宁夏中部干旱带土壤重金属污染及生态风险评价

2021-12-04杨亚芳何杰

石河子大学学报（自然科学版） 2021年5期

杨亚芳，何杰

(宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏银川 750001)

土壤作为非再生资源，是人类生存和发展的物质基础[1]，土壤质量也一直是影响我国生态安全、关乎国家持续、健康发展的重大问题[2-3]。近年来，随着社会经济的发展及不合理的人类活动，使得区域土壤重金属污染问题突出[4]，土壤重金属污染主要是由于重金属不能为土壤微生物所分解，而易于积累，转化为毒性更大的化合物，甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积，严重危害人体健康[5-6]。因此，从多种角度出发分析区域土壤重金属污染问题成为专家学者们研究的热点，具有重要的研究意义。

目前，国内外学者对土壤重金属污染评价的研究逐渐增多，随着GIS技术、模糊数学、地统计学等数理统计方法在土壤质量评价中的应用[7-9]，评价方法不断地完善和发展，土壤质量评价的研究在模型及指标选取上愈加成熟。例如任晓辉[10]采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法对张掖市甘州区北部土壤重金属污染的特征及生态风险进行评价；孟源思[11]对比基于GIS技术、模糊数学模型及灰色聚类模型等评价模型的优缺点，分析了农田土壤重金属污染；秦夕淳[12]采用神经网络模型，通过自适应的动态学习方法和模型优化，采用MATLAB神经网络工具箱建立了土壤重金属预测模型。通过对相关研究梳理可得，土壤重金属污染在区域范围、评估方法模型等方面的研究逐渐深入，单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法是目前最常用的评价方法，因此本文采用以上方法对宁夏中部干旱带进行研究。

宁夏干旱带地处黄土高原和鄂尔多斯台地东部，生态脆弱性明显，其中土壤质量对当地农业经济发展起到了重要作用，土壤中重金属含量及生态风险评价成为了研究的重点。本文采用ArcGIS中的反距离权重插值法分析土壤重金属分布特征，并利用单因子污染指数法及潜在生态风险指数法对土壤重金属污染风险程度进行研究，以期为区域生态环境保护及可持续发展提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏中部干旱带地处宁夏回族自治区中部，地理坐标为104°17′～107°39′E，36°54′～38°23′N，总面积2.85万平方公里。该区域地处引黄灌溉区以南，地形复杂，气候多变，属于典型的荒漠草原带，年均降水量在200～400 mm，水资源匮乏，全年干旱少雨，风沙较大，日照充足且蒸发强烈，自然灾害频繁，生态系统脆弱[13-14]。中部干旱带涉及11个县区，本文选取全部属于宁夏中部干旱带的县域作为重点研究区，包括海原县、吴忠市的利通区、红寺堡区、盐池县、同心县5个县区。

1.2 样品采集与处理

综合考虑区域的气候条件、土壤质地、地质地貌及土地利用类型等因素，在5个县域内选取40个深度为0～20 cm的采样点，并用GPS精确测定地理经纬度坐标及高程值。采集土样后迅速放入样品袋并进行密封，编号备注后带回实验室待测。

将样品袋中的样品带回实验室后，自然风干后过2 mm筛去除其中的石子、植物残渣等杂质，使用木棍进行研磨，再过0.15 mm筛进行备用，将土壤样品用强酸进行消煮，采用火焰原子吸收光分光广度法测定土壤中的重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Mn及Ni的含量[15]。

所得数据使用Excel进行统计，利用ArcGIS 10.2中的反距离权重插值方法分析重金属的分布特征。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法是用于研究土壤中重金属污染程度的一种定量指标[16]，计算公式为：

(1)

式中，Pi为土壤中污染物i的单项污染指数；Ci为采样土壤中污染物i的实测浓度值；Si为污染物i的评价标准值或参考值，评价标准采用宁夏土壤元素背景值。参照我国GB/T15618-1995《土壤环境质量标准》评价标准，制定土壤污染分级标准如表1所示。

1.3.2 潜在生态风险指数法

由瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态风险指数法，可结合重金属性质及环境特点等多种因素对土壤重金属污染进行综合评价[17]。计算公式为：

(2)

式中，RI为多种重金属综合潜在生态风险指数；Ei为采样点重金属i的单项潜在生态风险系数；Ci为重金属i的污染系数，fi为采样点土壤重金属i的实测浓度平均值；bi为重金属i的参比值；Ti为重金属i的毒性相应系数，重金属毒性系数分别为：Zn=Mn=1、Cr=2、Cu=Pb=Ni=5[18]。风险分级标准见表1。

表1 土壤重金属污染等级划分标准

2 结果与分析

2.1 土壤重金属统计特征

对宁夏中部干旱带区域土壤样品中的重金属含量进行统计，结果表明：重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、Ni的平均含量分别为11.23 mg·kg-1、103.98 mg·kg-1、36.46 mg·kg-1、51.52 mg·kg-1、526.38 mg·kg-1、0.32 mg·kg-1，Cu、Cr、Ni均未超出宁夏土壤背景值，Zn、Pb、Mn高于宁夏土壤背景值(表2)。

