土壤重金属污染生态修复环境影响定量评估方法研究

关键词：重金属污染；生态修复环境；定量评估；毒性淋溶提取法；内梅罗污染指数法

中图分类号：X826 文献标志码：B

前言

重金属污染生态环境的途径主要包括废水中的重金属排放、废气中的重金属释放和固体废弃物中的重金属沉积等。这些途径是导致生态系统受到重金属污染的主要来源。重金属污染对土壤、人类和动物的健康产生严重影响。通过监测土壤中重金属含量并采取有效的治理措施，可以保护生态环境的可持续性，切实维护人类和动物健康，并为未来的可持续发展奠定坚实基础。

对此，有学者提出了一系列土壤重金属监测方法。例如，周伟等人曾采用地理探测器，定量评估土壤重金属影响因子的分布状态与影响，此方法可分析土壤重金属的空间变异性和影响因素的复杂性，以及土壤重金属的分布和来源，但是地理探测器价格昂贵，运行和维护成本较高，不能作为大众化分析工具。熊鸿斌等人使用MonteCarlo模拟技术，模拟分析重金属元素质量比的分布特征，评估土壤重金属健康风险。但该技术需要假设条件，如均匀分布、独立抽样等，这些假设可能不完全符合实际情况，对评估结果产生一定的影响。

在上述研究成果的基础上，文章研究新的定量评估方法，通过融合毒性淋溶提取法和改进内梅罗污染指数法，实现了多种重金属元素的综合评估，定量评估土壤重金属污染对生态修复环境影响，为生态修复环境保护问题提供参考。

1材料方法

1.1研究区域土壤概况

研究区域地势较为平坦，当地土壤属于典型的黏性土壤类型，不仅养分含量显著，而且具有大量小孔隙。该地土壤通透性较差，土壤温度变化速度不快。结合地质勘察数据显示，当地土层从上到下分别是人工填土层、粉状黏土层、淤泥质粉质黏土层。

1.2实验仪器与试剂

取样器：JC-802A型心形土壤取样器；

尼龙筛；

玛瑙棒；

CYWB-6微波消解仪；

多孔赶酸电热板；

HY -4往复式振荡器；

EXPEC7000型电感耦合等离子体质谱仪；

MARS消解管；

硝酸：分析纯；

氢氟酸：分析纯；

无水乙酸：分析纯；

氢氧化钠：分析纯。

1.3土壤样品采集

使用加密布点采样模式采集土壤样品，标记采样点位置的经纬信息。土壤样品采集时，主要使用取样器完成，把取样器垂直放在地面伸入土层，使用取土铲子先对土壤刨除一个断面，然后在与断面平行的位置铲取0.55kg土壤样品，放在样品袋中，并使用记号笔对其标记标签信息。

1.4土壤样品预处理与消解

去除土壤样品中石块等无效杂物，放在通风条件较好的位置进行风干。在对土壤样品进行筛选和处理的过程中，使用玛瑙棒对土壤样品进行碾压，以破碎土壤团聚体，使样品更易通过筛孔。选择2 mm的尼龙筛作为筛选工具，以确保较大颗粒和杂质被滤除。当土壤样品能够通过100目尼龙筛后，表示较细小颗粒已经被有效分离。

将混匀后土壤样品称取0.06g，放在MARS消解管后，依次向管内放入9mLH硝酸、3mL氢氟酸，再放在CYWB-6微波消解仪器中消解，消解主要分为三步骤，步骤的参数设置是：

