黄河口国家公园湿地土壤重金属污染评价

王碧莹 李振函 李海岗 赵强 李扬

文章编号：1671-3559（2024）03-0267-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240318.002

摘要： 为了研究黄河口国家公园湿地土壤污染状况和生态风险，沿黄河故道东营段、 黄河入海口以及沿海处共设20个采样点进行土壤采集，对铅、 镉、 铬、 铜、 锌、 镍、 汞、 砷8种重金属含量进行检测，并利用综合污染指数法、 地累积指数法和潜在生态风险指数法进行土壤污染评价。结果表明： 研究区铅、 镉、 铬、 铜、 锌、 镍、 汞、 砷元素的质量比分别为16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg，均符合农用地土壤污染风险管控标准要求；研究区土壤综合污染指数为0.57，地累积指数为-0.23，潜在生态风险指数为65.54，表明研究区属于无污染土壤，存在轻微潜在生态风险。

关键词： 土壤污染； 重金属； 综合污染指数； 地累积指数； 潜在生态风险评价； 黄河口国家公园

中图分类号： X825

文献标志码： A

开放科学识别码（OSID码）：

Evaluation of Soil Pollution Caused by Heavy Mental in

Wetland of the Yellow River Estuary National Park

WANG Biying1， LI Zhenhan2， LI Haigang3， ZHAO Qiang1， LI Yang2

（1. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China；

2. Shandong Institute of Geophysical & Geochemical Exploration， Jinan 250013， Shandong， China；

3. Shandong Yiyang Health Group Yihe Development Company， Linyi 276000， Shandong， China）

Abstract： To study the soil pollution status and ecological risk of the wetland in the Yellow River Estuary National Park， a total of 20 sampling points were set up along the Dongying section of the old Yellow River course， the mouth of the Yellow River and the coastal areas for soil collection， and the content of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As were detected. Soil pollution was evaluated by comprehensive pollution index，groundaccumulationindexandpotential ecological risk index.The results show that the mass ratios of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As in the study area are 16.4， 0.11， 57.3， 14.0， 46.9， 20.0， 0.014， 7.71 mg/kg respectively， which all meet the risk control standards for agricultural land soil pollution. The integrated soil contamination index of the study area is 0.57， the land accumulation index is -0.23， and the potential ecological risk index is 65.54， indicating that the study area is a non-polluted soil with a slight potential ecological risk.

Keywords： soil pollution； heavy mental； comprehensive pollution index； geological accumulation index； potential ecological risk assessment； the Yellow River Estuary National Park

收稿日期： 2023-03-01          網络首发时间：2024-03-19T15：48：23

基金项目： 国家自然科学基金项目（42072331）；山东省地质勘查引领示范与科技攻关项目（HJ202204）

第一作者简介： 王碧莹（1999—），女，黑龙江牡丹江人。硕士研究生，研究方向为地质方向。E-mail： 494334480@qq.com。

通信作者简介： 李振函（1963—），男，山东潍坊人。教授，博士，硕士生导师，研究方向为水文地质。E-mail： lizh328@163.com。

网络首发地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240318.1844.004

黄河三角洲湿地位于山东省境内，因地理位置优越而形成了特殊的湿地生态系统，在推进我国实施人与土地生态系统的协调发展政策方面发挥重要作用［1］。黄河入海口承接了整个黄河流域输送来的物质流、 能量流和生态流，在河、 海、 陆交互作用下形成了世界上独一无二的河口三角洲，孕育了我国暖温带最典型的河口湿地生态系统。该生态系统具有汇碳、 生物栖息、 水文调节、 土壤改良等多种功能，对维护黄河下游及渤海生态安全起着关键作用。自20世纪60年代石油和农业大开发以来，黄河口所受人类活动的影响与其自然演化节奏不相符，人与自然的矛盾不断被激化，湿地生态保护的压力与日俱增［2］。黄河口湿地面临的最重要的问题是，人类活动导致自然湿地不断退化消失，生物多样性锐减［3］，因此国家公园管理局2021年10月批准《黄河口国家公园创建方案》［4］，希望通过建设保护区对湿地进行保护。

重金属是一类重要的污染物，可以通过采矿（石油）、 交通运输、 杀虫剂和化肥等来源在环境中积累［5］，如果排放到空气、 水体、 土壤中，就会对生态环境产生不利影响。随着人口的快速增长和社会各行各业的迅速发展，重金属造成的环境污染已经成为世界各国面临的一个严重问题［6］。本文中以黄河口国家公园湿地生态系统为研究对象，进行湿地土壤重金属污染评价，为黄河口国家公园建设和黄河流域高质量发展提供数据支撑。

