松嫩平原黑土区西北部阿荣旗黑土重金属分布特征、评价及预警*

杜贯新 闫百泉 孙 雨 钱 程秦 涛 臧延庆 杜继宇

（1.东北石油大学地球科学学院 黑龙江大庆 163318；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心 沈阳 110034）

黑土是大自然给予人类得天独厚的宝藏，具有质地疏松、肥力高、供肥能力强等特点，被称为土中“大熊猫”，是东北粮仓的基石，也是东北农业的土地基础（魏丹等，2006；Powlson et al.，2010）。松嫩平原黑土区是东北三大黑土区之一，也是典型黑土的主要分布区（刘宝元等，2008）。近年来，随着城市化进程加快和土地不正确耕种等问题的不断出现，黑土中已经出现了重金属元素的累积（环境保护部和自然资源部，2019①环境保护部和自然资源部.2019.全国土壤污染状况调查公报.）。因此，黑土重金属污染问题受到学者们的广泛关注（崔勇等，2020；高凤杰等，2020；刘媚媚等，2020；李秋燕等，2021）。

在土壤重金属污染问题研究中，首要工作是弄清土壤的污染程度。生态风险评价是土壤污染程度评价最直接的手段之一（陈秀端等，2011；麦麦提吐尔逊·艾则孜等，2017；洪涛等，2019），在黑土研究中亦是如此。当前，国内外对重金属元素生态风险评价的方法有多种，主要包括以单因子指数法（高凤杰等，2020；李娜等，2021）、地累积指数法（贺灵等，2021；罗哲等，2021）、内梅罗综合指数法（阿迪莱·伊斯马伊力，2021）、污染负荷指数（王诚煜等，2021；于沨等，2021）、潜在生态风险指数法（麦麦提吐尔逊·艾则孜等，2017；刘媚媚等，2020；贺灵等，2021）等为代表的指数法，以健康风险评价模型（Lee et al.，2006）代表的模型模拟法，以及基于GIS进行空间分析的GIS分析法（王小宇等，2018）等。单因子指数法、内梅罗综合指数法与潜在风险指数法在近年来应用较广泛（周旭等，2019；王敏等，2021），单因子指数法能够直观地反映单项重金属在土壤中的污染情况；内梅罗综合指数法主要突出高浓度污染物对环境的影响，避免了由于平均作用而削弱高浓度污染物权重现象的发生；潜在风险指数法是将重金属环境效应与毒理学效应相联系，给予一个毒性响应系数对生态风险进行评价（Håkanson，1980；方晓波等，2015；洪涛等，2019；崔勇等，2020）。上述方法都具有各自的适用范围和评价目的，但单一评价方法对重金属污染的客观表达较局限，评价结果可能具有一定的局限性（洪涛等，2019）。因此，有必要进行多方法综合评价。

近年来，已有学者使用两种指数法相结合对松嫩平原黑土区的重金属污染情况进行研究，发现了黑土重金属存在不同程度的累积（杨忠平，2008；唐丽静等，2014；孙淳浩，2018；高凤杰等，2020；刘媚媚等，2020；吴松泽等，2021），但研究区域大多集中在松嫩平原黑土区经济发展程度较好、重工业较多的南部和东北部地区，且评价方法的应用也较单一，目前西北部黑土研究尚缺少重金属方面资料的支撑。基于此，本次选择松嫩平原黑土区西北部阿荣旗为研究区，利用单因子指数法、内梅罗综合指数法、潜在风险指数法、风险预警法进行多方法综合评价，进而降低单一评价方法的局限性。风险预警法多用于城市内沉降物污染情况的预警（Rapant and Kordík，2003；杨秀云等，2021），目前尚未在黑土领域中应用。本次将其引用到黑土重金属污染评价，并采用多种方法、多背景值进行对比分析，旨在更加准确地揭示重工业较少的黑土区西北部重金属污染情况，以及风险预警法在黑土重金属污染评价中的适用性，可为维护黑土环境安全和黑土资源利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于松嫩平原黑土区西北部（崔明等，2008；刘宝元等，2021），研究范围为北纬48°04′15″～48°10′11″，东经123°22′34″～123°30′30″，隶属于内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗，位于主城区东北部（图1），为阿伦河的一级阶地与二级阶地之上，地势平坦，坡度较小。土地利用方式为城区用地和农用地，土壤类型为黑土。气候条件属于典型的半干旱—半湿润大陆性气候，全年降水量在450 mm左右，年平均气温3.4℃，农作物生育期为90～130天。主要农作物类型有玉米、小麦、水稻、大豆等，是全国500个商品粮生产基地之一（朱伟峰，2015）。

