网湖流域不同类型土壤重金属含量及风险评价

2020-04-27林邦俊刘玉青

林业调查规划 2020年2期

吕典，金晶，林邦俊，刘玉青

(湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430062)

近年来我国经济迅猛发展，导致环境问题例如土壤重金属污染越来越受到人们关注。对土壤重金属含量做有效的定量分析，能准确判断土壤的污染状况，从而掌握土壤重金属元素的积累趋势与空间分布状况，为生态污染风险的评估提供数据依据。据有关资料统计，我国受Cd、As、Pb、Hg、Zn 等重金属污染的耕地面积近 2 000 万hm2，约占总耕地面积的 1/5[1]。土壤重金属污染分为人为和自然两种原因。自然原因主要是因为岩石风化和火山喷发等自然地质活动，而人类活动是土壤重金属污染的主要形成原因，其中主要人类活动包括矿产开采、金属冶炼、化工化纤、汽车尾气排放、污泥排放、农田灌溉、农药以及化肥过量施用等[8-9]。其中因为矿产开采和钢铁冶炼的“三废”排放，使得湖南省湘江流域和资江流域土壤中重金属Cd、As、Pb、Zn 和Cu 污染比较严重，并产生严重的生态环境风险[2-3]。而在沈阳张士地区因为工业污水长久灌溉导致了土壤中重金属Cd 超标，并且在停耕10年后土壤中镉的移动性和生物有效性仍很高[4]。朱桂芬等对河南省新乡市寺庄顶污灌区进行调查发现，该地区土壤中重金属镉、镍、锌和铜的含量严重超标，分别是国家土壤环境二级标准的108.85、19.94、9.33 和1.46 倍[5]。重金属可以导致癌症以及各种突发疾病，对人体的健康有着巨大危害[10-11]。以重金属镉为例，长期接触会造成人体肾脏损害，进而导致骨质疏松和软化[23-24]。因此，研究网湖的土壤重金属十分有必要，因为在网湖湿地保护区中，不仅仅有珍稀濒危野生动植物资源及其栖息地，而且其附近的阳新县由于炼矿的污染使得该地区发生了多起重金属砷的污染。而网湖作为网湖湿地保护区的核心区域之一，对其土壤重金属的研究可以分析出周围区域是否已经受到污染，是否会影响周围动物与植物的生存与发展。

1 研究区域概况

湖北网湖湿地省级自然保护区在黄石市阳新县，位于115°14′00″～115°25′42″E、29°45′11″～29°56′38″N之间,处于长江中下游南岸，长江与富水交汇的三角地带，总面积达到 20 495 hm2。

网湖湿地自然保护区主要由网湖和舒婆湖组成，核心区四周中小型湖泊星罗棋布，东有王港湖、杨赛湖和新湖，南边从东到西依次有夹节湖、大坡湖、小坡湖、神灵湖、吴家晒湖、下羊湖、小赛湖、绒湖、牛湖、下西湖、中西湖和朱家义湖，西北有赛桥湖、道士湖和下司湖，紧靠良荐湖，北有碧山湖。在西边的缓冲区还有红星塘和东风塘，宝塔湖和十里湖内的精养鱼池众多，区外还有石灰赛湖等湖泊群。

该地区属中亚热带季风气候，年均气温15.9℃，降水量 1 371 mm。湖水补给方式有地表径流补给与雨水补给。入湖河流主要是富水，汛期洪水经网口入湖，非汛期湖水由网口出流，下注富池口排入长江。多年平均最高水位20.30 m，最低水位15.8 m，平均变幅4.5 m。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集与处理

采样的地点围绕网湖周边地区，其具体采样点分布如图1所示。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

其中水稻田的采样点一共20个，林地采样点22个，共计42个采样点。土壤样品带回实验室后，经自然风干一个月，对仍含有水分的土壤进行烘干。再取3～5 g土壤，剔除样品中较大石块、植物茎叶和根系，用玛瑙研钵研磨，过150～200目筛。收集样品装入聚乙烯袋中干燥封存，做好编号标记。

