皖南山区土壤重金属污染及潜在生态风险评价

2018-05-14李春辉孔祥科韩占涛赵贵章陈南祥

安徽农业科学 2018年34期

李春辉孔祥科韩占涛赵贵章陈南祥

摘要 [目的]评价皖南山区土壤重金属污染及潜在生态风险。 [方法]以池州市西南部山区为研究区，布设和采集0～20 cm土层土壤样品1 524组，测定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn元素的含量。在计算研究区各元素背景值基础上，采用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法对土壤重金属污染特征和潜在生态风险进行评价，并应用Kriging空间插值法分析土壤重金属污染和生态风险空间分布特征。[结果]土壤中8种重金属含量的平均值均超过了背景值，表明土壤中各项重金属均有不同程度的富集，其中As和Cd含量为土壤背景值的1.41倍。土壤中各项重金属元素单因子指数平均值表现为Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb，Cd属于轻度污染等级，其他元素属于无污染等级。内梅罗综合指数平均值为1.0 超过了警戒线，处于轻度污染等级。土壤综合潜在生态风险指数（RI）平均值为122.65，表现为轻微潜在生态风险，其中轻微、中等、强及极强潜在生态风险程度的比例占81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，Cd和Hg是造成局部区域潜在生态风险等级较高的主要影响元素。[结论]该研究为当地土壤环境安全及污染防治等提供科学依据。

关键词土壤;重金属;背景值;污染评价;潜在生态风险

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）34-0105-06

随着社会经济的快速发展，人类活动造成的土壤重金属污染问题日益突出。重金属污染具有隐蔽性强、持久性长、危害性大等特点[1-2]。重金属污染不仅会引起土壤的结构和功能发生变化，影响农产品质量，还可能经食物链对人体健康产生危害[3]。近年来，我国“镉米”“砷毒”及“血铅”等事件相继曝光，土壤重金属污染已成为土壤污染中备受关注的公共问题之一[4]。因此，开展土壤重金属污染和潜在生态风险评价对土壤的保护及管理利用具有重要意义。

目前，区域土壤重金属污染评价方法主要有单因子指数法、内梅罗综合指数法及潜在生态风险指数法[5-9]。单因子指数法能够较直观地反映环境中各项污染指标的污染程度，内梅罗综合指数法可以全面反映各重金属的综合污染水平，潜在生态风险指数法可定量评价重金属对生态环境的危害程度。我国土壤重金属空间异质性强，尤其是山区，即便县域尺度内土壤重金属背景值和累积情况也存在较大差异[10]。复杂的地质背景往往引起区域土壤重金属背景含量较高，若仅是采用大区域或全国尺度的元素背景值做参比，会不可避免地造成污染评价结果出现偏差，而实际上高背景重金属含量对山区生态环境的影响可能并不显著。因此，针对山区土壤重金属污染和潜在生态风险研究，需要在该地区元素背景值计算基础上，结合研究区地质背景分析及土地利用调查，再综合利用以上评价方法进行科学分析。

池州市是皖南典型的山区城市，所辖各县地质背景和土壤类型差异较大，土地资源种类繁多。近年来，随着工农业发展和金属矿产开发，该地区土壤面临巨大的重金属污染风险，而目前对于该地区土壤中重金属含量、分布以及污染状况尚不清晰[11-12]。笔者依托于中国地质调查局地质调查项目《淮河皖江经济区土地质量地球化学调查》，首次以池州市西南部生态山区为研究区，按照1∶25万调查精度采集表层0～20 cm深度土壤样品，并测定8种重金属（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）的含量。在求取不同元素背景值的基础上，采用单因子指数法、内梅罗综合指数法和潜在生态风险指数法，对土壤中重金属的含量及空间分布、污染程度和生态环境风险进行研究，并结合区域地质背景、土壤母质及土地利用现状对污染成因和潜在生态风险进行分析，以期為当地土壤环境安全及污染防治等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省西南部，行政区划隶属于池州市管辖（图1），包括东至县、石台县、贵池区和青阳县，地理坐标：116°39′～118°06′E，29°34′～30°40′N。研究区面积约为6 085 km 土地利用类型以林地和农用地（水田和旱地）为主，其中林地面积约为2 752 km 农用地面积约为2 531 km 其他用地面积约为802 km2。地貌以山地为主，地形东高西低，自东向西地貌类型由中山、低山渐变为丘陵。研究区属北亚热带湿润性季风气候，年平均气温16.5 °C，年均降水量1 400～2 200 mm。境内主要河流有秋浦河、黄湓河和龙泉河。土壤类型包括粗骨土、红壤、黑色石灰土、黄壤、普通准红壤和水稻土。种植作物主要有水稻、玉米、茶和经济林。研究区内矿产资源比较丰富，包括铅、锌、铜、锰、银、金、硫铁、钼、钨、石灰石、白云石、方解石、花岗岩等。矿种产地分布较集中，其中煤炭主要分布在贵池区的殷汇—涓桥一带;铁锰及多金属矿产主要分布在贵池区和青阳县境内;白云岩和方解石主要分布在青阳县及贵池区。

