章丘区北部土壤重金属地球化学特征及潜在生态风险

2020-09-15刘华峰

山东国土资源 2020年9期

刘华峰

(1.山东省地质调查院,山东济南 250014；2.山东省土地质量地球化学与污染防治工程技术研究中心,山东济南 250014)

0 引言

土壤是人类生存生活最基本的物质资料，随着社会快速发展，社会物质日益增长的同时，给环境也带来一定的污染。特别是土壤重金属污染越来越严重，土壤重金属污染具有高毒性、难降解性、生物累积性等特点[1-2]。国内外多名学者在土壤重金属元素调查方面均有一定研究，在土壤重金属元素来源、分布及迁移转化等方面获得一定的成果[3-7]。21世纪以来，土地质量地球化学调查成为热点，以大比例尺和高密度土壤取样为特点[8]，精细查明区域土壤环境质量基本状况，保障农作物生长和人体健康风险，为实现区域乡村振兴战略和美丽乡村建设服务。该文旨在通过调查章丘区北部土壤重金属元素地球化学特征，分析元素内在因子关系，科学评价区域土壤安全性和潜在生态风险，为土地利用规划提供依据，促进济南市生态环境健康发展。

1 研究区概况

研究区位于济南市章丘区北部刁镇和辛寨镇(图1)，地理位置在北纬36°40′89″～37°09′00″，东经117°26′15″～117°52′00″之间，南北长15.5km，东西宽12km，总面积为131.47km2。地质背景以第四系沉积物为主(图2)，地势东南高西北低，地貌类型以平原为主，东南部有低山丘陵，土壤类型主要为潮土、褐土及粗骨土，土地利用类型多样，其中耕地以水浇地为主。气候属于暖温带季风区的大陆性气候，四季分明，雨热同季。

根据研究区地质背景简图，研究区北部为第四纪巨野组，中部为第四纪黑土湖组，中南部为第四纪大站组。在研究区南部自西向东依次为侏罗纪方子组、侏罗纪三台组、白垩纪八亩地组、济南超单元(中生代普集茶叶山辉长岩)。

1—高速公路；2—县道；3—河流水面；4—采样点；5—镇位置图1 研究区交通位置及采样点位置示意图

1—第四纪巨野组；2—第四纪黑土湖组；3—第四纪大站组；4—白垩纪八亩地组；5—侏罗纪三台组；6—侏罗纪坊子组；7—中生代茶叶山单元图2 研究区地质简图

2 研究方法

2.1 样品采集

该研究样点布设及采集按照《土地质量地球化学评价》(DZ/T0295—2016)中规定的1∶5万比例尺工作要求，在500m×500m的格子里，以地块为采样单元，选择不同土地利用类型最大地块进行布点采样，采集时去除表面的杂草、凋落物等，用木铲刮除土壤与金属工具接触部位，垂直均匀采集0～20cm深度土壤样品，土壤样品放于干净的布袋，在主点周边50m范围内同时采集3～4个子样混合，做好定点、样点编号及周边喷漆标记工作，共采集样点672件，样点密度为7点/km2，实际样点分布图见图1。

2.2 样品处理及测试分析

样品在空气流通的场所进行阴干，用木棒敲打破碎，过40目尼龙筛，所有样品全部过筛，取100g送检，留150g备份。

样品测试方法按照行业规范完成[9],样品前处理及分析测试在湖北省地质实验室完成，Cd，Pb，Cu，Zn元素测定用等离子体质谱法(ICP-MS),样品处理为试样经HF，HCl，HNO3，HClO4溶矿分解、赶氟，HCl提取，定容，采用混合标准制备工作曲线，在1%HCl溶液中用等离子质谱仪测定；Cr，Ni元素测定用等离子体发射光谱(ICP-OES)法，试样经HF，HCl，HNO3，HClO4分解后，赶氟、HCl提取，定容，在10%HCl溶液中用3组混合标准溶液系列，用ICP-AES法测定；As，Hg元素测定用原子荧光光谱法(AFS)，前处理试样用王水分解，50%HCl提取后置于10%盐酸介质中，用硫脲作预还原剂，硼氢化钾作还原剂测定；pH指标测定用离子电极法(ISE)，试样加无二氧化碳蒸馏水浸溶，pH计测定。

2.3 评价方法

据前人研究发现，潜在生态危害指数法和污染负荷指数法相结合，能够较好地反映土壤重金属污染[10]。该文采用污染负荷指数法和潜在生态危害指数法相结合的方法，综合评价研究区土壤重金属污染状况。