济南大学学报（自然科学版）第38卷

第3期王碧莹，等：黄河口国家公园湿地土壤重金属污染评价

1  材料与方法

1.1  研究区概况

本文中主要以黄河口国家公园作为研究区，地理位置处于东经118°33′—119°30′、 北纬37°25′—38°17′。 研究区隶属于山东省东营市， 总面积约为1 371 km2。 东营市位于暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，气候主要特点是：季风影响显著，四季分明，冷热干湿界限明显；春季干旱多风回暖快，夏季炎热多雨，秋季凉爽多晴天，冬季寒冷少雪干燥。黄河口国家公园湿地主要集中在黄河三角洲的微斜平地、 缓岗之间，黄河故道地势较低处，形成了特有的湿地生态系统。湿地表层纹理黏重、浅部粗糙薄厚不等的黏土层多为封闭状，雨季易积水，因此成了芦苇和其他植物生长的绝佳场所。黄河口国家公园湿地是黄河和海洋一起形成的湿地系统，是全国著名的自然生态保护区。

1.2  样品采集与分析

土壤样品采集分析是为了查明研究区内土壤地球化学背景， 为土壤质量评价提供依据。 采样点布置在研究区内， 按地理位置划分样地， 每一个样地选取植被覆盖率较高的地方布设5个土样采集点， 共设置20个采样点， 编号为D1、 D2、 …、 D20，具体位置如图1所示。利用手工在地面钻探至50 cm后取样，采集前准备小铲、 自封袋、 保温箱、 标签等，选取地表深度50 cm以内的土壤，每个采样点均采集5个样品，将5个样品混合，装入写有标记的自封袋中密封，标签上详细注明采样时间、 地点、 深度和编号，每个混合样品质量约2 000 g。扎口密封妥善保存并及时送检。共采集土壤样品20个，土样分析项目为砷（As）、 汞（Hg）、 镉（Cd）、 铬（Cr）、 铜（Cu）、 锌（Zn）、 铅（Pb）、 镍（Ni）在土壤中的含量。其中Cu、 Ni、 Pb、 Zn、 Cd、 Cr元素的含量采用电感耦合等离子体质谱法进行测定；Hg、 As元素的含量测定采用原子荧光法。

1.3  评价方法

1）综合污染指数评价法。综合指数法能够在单因子污染指数的基础上全面评判重金属的污染程度，其中内梅罗模型被广泛应用于评价土壤重金属污染［7］。相关计算公式为

Pi=CiSi ，（1）

P=P—2i +P2max2 ，（2）

式中： Pi为重金属元素i的单因子污染指数； Ci为重金属元素i的含量实测值； Si为根据需要选取的重金属元素i的评价标准，此处参考国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）［8］;P为综合污染指数； P—i为单因子污染指数平均值； Pmax为最大单因子污染指数。

单因子污染指数Pi与对应的土壤污染级别关系［9］如表1所示， 综合污染指数P与对应的土壤污染級别关系［10］如表2所示。

2）地累积指数法。地累积指数Igeo由德国科学家Muller于1969年首次提出，常用来表征沉积物和土壤中重金属富集程度，可以同时反映重金属的自然演变特征和判别人类活动对土壤产生的影响［11］。其计算公式为

Igeo=log2CiKBi ，（3）

式中： Bi为土壤中重金属元素i的含量，取山东省土壤环境背景值［12］，Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的含量背景值（质量比）分别为23.6、 0.132、 62、 22.6、 63.3、 27.1、 0.031、 8.6 mg/kg［13］； K为考虑各地岩石差异可能引起的背景值变动而取的系数，一般为1.5［14］。地累积指数等级划分［15］见表3。

3）潜在生态风险指数法。Hakanson［16］提出的潜在生态风险指数Ir体现了生物有效性和相对贡献比例及地理空间差异等特点，可以综合反映土壤中重金属对环境的潜在影响。其计算公式为

Ir=∑ni=1Eri=∑ni=1TriCiBi ，（4）

式中： Eri为重金属元素i单因子潜在生态风险指数； Tri为重金属元素i毒性响应系数，目前的多数研究中，众多学者一般直接用毒性系数替代毒性响应系数进行计算， Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的毒性系数分别为5、 30、 2、 5、 1、 5、 40、 10［17］。土壤重金属潜在生态风险指数及其相应的生态风险等级分级标准［18］见表4。

2  结果与分析

2.1  研究区土壤重金属含量

各采样点土壤重金属含量见表5， 重金属元素含量空间分布如图2所示。 由表5中可以看出， 研究区Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的质量比分别为16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg， 8种重金属元素的平均含量均小于山东省土壤环境背景值。 从图2可以看出， 采样点D8的土壤中各类重金属含量明显高于其他采样点的， 此外采样点D12的污染程度也相对较高， 其余各采样点的污染状况相差不大。 从各污染物的质量比与山东省土壤环境背景值比较来看， 采样点D8的Pb、 Cu、 Zn、 Ni元素的质量比高于背景值， 采样点D8、 D12的Cd和Hg元素的质量比高于背景值， 有5个采样点的As元素的质量比高于背景值， 有6个采样点的Cr元素的质量比高于背景值， 占比达到30%， 是8种重金属元素中比例最高的。

通过富集系数法定量分析各类金属在土壤中的富集程度。富集系数法是由Zoller等［19］首次提出，可以对污染程度以及污染来源进行定量评价，富集

系数Ef的计算公式为

Ef=CiBi 。（5）

研究区土壤中重金属元素富集系数见表6。由表可知，研究区土壤中重金属富集程度均属于无污染或轻微污染，其中Cd元素富集系数为0.83，富集程度相对最高，Hg元素富集程度相对最低。

