黄河临县段河漫滩洪水前后沉积物重金属含量研究

张兆瑞，张鹏飞，2，戴燕燕，2，杜方圆，肖梦琳

(1.太原师范学院 地理科学学院；2.太原师范学院 碳中和研究院； 3.榆社县第三中学，山西 晋中 030600)

土壤重金属一般通过水体、大气和食物影响动物，植物和人体健康，是一种潜在的“化学定时炸弹”，随着城市化、工业化和农业集约化的快速发展，我国土壤环境与健康质量问题日趋严重[1]。在过去几年，黄河水质受到的污染有加重的痕迹，工农业生产污染，生活污染混合在一起，黄河河漫滩土壤的重金属污染加重。“重金属污染”一词是指由重金属和重金属产生的化合物导致的对环境的伤害，因为重金属具有高毒性并且对环境有长久的破坏，它所导致的生态毒性风险被人类长期关注[2]。河漫滩是由于河流的横向迁移和漫堤的沉积作用而形成的，在地势低平地区的河流的河漫滩较为常见，且分布宽广，易于重金属物质沉积。此外，河漫滩靠近居民区，农业等生产活动多发生于此，与人类生活密切相关。实际上近年来，各地区、各部门积极开展土壤污染状况调查，中国学者也对污灌区、矿山污染等重金属土壤污染进行了长期研究，研究表明Cr、Cu、Zn和Pb等富集趋势明显[3]，经济高速发展对土地的利用活动导致对土壤环境质量的破坏成为急需研究的方向。从县城尺度综合考虑人类活动对于土壤重金属含量的影响因素、生态风险、应对措施等的研究相对较少，土壤重金属污染也是目前国内外研究的热点之一，因此，对于黄河流域临县段河漫滩洪水前后沉积物中重金属含量的研究具有重大意义。

1 研究区概况

临县位于吕梁山西部，北邻兴县，东接方山，南与离石、柳林毗连，西隔黄河与陕西吴堡、佳县相望。经纬度在北纬37°35′52＂～38°14′19＂，东经110°29′40＂～111°180′2＂之间。属于山地高原，地势起伏较大，地势东北高西南低。地表沟壑纵横，是具有代表性的黄土丘陵区。全县平均海拔在1 000 m左右。临县属暖温带气候，在季风的影响下，四季分明，冬季寒冷少雪，春季干旱多风，夏季雨量集中，秋季温凉湿润。北凉南暖，年降水量东部多于西部。临县境内河流属于黄河水系，土壤pH酸碱度为8.3～8.6，属碱性土壤。

2 材料与研究方法

2.1 数据来源

以黄河临县段河漫滩的表层土壤为研究对象，采样期间为该流域的雨季，降水量丰富且集中，因采样前黄河临县段发生洪水，造成黄河洪水泛滥，沿岸作物被淹没对河漫滩沉积物质影响较大，并产生约30 cm的洪水沉积物，形成明显的洪水前后沉积物分层。故此研究着重对其洪水前后河漫滩沉积物中重金属含量进行对比研究。

在野外调查和室内实验分析的基础上对土壤中重金属含量进行测定，对比该地0～30 cm土壤层及30 cm～100 cm土壤层的10个土样中的重金属含量，进而对该地河漫滩沉积物洪水前后的重金属含量、主要污染物成分、分布特征、污染程度及重金属来源等进行分析研究，为土壤重金属污染评价、预测、污染调控治理、当地居民生产生活和土壤资源的可持续利用提供科学依据和理论指导。土壤与人类生活生产活动休戚相关，土壤及土壤圈受大气圈、岩石圈、水圈和生物圈的影响较大，是多个圈层相互作用的产物。随着现代社会的快速发展，工业生产的提高，人类活动对土壤生态环境的影响干预作用也愈加深刻。

2.2 样品采集和预处理

2018年8月15日，于山西省吕梁市临县黄河滩采样，采样前三天该地洪水泛滥，将当地河漫滩原始作物淹没，并产生约30 cm的新沉积物，所以上层0～30 cm为洪水后沉积物，40 cm～100 cm为洪水前沉积物。根据临县黄河河漫滩的具体情况，综合考虑地形、灌溉、功能区分布等因素，在临县河漫滩处选择一点M作为采样点。M点距黄河约10 m，因靠近黄河且处于雨季，所以水分较多，十分湿润，地表植被稀疏，有稀疏的农作物(大葱、玉米)分布在其周围。在该点使用人工轻型人力钻进行人工取样，每10 cm取一个土样，共取10个土样。采集的样品即时称重，密封袋封装备用。