土壤重金属污染评价采用污染负荷指数法(pollution load index，PLI)[11]，计算公式为：

CFi=ci/cn

式中：CFi—重金属i的污染指数;ci—重金属i的含量实测值;cn—重金属i的背景值，该研究采用济南市土壤背景值[12]。

CF的污染分级标准为:CF≤1为无污染(Ⅰ)，11为污染。之后有些学者对其进行了进一步划分[13]：PLI≤1为无污染，1

潜在生态风险评价采用Hkanson提出的潜在生态风险指数(potential ecological risk index，RI)进行评价[15]，计算公式为：

3 结果与讨论

3.1 研究区表层土壤重金属元素地球化学特征

3.1.1 土壤重金属元素含量特征

研究区土壤中As等8种重金属元素均有检出，利用Excel统计出研究区土壤重金属元素地球化学系列参数值(表1)。与济南市土壤背景值相比，除As外，研究区Cd等7种重金属元素含量均值均高于济南市土壤背景值，特别是Cd，Hg和Zn元素，最大值分别为济南市背景值的5.87倍、9.17倍、3.78倍，As最大值是背景值的5.41倍，表明这几种元素某些地块表层土壤中存在累积和富集。

表1 研究区表层土壤重金属元素地球化学参数值

变异系数为标准差与平均值之比，可以衡量不同量纲数据的变异程度。研究区表层土壤元素变异系数总体大小为Hg>Cd>As>Cu>Cr>Zn>Ni>Pb，这表明Hg，Cd含量分散性很强，而Ni和Pb含量则相对较为集中。根据Wilding对变异系数(Coefficientof Variation, CV)的分级[17]，Ni和Pb的变异系数分别为0.15和0.14，属于低度变异(CV<0.16)；As，Cr，Cu和Zn的变异系数分别为0.31，0.18，0.26和0.18，属于中度变异(0.160.36)，并且含量范围幅度较大，说明该区土壤Cd和Hg分布不均匀，这种现象大多是由人类活动引起的，比如污灌、施肥等农业生产活动及交通影响[18-20]。

在空间上，重金属元素Cu，Cr，Ni，Zn显示出南高北低的状况，高值分布于东南部白垩系八亩地组和济南超单元分布区，体现了地质背景对土壤中4种重金属元素含量的制约，侧面反映了其自然来源。As元素表现为西北部和东部局部高、中部和南部较低的状况。Cd元素则体现为中北部较高、刁镇城区西北侧较高的状况(图2)。Pb和Hg元素相似，在研究区西部较高(图3，图4)，与该区域交通及企业分布有一定的关系。

图3 研究区Cd元素地球化学分布图

3.1.2 不同土地利用类型土壤重金属含量特征

分别对耕地、园地、林地、草地、工矿仓储用地、住宅用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他土地等9类土地利用类型中土壤重金属含量进行统计(表2)，发现不同土地利用类型下重金属元素具有差异性。林地中Cd、工矿仓储用地中Cu和Zn、住宅用地中Hg、水域及水利用地中Ni和Pb、其他土地中Cr含量较高。综合来看，农用地(耕地、园地、林地、草地)中重金属元素含量处于中等水平，而工矿仓储用地除了Cu和Zn外其他元素含量较低，其他土地除了Cr外其他元素含量较低。

图4 研究区Hg元素地球化学分布图

表2 研究区表层土壤重金属元素地球化学参数值(mg/kg)

3.2 重金属元素来源探讨

对土壤原始数据进行多元统计分析，揭示数据后隐藏的重要信息，揭示元素来源差异。

3.2.1 相关性分析

元素之间相关性，可以体现元素之间存在但不确定的关系，通常认为，相关性越显著，其共同来源可能性越大，相关性极显著的重金属元素间可能具有相似的来源途径[21]。利用SPSS软件对土壤中8种重金属元素做相关性分析，得到Pearson相关系数值如表3所示。从相关性系数大小来看，Cr-Ni-Cu，Pb-Zn，Cu-Zn的Person相关系数均大于0.4，达到极显著水平(P<0.01)，这表明Cr-Ni-Cu，Pb-Zn，Cu-Zn元素组成员中元素可能具有相同的来源。而As，Cd和Hg与其他元素相关性较差，可能具有不同的来源。

3.2.2 主成分分析

通过主成分分析(PCA)对数据进行降维，用较少的指标反映原始数据信息，从而揭示研究区表层土壤重金属的来源[22]。利用SPSS软件进行主成分分析，因子载荷矩阵如表4所示，结果表明，表层重金属元素第一、第二、第三主成分总贡献为69.22%。