1.2 样品采集与测试

本次黑土样品采集规范参照《多目标区域地球化学调查规范》（DZ/T 0258-2014）。以1∶25 000地形图为底图，利用GPS野外定位，对阿荣旗阿伦河两侧城区与农用地共55.6 km2的表层黑土进行样品采集，采样平均密度为1个点/2 km2，采样深度为0～20 cm。本次共采集样品32件，采集位置如图（图1b）。每个样品由样点及样点两侧50 m处2个采集点位的黑土样品构成。将3个点位的黑土样品充分混合后，利用四分法取样，经风干、研磨过筛、装袋送往实验室检测分析，本次样品检测分析工作由东北地质实验测试中心完成。检测分析项目包括：As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等8项元素，As和Hg采用原子荧光（AFS）法进行测定，Zn、Cr、Ni、Pb等4项元素采用X荧光光谱（XRF）法测定；Hg和As元素由电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）测定，检出限为50×10-3mg/kg。数据整理分析与图件绘制利用Excel、MapGIS、DGSS以及CorelDraw X9等软件完成。

1.3 黑土重金属污染物评价方法

（1）单因子指数法

单因子指数法可以对土壤中任意一种重金属污染物的污染程度及特性做出评价（房增强，2016；李娜等，2021），是指数法中应用较多的方法，也是国内外最常用的黑土重金属污染物评价方法之一。单因子指数（Pi）的计算公式如式（1）。

式中，Ci为土壤中污染物指标i的实测质量数值（mg/kg）；Si为土壤中污染物指标i的背景值，本次选用国家标准（GB15618-2018）中给出的风险筛选值（mg/kg）。单因子指数评价等级如表1。

表1 单因子指数评价等级（据李娜等，2021）Table 1 Grading standard of soil single pollution index method（after Li et al.，2021）

（2）内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法在土壤综合质量评价中应用较多，是以单因子指数法评价结果为基础，对污染物进行综合分析的方法（王斐等，2015；罗改等，2019）。内梅罗综合指数（NPI）的计算公式如式（2）。

式中，NPI为重金属元素j的综合污染指数；pjmax为重金属元素j元素单项污染指数的最大值；pjave为重金属元素j元素单项污染指数的平均值。内梅罗综合指数评价等级如表2。

表2 内梅罗综合指数评价等级（据罗改等，2019）Table 2 Grading standard of Nemerow comprehensive index（after Luo et al.，2019）

（3）潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法是由瑞典学者Håkanson结合沉积学与毒理学提出的一种生态风险评价方法。这种方法在土壤和城市道路尘土的重金属评价中都得到了很好的应用（Håkanson，1980；麦麦提吐尔逊·艾则孜等，2017；杨秀云等，2021）。潜在生态风险指数（RI）的计算公式如式（3）。

式中RI为潜在生态风险指数；Eib为单因素潜在生态风险指数；Cib为某重金属元素的污染指数，代表研究区所测得的各项重金属含量；为各项重金属元素的地区背景值为参考值；Ti为元素i的毒性响应系数，指示该元素在环境中的危险程度，Zn、Cr、Ni、Pb、Cu、As、Cd和Hg的毒性响应系数分别为1、2、5、5、5、10、30、40。

根据污染物调整第一级别界限值的方法（马建华等，2011；杨秀云等，2021），对研究区内的重金属元素毒性系数进行调整，调整后的潜在生态风险指数评价等级如表3。

表3 潜在生态风险指数评价等级（据马建华等，2011；杨秀云等，2021）Table 3 Ratings of potential risk levels of heavy metals in black soil of Arongqi study area（after Ma et al.，2011；Yang et al.，2021）