2.3 重金属含量测定

X-Ray 荧光光谱法是一种快速、无损且不使用酸碱的分析方法，已经在地质调查、钢铁和水泥等行业广泛应用。 使用X-Ray 荧光光谱法(XRF)对土壤中的重金属进行了检测，并与 ICP 光谱法的检测结果进行比对，结果表明 XRF 与 ICP-MS 检测结果吻合度高，稳定性好，检测限低。该研究土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、As 和 Cr 含量采用 PW2403 型X-Ray 荧光光谱仪测定[4]。

2.4 研究方法

2.4.1 地累积指数法。地累积指数是由德国科学家Muller于1969年提出的评价沉积物中重金属富集程度的定量指标[5]。这一指数对自然状态下地质活动对背景值的影响和人类对重金属的应用所造成的污染都进行了考虑。重金属污染释放源主要有煤和石油的燃烧及化肥的施用[6]。因此该指数可以判断人为活动对环境的影响的大小，是划分人为活动影响的重要参数(见表1)。地累积指数(Igeo)的计算公式如下所见。

表1 重金属污染程度

(1)

式(1)中：Cn为样品中元素n的测量值；Bn为沉积物地球环境背景值；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响。

2.4.2 潜在生态风险指数法。土壤重金属的单项及综合潜在生态风险对该地的土壤重金属进行评价。采用潜在分析指数法来评价土壤重金属污染的潜在生态风险，此方法是国际上土壤/沉积物重金属研究方法之一，该方法不仅考虑了土壤重金属的含量，还将土壤中重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系起来，定量地划分出重金属的潜在风险程度，应用广泛[7](见表2)。

表2 重金属的毒性系数

根据瑞典科学家Hakanson制定的标准化重金属毒性响应参数值分别为Hg(40)>As(10)>Pb(5)=Ni(5)=Cu(5)>Cr(2)>Zn(1)。

(2)

(3)

(4)

表3 Hakanson 潜在生态危害分级标准

表4 的分级标准

3 结果与分析

3.1 洪水前后沉积物重金属含量对比

以20世纪90年代山西省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，对该洪水后沉积物(0～30 cm)和洪水前堆积物(40 cm～100 cm)进行重金属元素含量测定。与其背景值相比，Cu、Pb、Zn、As和Ni元素的算术平均值均未超出背景值。就每个元素在0～100 cm不同深度的具体数据(见图1，表5)进行分析可得出以下结果。

图1 洪水后土壤中不同元素在不同深度的含量统计

表5 土壤重金属含量统计分析

经计算得Cu元素洪水前后变化率为-27.58%，Zn元素洪水前后变化率为-20.15%，As元素洪水前后变化率为-15.21%，Cr元素洪水前后变化率为-21.12%，Pb元素洪水前后变化率为9.65%，Ni元素洪水前后变化率为-22.42%，只有Pb元素含量在洪水前后明显增加。土壤中Ni、Zn、As、Cd元素在0～100 cm处的含量均处于背景值之下，洪水前后并未发生明显变化，且其含量处于正常水平。Cu、Zn、As、Cd、Pb、Ni和Cr的算数平均值与我国土壤环境质量标准(GB15618-1995)一级标准相比均低于国家一级标准(见表5)。

Cu元素含量变化起伏较大。其含量在100 cm处达到最大值，30 cm处为最小值。在10 cm～40 cm处含量变化较稳定，在30 cm～60 cm处其含量随深度增加而升高，在60 cm～90 cm处其含量随深度增加而减少。0～90 cm土壤中Cu元素的含量均处于背景值之下，100 cm处超过背景值。洪水后(0～30 cm)土壤中Cu元素的含量略高于洪水前土壤表层(40 cm)中Cu元素含量，说明洪水过后带来少量Cu元素，但并未超过山西省背景值，未造成严重的污染。40 cm～100 cm处Cu元素含量较高，说明Cu元素在该地多年累积，人类活动是导致其在土壤中的累积的原因之一。从整体上看，Cu元素变异系数达0.98，在该地的累积随时间推移而明显减少，可见该河段上游污染治理达到一定效果。