变异系数反映了采样点重金属元素的平均变异程度，变异系数值越大，表明该重金属污染物受人类活动干扰越大[19]。由表2可得出土壤重金属变异程度为：Pb>Zn>Ni>Cu>Cr>Mn，其中Pb、Zn的变异系数为59.72%、55.51%，超过55%，表明该两种重金属受人为影响较大，空间分布不均。

表2 研究区土壤重金属含量统计 mg·kg-1

2.2 土壤重金属空间分布特征

为了更直观的分析宁夏中部干旱带土壤重金属空间分布特征，采用反距离权重插值方法对重金属含量进行插值(图1)(审图号：宁S[2021]第028号)。

图1 研究区土壤重金属含量空间分布图

通过土壤重金属含量插值图分析可看出，研究区域在空间分布结构上特征明显，呈斑块状分布，差异性显著。其中Cu的空间分布范围为4.00 mg·kg-1～20.8 mg·kg-1，北部及西南部值较高，红寺堡西南区域值较低；Zn的分布范围为27.8 mg·kg-1～237 mg·kg-1，西北、西南值较高；Pb的空间分布范围为4.39 mg·kg-1～73.0 mg·kg-1，红寺堡中部、海原县西部及盐池县政府区域均出现高值中心，含量不规则分布；Cr和Mn的污染分布情况较为一致，含量较低的为红寺堡区；Ni重金属的总体值均较低，含量范围为0.06 mg·kg-1～0.644 mg·kg-1，中间低四周高。综合来看，土壤各重金属均在中部红寺堡等区域含量较低，南部海原县及西北部利通区含量较高。

2.3 土壤重金属污染评价

以宁夏土壤背景值为评价标准，计算单因子污染指数并进行污染等级分析及评价(表3)。研究区重金属单因子污染指数的平均值由大到小为：Pb(1.77)=Zn(1.77)>Mn(1.25)>Cr(0.86)>Cu(0.51)>Ni(0.01)，其中Ni的清洁程度达100%，均小于0.7；Zn、Pb及Mn的轻度污染所占比重均较大，分别为47.37%、31.58%、76.3%；Cu的清洁等级占总数百分比的78.94%，尚清洁达15.79%，轻度污染均在利通区范围内，占总百分比的5.26%；Cr尚清洁等级比重较大，占总数百分比的39.47%，中度污染占31.58%，清洁等级占到28.95%。

表3 土壤重金属污染单因子指数及污染等级

从整体看来，研究区土壤重金属污染处于轻度污染，对当地农业经济生产与发展有一定的阻碍。

2.4 土壤重金属潜在生态风险评价

依据实验结果及相应的系数标准，对研究区土壤重金属潜在生态风险指数进行计算与分析，结果如表4所示。

表4 土壤重金属潜在生态风险评价结果

由表4可知，6种重金属的单项潜在生态风险指数从大到小依次为：Pb(43.39)>Cu(11.95)>Zn(8.52)>Cr(8.43)>Mn(6.05)>Ni(0.36)，对照分级标准可知，研究区Cu、Zn、Cr、Mn及Ni的生态风险程度均处于轻微级别，Pb处于中风险。综合计算宁夏中部干旱带6种重金属的RI值为78.70，生态风险程度为轻微等级，其中Pb是主要生态风险贡献因子，对土壤污染造成的影响最大这与重金属元素的毒性相关系数有很大关联，当地矿产资源开发、工业企业及人类活动也有重要影响。

3 讨论

通过结果分析可看出，土壤重金属空间分布与潜在生态风险指数大小并没有相关关系，重金属含量高的区域其生态风险程度并不一定最高。通过单因子污染指数方法计算得到Pb及Zn的污染程度较高，属于轻度污染，通过计算重金属的单项潜在生态风险指数得到Pb属于中风险，其余重金属元素属于轻微污染，两种计算方法得到土壤重金属污染等级有着差异，并不能通过单一方法来判定重金属污染程度，每种方法的侧重点不同，例如单因子污染指数法侧重单项重金属元素的污染分析，而潜在生态风险综合指数法考虑到综合因素的影响，增加了重金属毒性相应系数的计算，侧重于重金属元素的综合污染分析。因此，研究区域重金属污染程度时应采用多种不同方法，通过对比分析，得出准确有效的结构。

研究结构表明宁夏中部干旱带土壤重金属污染风险中Pb的贡献率高达55.13%，含量出现大面积富集，土壤中Pb含量主要来源于矿产资源开采、工业生产及交通污染等，受人为活动影响较大，含量过高会造成幼苗萎缩、生长缓慢、产量下降甚至绝收，并且在作物的食用部位积累残毒，对农业经济生产及人体健康都形成一定的阻碍。因此，该研究区域要重视生态环境保护问题，进一步分析重金属污染的驱动机制，在已有研究基础上进行更深入的研究，为当地土壤质量整治及农业经济发展提供借鉴与参考作用。