（4）环境风险预警指数

环境风险预警指数法常用于沉积物重金属元素可能存在环境风险的预警研究，学者曾证明这种方法对于道路积尘中重金属元素环境风险具有很好的预警（Rapant and Kordík，2003；杨秀云等，2021）。本次将其应用到黑土重金属元素污染评价中进行风险预警，环境风险预警指数（IER）计算公式如式（4）。

式中，IER为评价样品环境风险预警综合指数；IERi为单元素环境风险预警指数；ACi为土壤中污染物指标i的实测质量数值；RCi为重金属元素i元素的风险集中限值，为当地管控标准。本次分别选择国家标准（GB15618-2018）中的风险筛值、内蒙古土壤背景值两种标准进行分析比对。

环境风险预警指数分级标准如下：IER≤0无警；0＜IER≤1预警；1＜IER≤3轻警；3＜IER≤5中警；IER＞5重警。

2 结果与讨论

2.1 黑土中重金属含量特征

数据统计结果见表4，研究区黑土中8种重金属含量变化范围分别为：Cd（0.08×10-6～0.17×10-6）、Cu（4.98×10-6～19.09×10-6）、Pb（21.37×10-6～30.33×10-6）、Zn（36.46×10-6～84.16×10-6）、As（2.74×10-6～16.19×10-6）、Hg（0.01×10-6～0.06×10-6）、Ni（1.91×10-6～124.50×10-6）、Cr（9.84×10-6～178.64×10-6），平 均 值 依 次 为：0.11×10-6、12.74×10-6、25.85×10-6、58.80×10-6、6.95×10-6、0.02×10-6、9.30×10-6、20.55×10-6，分别是内蒙古表层土壤背景值的1.99倍、0.90倍、1.50倍、0.99倍、0.93倍、0.53倍、0.18倍、0.50倍（魏复盛等，1991）。土壤背景值是指在未受人类活动影响下的土壤环境中重金属元素的自然含量（鲍丽然等，2015），而研究区内黑土中的Cd、Pb含量平均值分别为背景值的1.99、1.50倍，说明研究区黑土受人类活动影响导致重金属元素出现了累积。

元素变异系数（CV）可以反映重金属含量的平均变异程度。若元素变异系数较大，说明具有外源污染物质进入，具有污染可能（雷国建等，2013）。研究区内黑土重金属元素的变异情况如表4所示，As（0.50）、Ni（0.49）、Cr（0.42）、Hg（0.39）、Pb（0.26）、Cu（0.26）处于中等变异（0.25＜CV≤0.5），表明黑土中As、Ni、Cr、Hg、Pb、Cu空间差异性较大，元素分布不均匀，可能有外源污染物质进入；Zn（0.11）、Cd（0.16）为弱变异性（CV≤0.25），表明两种元素空间差异较小，元素分布较均匀，外源污染物质进入可能性小。

表4 研究区黑土中重金属含量特征Table 4 Statistics of heavy metal concentrations in black soil of Arongqi study area

2.2 黑土中重金属含量对比

选取松嫩平原黑土区东北部哈尔滨地区（刘媚媚等，2020）和东南部吉林地区（唐丽静等，2014），与研究区的重金属含量进行对比如表5，结果表明，东南部吉林地区黑土中的Cu、As、Ni、Cr平均含量明显高于研究区，分别达到了研究区平均含量的1.7倍、1.5倍、2.9倍和2.74倍；东北部黑土中的Zn和Hg平均含量高于研究区，分别达到了1.2倍和3倍。特别是研究区Ni和Cr平均含量明显低于其他区域。由此可见，虽然研究区黑土中重金属元素出现了累积，但相对于松嫩平原黑土区其他区域累积程度较轻。

表5 松嫩平原黑土区不同位置重金属含量/×10-6对比Table 5 Comparison of heavy metal contents/×10-6 in different locations in Songnen black soil region