从整体上看， 研究区土壤环境质量良好， 金属污染程度较轻， 符合国家规定的土壤环境质量标准。 采样点D8处于农用地附近的沿海滩涂， 周围约3 km处建有水产养殖公司以及盐业化工公司，因此该采样点处重金属总体含量相对较高可能是受工农业排放影响。

2.2  综合污染指数评价结果

研究区各采样点土壤中重金属单因子污染指数和综合污染指数见表7。 由表可见，各采样点土壤

中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均单因子污染指数分别为0.47、 0.55、 0.64、 0.40、 0.47、 0.50、 0.10、 0.51，由大到小的重金属元素排序为Cr、 Cd、 As、 Ni、 Zn（Pb）、 Cu、 Hg。从整体来看，各重金属元素平均单因子污染指数均小于1，表明研究区土壤未被重金属污染。从采样点来看，采样点D8的综合污染指数为0.98，高于其他采样点的，污染程度相对较重，采样点D7、 D10的综合污染指数最小，土壤重金属含量相对最少。综上分析，通过综合污染指数法判断，研究区土壤属于清洁无污染土壤。

2.3  地累积指数评价结果

研究区土壤中重金属地累积指数见表8。 由表可知， 各类重金属的地累积指数平均值均小于0， 表明研究区土壤总体上较为清洁， 污染程度从重到轻的重金属元素排序为As、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。 从采样点来看， 采样点D8的地累积指数明显大于其余采样点的，污染程度相对严重，其中

Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累积指数大于0， 属于轻度至中度污染。 综合来看， 研究区土壤整体为无污染土壤。

2.4  潜在生态风险评价结果

表9为研究区各采样点土壤中重金属潜在生态风险评价结果。 可以看出： 采样点D8的Ir为159.00，为中等程度的潜在风险，其余采样点的潜在风险程度均为轻微； 采样点D12的Ir也相对较大， 为139。 采样点D8、 D12的Hg元素贡献率分别达到43.40%和52.01%， 而Hg元素的Ir平均值为18.59， 说明Hg元素主要集中于采样点D8、 D12处。 从整体上来看， 各重金属元素的Ir平均值为0.74～25.14， Ir由大到小的重金属元素排序为Cd、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn， Cd元素的贡献率高达38.36%。综上可知，研究区的潜在生态风险轻微，主要由金属镉引起。

2.5  不同评价方法的结果对比

综合污染指数法、 地累积指数法、 潜在生态风险评价法对研究区土壤重金属的评价结果显示，3种方法均能反映土壤中重金属的污染程度和风险状况；但是，由于每种方法的侧重点和评价机制不同，因此评价结果有所差异［20］。

由综合污染指数可知，研究区土壤属于清洁无污染土壤，符合国家对自然保护区的環境要求。综合污染指数法计算公式中含有评价参数中最大的单因子污染指数，突出了污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，但单个金属的污染指数最大值对整体结果的影响很大［21］。相比之下，地累积指数法更关注单个重金属含量对环境的影响［22］，结果显示，研究区土壤属于无污染土壤，As元素的地累积指数相对最大，Hg元素的相对最小。结合潜在生态风险指数法来看，Hg元素的潜在风险仅次于Cd元素的，表明Hg元素虽然含量较少但毒性大，仍对生态环境造成威胁。综上分析，潜在生态风险指数法更适用于研究区土壤重金属污染评价，因为其不局限于目前的土壤的污染状况［23］，更能综合反映沉积物中重金属的潜在影响，为土壤重金属的污染防治提供更有价值的参考数据。

3  结论

本文中采用综合污染指数法、地累积指数法、潜在生态风险评价法对黄河口国家公园湿地土壤进行重金属污染评价，得出以下主要结论：

1）研究区土壤中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均含量均符合《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）的土壤要求。

2）研究区土壤中Cd元素富集系数为0.83，富集程度相对最高，Hg元素富集程度最低。根据综合污染指数法评价结果，研究区属于清洁无污染土壤。由地累积指数法评价结果可知，污染程度由高到低的重金属元素排序为As、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。潜在生态风险由大到小的重金属元素排序为Cd、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn。

3）采样点D8土壤中各重金属含量均高于其他采样点的，其中Cd元素的质量比为0.23 mg/kg，不符合土壤环境质量执行一级标准要求，Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累积指数大于0，属于轻度至中度污染，潜在生态风险综合指数为159.00，为中等程度的潜在风险。为了维持保护区的土壤清洁，保护生物多样性，应对该采样点附近的企业以及农业用地进行监管，防止其未来对研究区土壤环境造成更大危害。

4）由于3种评价方法的侧重点不同，评价结果也有所不同，潜在生态风险指数法考虑了重金属的生态、 环境和毒理效应，能够为正在建设中的黄河口国家公园的重金属污染防治提供更具有长远性的参考数据。

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（责任编辑：于海琴）