典型生態旅游地土壤重金屬空間分布及潛在生態風險評價

張永江　鄧茂　邵曾　王祥炳　姚靖

摘要：以黔江區城市郊區和生態旅游區域作為研究對象，分析了土壤中8種（As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg）重金屬含量，采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害指數法對土壤中重金屬進行了空間分布及潛在風險評價。結果表明：黔江區土壤中8種重金屬平均值含量均低于《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）二級標準，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種重金屬都高于其背景值。黔江區土壤中8種重金屬元素的污染程度大小為Cu >Hg> Pb> Zn >As> Ni > Cr > Cd，不同采樣點位呈現輕度、中度和重度污染。8種重金屬之間相關性較強，Cr、Hg與As的來源可能相同，主要受到人類活動的影響。8種重金屬平均單項生態風險因子由強到弱的順序為Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態風險外，其余7種重金屬的潛在生態危害程度都較低。與城郊區域土壤生態風險相比較，生態旅游區域土壤指數相對較高。研究區土壤平均潛在生態風險均值為107.6，處于輕微生態危害等級。

關鍵詞：黔江區；生態旅游；土壤重金屬；空間分布；風險評價

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.018

中圖分類號：X833 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0075-05

重金屬主要來源于機動車輛、焚化爐、工業廢棄物和大氣粉塵沉積物等[1-2]。當人暴露于高濃度的重金屬中，重金屬能夠在脂肪組織中積累，從而影響中樞神經系統和破壞身體內部器官的正常功能[3]。此外，研究發現小孩暴露受污染的土壤、灰塵和空氣微粒中，可以通過手口途徑攝取重金屬[4]。同時，重金屬被農作物吸收富集后通過食物鏈傳遞給人或動物，嚴重影響人和動物的健康，甚至是整個生態系統[5]。

因此，開展土壤中重金屬污染特征成為土壤環境質量研究的重要課題，尤其是土壤中重金屬的生態風險成為研究熱點[6]。黔江區是全國低碳國土實驗區，也是綠色中國·杰出綠色生態城市。近年來，在生態旅游和農業等方面得到了快速發展，人類活動日益頻繁，生態環境質量也隨之發生變化。基于此，本研究以黔江區城市郊區和生態旅游區域作為研究對象，研究不同土壤類別中重金屬元素含量、分布特征，運用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法、潛在生態危害指數法，結合土壤環境質量二級標準和重慶市土壤背景值對土壤環境質量進行系統性評價，為黔江區生態環境保護和生態經濟建設提供科學決策參考。

1 試驗方法

1.1 土壤樣本采集

樣品采集時間在2014年7月，采集區域為黔江區3個鄉鎮，樣品采集范圍包括基本農田、飲用水水源地保護區域、居民生活區域、菜園地區域和其他區域。根據具體情況每個采集點用GPS定位布點，采集深度為0～40 cm剖面層，共采集樣品15個（其中1～10號為生態旅游區域土壤樣品，11～15號為城市郊區土壤樣品），為避免采樣過程中重金屬元素的污染，使用硬質塑料鏟垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，采用對角線法進行多點取樣混合一個代表楊的方法，每個混合樣品為1 kg左右。土壤樣品帶回實驗室后，樣品避光自然風干后并剔除植物殘體和石塊，對每一份樣品采用四分法取樣進行磨碎處理，過100（0.149mm）土壤篩，保存于塑料瓶中備用。

1.2 樣品消解和測試

土壤樣品的猜想采樣王水-高氯酸開放式消煮法，稱取1g左右試樣于Anton PVC 消解罐中，加入5 mL HCl和HNO3，120℃消解24 h，直至消解液為1 mL左右時，冷卻至室溫后加入高氯酸3 mL，140℃繼續消解72 h，消解液為透明澄清未止，消解結束冷卻至室溫永超純水定容至50 mL，過濾到經酸浸泡過的干凈PE塑料瓶中。空白和標準樣品（ GBW08303，國家標準物質研究中心） 同時消解，以確保消解及分析測定的準確度和用于回收率的計算。消解液中采用原子熒光分光光度計（ AFS-930，北京海光分析儀器公司）進行測定As 和Hg含量，采用電感耦合等離子體發射光譜儀ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，Optima 2000 DV，PerkinElmer，USA）進行測定Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等重金屬元素含量。所有土壤樣品測試后再抽取總樣品數的30%進行重金屬含量的重復性檢驗，檢驗結果表明本次測試合格率為100%。