2.3 黑土重金属污染特征与空间分布

通过单因子指数法得出8个重金属元素单因子指数（Pi）的平均值见表6，Cd（0.37）、As（0.24）、Zn（0.23）、Pb（0.22）、Cu（0.13）、Cr（0.10）、Ni（0.07）、Hg（0.01）均小于0.7，低于农用土壤污染风险管控筛选值；Ni在局部地区存在轻度污染等级，从污染点位占有率来看，轻度污染等级占比为3.13%，清洁等级占96.87%。Cr在局部地区存在警戒线等级，从污染点位占有率来看，警戒线等级占比为3.13%，清洁等级占96.87%；8种重金属元素内梅罗综合指数（NPI）介于0.20～0.92之间，平均值为0.33，为无污染水平，危险程度为无影响。存在局部点位大于0.7，处于警戒程度，样点占总比3.13%。

表6 研究区黑土重金属污染评价指数Table 6 Pollution appraisal indexes of heavy metal in black soil of Arongqi study area

为了对Ni、Cr和NPI出现的高值进一步分析，绘制了Ni、Cr与NPI的空间分布图（图2）。由图中可看出Ni轻度污染的位置主要分布在南那吉村西南部，Ni与Cr具有一定的空间同步性，说明二者受外来因素的影响一致。研究表明，在工厂燃煤、燃油、金属电镀、轴承生产排放的工业粉尘以及流水中包含大量的Ni和Cr元素（方晓波等，2015）。经实地调查发现，Cr与Ni高值区位于废品收购站、汽车修理厂、太阳能制造等具有大量工业粉尘排放附近，这可能是导致这两种元素含量偏高的重要原因。从NPI的分布来看，与Cr、Ni高值区具有空间同步性，由此可见，Ni和Cr高值是NPI高值的主要诱因。

图2 研究区黑土中重金属元素空间分布图Fig.2 Heavy metal spatial distribution in Arongqi study area

2.4 黑土的重金属潜在风险分析及空间分布

如表7可见，研究区重金属的单元素潜在生态风险指数（Er）的平均值递增序列为Zn（1.01）、Cr（1.31）、Ni（4.10）、Cu（4.70）、Pb（7.55）、As（10.29）、Hg（22.30）、Cd（64.12），其中Cr、Zn、Ni、Pb、Cu、As所有样点Er均低于40，为轻微风险，Cd元素Er值64.12，为中等风险，Er值范围为45.44～101.36，中等风险与高等风险的样点占比分别为96.85%、3.15%。Hg元素Er值22.30，Er范围为14.2～60.55，仍存在一部分样点为中等风险。

表7 阿荣旗研究区黑土重金属元素潜在风险等级Table 7 Potential risk level of heavy metal elements in black soil of Arongqi study area

Hg轻微风险和中等风险的样点占比分别为93.75%、6.25%。8种重金属元素联合产生的综合潜在生态风险指数（RI）为115.36（表7），为轻微风险，变化范围为72.86～241.06之间，RI轻微、中等风险的占比分别为68.73%、31.25%、其中Cd样点对RI的贡献率介于21.88%～84.34%之间，平均为65.62%，由此可见区内黑土中的主要的生态风险元素Cd，Hg只在局部富集。研究表明Cd与Hg元素都是极具生物毒性的元素（阿地拉·艾来提等，2020），为了进一步研究Cd、Hg重金属元素的高值分布情况，绘制了Cd、Hg和RI的空间分布图（图3）。

图3a所示，Hg的中等风险点位分布于研究区的东部，呈斑状分布，其余为轻微风险，研究表明Hg元素主要受化石燃料燃烧、电子工业以及生活垃圾的影响（周旭等，2019），经实地调查与研究分析发现Hg高值区的分布主要为废品收购站、汽车修理厂、养殖场附近，在冬季需要大量燃料进行取暖区域以及汽车主要聚集区域，这可能是导致Hg元素含量偏高的重要原因。