1.2 样品布设与采集

采样点布设依据《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295—2016）要求，采用双层网格化布局，按照4 km2（2 km×2 km）为一个采样单元（大格），每一大格再划分为4个1 km2采样小格（1 km×1 km）均匀布设采样点。采样点布局兼顾均匀性和合理性，并保证样点位于小格内主要土壤类型和成土母质区。采样深度为0～20 cm，采样时在采集小格中间部位100 m范围内3处地点等量采集土壤子样组合成1件样品，样品混合均匀后装入布袋，同时用GPS对采样点高程和坐标进行精准记录。采集的土壤样品自然干燥后剔除杂质和砾石，用木锤适当敲打并捶碎，过20目尼龙筛，最后按照单元大格等量将采集的4个小格样品均匀组合成一组分析样品进行测试（共1 524组）。样品加工过程严格防止土样污染。

1.3 测试项目与方法

样品测试分析由国土资源部合肥矿产资源监督检测中心完成，测试项目包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb和Zn元素。各分析方法的检出限、精密度和准确度满足《多目标区域地球化学调查规范（1：250000）》（DZ/T 0258—2014）要求。其中As和Hg用王水溶解后，采用原子荧光光谱法分析;Cd、Cu和Ni用HCl-HNO3-HF-HClO4溶解后，Cd采用电感耦合等离子质谱法分析，Cu和Ni采用电感耦合等离子体发射光谱法分析;Cr、Pb和Zn用粉末压片法处理后，采用X荧光光谱法分析;pH采用电位法测试。

1.4 数据处理

土壤背景值统计方法依据中国地质调查局下发的《土壤地球化学基准值与背景值研究若干要求》，结合魏复盛等[13]对地球化学背景值的研究，并参照其他省市土壤地球化学背景值计算方法[14-15]，采用土地质量地球化学调查与评价数据管理与维护（应用）子系统软件，对表层土壤重金属元素数据按算术平均值加减3倍的标准离差进行剔除，将剔除离群数据后的算术平均值作为地球化学背景值，并用SPSS 20.0进行正态分布检验，确定研究区土壤中重金属元素的背景值。

采用Excel 2016对单因子指数、内梅罗综合指数和潜在生态风险指数进行计算。利用ArcGIS 10.2软件进行Kriging空间最优无偏插值和空间分布图的绘制。

1.5 土壤重金属污染评价方法

1.5.1 污染指数法。

单因子污染指数计算公式：

内梅罗综合污染指数计算公式：

1.5.2 潜在生态风险指数法。

潜在生态风险指数法是著名地球化学家Hakanson根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对土壤或沉积物中土壤重金属污染进行评价的方法[18]。该方法结合了环境科学、生态学、生物毒理学等多学科理论，定量计算每种重金属元素的潜在危害程度，被广泛应用于环境风险评价中。其计算公式：

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

研究区表层1 524组土壤中重金属含量统计结果见表3。由表3可知，研究区土壤pH平均为5.7（酸性），土壤pH小于6.5、6.5～7.5和大于7.5的样品组数分别占总样品组数的82.94%、12.40%和4.66%。重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值分别为17.10、0.35、62.87、29.93、0.093、29.00、37.65、95.06 mg/kg，与全国土壤中相应重金属元素背景值相比，Cr的背景值与其近似一致，其他7种重金属元素背景值均高于全国值。同时，8种重金属含量也均高于研究区土壤背景值，表明这8种重金属在人类活动的影响下均出现不同程度的富集[22-24]。其中As和Cd富集明显，均为土壤背景值的1.41倍。

变异系数能反映重金属含量在各采样点分布状况[24-25]。研究区土壤pH变异系数为0.14，说明研究区内土壤理化性质较稳定。土壤中重金属As、Cd、Cu、Hg和Pb的变异系数分别为1.29、1.80、0.88、1.15和1.03，均大于0.50，说明研究区这些重金属含量在空间分布不均匀，可能出现了局部的点源污染。

