遂宁某水源地周边土壤重金属特征分析及污染评价

蒋书琴，唐红军，程 珍

(1.重庆市农业科学院，重庆4041002.四川省遂宁生态环境监测中心站，四川 遂宁 629000)

1 引言

土壤中的重金属除来自矿物质成分形成的土壤重金属背景值外，也随着工业化进程的加快，农业生产规模的扩大，含重金属废水、废气及废渣等物质通过干、湿沉降、地表径流和地下水渗透等方式向土壤不断输入重金属[1]，随着重金属的沉积、迁移、转化，不断向水体、动植物等其他介质转移，李丽[2]等研究饮用水源地周边土壤污染特征等显示，存在重金属Cd超标准值情况，厉军等[3]研究显示饮用水周边土壤存在一定重金属污染风险，正面临着严重挑战。土壤重金属污染一般是指对生物有显著毒性的元素，如汞、镉、铅、铬、铜、锌、锑和镍[4,5]，从毒性角度通常把砷、铍和硒也包括在内， 土壤一旦受到重金属污染，短时间内很难去除，重金属在土壤不同的酸碱条件下发生迁移、转换，同时还具有潜在的风险性，隐蔽性，如：重金属以不同形态通过农作物的生长发育发生富集，浓缩和转移，或者经由皮肤、呼吸和入口等方式进入人体等，同土壤、水体、作物等其他介质发生迁移、转换形成不同形态的物质。土壤污染具有持久性，潜伏性[6,7]，土壤重金属污染难以扩散、稀释，在土壤中容易积累并达到很高浓度，是影响土壤生态环境质量、农作物食用安全、限值地区经济发展的主要因子之一[8,9]；集中式饮用水安全直接关系城市社会稳定，百姓生活安全，其中水源地土壤环境质量是影响饮用水水质的因素[1]之一，因此，饮用水保护区土壤重金属对生态环境质量影响备受关注。本文以遂宁市某饮用水水源地保护区土壤重金属Cr、As、Pb、Hg、Cd、Cu和Ni为研究对象，基于40个土壤监测点位7种重金属的监测结果进行污染特征分析及污染综合评价，以期从点到面反映土壤重金属对生态环境质量的影响。

2 研究区概况和监测方法

遂宁市某饮用水水源地全长26.4 km，研究区为饮用水保护区周边旱地土壤为主，按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T166-2004)规定采集土壤样品，使用5点混合采集0～20 cm表层土壤，用四分法取土壤样品1～2 kg，自然风干后拣出碎石、砂砾、植物残体，依次通过粗磨、细磨制备好土壤测试样品[1]。各重金属测试方法：Cr、Cu和Ni为火焰原子吸收分光光度法，Pb和Cd为石墨炉原子吸收分光光法，As和Hg为原子荧光法[10]。

3 污染评价方法

3.1 污染负荷指数

污染负荷指数法指能反映不同污染物对污染程度的贡献力[11]，污染物的污染等级对总体污染的贡献程度[12]，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中，CFi为i重金属的污染指数，Ci和Cn分别是重金属i的监测结果和背景值，参考四川省土壤重金属背景值[13](以下简称背景值)见表1，P为某一监测点位7种重金属污染负荷指数，Pzone为研究区总体重金属污染负荷指数，n是7种重金属，m是40个采样点位。具体污染负荷指数分级见表2，Pzone和P分级标准一致。

表1 四川省土壤重金属背景值

表2 污染负荷指数分级标准

3.2 潜在生态风险评价

潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson于20世纪80年代年应用沉积学原理分析重金属污染及生态危害的方法[11]，适合于此研究区域范围沉积物和土壤进行评价[6]，是使用最广泛的重金属生态风险评价方法。计算公式如下[14]：

(4)

(5)

表3 潜在生态风险指数分级

4 结果与讨论

4.1 土壤重金属含量及特征分析

研究区40个监测点位7种重金属Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni的平均含量(mg/kg)分别为95、0.19、11.2、0.154、30.7、35和44，各重金属标准差为0.93～1.09，归一化程度高，各重金属的具体平均含量及标准差详见图1。

图1 各点位重金属平均浓度及标准差

7种重金属Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni平均含量与背景值的比依次为1.20、2.46、1.08、2.57、0.99、1.12和1.86，超背景值的点位百分比依次为65%、100%、62.5%、72.5%、42.5%、62.5%和97.5%，7种重金属均存在不同程度的污染风险，Cd所有监测点位均超过背景值，各点位均存在污染风险，7种重金属的变异系数依次为Hg(0.97)>Cr(0.37)>Cd(0.33)>As(0.31)>Pb(0.29)>Cu(0.26)>Ni(0.22)，Hg的变异系数最大，为0.97，属于强变异，其含量在空间上变化较大，空间分布具有显著离散性，说明受人类活动影响较大[17]，其余重金属变异系数范围为0.22～0.37，均属中等变异，有较明显的空间变异性，存在一定程度的人类活动影响，具体统计结果详见表4。