为了进一步分析Cd重金属元素的空间分布，把中等风险Er分为二段式进行研究，图3b中可见中等风险的地带分异性明显，中等风险中40＜Er＜60主要分布区域与主城区具有一定的重合性，中部向北东方向展布。中等风险中60＜Er＜80主要分布北西部与南东部的黑土农用地和城市周边位置，中等风险Er＞80主要分布于主城区局部位置。Cd是我国农田重污染元素，中国农田土壤重金属Cd含量明显高出地区背景值（张小敏等，2014），其中最主要诱因是农业生产过程中化肥和农药的施加（Gray et al.，2003），张民等也在研究重金属元素分布规律时证实，当有化肥进入土壤时，Cd元素有表土层富集的趋势（张民等，1996），研究区黑土中Cd重金属元素普遍含量高可能是使用农业生产和化肥农药所致，图中Cd元素的Er最高值分布在北部的朝鲜村附近，在经过实地的调查研究发现，村子内具有较多塑料大棚和地膜覆盖的高密度种植区，研究表明农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂含有Cd重金属元素（段玲玲等，2021），结合高密度的种植，这可能是引起该区域出现Cd元素高风险的主要原因。研究区8种元素RI的高值区的空间分布格局与Cd元素具有较高的相似性，表明区内综合风险RI的分布格局主要受到Cd元素的影响。

图3 阿荣旗研究区重金属元素潜在风险空间分布图Fig.3 Heavy metal spatial distribution in Arongqi study area

为探析松嫩平原黑土区重金属潜在风险特征，选取松嫩平原黑土区东北部哈尔滨地区（刘媚媚等，2020），东南部公主岭—梨树、九台—德惠、榆树—松原地区多个区域（唐丽静等，2014）与阿荣旗的潜在生态风险情况进行对比如表8，在松嫩黑土区东南部的公主岭—梨树地区和西北部阿荣旗地区均出现了Cd元素的中等风险，最高值出现在西北部阿荣旗地区黑土中。Cu、As、Ni、Cr等4项元素的Er高值均出现在东南部黑土中，Zn元素Er最高值在东北部哈尔滨黑土中。综合潜在风险RI经同项元素数量对比可知，最高值出现在东北部哈尔滨黑土中，最低值在东南部九台—德惠黑土中。通过以上的分析可以看出，阿荣旗黑土中大部分元素的潜在风险低于其他区域黑土，Cd元素明显的高于其他区域黑土，对此应给予重视。

表8 松嫩平原黑土区不同位置重金属元素潜在风险等级对比Table 8 Comparison of potential risk levels of heavy metal elements in black soil in different locations of Songnen black soil area

2.5 黑土的环境风险预警

环境风险的预警研究对于生态风险的预防与治理有着指导作用。本次将该方法应用到阿荣旗黑土研究中进行环境风险预警，并采用了两种对比背景进行比对分析，验证其应用性。结果如下，以国家标准（GB15618-2018）中的风险筛值为背景的环境风险预警结果如表9，可知8种单项环境的风险预警指数（IERi）的平均值由大到小的排列顺序为Cd（-0.64）、As（-0.75）、Zn（-0.75）、Pb（-0.76）、Ni（-0.83）、Cu（-0.84）、Cr（-0.86）、Hg（-0.99），8项元素均属于无警（IERi≤0），Ni元素局部点位具有预警。8种元素联合产生的环境风险预警指数（IER）介于-0.80～-0.08之间，平均值为-0.67，为无风险预警，与单因子风险指数法、内梅罗综合指数法的结果相同，但对于单项重金属元素的污染识别方面相比单因子风险指数法敏感度略低。

表9 阿荣旗研究区黑土重金属环境风险指数IER（以GB15618-2018中风险筛值为参考）Table 9 Pollution appraisal index IER of heavy metal in black soil of Arongqi study area（risk screening value from GB15618-2018）

以内蒙古表层土壤背景值为参考背景（魏复盛等，1991）的环境风险预警结果如表10。风险预警指数（IERi）的平均值由大到小的排列顺序为Cd（1.11）、Pb（0.50）、Zn（-0.01）、As（-0.07）、Cu（-0.10）、Hg（-0.47）、Cr（-0.50）、Ni（-0.52），其中Cd元素为轻警（1＜IERi≤3），Pb为预警（0＜IERi≤1），Zn、As、Cu、Hg、Cr、Ni，6种元素均为无警。8种元素联合产生的环境风险预警指数（IER）介于-2.70～9.17之间，平均值为0.65属于预警，经统计之后发现IER处于重警、中警、轻警、预警、无警的点样的占比分别为3.13%、3.12%、31.25%、25%、37.50%。