2.2 测定工作与数据处理

1)取出研磨至150～200目的土壤样品0.4～0.5 g，用电子天平称量土壤质量并记录。

2)将称好的土样放入消解罐中，加入12 mL浓硝酸以及8 mL浓盐酸,在XT-9900A的微波消解仪中设定4个程序反应15 min。待仪器工作结束后，取出消解罐，将其放在冷风机上吹，直至反光板回落至初始位置。慢慢打开消解罐外罐，取出内罐。打开内罐后，将其放到预处理仪上，温度设置150℃，升温赶酸(罐子里液体少于1 mL即可)。待蒸发完全黄烟散去后，转移至玻璃试管，定容到50 mL。待静置一段时间以后，取20～30个消解好的试样，对其进行原子光谱吸收。

3)使用Thermo(赛默飞)ICE 3000的原子光谱吸收仪进行土壤重金属的测定。其测定原理是辐射通过自由原子蒸汽，且入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态(一般情况下都是第一激发态)所需要的能量频率时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。使用该仪器，用火焰法分析土壤Cu、Ni、Zn、Cr的浓度，用石墨炉分析土壤Cd的浓度。

4)对土壤样品浓度进行计算，得出土壤重金属含量。其国标方法如下：

(1)

式中：W—土壤样品中Cu、Ni、Zn、Cr、Cd(mg/kg)的含量；C—试液的吸光度减去空白试液的吸光度，然后在校准曲线上查得Cu、Ni、Zn、Cr、Cd 的含量(μg/L)；V—测定溶液的体积(ml);m—称取试样的质量(g);f—试样中水分的含量(g)。

2.3 评价方法

2.3.1单因子污染评价法

通过单因子评价，可以确定主要的重金属含量的危害程度。其是用土壤单项污染物的实测值和背景值相比来说明该污染物在土壤中的污染状况[12-14]：

(2)

式中：Pi为第i种污染物的污染分指数；Ci为第i种污染物实测浓度；Si为重金属i的评价标准值。

Pi≤1，表示土壤重金属i含量未超标；Pi>1，表示土壤重金属含量超标且值越大超标程度越严重。

2.3.2综合指数法

单因子指数只能反映各个重金属元素的污染程度，因此不能反映土壤重金属的整体情况。综合污染指数既兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，又突出了污染较重的重金属污染物的作用[15-18]。其综合污染指数计算方法如下：

(3)

综合因子污染指数和单项因子污染指数等级分级标准见表1。

表1 土壤环境质量分级标准Tab.1 Soil environmental quality grading standards

2.3.3地累积指数污染评价法

现如今采用单因子指数法和内梅罗综合指数法等在国内外进行土壤重金属污染评价比较常见，以上两种方法均能对研究区土壤重金属的污染程度进行较为全面评价，但无法从自然异常中分离人为异常，判断表生过程中重金属元素的人为污染情况。地累积指数法注意到了此因素，弥补了其他评价方法的不足[6-7]。

地累积指数(Igeo)通常称为Muller指数，不仅考虑了自然地质过程造成的背景值的影响，而且也充分注意了人为活动对重金属污染的影响，因此，该指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数[17，19]。地累积指数计算方法如下：

Igeo=log2(Cn/kBn)

(4)

式中：Cn为元素n 在土壤中的含量；Bn为土壤中该元素的化学背景值；K为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值为1.5)，用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响[17]。评价分级标准见表2。

2.3.4聚类分析法

聚类分析是研究多要素事物分类问题的数量方法，其基本原理是用数学方法按照某种相似性或差异性指标，定量地确定样本直接的亲疏关系，并按这种亲疏关系程度对样本进行聚类[21-22]。

3 结果

3.1 土壤重金属元素含量统计

将网湖周边土壤重金属元素含量特征值统计结果与湖北省土壤背景值、中国土壤背景值[20]和世界土壤中值[20]对比，详见表3。

由表3可见，与我国土壤背景值相比，湖北省土壤中重金属元素Cu、Zn、Cr、Cd、Ni的含量普遍高于中国土壤背景值，与世界土壤的背景值相接近。

表3 网湖周边地区农田土壤重金属元素特征值Tab.3 Characteristic value of heavy metal elements in farmland soil around Wanghu Lake

注：引自《中国土壤元素背景值》[20]

由表3的结果可以看出，对数据进行K-S检验中，不论哪一种，网湖周边农田土壤利用类型的Cu、Zn、Cr、Cd、Ni的P值均高于0.05，说明所有的数据均服从正态分布。

