河岸帶重金屬時空變化與土壤環境質量分析*

陳 剛 趙銀軍 胡寶清 楊金美 黃玉瑩

(1.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室(廣西師范學院)，廣西 南寧 530001； 2.濰坊學院化學化工與環境工程學院，山東 濰坊 261061)

河岸帶重金屬時空變化與土壤環境質量分析*

陳 剛1,2趙銀軍1#胡寶清1楊金美2黃玉瑩1

(1.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室(廣西師范學院)，廣西 南寧 530001； 2.濰坊學院化學化工與環境工程學院，山東 濰坊 261061)

分析了南流江河岸帶土壤重金屬元素的時空變化規律、累積性變化特征。結合污染指數與潛在生態風險指數計算結果，評估了河岸帶重金屬污染狀況、污染等級，以及土壤環境潛在生態風險。結果表明：各位點重金屬元素濃度，在空間上沿江水流向大體呈下降趨勢，大部分位點在年際變化上則呈現出上升趨勢，其中以Cd、Zn最為典型；土壤中各重金屬元素均有不同程度的超出《食用農產品產地環境質量評估標準》(HJ/T332—2006)現象。內梅羅綜合污染指數計算結果表明，全流域土壤污染處于重度污染水平；對單一元素而言，除Cd為重度污染外，Pb、Cu、Zn均處于輕度污染及以下水平。綜合潛在生態風險指數計算結果表明，南流江河岸帶土壤環境整體上存在極強等級的生態風險，而單一元素的單項潛在生態風險水平為Cd>Pb>Cu>Zn。

河岸帶 重金屬 時空分布 土壤環境

Abstract: The present work explored spatiotemporal distribution and accumulations of heavy metals concentrations in riparian zone of Nanliujiang river. The pollution situation,pollution grade and potential ecological risk of heavy metals in soil was assessed by calculating pollution index and potential ecological risk index. The results showed that the concentrations of heavy metals of each sampling site gradually decreased along the flow direction of Nanliujiang river,while those of most sampling sites increased significantly with inter-annual variation,especially for Cd and Zn. Compared with “Farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products”(HJ/T 332-2006),the concentrations of heavy metals had higher values in various degree. The Nemerow index indicated the soil environment was heavily polluted. Cd was at heavy pollution grade,while others were at or below light pollution grade. The potential ecological risk of riparian zone soil in Nanliujiang river was severe,with corresponding ecological risk rank as Cd>Pb>Cu>Zn,which was based on the results of potential ecological risk index.

Keywords: riparian zone; heavy metals; spatial and temporal variation; soil environment

河岸帶是河流生態系統與陸地生態系統的交界，是生態系統的重要過渡地帶，具有河流和陸地雙重系統功能[1-2]。河岸帶作為一個特殊的復合生態系統，承擔著河流上、下游之間，地表上、下層之間等多維度的物質與能量遷移、轉換功能；同時能夠阻擋、隔離污染物，轉化污染形態、降低污染風險，是保護河流生態安全的天然屏障[3-5]。但是，隨著人類活動加劇，社會土地需求的快速增長，造成河流周邊土地用途異化，重金屬等污染物大量累積，影響土壤環境質量、河流生態健康，并通過遷移、轉化危及食品安全與人體健康[6-8]。南流江作為北部灣區域最大的入海河流，流經區域人口、經濟要素高度密集，入海年徑流量大，對流域內生態環境和水質，以及北部灣近海生態環境具有重大影響。本研究分析了南流江河岸帶土壤重金屬含量及相應規律趨勢，結合各元素累積程度綜合考察了河岸帶重金屬時空分布變化；在此基礎上，一方面分析了重金屬污染狀況及等級，另一方面分析了河岸帶土壤環境潛在生態風險。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

實驗土樣采自南流江干流沿岸，包括上游的六洋水庫至雍菜壩等8處位點，以及下游的江口大橋至入海口等7處位點(見圖1)，采樣時間為2015年8月。樣品采集地表5～20 cm土壤，各樣品由相鄰的3處土壤混合而成，封口袋中保存，登記編號、記錄位點信息。樣品送實驗室經冷凍干燥機(Scientz-10N)低溫凍干，破碎，揀除植物碎屑、砂石，研磨過100目篩、封裝，4 ℃下避光保存備用。

