污染严重，集中分布于羊眼河和青羊河，峨河为清洁；Cd、Pb在羊眼河为中度污染，青羊河轻度污染，峨河为清洁；As、Cr污染程度较小；空间上污染程度总体依次为羊眼河>青羊河>峨河。

由地积累指数法评价可知，台顶重金属污染整体轻微，其中Hg受人为活动影响较强烈；山区重金属污染受矿产开采活动影响明显。Hg在台顶和山区污染均较严重，反映了Hg污染的广泛性。

表1 五台山区重金属分析

注：1)各重金属元素单位均为mg/kg。

2.3 生态风险评价

HAKANSON[19]提出了潜在生态危害指数法，从重金属元素的性质、迁移、转化及沉积等行为特点进行污染评价。其计算公式为：

Cfi=Ci/Cni

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Cfi为重金属元素i的单项污染系数；Cni为重金属元素i的参比值，mg/kg，具体见表4[11]476-477；Eri为重金属元素i的单项潜在生态危害系数；Tri为重金属元素i的毒性系数，具体见表4[11]476-477；RI为综合生态危害指数。

根据单项污染系数可将污染程度分为4个等级：Cfi<1为轻微污染；1≤Cfi<3为中等污染；3≤Cfi<6为强污染；Cfi≥6为很强污染。根据单项潜在生态危害系数可分为5个等级：Eri<40为轻微生态危害；40≤Eri<80为中等生态危害；80≤Eri<160为强生态危害；160≤Eri<320为很强生态危害；Eri≥320为极强生态危害。根据综合生态危害指数可分为4个等级：RI<150为轻微危害；150≤RI<300为中等危害；300≤RI<600为强危害；RI≥600为很强危害。

从表5可知：(1)根据单项污染系数，台顶Hg达到很强污染等级，平均单项污染系数为349.24，最大值413.21位于北台；Pb为强污染等级，最大值位于中台；Cr、Cd、As均为轻微污染等级；重金属的污染程度依次为Hg>Pb>Cd>Cr>As。(2)根据单项潜在生态危害系数，Hg(极强生态危害)>Cd、Pb、Cr、As(轻微生态危害)。(3)根据综合生态危害指数，台顶达到很强危害等级，依次为北台>西台>中台>东台>南台。

图1 土壤重金属质量浓度空间分布Fig.1 Spatial distribution of heavy metals in soil

Igeo级别污染程度<00清洁0～<11轻度污染1～<22偏中度污染2～<33中度污染3～<44偏重污染4～<55重污染≥56严重污染

表3 五台山土壤重金属元素地积累指数与级别

表4 重金属元素参比值及毒性系数

表5 五台山土壤重金属污染系数及潜在生态危害指数

山区单项污染系数依次为Hg>As>Cd>Pb>Cr；单项潜在生态危害系数依次为Hg(极强生态危害)>Cd(强生态危害)>As(中等生态危害)>Cr、Pb(轻微生态危害)；综合生态危害指数依次为羊眼河>青羊河>峨河。

综合对比分析可知，五台山台顶和山区土壤重金属的潜在生态危害均为很强危害等级，表明台顶和山区均受到来自土壤重金属污染的威胁。Hg是五台山主要的生态风险贡献因子，是造成土壤环境污染的主要因素。

2.4 相关性与成因分析

采用SPSS 17.0中Pearson相关性分析对五台山土壤中重金属元素间的关系进行分析，结果见表6。Pb与Cd、As与Cd、As与Pb、Hg与Pb呈显著性正相关，由此可推断，Cd、Pb、As、Hg的来源相似，由相同的事件引起。结合五台山地区大规模采矿活动的历史和现状，推断这4种重金属元素的富集和污染是由人类采矿活动所引起的。Cr与各重金属元素的相关性系数总体较小，且Cr的实测值低于背景值，推断其来源于自然界，基本反映土壤母质及其风化产物的累积过程。

表6 土壤中重金属元素间的相关性分析1)

注：1)**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

从五台山区采矿活动的历史与现状来看，该区是多种金属矿产资源的集中分布区，尤以铁矿和金矿的开采较普遍。北麓南岸3条流域均有铁矿矿山和选矿场分布，滹沱河谷北岸砂河镇附近出现过大规模的金矿群采群选过程，这种以混汞法提金的工艺，Hg回收较难，大量的Hg排放到环境中，而Hg具有易挥发性和长距离的迁移运输性，影响范围广，台顶Hg污染严重与此有极大关系。综上所述，5种重金属元素的来源除Cr是自然界产物外，其余4种均与矿产资源的开发利用有关，其中Hg受金矿开采影响明显。

3 结 论

(1) 台顶土壤重金属富集相对较少，山区富集较明显；山区农田重金属含量高于河漫滩。重金属高值区主要出现在中部羊眼河流域，其次为青羊河、峨河。Hg在台顶和山区均严重富集，是污染的主要因素。

(2) 地积累指数表明，台顶重金属污染整体轻微，山区重金属污染受矿产开采活动影响明显。Hg在台顶和山区污染均较严重。

(3) 生态风险评价表明，台顶和山区均受到土壤重金属的威胁。Hg是主要生态风险贡献因子。

(4) 相关性分析表明，5种重金属元素的来源除Cr是自然界产物外，其余4种均与矿产资源的开发利用有关，其中Hg受金矿开采影响明显。

(致谢：感谢国土资源部太原矿产资源监督检测中心的赵春光高级工程师、李建新主任对本研究样品测试的帮助。)

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PollutioncharacteristicsandpotentialecologicalriskassessmentofheavymetalsinsoilofMountWutai

WANGDandan1，2，ZHENGQingrong1，2，HOUYanjun2，GOUChaoyang2，ZHANGYongqing1.

(1.CollegeofGeographicalScience，ShanxiNormalUniversity，LinfenShanxi041000；2.DepartmentofGeography，XinzhouTeachersUniversity，XinzhouShanxi034000)

In order to understand the pollution of soil heavy metal in Wutai mountain areas，the 49 soil samples collected from the top of Mount Wutai and the northern foot of Mount Wutai，and measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The pollution index and ecological risk assessment were analyzed by the method of index of geo accumulation and potential ecological risk index，and the correlation coefficient between elements was analyzed by Pearson correlation coefficient to analyze the source of pollution. Results showed：(1) the soil heavy metal concentration of top was less enriched，and that of northern was obviously enriched. The farmland was higher than the flood plain and the high-value region was mainly distributed in the central Yangyan river basin. (2) The accumulation index indicated that the heavy metal pollution of the top mountain was slighted and in mountain area was obviously affected by mining activitives. Hg element pollution was more serious in the top and mountain areas. (3) Potential ecological risk showed that both the top of the mountain and the mountain area were threatened by the pollution of heavy metals in the soil. Hg was the main ecological risk factor in the top of the mountain. (4) Correlation analysis showed that the sources of Cr was natural products，and the other four heavy metals were all related to the exploitation and utilization of mineral resources. Hg was obviously affected by gold mining.

heavy metal pollution; potential ecological risk; Mount Wutai

王丹丹，女，1991年生，硕士研究生，研究方向为资源开发与环境保护。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.31571604)；忻州师范学院青年基金资助项目(No.QN201404)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.009

2017-06-19)