在网湖周边地区土壤中，不论是什么利用类型的农田，土壤重金属元素Cu、Zn、Cd的含量都很高，说明这些元素在该地区富集程度高，且高于湖北省土壤背景值和中国土壤背景值以及世界土壤中值。其中Cu、Zn、Cr、Cd、Ni是背景值的2.10,1.42,0.48,22.82,0.48倍。可以看出，Cd对比湖北省土壤背景值的比率最高，说明其在网湖周边区富集程度相对较高。同时对比Ni元素可以发现，其部分超过了湖北省土壤背景值与中国土壤背景值，但仅少量超过世界土壤背景值，且其平均值并没有超过国家土壤背景值。

为了更好地观察网湖流域附近土壤重金属的累积特征，制作土壤重金属含量(平均值)/背景值(中国土壤背景值[25])图表(图2、表4)。从图中可以直观地看出，水稻田和林地的重金属含量比率较大的是Cd、Cu与Ni，Zn与Cr比率都比较小。

由表3变异系数可以看出，重金属元素Cu、Zn、Cd、Ni具有比较小的变异系数，变化范围都在0.1～0.5之间，属于中等变异强度，反映了这些元素在网湖周边地区的分布上具有相对均一性。Cr的变异系数虽然水稻田与林地的均大于0.5，U但是小于1，说明总体而言在网湖周边地区重金属元素的波动性不大。

图2 土壤重金属含量/背景值Fig.2 Soil heavy metal content / background value

表4 网湖周边土壤重金属特征

3.2 土壤重金属污染风险评价

3.2.1单因子污染评价

从结果分析(表5)来看，Cr、Cu、Zn和Ni的单因子污染指数均小于1，属于清洁，可以视为未发生污染；Cd的单因子污染指数都大于3，属于元素含量严重超标，国家相关环境保护部门应该及时采取科学的保护和修复措施，加以有效管理控制。

3.2.2内梅罗指数评价

根据综合因子污染指数和单项因子污染指数等级分级标准(表1)进行分析,可以看出,水稻田、林地重金属都属于重度污染水平，但结合表6的单因子分析可以认为,是由于Cd的严重超标使得内梅罗指数处于一个较高值。

3.2.3地累积指数污染评价

从表7重金属元素地累积指数中可以看出，Cu为1级轻度污染，Cr、Zn和Ni的值都小于0，为清洁。土壤样品中的Cd元素水稻田与林地在3～4，为偏重污染。总体而言，网湖周边地区农田土壤中Cd元素的累积量较大，污染严重，国家相关环境保护部门应该及时采取科学的保护和修复措施。

表5 土壤重金属元素单因子污染指数Tab.5 Single factor pollution index of heavy metal elements in soil

表6 网湖周边地区不同类型农用地的土壤重金属平均含量Tab.6 Average content of heavy metals in soil of different agricultural lands around Wanghu Lake

3.3 聚类分析

3.3.1土壤重金属元素聚类分析

根据聚类分析结果(图3、图4)可以看出：1)在种植水稻的土壤中Ni与Cr关系密切，可能受同一个因素影响，来自一个污染源，并且Ni、Cr与Cu的污染可能也存在一定联系。此外，Zn与Cd都单独成一类，说明其污染来源可能不同。2)对比林地与水稻田的重金属直接的亲疏关系可以发现，其也是Ni与Cr关系密切，Zn与Cd都单独成一类。从中可以推断，水稻田与林地虽然属于不同的土地利用类型，但是其可能受到外界的干扰是一样的，差异性不大。

表7 重金属元素地累积指数Tab.7 Accumulative indexes of heavy metals

图3 水稻田土壤重金属聚类分析

图4 林地土壤重金属聚类分析

3.3.2Cd元素采样点聚类分析

因为上面综合指数法的评价结果显示Cd为偏重污染，所以对黄石42个采样点进行了聚类分析，观察是否有同一个污染源对网湖流域周边土壤的重金属含量产生了影响(图5)。通过聚类分析，将42个采样点分成了5组，并用ArcGIS绘制了每组的空间分布图(图6)。从图组4的图可以看出，在舒婆湖的西南部重金属Cd较为密集，而在网湖的西北部，从组1来看也相对分布密集。