2 評價方法

2.1 重金屬單因子污染指數法

采用單因子污染指數法對重金屬污染進行評價是國內外普遍選用方法之一，是對土壤中的某一污染物的污染程度進行評價，評估公式如下[7]：

Pi=CiSi

式中，Pi是土壤污染物i的環境質量指數；Ci是土壤污染物i的實測值，mg/kg； Si是土壤污染物i的評價標準，mg/kg，選用重慶市土壤中重金屬元素的平均背景值[8]。Pi≤1，未污染；1

2.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅（Nemerow）綜合污染指數法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴重的污染物給環境造成的危害。其計算公式為[9]：

PN=[（ci/Si）2max+（ci/Si）2ave2]1/2

式中，PN為綜合污染指數；（ci/Si）max為各污染物中污染指數最大值； （ci/Si）ave為各污染物中污染指數的算數平均值。

依據重金屬單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法，可將土壤重金屬污染劃分為5個等級。具體如表1所示。

2.3 潛在生態危害指數法

依據瑞典科學家Hakanson提出的潛在生態危害指數法對土壤中重金屬進行評價，可以反映出單個和各個污染物綜合效應及污染水平，定量評估潛在的生態風險和危害程度，該方法只需要土壤中重金屬總量分析數據，極大提高了方法的實用性。公式如下：

RI=∑MIEir=∑MITir×Cir=∑MITir×cicin

式中，RI為土壤環境中重金屬的潛在生態風險指數；Eir是潛在的生態風險；Tir是單一污染物的毒性系數，可以綜合反映重金屬的毒性、污染水平和污染敏感程度；Ci是土壤中重金屬的測試濃度；Cir是某一重金屬的污染參數；為反映特定區域的分異性，Cin選用重慶市土壤中重金屬元素的平均背景值作為比較基準[8]。在本研究中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的毒性系數分別為10、30、2、5、5、5、1、40[10]。

2.4 數據處理與統計分析

運用單因子污染指數法、內梅羅污染指數法和漢克森潛在生態風險指數法評價武陵山區黔江區土壤中的重金屬污染狀況特征和來源，采用Excel2003、SPSS19.0統計軟件對數據進行統計分析和相關分析。依據單一重金屬的潛在生態危害系數Eir可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個等級；多個重金屬的潛在生態危害系數RI可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個等級；其污染程度的具體關系見表2[11]。

3 結果與討論

3.1 黔江區土壤重金屬含量統計結果特征

從表3中可看出，研究中8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg平均值含量分別為6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，8種重金屬的平均含量均低于《土壤環境質量標準》二級標準限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種都高于其背景值。與重慶市土壤背景值相比較，測試點位樣品的單個重金屬超標率除As、Cd、Cr外，其余5種重金屬的超標率均大于53.3%，其中Cu超標率達到100.0%，Cu和Hg與背景值的比值遠超過其他6種，分別為背景值的1.55倍和1.54倍。從土壤中8 種重金屬的變異系數來看，As、Cd、Cr、Hg 和Cu 的變異系數較大，反映出這5種重金屬元素的離散程度較高，表明在不同點位的5種重金屬含量差異較大；As、Cd和Hg變異系數相差較小，表明As、Cd和Hg受外界影響狀況基本一致，說明這幾種重金屬受外界干擾影響較大，可能有相似的來源和污染途徑；Pb和Zn變異系數較小，可能受自然因素的影響較大[12]。研究區域土壤中Cr的含量最大值為178.0 mg/kg，最小值為28.3 mg/kg，變異系數為86.4%，平均值為178.0 mg/kg，說明這幾種金屬受人為因素影響較明顯[13]。

3.2 重金屬元素的相關性分析

黔江區土壤中8種重金屬相關分析結果見表4，從表中可以看出，黔江區土壤中重金屬之間的相關關系比較復雜，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg之間相關性較強。Cr和As、Zn和Ni、Hg和Cr在P<0.01水平上相關系數分別為0.891、0.794、0.712。Hg和As、Pb，Zn和Cu在P<0.05水平上相關系數分別為0.590、0.543、0.635，是正相關。Cr、Hg與As的來源可能相同，從采樣點來看，表明土壤中這些金屬含量受人類生產和生活活動范圍影響，在菜地出現濃度值較高，其來源相同導致其相關關系。從總體情況來看，相關重金屬含量較高的采樣點網大多數位于基本農田、菜園地和居民生活區等人類活動較為頻繁區域，其來源受人類活動的影響較自然環境影響大，這與焉耆盆地中位于縣城居民點附近以及農土壤重金屬之間相關性一致[14]。分析結果表明，黔江區土壤環境中重金屬含量主要受人類活動影響。