2.2 土壤重金属污染指数分布特征

采用单因子指数法对土壤重金属污染进行分析，结果见表4。由表4可知，土壤中各项重金属元素单因子指数平均值从大到小依次为Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb。Cd单项指数平均值属于轻度污染等级，其他重金属单项指数平均值属于无污染等级。从各项重金属元素不同级别样点数所占比例和污染比例看，Cd污染比例最高，为32.22%，其中轻度、中度和重度污染样点所占比例分别为21.98%、5.71%和4.53%。As、Ni和Cu的污染比例也分别达12.07%、9.06%和4.27%，其他元素对土壤污染的样点数比例非常低。总体上大部分重金属元素对土壤污染表现不明显，但一些采样点重金属的单因子指数较高，表明局部地区土壤中各项重金属对土壤存在不同程度的污染。

由于Cr、Hg、Zn仅在局部采样点被评价为污染，因此仅对As、Cd、Cu和Ni的单项污染及综合污染等级空间分布进行分析。由图2可知，4种重金属的单项污染指数反映的土壤环境风险空间分布格局各不相同。Cd是污染程度和污染面积最大的元素，表现出区域性污染特征，污染区域主要分布在贵池区和石台县，在东至县和青阳县也存在小面积的污染区域，各县均出现面积大小不一的中度和重度污染区域;As污染区主要呈岛状分布，东至县东部、贵池区西南部和青阳县东部呈轻度及中度污染态势，东至县东北部存在面积相对较大的重度污染区;Ni污染区的污染级别几乎全部为轻度污染，主要分布在石台县。Cu仅在局部出现小面积轻度污染。

研究区土壤重金属内梅罗综合指数平均值为1.0 超过了警戒线，属于轻度污染等级，土壤安全、警戒线、轻度、中度和重度污染样点的比例分别为50.72%、23.56%、17.98%、4.00%和3.74%，污染样点的比例为25.72%。对比单项和综合污染指数空间分布图可知，As和Cd的单项指数污染评价划分区域与综合污染评价结果高度一致，中度、重度污染区域包含在As和Cd的中度、重度污染区域内，警戒线区域包含As和Cd的轻度污染区域。As和Cd是造成局部区域污染指数等级较高的主要影响元素。

2.3 土壤重金属潜在生态风险指数分布特征

以研究区土壤元素的背景值做参比（表3），计算土壤重金属单因子潜在生态风险指数，结果见表5。由表5可知，土壤中各项重金属元素值从大到小依次为Hg>Cd>As>Pb>Cr>Ni>Cu>Zn，研究区土壤中不同重金属元素对土壤潜在生态风险程度存在一定差异。Cd和Hg元素达中等潜在生态风险程度，其余6种重金属表现为轻微潜在生态风险。从潜在生态风险指数最大值看，在局部采样点位，Hg和Cd达到极强潜在生态风险程度，As和Pb达到很强潜在生态风险程度，Cr达到强潜在生态风险程度，Ni、Cu和Zn的最大值均未超过40，表现为轻微潜在生态风险。从各级样点所占比例看，8种重金属的潜在生态风险均以轻微程度为主，但Hg和Cd达到中等潜在生态风险的采样点比例分別为41.31%和20.52%，也有一定比例的强—极强潜在生态风险的采样点。总体来看，Cd和Hg潜在生态风险比较大，As在一些采样点也表现出较大潜在的生态风险。研究区土壤重金属RI平均值为122.65，表现为轻微潜在生态风险。轻微、中等、强、极强潜在生态风险程度的比例分别为81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，整体上处于轻微和中等程度的潜在生态风险。

由于仅极个别采样点中Cr和Pb呈中等或中等以上潜在生态风险，且Cr、Cu和Zn表现为轻微潜在生态风险，因此仅分析As、Cd和Hg这3种较大潜在生态风险元素的单项和综合潜在生态风险等级分布。由图3可知，Hg达到中等及以上潜在生态影响的区域面积最大、分布范围最广，这与其毒性响应系数最大有关，但主要以中等程度的潜在风险区域为主。Cd的潜在生态风险仅次于Hg，接近10%研究区达到强—极强程度的潜在生态风险。As的潜在生态风险相对Hg和Cd较小，仅局部区域存在中等—强程度的潜在风险。由综合潜在生态风险等级分布特征可知，重金属中等程度潜在生态风险区域主要呈岛状和点状分布，在局部存在斑点状分布的高值区，分布于青阳县的东部、贵池区的南部、石台县的西南部以及东至县周边及北部，重金属对这些区域土壤存在重和严重的潜在生态影响。对比分析土壤重金属单项和综合潜在生态风险指数等级及分布特征，影响区域土壤重金属潜在生态风险的主要元素为Cd和Hg。