表3 土壤重金属元素之间的Pearson相关性

表4 主成分分析因子载荷矩阵

其中第一主成分方差贡献率40.18%，Cu，Ni，Zn，Cr具有较高的载荷，分别为0.843，0.803，0.789和0.615。4种元素变异系数较小，在研究区分布较为均匀，表明受人为活动影响相对较小，主要受土壤母质、地形、气候等自然因素控制。4种元素在空间分布上一致，且含量受地质背景制约。Cu，Ni，Zn，Cr在土壤中的含量主要受成土母质的含量影响这一结论，与多名学者研究一致[23-25]。

第二主成分方差贡献率为18.28%，Hg，Pb和Cd具有较高的载荷，分别为0.612，0.440，0.436。一般认为，土壤中Cd来源磷肥使用、电镀产业等[26]，Hg来源于燃煤排放及污水灌溉[27]，Pb来源于交通中机动车汽油使用及排放[28]，因此第二主成分代表着工农业生产及交通运输等人类活动的影响。且三元素变异系数较大，在研究区有一定的异常存在，空间分布不均，Pb和Hg元素主要在研究区西部含量较高，Cd元素含量在西北部及刁镇西侧较高。经调查，研究区西部存在小型电镀企业及工业园区，刁镇存在青兰高速及章刁公路等繁忙交通运输要道，研究区西北部紧邻滨州电解铝及纺织产业，其燃煤沉降影响下风向的研究区。通过以上分析表明，研究区表层土壤Hg，Pb和Cd元素虽然成因来源不同，但可归结为人为来源。

第三主成分方差贡献率为10.76%，As具有较高的载荷(0.814)。土壤中砷的来源复杂，包括工业来源、自然风化及大气沉降等。一般认为第三主成分因子具有土壤母质及人为成因的共同来源，同时As在第一主成分和第二主成分具有相似的载荷(0.365，0.335)，在空间上也体现出西北部及东部具有高含量分布，明显受滨州燃煤影响。有学者研究表明，当同一种元素在不同的主成分上均有相当的载荷时，可认为具备2种主成分的来源[29]；因此研究区土壤As元素为自然成因和人类活动的共同来源。

3.3 土壤重金属污染评价与潜在生态风险评价

3.3.1 污染负荷因子法评价

根据污染负荷因子评价公式，利用济南市土壤背景值为参比值，计算研究区表层土壤重金属元素污染负荷因子，统计各等级中样点比例，结果如表5所示。

根据污染负荷因子(CF)均值比较，重金属元素污染程度大小为：As(0.97)

由负荷因子指数，计算出研究区表层土壤重金属综合污染指数(PLI)在0.67～1.98之间，均值为1.15。表5给出了重金属综合污染指数在不同分级中样点比例，表明研究区土壤重金属综合污染以轻度污染为主，占总点数79.45%，无污染样点数占总点数20.55%，未出现中度和重度污染土壤样点。从空间上表现为，研究区土壤重金属无污染样点以分散点状和斑块状分布于中部和北部区域(图5)。

表5 研究区土壤污染负荷因子评价及综合污染分级样点统计(%)

表6 不同土地利用类型重金属元素污染负荷因子(CF)值统计比较

1—无污染(PLI≤1)；2—轻度污染(1

统计不同土地利用类型下重金属元素负荷因子和综合污染指数(表6)。耕地和水域及水利设施用地土壤As为无污染，其他重金属元素为轻度污染(1

重金属元素综合污染指数在不同土地利用类型中大小为建设用地>园地>水域及水利设施用地>耕地>草地>交通运输用地>林地>其他土地。总体上除其他土地重金属元素综合污染指数为无污染外，其他用地类型均为轻度污染。从元素来说，除As元素其他元素均出现轻度污染。

3.3.2 潜在生态风险

利用Hakanson预测模型，选择济南市土壤背景值为参比值，评价研究区表层土壤重金属元素潜在生态风险，重金属元素潜在生态风险(E)均值大小为Hg(69.18)>Cd(39.46)>As(9.73)>Cu(5.70)>Pb(5.12)>Ni(5.08)>Cr(2.25)>Zn(1.12)。各潜在生态风险等级点位百分比统计如表7所示，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn元素均为轻微生态风险，As元素轻微和中度生态风险比例分别为99.70和0.30。特别注意Cd和Hg元素，Cd以轻微和中度轻微为主，Hg以中度和强生态风险为主。

表7 研究区重金属元素潜在生态风险及综合生态风险比例统计(%)

1—轻微生态风险(RI≤150)；2—中等生态风险(150

研究区表层土壤综合潜在生态风险(RI)以轻微和中度生态风险为主，分别占总点数的70.41%和28.25%，强生态风险土壤点仅为1.33%，研究区未出现很强和极强生态风险土壤点。从空间上看，中度生态风险主要分布在研究区东北部和中西部区域，强生态风险土壤点零星分布在研究区中西部(图6)，是由于工业园区的Hg含量较高导致。