步骤（1）：消解温度的爬升时间与保持时间分别设成11min、5min，此步骤的最终温度为125°，消解仪的功率为1605W。

步骤（2）：同上，时间分别设成0min、5min，此步骤的最终温度为165°，消解仪的功率为1605W。

步骤（3）：同上，时间分别设成6min、26min，此步骤的最终温度为190°，消解仪的功率为1605W。

消解完毕取出仪器中冷却的消解管，将其放在电热板中，通过高温作用实现加热赶酸。经赶酸后，将管内液体放在50mL的容量瓶中，用于后续定容。

1.5重金属污染状态分析生态环境污染级别评估方法

1.5.1基于毒性淋溶提取法的重金属污染状态分析

毒性淋溶提取法简称TCLP法，使用此方法提取土壤重金属有效态含量时，设定提取溶液和土壤样品质量比是20：1，混合放入HY-4往复式振荡器在室温条件中振荡20h，由电感耦合等离子体质谱仪检定土壤样品的重金属有效态。使用式（1）运算中仅属于有效态含量（mg/kg）。

其中，土壤重金属有效态含量是A；提取液中重金属含量、提取液体积分别是α、U；土壤样品质量是N。

此方法可提取土壤重金属有效态，检定重金属含量。操作时，需要结合土壤酸碱度、缓冲量状态的差异，使用2种缓冲溶液制备提取液：

（1）土壤pH值低于5时，将5.7mL无水乙酸放在容量瓶后，导进64.3 mL 1mol/L氢氧化钠定容，控制提取液的pH值处于区间[4. 88，4.99]。

（2）土壤pH值高于5时，将5.7mL无水乙酸放在容量瓶定容，控制提取液的pH值处于区间[2.83，2.93]。

电感耦合等离子体质谱仪运行时，输出功率与定向流量分别设成1555W、4.4 mL/min，质谱计数模式与等离子气流量分别设成脉冲／模拟模式、15.5L/min；载气流速、采样深度分别设成1.0L/min、8.5mm；雾化器流速、雾化室温度分别设成0.98L/min、2.5℃；蠕动泵转速、重复采样次数分别设成0.15r/s、3次。

1.5.2基于改进内梅罗污染指数法的生态环境污染级别评估

内梅罗污染指数法可以全面定量评估土壤重金属，对生态修复环境的污染度，计算出的综合污染指数的值越大，表示生态修复环境所受污染越严重。运算方法是：

其中，第j类重金属污染物的单项污染指数、污染物实测值分别是Q_j、D_j；第j类重金属污染物的土壤生态环境质量标准值是R_j，文章研究中R_j的设置，参考《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）中2级标准值。重金属元素背景值见表1。

（1）当Q_o数值小于或等于0.7时，表示土壤重金属污染影响下，生态修复环境的污染级别是1级，此时定量评估结果为无污染。

（2）当Q_o数值大于0.7、小于或等于1时，表示土壤重金属污染影响下，生态修复环境的污染级别是2级，此时定量评估结果认为生态修复环境状态处于即将污染的警戒范围。

（3）当Q_o数值大于1、小于或等于2时，表示土壤重金属污染影响下，生态修复环境的污染级别是3级，此时定量评估结果认为生态修复环境轻度污染。

（4）当Q_o数值大于2、小于或等于3时，表示土壤重金属污染影响下，生态修复环境的污染级别是4级，此时定量评估结果认为生态修复环境中度污染。

（5）当Q_o数值大于3时，表示土壤重金属污染影响下，生态修复环境的污染级别是5级，此时定量评估结果认为生态修复环境高度污染。

考虑传统内梅罗指数法使用时，需要分析多种重金属对土壤的毒性状态，不同毒性指数，需要设定不同的权重系数，从而修正内梅罗指数。为此，文章改进内梅罗指数法，把重金属毒性系数设成权重的分析因素，权重的设置方法是：