表10 阿荣旗研究区黑土重金属环境风险指数IER（以内蒙古表层背景值为参考）Table 10 Pollution appraisal index IER of heavy metal in black soil of Arongqi study area（background value of surface soil from Inner Mongolia）

IER的空间分布情况如图4所示，黑土中8种重金属元素的预警分布为中部无警，两侧逐级升高的分布格局，中、重度预警主要集中在研究区的南东部。预警与轻警态势主要集中在研究区的北西部，中部城区较低，与RI的空间变化趋势基本一致，相比较潜在风险指数法，在单项元素方面更加灵敏。综上分析，研究区内RI、IER、NPI的空间分布主要受到来自Cd、Pb、Ni、Ci等4项元素的影响，其中研究区内最主要的影响元素为Cd，次要元素为Pb。

图4 阿荣旗研究区黑土中金属IER的空间分布图Fig.4 Spatial distribution of heavy metal IER in black soil of Arongqi study area

2.6 方法对比与应用

本次在阿荣旗黑土重金属元素污染调查中，采用了单因子指数法、内梅罗综合指数、Håkanson潜在风险指数法，并首次引用环境风险预警法，各方法的评价结果具有一定差别。利用单因子风险指数法、内梅罗综合指数法分析采用国家标准（GB15618-2018）中的风险筛值为参考背景时，显示清洁无污染，但是单因子指数法反映出Ni、Cr元素极值的污染情况。利用Håkanson潜在风险指数法采用内蒙古背景值为标准进行评价时，显示Cd元素的中等风险，综合风险显示为轻微风险。虽然结果均显示为安全、轻微风险，但是从各方法的异常反应元素来看，潜在风险指数法对于Cd元素的反应比较灵敏，而单因子指数法、内梅罗综合指数法对Ni、Cr的反应比较灵敏，这主要是不同方法的侧重性与背景值选用不同的结果。所以今后在研究黑土中重金属元素污染时，有必要进行多种方法，多背景值的对比研究。

当环境风险预警法选用国家标准（GB15618-2018）中的风险筛值为参考背景时，显示为无风险预警，与单因子指数法、内梅罗指数法测得的结果一致，在单项元素风险方面但反映出Ni元素的极值预警。在选用内蒙古表层土壤背景值做参考背景时显示Cd元素轻警，Pb元素预警，IER为预警，出现预警的区域分布与潜在风险指数法RI的空间变化趋势基本一致，相比较潜在风险指数法对单元素Pb的识别更灵敏。综合以上分析，环境风险预警法通过选用不同标准对重金属元素预警结果与各类方法相同标准对比较为准确，结合灵敏度方面考虑在阿荣旗研究区黑土中的应用较为成功。

3 结 论

黑 土 中8种 重 金 属 含 量 由 大 到 小 分 别 为Zn（58.80×10-6）、Pb（25.85×10-6）、Cr（20.55×10-6）、Cu（12.74×10-6）、Ni（9.30×10-6）、As（6.95×10-6）、Cd（0.11×10-6）、Hg（0.02×10-6），Cd、Pb元素受农业影响存在着一定的累积，高于内蒙古表层土壤背景值。8种重金属的污染指数Pi均低于国家农用土壤污染风险筛选值，为清洁（安全）；综合指数NPI（0.33）小于0.7，等级为无影响。

潜在风险指数法的结果表明Cd为中等生态风险，其余元素均为轻微风险，综合潜在风险为轻微风险（RI=115.36）。

环境风险预警指数法参考背景选用国家标准（GB15618-2018）时，单元素与综合环境风险预警均为无警（IERi＜0，IER＜0），参考背景选用内蒙古表层土壤背景值时显示Cd元素轻警，Pb元素预警，综合IER为预警；8种重金属元素空间分布RI、IER较相似，主要受Cd的影响最为显著；环境风险预警指数（IER）在研究区黑土中应用较为成功。

致 谢感谢中国地质调查区域地质调查项目（编号：DD20190039-01）资助；感谢东北地质实验测试中心在实验中给予的帮助；感谢编辑老师和审稿专家提出的宝贵意见。