Zn元素含量总体较少，变化起伏较小。100 cm处达到最大值，30 cm处为最小值。在30 cm～60 cm处其含量随深度增加而升高，在60 cm～90 cm处其含量随深度增加而减少，洪水后(0～30 cm)土壤中Zn元素的含量略高于洪水前土壤表层(40 cm)Zn元素含量，说明洪水过后带来少量Zn元素，但从整体上看，Zn元素在该地的累积随时间推移呈阶地式下降。Zn元素在0～100 cm处的含量处于背景值之下，Zn元素含量未受到人类活动特别是人为污染影响。变异系数为0.22，属于低度变异，处于自然累积状态。

As元素含量变化起伏大，但总体上含量较少。其含量在100 cm处达到最大值，30 cm处为最小值。洪水前(40 cm～100 cm)土壤中As元素的含量总体上高于洪水后(0～30 m)土壤中As元素的含量，在30 cm～100 cm处其含量随深度增加而升高。As元素在0～100 cm处的含量处于背景值之下，As元素含量除土壤中固有的外，可能还与沿岸居民使用含As的农药、杀虫剂等有关，变异系数为0.16，说明人类农业生产对As元素影响较小。

Cr元素含量变化起伏较大，60 cm处达到最大值，30 cm处为最小值。洪水后(0～30 cm)土壤中Cr元素的含量在0～20 cm处高于背景值，30 cm处低于背景值，洪水前(40 cm～100 cm)土壤中Cr元素的含量在50 cm，70 cm～80 cm处均处于背景值之下，在40 cm，60 cm和90 cm～100 cm处均高于背景值。洪水过后土壤中Cr元素含量持续增加，此处Cr元素主要来源于黄河上游分布的冶金工业，与工矿业“三废”排放、磷肥和有机肥的施用等有一定的关系，与沿岸居民使用含Cr的杀虫剂、颜料、油漆等也有一定的关系。虽然Cr元素含量变化起伏较大，但变异系数为0.16，变异程度较低，说明Cr元素来源稳定，具有一定的周期性。

Pb元素含量变化起伏较小，但其含量总体上较多。100 cm处达到最大值，20 cm和30 cm处为最小值。洪水后(0～30 cm)土壤中Pb元素的含量均处于背景值之下，洪水前(40 cm～100 cm)土壤中Pb元素的含量在40 cm～50 cm和70 cm～90 cm处均处于背景值之下，60 cm处与背景值相等，100 cm处高于背景值，说明洪水后带来少量的Pb元素，Pb元素在当地有累积的情况。在10 cm～90 cm处含量变化较稳定，在40 cm～60 cm处其含量随深度增加而升高，洪水后(0～30 cm)土壤中Pb元素含量略高于洪水前土壤表层(40 cm)Pb元素含量，且Pb元素在该地多年累积。说明洪水过后带来一定的Pb元素，电池、保险丝、颜料等物质中都含有Pb元素，所以Pb元素含量的变化与中上游重金属工厂污染物的排放，生产生活习惯等有较大关系。

Ni元素含量变化较大，总体来说含量较少。100 cm处达到最大值，30 cm处为最小值。在30 cm～60 cm处其含量随深度增加而升高，在60 cm～90 cm处其含量随深度增加而减少，0～30 cm处略高于洪水前土壤表层(40 cm)Ni元素含量，Ni元素在0～100 cm处的含量均处于背景值之下，含量整体随时间推移呈阶梯式下降，说明洪水过后虽带来少量Ni元素，但应为土壤中固有的Ni元素，人为因素影响较小。

3.2 洪水前后沉积物重金属含量分析

根据单个重金属污染物分析，最大值均出现在100 cm处，最小值约在30 cm处，通过对0～30 cm和30 cm～100 cm的数据对比发现，洪水后所有重金属含量均有所升高，可知洪水后从上游带来一定的重金属污染物质。通过调查发现，黄河中上游从青海到内蒙古段，黄河沿岸高污染的工业企业众多，产生出了包括重金属等在内的大量污染物。除工业污染外，生活污水和大量使用化肥、农药导致的污染目前也有增多的迹象，在所有污染中占有的比例处于上升阶段。同时，黄河沿线的一些城市在河边堆积生活垃圾，对黄河污染也产生了一些影响。