2试验结果分析

2.1重金属全量与有效态含量检定结果

在研究区域居民区、交通区分别设定10个采样点，工业区设定5个采样点，土壤重金属全量与有效态含量检定结果见表2。

分析表2，Zn的全量平均值最高（638 mg/kg），其次是Pb （90.3 mg/kg）和Cu（48.9 mg/kg），Cd的全量平均值最低（0.109mg/kg）。Hg、As、Ni、Cr的全量平均值分别处于较低到中等水平。Zn的有效态含量同样最高（156 mg/kg），表明其生物可利用性较强。Pb的有效态含量也较高（15.8 mg/kg），而Cu、Cd的有效态含量相对较低。Hg、As、Ni、Cr的有效态含量均处于较低水平，尤其是Hg和Cd的有效态含量非常低。Zn的标准差最大（1456 mg/kg），表明其全量在不同采样点之间的差异极大。Pb的标准差次之（214mg/kg），而Hg的标准差最小（0.06mg/kg），说明Hg在全量上的分布相对均匀。Pb、Zn、Cu的变异系数均超过200%，表明这些元素在土壤中的分布极不均匀，可能存在局部污染热点。相比之下，Hg、As、Ni、Cr的变异系数较低，说明它们的分布相对较为均匀。大多数重金属的偏度值均大于0，表明其分布向右偏斜，即存在少数极高值拉高了平均值。Zn的偏度值最大（5.02），说明其分布的不对称性最为显著。Zn、Pb、Cu的峰度值较高，说明这些元素的数据分布比正态分布更加尖锐，即存在更多的极端值。相比之下，Hg、As、Ni、Cr的峰度值较低，接近正态分布。Zn、Pb、Cu的最大值远高于其平均值，表明存在明显的污染热点。Cd虽然全量平均值较低，但其最大值也相对较高（0.591mg/kg），不容忽视。Hg、As、Ni、Cr的最小值和最大值范围相对较小，但As和Cr的最大值也达到了较高水平，可能构成潜在风险。

如表3所示Cu、Pb、Zn、Cd重金属的单项污染指数评估结果。

分析表3数据，Zn的污染指数超标率最高，Zn全量污染指数达34.6%，Zn有效态含量污染指数达38.3%，Pb、Cu的污染指数超标率分别位居第二名、第三名，Cd不存在污染状态。

2.2不同功能区土壤重金属污染对生态修复环境的影响定量评估结果

取研究区域不同功能区土壤样品，使用改进内梅罗指数法，定量评估不同功能区土壤重金属污染，对生态修复环境的影响。为此在研究区域居民区、交通区分别设定10个采样点，工业区设定5个采样点。如表4所示不同功能区的内梅罗指数检定结果。如表5所示研究区域生态修复环境受到的重金属污染评估结果。

分析表4、表5数据，在多个土壤采样样品汇总，内梅罗指数不超过0.7的样品数量仅有1个，此采样点的生态修复环境，没有出现明显的重金属污染，处于1级污染状态。处于2级污染状态的土壤采样点数量是3个；处于3级污染状态的土壤采样点数量是11个；处于4级、5级污染状态的土壤采样点数量分别是6个、4个。内梅罗指数综合评估此区域，生态修复环境受土壤重金属污染，总体属于3级与4级污染之间。

按照功能区的差异，工业区、居民区的内梅罗指数平均值分别是2.92、1.34，表示两种功能区土壤的生态修复环境状态处于4级、3级重金属污染；交通区的内梅罗指数平均值是2.2，该区域土壤的生态修复环境状态处于4级。按照土壤重金属污染级别从重到轻排名，工业区≈交通区gt;居民区。此评估结果与前文毒性淋溶提取法检定的重金属Zn含量超标率最高相对应，说明该区域工业区土壤重金属Zn污染，是影响生态修复环境效果的核心因素。

3结束语

此研究旨在深入剖析土壤重金属污染对生态修复环境的具体影响，通过采用毒性淋溶提取法，提取并精确测定了研究区域内土壤中关键重金属元素Zn、Pb、Cu等的有效态含量。这一步骤的精确性对于后续污染评估至关重要，能够直接反映重金属对生物体及生态系统的潜在危害。随后，运用经过优化与改进的内梅罗污染指数法，对提取的重金属数据进行综合评估，旨在全面、科学地揭示土壤重金属污染的整体状况及其对生态修复工程的潜在影响。评估结果显示，Zn元素在研究区域内的污染程度最为严重，其含量远超环境质量标准，该区域的土壤重金属污染状态总体处于三级与四级之间，这一结论揭示了污染问题的严峻性，必须采取更加积极、有效的措施来应对。