表4 土壤中重金属含量统计结果

4.2 重金属污染评价

4.2.1 污染负荷指数评价

研究区40个监测点位，7种重金属污染负荷指数大小分布情况如图2所示，重金属Hg箱体跨度最大，污染负荷指数差异大，分布离散，Hg各点位含量在空间差异大，具有显著离散性；Cr和Cd箱体跨度其次，存在空间差异，分布较为离散；其余4种重金属(As、Pb、Cu、Ni)箱体跨度小，其最小观察值(下边缘)与最大观察值(上边缘)无明显差异。

图2 各重金属污染负荷指数箱体分布

以四川土壤背景值为参考，按照式(1)～式(3)计算统计得出，40个监测点位，7种重金属均存在不同等级的污染，Cd不存在污染物点位，重金属Cr、As、Hg、Pb、Cu和Ni存在无污染(P≤1)等级的点位；按照四川背景值统计结果Cd和Hg存在重度污染(P>3)等级点位，且占比分别25%和30%，7种重金属污染负荷等级比例统计结果见表5。

表5 土壤重金属污染负荷等级比例统计结果 %

各监测点位7种重金属污染负荷指数(P)变化范围为0.77～2.13，平均值为1.40，各点位污染负荷等级比例如图3所示。无污染、轻微污染和中度污染等级的点位百分比依次为15.0%、75.0%和5.0%，以轻微污染为主，存在一定程度的中度污染点位，无重度污染。研究区总体污染负荷指数(Pzone)为1.36，呈轻微污染。

4.2.2 潜在生态风险评价

研究区7种重金属的潜在生态风险指数分布情况如图4所示，Hg的潜在生态风险指数箱体分布跨度大，说明潜在生态风险差异大，根据箱体统计分布特征图踢出异常值(537.3)，Hg的潜在生态风险指数范围为11.3～283.3，平均值91.8，生态风险强，Cd箱体跨度次于Hg，变化范围为34.18～129.11，平均值为73.67，生态风险中等，Cr、As、Pb、Cu和Ni的潜在风险指数均小于40，生态风险轻微。

图4 各重金属潜在生态风险指数箱体分布

40个监测点位中Hg和Cd不同生态风险等级比例如图5所示，Hg潜在生态风险等级为极强、很强、强、中等和轻微的点位数比例分别是2.5%、27.5%、30.0%、17.5%和22.5%，Hg在研究区40个监测点位存在不同程度的潜在生态风险；Cd潜在风险等级为强、中等和轻微的点位数比例是37.5%、57.5%和5.0%，主要以强和中等风险为主。研究区总体潜在生态风险指数范围为90.08～645.46，平均值为209.69，总体潜在生态风险中等。

图5 Hg和Cd潜在生态风险等级比例

5 结论

(1)研究区40个监测点位重金属Cr、Cd、As、Hg、Pb、Cu和Ni平均含量(mg/kg)分别为95、0.19、11.2、0.154、30.7、35和44，除Pb平均含量与四川土壤背景值相当外，其余重金属平均含量均超过四川土壤背景值；40个监测点位各重金属超过四川土壤背景值的点位比例，Cr为65%、Cd为100%、As为62.5%、Hg为72.5%、Cu为62.5%、Ni为97.5%，Cd和Ni超背景值点位占比高，存在重金属污染风险，7种重金属中，Hg的变异系数为0.97，属强变异，空间分布显著离散，差异大，受人为影响较明显，其余重金属也存在变异情况，均属中等变异，存在空间变异性，均有受到人类活动干扰。

(2)研究区40个监测点位均存在不同程度的重金属污染，各重金属污染负荷指数(P)变化范围为0.77～2.13，以轻度污染为主，点位占比为75%，其中，其中存在受Hg、Cd重度污染(P>3)等级的点位，占比分别为25%和30%；研究区总体污染负荷指数(Pzone)为1.36，呈轻微污染。

(3)研究区总体潜在生态风险指数均值为209.69，潜在生态风险等级为中等，重金属Hg潜在风险指数跨度大(11.3～283.3)，40个监测点位不同潜在生态风险等级有极强(2.5%)、很强(27.5%)、强(30.0%)、中等(17.5%)和轻微(22.5%)，各点位Cd的潜在风险指数跨度为34.18～129.11，各点位不同潜在风险等级有强(37.5%)、中等(57.5%)和轻微(5%)，其余重金属(Cr、As、Pb、Cu、Ni)的潜在风险指数均小于40，生态风险轻微。