圖1 南流江河岸帶土壤采樣位點示意圖Fig.1 Soil sampling sites in riparian zone of Nanliujiang river

1.2 土壤分析

土壤樣品中Pb、Cd的提取按照《土壤質量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)進行；Cu、Zn的提取按照 《土壤質量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)進行。

1.3 數據處理

采用單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數法[9-10]，結合污染指數分級標準[11](見表1)判斷土壤受污染程度。通過潛在生態風險指數法[12]計算相關指數，根據潛在生態風險等級劃分標準[13](見表2)，表征土壤環境生態風險等級。 單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

單項潛在生態風險指數和綜合潛在生態風險指數計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

表1 污染指數分級標準

表2 潛在生態風險等級劃分標準

2 結果與討論

2.1 重金屬時空變化

圖2 不同年份河岸帶土壤重金屬質量濃度Fig.2 Concentrations of heavy metals in riparian zone soil of different years

2.1.1 時空分布

對比采集所得河岸帶土樣重金屬分析結果與資料收集整理所得結果[18-19]可知，重金屬分布呈現出兩方面特征：空間上，隨著水流向，沿程位點土壤中Cd(見圖2(a))、Zn(見圖2(b))、Pb(見圖2(c))、Cu(見圖2(d))4種元素濃度，大體上呈現出下降趨勢，其中Cd、Zn最為明顯，Cu次之。2015年，各位點重金屬極大值(Cd為12.571 mg/kg，Pb為83.757 mg/kg，Cu為59.403 mg/kg，Zn為279.801 mg/kg)對應出現在六洋水庫至雍菜壩間上游段的旺瑤社區和船埠村。重金屬在船埠村、常樂大橋、馬鞍沙3處位點或鄰近存在明顯的峰值，其中以2015年的表現最為明顯。時間上，3個年份間，河岸帶土壤重金屬濃度差異較大，而且伴隨著年份的推移，大部分位點濃度明顯上升。

各位點土壤中重金屬濃度隨著年份變化波動性大體增加；4種元素濃度曲線中對應的波動位點數也隨之明顯增加。這可能與船埠村、常樂大橋、馬鞍沙位點地理形貌有關，樣品采集過程中考察發現，這3處地點均開闊、坡緩、水量大且水位變化痕跡明顯，地勢、水文的變化可能會影響重金屬的遷移、轉運及沉積。另外，六洋水庫至旺瑤社區，Pb的濃度1992年高于2007年。六洋水庫至叉江段，Cu的濃度大體表現為1992年>2015年>2007年；而在船埠村至沙河大橋段，Cu濃度則呈現為2015年>1992年>2007年的規律，且3個不同的年份均在此段呈現下降趨勢。

2.1.2 積累性變化

由表3可知，南流江河岸帶土壤Cd、Pb、Cu、Zn濃度，2015年總體均值較2007年增長明顯(因1992年數值作為地區性背景調查值與1990年相近，個別元素較后者微高，故此不考察積累程度)。通過積累倍數計算發現，截止2015年，4種元素均有不同程度的富集狀況發生，積累倍數為Cd>Pb>Zn>Cu。

4種元素除Cd外，積累倍數均在3倍以下；但是，從重金屬超過背景值的位點數比例來看，2015年超背景值位點數比例在40.0%到100.0%不等，而且較2007年均有所增長。超背景值位點數比例的變化表明，南流江河岸帶重金屬污染位點數量有所增多，污染趨于普遍性。除了全部位點超背景值外，Cd在積累程度上亦發生了從無到有的質變，意味著2007年以來全流域Cd濃度增長普遍，增長比例高，這種污染態勢應當引起重視。

2.2 土壤環境質量分析

2.2.1 重金屬污染評價

根據2015年的實際采樣檢測結果，結合單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數計算可知(見表4)，南流江全流域河岸帶土壤Cd污染均處于重度污染水平，表明土壤環境污染已相當嚴重，且有很大可能已延及地面作物。各位點土壤中Pb、Cu、Zn的污染等級均處于3級(輕度污染)水平及以下，說明其所處污染程度尚輕、土壤環境還相對清潔。雖然4種元素中的3種單獨對應的污染等級都不高，但是由于Cd污染嚴重，導致內梅羅綜合污染指數居高不下，這也是除漢水村外幾乎所有位點綜合污染程度都處在5級(重度)污染水平的主要原因。由此也可以看出，內梅羅綜合污染指數突出地反映了重金屬極值濃度對土壤環境質量的影響。