3.3 黔江土壤重金屬染污評價

黔江區土壤中8種重金屬污染評價結果見圖1。單因子污染指數法分析評價結果表明，黔江區土壤中

8種重金屬元素的污染程度大小為Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd。不同采樣點位土壤重金屬的污染程度表現為Cu呈輕度、重度和重度污染，其中2號采樣點As、Cr和Hg，15號采樣點Cu和Hg呈重度污染，12號采樣點Hg呈中度污染。與城郊區域土壤相比較，典型生態旅游地土壤中As、Cr、Cu和Hg的污染指數相對較高，這可能與生態旅游區域發展生態農業，大量施用農藥和化肥有關；城郊區域土壤11～15號采樣點中Cu和Hg呈現不同程度的污染，與城郊結合區域人類活動頻繁，受人類活動影響較大有關。

內梅羅綜合污染指數法評價結果表明，黔江區土壤平均指數為1.57，為輕污染水平，2號采樣點呈重度污染，15號采樣點呈中度污染，其余點位除10號和14號采樣點指數分別為0.96和0.92，處于警戒線范圍外，其他采樣點位指數為1.15～1.62，呈現輕度污染。從各個污染物的分擔率結果表明，Hg和Cr是黔江區土壤重金屬風險指數的主要貢獻因子，污染分擔率分別為21.7%和17.4%，其他6種重金屬分擔率均小于16.0%。與潛在生態等閑評價相比較，內梅羅污染指數評價時高估了高濃度污染物的影響作用，因此Hg作為黔江區土壤重金屬風險指數的主要貢獻因子，與部分點位超標有關。

3.4 黔江區土壤重金屬潛在的生態風險指數評估

黔江區土壤中8種重金屬的潛在生態風險因子（Eir）和風險指數（RI）分析結果如表5所示，從中可以看出，8種重金屬平均單項生態風險因子由強到弱的順序為Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態風險外，其余7種重金屬的潛在生態危害程度都較低。從采樣點位來看，黔江區土壤中8種重金屬的綜合潛在生態風險指數（RI）值在62.96～240.41范圍內，其中有13.3%的采樣點處于中等生態風險水平，86.7%的采樣點處于輕微生態風險水平。黔江區土壤中8種重金屬生態風險指數評價結果與內梅羅污染評價結果一致，整個研究區土壤平均潛在生態風險均值為107.6，處于輕微生態危害等級，從整體上看黔江區研究區域內土壤中重金屬環境質量較好。與城郊區域土壤生態風險相比較，1～10號生態旅游區域土壤指數相對較高，2號點位已達到中等生態危害水平，因此，必須同時加強對城郊區域和生態旅游區域土壤污染防治，確保土壤環境質量安全。

4 結論

（1）黔江區土壤中8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的平均含量分別為6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，平均含量均低于《土壤環境質量標準》（GB 15618—19957）二級標準限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種均高于其背景值。

（2）單因子污染指數法分析評價結果表明，黔江區土壤中8種重金屬元素的污染程度大小為Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd，不同采樣點位呈現輕度、中度和重度污染。內梅羅綜合污染指數法評價結果表明，黔江區土壤平均指數為1.57，為輕污染水平。

（3）重金屬元素的相關性分析表明，黔江區土壤中重金屬之間的相關關系比較復雜，8種重金屬之間相關性較強，Cr、Hg與As的來源可能相同，黔江區土壤環境中重金屬含量主要受到人類活動的影響。

（4）潛在的生態風險指數評估結果表明，黔江區土壤中8種重金屬平均單項生態風險因子由強到弱的順序為Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態風險外，其余7種重金屬的潛在生態危害程度都較低。與城郊區域土壤生態風險相比較，生態旅游區域土壤指數相對較高。生態風險指數評價結果與內梅羅污染評價結果一致，整個研究區土壤平均潛在生態風險均值為107.6，處于輕微生態危害等級。

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