基于潜在生态风险指数法评价农用地土壤重金属环境风险

2021-06-06杨仲玮王剑峰

甘肃科技 2021年7期

杨仲玮,王剑峰

（兰州新区环境监测站,甘肃兰州 730300）

土壤是构成生态系统的基本环境要素，是经济社会可持续发展的物质基础，土壤环境尤其是农用地土壤环境的质量状况关系人民群众身体健康，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容[1,2]。重金属污染物具有潜在性危害，分布在土壤中的重金属元素不仅不能被土壤微生物分解，而且容易在生物体中富集，使得重金属元素在土壤环境中逐渐积累，通过食物链在植物、动物及人体内蓄积，严重危害生态环境和人体健康[3-5]，因此研究土壤重金属污染特征，评价其潜在生态风险十分必要。兰州新区位于黄土高原的西北部，拥有大量土地资源，作为典型黄土高原城市，已有研究对毗邻的兰州市、金昌市、白银市、张掖市等地区土壤环境质量进行了调查研究[6-9]，然而关于兰州新区土壤环境质量的研究较少，因此本文利用潜在生态风险指数法对兰州新区范围内的部分区域农用地土壤中重金属的污染特征和潜在生态风险进行了评估研究，为当地的土壤重金属污染防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 潜在生态风险指数法简介

潜在生态风险指数法[10]是由瑞典科学家Hakanson于1980年提出的一种从沉积学角度出发，根据重金属性质及环境行为特点，对土壤中重金属潜在污染风险程度进行综合评价的方法。该方法不仅考虑土壤重金属含量，而且综合考虑了多种金属元素协同作用、毒性水平、污染浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素[11-14]，是目前国内外研究土壤和沉积物中重金属污染情况的主要方法[15,16]。

1.2 潜在生态风险指数法的计算

采用潜在生态风险指数法评价土壤重金属污染的潜在生态风险，在实际应用中不仅将土壤重金属的含量考虑在内，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，定量地划分出重金属的潜在风险程度，其计算公式为：

1.3 潜在生态风险指数法评价结果分级

表1 重金属污染物潜在风险程度评价指标与分级

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

在研究区内选取10个农用地地块，地块分布详见图1，按照《农用地土壤样品采集流转制备和保存技术规定》的相关要求随机选择27个采样点进行采样，按照对角线布点法采集0～20cm的表层土壤样品，剔除所采集样品中的砾石、根系等杂物，经充分混合均匀后，按照四分法取大约2kg土壤样品装入样品袋中，密封后带回实验室进行样品制备。

2.2 样品制备

采集的土壤样品带回实验室置于通风良好、无易挥发性化学物质并避免阳光直射的场地，经自然风干后，用木锤碾压、拣出碎石以及细小的植物根茎等杂质，然后将全部土壤样品手工研磨后混匀，过孔径2mm尼龙筛，去除2mm以上的砂粒，过筛后的土壤样品充分搅拌、混合直至均匀。混匀后的样品用四分法缩分至约100g，再用玛瑙球磨机进行细磨，过100目尼龙筛，混合均匀后进行重金属含量的分析测定。

2.3 样品分析

制备好的土壤样品按《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）中规定的方法对铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞、砷8种金属元素的含量进行测定，并同时测定土壤pH值，如图1所示。

图1 农用地土壤调查监测地块分布图

3 结果与讨论

3.1 农用地土壤重金属含量

兰州新区地处秦王川盆地，土壤类型为干旱气候条件下黄土母质，经自然植被和人为活动过程中形成的自然土壤、淡灰钙土、农业土壤、黄绵土，因此此次评价以兰州地区重金属元素的背景水平作为该地区土壤重金属元素的背景参考值。被调查的10个农用地地块的土壤重金属含量分析结果见表2，所有点位pH值测试结果范围为7.82～8.92。由表2可知，被调查的10个农用地地块土壤中铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞和砷的平均含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）农用地土壤污染风险筛选值。

表2 被调查农用地块土壤重金属含量（mg·kg-1）

3.2 农用地土壤重金属的综合污染指数

利用单项污染指数评价法和内梅罗综合污染指数法对10个农用地地块的土壤重金属污染进行评价分析，结果见表3，由表可知，各被调查地块土壤中铜、铅、锌、镉、铬、镍、汞和砷8种金属元素的单项污染指数Pi均小于1，按照单项污染指数法分级标准评价，其污染程度属于无染物，其中单项污染指数从大到小依次为镉、砷、铜、铬、锌、镍、铅、汞。各地块的污染综合指数PN分别为0.352、0.381、0.357、0.371、0.458、0.466、0.400、0.381、0.339、0.352，均小于0.7，按照内梅罗综合污染指数法分级标准评价，其污染等级均为清洁。

表3 被调查农用地块土壤重金属的综合污染指数

3.3 农用地土壤重金属的潜在生态风险指数

利用潜在生态风险指数法计算调查的10个农用地地块中土壤重金属生态风险因子和生态风险指数，结果见表4。从计算结果可以得出，8种重金属的潜在生态风险因子从高到低依次为汞＞镉＞砷＞铜＞镍＞铅＞铬＞锌，其中所有被调查地块土壤中铜、铅、锌、铬、镍、砷6种元素的潜在生态风险因子均小于40，按照潜在生态风险程度分级标准评价均属于轻微生态风险；镉和汞元素的潜在生态风险因子分别为67.0和46.4，介于40与80之间，按照潜在生态风险程度分级标准评价属于中等生态风险。

表4 被调查农用地块土壤重金属的潜在生态风险指数

农用地土壤调查监测地块的潜在生态风险指数如图2所示，调查的10个农用地块中有6个地块的RI值小于150，属于轻微生态风险，其余4个地块的RI值介于150～300之间，属于中等生态风险。其中，4个中等风险的地块中，土壤中汞元素的贡献率分别为54.1%、48.7%、49.1%和53.7%，为主要污染元素。

图2 被调查农用地块土壤潜在生态风险指数图

总体来看，被调查的10个农用地地块土壤中重金属潜在生态风险指数平均值为145.4，总体呈现轻微生态风险，但是以各元素的贡献率来看，汞元素的贡献率达到46.1%，为最高；镉元素的贡献率为31.9%，次之；其余6种金属元素的贡献率均不足10%。因此，本次调查地块土壤潜在生态风险以汞和镉的生态风险为主，需要引起管理部门的关注。