在2.1.1部分分析可知，重金屬在空間變化上隨著水流向大體呈現下降趨勢。結合表5各重金屬污染土壤位點的污染等級數量占比可以看出，雖然上游(六洋水庫—雍菜壩)、下游(江口大橋—入海口)間不同污染等級位點數量較相近，但2級(警戒)水平及以上等級在上游段出現的比例相對多一點；下游段則多為2級以下等級。由此說明污染相對較重的位點多集中在上游，下游位點土壤環境相對更清潔。

表3 河岸帶重金屬均值與積累倍數1)

注：1)“/”表示檢測值未超過對應的背景值。

表4 HJ/T 332—2006限值為標準的各位點污染等級

表5 各污染等級位點數量比例1)

注：1)*為上游(六洋水庫—雍菜壩)位點污染等級比例，**為下游(江口大橋—入海口)位點污染等級數量比例， 未標注*或**的數值為上下游相應等級超標比例總和。

表6 河岸帶土壤環境潛在生態風險等級

2.2.2 潛在生態風險評價

由各位點重金屬元素單項潛在生態風險指數、綜合潛在生態風險指數計算結果(見表6)可知，重金屬Cd對全流域位點土壤環境均具有極強的潛在危害性，而Pb、Cu、Zn則相對輕微；各元素對河岸帶土壤環境的潛在危害作用為Cd>Pb>Cu>Zn；從綜合潛在生態風險指數來看，流域土壤環境整體上存在極強等級的重金屬污染潛在生態風險。

Cd的單項潛在生態風險指數遠高于其他幾種元素，說明南流江河岸帶土壤環境的潛在生態危害作用絕大程度上是由Cd污染造成。這說明：一方面，相對于其他元素，Cd的高濃度、高毒性響應系數是造成嚴重污染并導致高生態風險的關鍵；另一方面，雖然Pb、Cu、Zn等元素也顯示出一定的生態危害性，但是很容易被Cd掩蔽，從而導致土壤綜合潛在生態風險等級與Cd的單項潛在生態風險等級等同或近似。綜上可知，南流江河岸帶重金屬污染治理研究和風險管控工作應將Cd作為重點，同時關注Pb、Cu、Zn等元素的污染狀況。

3 結 論

(1) 各位點重金屬元素濃度，在空間上沿水流向順序大致呈下降趨勢，在年際變化上則大部分位點呈現出上升趨勢，其中以Cd、Zn最為典型。各元素均有不同程度的超出HJ/T 332—2006限值情況，積累程度為Cd>Pb>Zn>Cu。

(2) 整體上，全流域河岸帶土壤處于重度污染水平。單一元素而言，Pb、Cu、Zn在各位點均處于輕度污染水平及以下，Cd卻呈現重度污染；較重污染多集中在六洋水庫至雍菜壩段。

(3) 南流江河岸帶土壤環境整體上存在極強等級的潛在生態風險。其中，Cd對全流域位點土壤環境均具有極強的潛在危害性，而Pb、Cu、Zn潛在危害輕微；各元素對土壤環境的潛在危害作用程度為Cd>Pb>Cu>Zn。

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SpatialandtemporaldistributionofheavymetalsinriparianzoneandsoilenvironmentalqualityanalysisCHENGang1,2，ZHAOYinjun1,HUBaoqing1,YANGJinmei2,HUANGYuying1.

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf

(GuangxiTeachersEducationUniversity),MinistryofEducation,NanningGuangxi530001;2.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,WeifangUniversity,WeifangShandong261061)

陳 剛，男，1981年生，博士，講師，主要從事土壤污染控制研究。#

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*國家自然科學基金資助項目(No.41661085)；北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室系統開放基金資助(No.2014BGERLKF03)；廣西自然科學基金資助項目(No.2016GXNSFAA380011)；濰坊市科學技術發展計劃項目(No.2015GX004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.011

2016-12-01)