2.4 土壤重金属污染成因分析

Cd是研究区最主要的污染物之一，在评价中对内梅罗综合污染指数和综合潜在生态风险指数的贡献非常大。对研究区不同成土母质土壤中Cd含量统计分析发现，碎屑岩和碳酸盐岩不仅为区内主要成土母质（分别占全区土壤总面积的20%和27%），且其Cd的平均含量分别达0.424和0.509 mg/kg，均超过了研究区土壤中Cd含量的平均值0.35 mg/kg。其中，碳酸盐岩区土壤单因子指数超标样点数、中等及以上等级潜在生态风险样点数分别占总采样点数的62.13%和59.95%。碎屑岩区土壤单因子指数超标样点数、中等及以上等级潜在生态风险样点数分别占总采样点数的31.16%和66.44%，这表明研究区土壤Cd含量分布与受地质背景控制的成土母质密切相关。另外，虽然研究区内土壤几乎不存在Hg污染，但由于Hg具有极高的生态毒性[2]，因此导致Hg含量较高区域的潜在生态风险评价等级为中等程度。野外调查发现，在东至县东北部、贵池区西南部和青阳县东部土壤中Cd、As和Cu中度和重度污染区均存在矿区的分布，表明矿山开采等人类活动可能对以上元素含量增加产生影响。因此，研究区土壤重金属污染受地球化学成因和人类活动的共同影响，总体上不同岩石类型风化物发育的土壤，其地球化学组分保留了部分原成土母质特有元素的含量特征，但研究区内矿石的开采、加工和冶炼等人类活动是造成局部区域重金属含量异常的重要因素。

3 结论

（1）研究区土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值分别为17.10、0.35、62.87、29.93、0.093、29.00、37.65、95.06 mg/kg，均高于土壤背景值，表明土壤中各重金属有不同程度的富集，其中As和Cd富集最为明显，均为土壤背景值的1.41倍。

（2）研究区土壤中各重金属元素单因子指数平均值表现为Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb。Cd属于轻度污染等级，其他重金属属于无污染等级。Cd、As和Ni的单因子指数较高，污染面积和污染程度较高。内梅罗综合指数平均值为10 超过了警戒线，处于轻度污染等级，Cd和As为内梅罗综合指数主要贡献元素。

（3）研究区土壤轻微、中等、强、极强潜在生态风险程度的比例分别为81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，整体上处于轻微和中等程度的潜在生态风险程度。Cd和Hg是造成局部区域潜在生态风险等级较高的主要影响元素。

（4）Cd是导致研究区土壤污染的主要元素，对研究区内梅罗综合指数和综合潜在生态风险指数的贡献较大，同时As和Ni的单项污染指数较大，Hg的潜在生态风险较大，这些元素在该区域土地开发利用过程中需重点关注。

参考文献

[1]雷国建，陈志良，刘千钧，等.广州郊区土壤重金属污染程度及潜在生态危害评价[J].中国环境科学，2013，33（S1）：49-53.

[2]王茜，张光辉，田言亮，等.农田表层土壤中重金属潜在生态风险效应研究[J].水文地质工程地质，2017，44（4）：165-172.

[3]张兆永，吉力力·阿不都外力，姜逢清，等.艾比湖流域农田土壤重金属的环境风险及化学形态研究[J].地理科学，2015，35（9）：1198-1206.

[4]杨奇勇，谢运球，罗为群，等.基于地统计学的土壤重金属分布与污染风险评价[J].农业机械学报，2017，48（12）：248-254.

[5]郭笑笑，刘丛强，朱兆洲，等.土壤重金属污染评价方法[J].生态学杂志，201 30（5）：889-896.

[6]王玉军，吴同亮，周东美，等.农田土壤重金属污染评价研究进展[J].农业环境科学学报，2017，36（12）：2365-2378..

[7]吴洋，杨军，周小勇，等.广西都安县耕地土壤重金属污染风险评价[J].环境科学，2015，36（8）：2964-2971.

[8]虞敏达，张慧，何小松，等.典型农业活动区土壤重金属污染特征及生态风险评价[J].环境工程学报，2016，10（3）：1500-1507.

[9]何东明，王晓飞，陈丽君，等.基于地积累指数法和潜在生态风险指数法评价广西某蔗田土壤重金属污染[J].农业资源与环境学报，2014，31（2）：126-131.