从重金属富集的角度分析，Cu、Cr、Zn、As和Ni元素在黄河滩区土壤中富集不明显，属于自然源重金属；而土壤Pb富集明显，属于人为源重金属，可能与黄河中游某地工厂排放含Pb废水有关。研究滩区重金属的富集和污染，应将泥沙对土壤重金属的来源与迁移的影响进行更深入的分析，从外源输入的方式、强度，还有本身的成土过程以及生长作物进行剖析[8]。

重金属空间变异系数表明，Cu元素空间变异性为强变异水平，其余重金属均为低等变异水平，Cu元素的空间分布差异最显著，说明Cu元素含量随深度的变化十分明显，Cu元素随深度减少含量成阶梯式下降，Cu元素含量的减少说明Cu元素对该地的危害减少。其余元素的变异系数低，说明这些元素在该地的含量没有明显变化，人为影响弱。

3.3 土壤重金属污染质量评价

地积累指数评价主要探讨了外部重金属的富集情况，而潜在生态危害指数在地累积指数的前提下还探究了各种重金属的生物毒性的影响[9]。就地累积指数而言，6种重金属元素地累积指数均<0，没有构成污染(见表6)。就RI而言，Cu、Cd、Pb、Ni和Cr为轻微生态危害，Zn和As为强度生态危害(见表7)。主要是因为现代农业生产的高度集约化的形式导致农药、肥料当中的重金属元素在土壤中长时间聚集[10]，同时受工业“三废”排放的影响加重了土壤重金属污染[11]。

表6 各重金属元素地累积指数

表7 各重金属元素RI值

单项污染系数以0.7为警戒线[12]，Ni和As均未超出警戒线；Cu在0～40 cm处低于警戒线，50 cm～100 cm超出警戒线；Zn和Ni在0～90 cm出低于警戒线，在100 cm超出警戒线；Cr除20 cm～30 cm外均超出警戒线；Pb始终高于警戒线。说明洪水后，所有重金属元素的含量均减少的趋势，其中Cu、As、Pb大致与洪水前含量保持一致，可能与上游有色金属冶炼厂，工农业生活生产有直接关系。由于重金属污染具体持久性、潜伏性和滞后性，一般要经过较长时间之后才会被人发现并且采取相应的措施进行预防[13]，因此在今后的生产生活中要加强对Pb元素的监控。具体数据见图2。

图2 洪水前后各个元素单项污染系数

3.4 土壤重金属污染治理

在土壤污染治理的过程中可以采用多种方法：化学修复法、生物修复法和物理修复法进行污染治理[14]。利用生物化学技术，如超累积植物筛选与培育；利用分子生物学和基因工程技术，将超积累植物和微生物的基因筛选培养成适应性强、生长速度快、生物量大的植物；以植物修复技术为主，辅以化学和生物措施，提高植物修复的效率[15]；尽量用有机肥代替化肥，加强生活污水治理；物理修复法包括客土法、热解析和电动修复等，仅对污染重、面积小的土壤修复效果明显，适应性广，但容易破坏土壤结构[16]。政府部门应加大监管力度，利用法律手段规范工农业生产活动。

4 结束语

黄河临县段河漫滩洪水前后沉积物中Cu、Cr、Pb、Zn、As和Ni元素的含量的算数平均值均未超出山西省背景值，Cu、Zn、As、Pb、Ni和Cr的平均含量与我国土壤环境质量标准(GB 15618-1995)一级标准相比均低于国家一级标准，Cu、Pb、Ni和Cr为轻微生态危害，Zn和As为强度生态危害。洪水过后对Cu、Pb、Cr元素含量变化较大，应当引起重视。

由上述分析可以看出，不同的人类生产生活活动导致土壤中重金属元素含量增加，工业活动、城市化和农业生产活动是导致土壤重金属元素含量增加的主要原因。其中，工业生产活动对重金属含量影响显著。为避免该地土壤重金属污染，当地政府和个人都应加强对黄河上游重金属污染的防治与重视。例如，按照国家土壤环境质量标准一级标准的土壤限制值，评价黄河滩临县段土壤质量，使区域土壤重金属含量完全低于一级标准，以符合当地居民农业生产和生活的要求。