五臺山土壤重金屬污染及潛在生態風險評價*

王丹丹 鄭慶榮# 侯艷軍 勾朝陽 張永清

(1.山西師范大學地理科學學院，山西 臨汾 041000；2.忻州師范學院地理系，山西 忻州 034000)

五臺山土壤重金屬污染及潛在生態風險評價*

王丹丹1，2鄭慶榮1，2#侯艷軍2勾朝陽2張永清1

(1.山西師范大學地理科學學院，山西 臨汾 041000；2.忻州師范學院地理系，山西 忻州 034000)

為全面了解五臺山地區土壤重金屬的污染狀況，利用電感耦合等離子體質譜法對五臺山臺頂和北部山區3條河流的49個土壤樣品進行測試，運用地積累指數和潛在生態危害指數開展污染評估和生態風險評價，并通過相關性分析方法探究污染來源。結果表明：(1)臺頂土壤重金屬富集相對較少，山區富集較明顯；山區農田重金屬含量高于河漫灘。重金屬高值區主要出現在中部羊眼河流域。(2)地積累指數表明，臺頂重金屬污染整體輕微，山區重金屬污染受礦產開采活動影響明顯。Hg在臺頂和山區污染均較嚴重。(3)生態風險評價表明，臺頂和山區均受到土壤重金屬的威脅。Hg是主要生態風險貢獻因子。(4)相關性分析表明，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產物外，其余4種均與礦產資源的開發利用有關，其中Hg受金礦開采影響明顯。

重金屬污染 潛在生態風險 五臺山

隨著礦產資源開采力度的加大，大量的礦產廢棄物被排放到環境中，重金屬作為潛在危害的污染物，在土壤中大量積累，造成嚴重的土壤污染。國內外學者對土壤重金屬的污染狀況及生態風險評價進行了大量的研究[1-8]。地積累指數法、潛在生態危害指數法和相關性分析在土壤重金屬污染、生態風險評價和來源分析中廣泛應用。TEIXEIRA等[9]對巴西煤礦區河流底部沉積物重金屬污染狀況進行分析。呂書叢等[10]研究認為，海河流域沉積物中的4種重金屬元素具有相似的來源；潛在生態危害指數評價表明，Cd為主要污染因子，海河流域為輕微生態風險。賈亞琪等[11]474-479采用潛在生態危害指數法對煤礦區進行研究，結果表明，Cd、Hg是主要的生態風險貢獻因子，且農田區為強生態危害水平；相關性分析認為，三廢排放是造成Cd、Cu、Ni、Zn污染的主要來源。本研究采用地積累指數法、潛在生態危害指數和相關性分析對五臺山土壤重金屬的生態風險和來源進行多角度分析，為五臺山生態環境的保護提供科學依據。

1 樣品采集與測試

1.1 采樣區域選擇與采樣點布置

五臺山地處山西省東北部，隸屬忻州市管轄，位于38°50′N～39°15′N、113°15′E～114°0′E，地處太行山系的北端，由一系列大山和群峰組成，最高處北臺頂3 061 m，號稱“華北屋脊”。五臺山區地形復雜，高差懸殊。以5個臺頂為主的山地屬于剝蝕構造的斷塊高中山地，呈北東向斜列[12]。臺頂為古夷平面，海拔高且地面平坦，受人類活動干擾較?。槐辈可絽^及滹沱河兩岸地勢起伏不平，受峨河、羊眼河和青羊河流水沖刷嚴重，分布有大量的鐵礦、金礦、鉬礦等礦產資源，峨河流域鐵礦業集中分布在中下游，羊眼河流域中游鐵礦、金礦分布較集中，青羊河流域上游鐵礦集中分布。本研究選擇臺頂和礦產資源集中開發的北部山區為研究區域，通過對比分析，研究五臺山土壤中重金屬的污染程度及生態風險。

1.2 樣品采集與前處理

土壤樣品的采集主要分布于五臺山臺頂和北部山區，共采土樣49個。臺頂選擇距離道路和寺廟50 m外平坦區進行布點，采集表層0～20 cm土壤，共采土樣17個；山區選擇礦產集中分布的峨河、羊眼河和青羊河3條流域進行布點，考慮到水力和風力作用的不同影響，采樣點布設于河漫灘和沿岸農田，從上游采礦影響區開始順流而下依次布點，共設采樣點16處，采集土樣32個，用手持全球定位系統(GPS)儀定位。河漫灘選取1 m×1 m的較平整樣地，用木勺采集地表0～20 cm表層土壤。農田選取10 m×10 m的平整地塊，用梅花形布點法采集5個樣品，用四分取樣法混合形成一個土樣，用聚乙烯自封塑料袋封裝，登記編碼。所有土壤樣品在實驗室內自然風干，撿除其中的植物殘體和石塊，磨碎過100目篩，取100 g保存于封口袋中備用。

1.3 測試方法與結果

土壤樣品消解采用酸溶法，其中Cr、Cd、Pb采用HF、HCl、HNO3、HClO4消解，As、Hg采用王水消解。本次測試采用電感耦合等離子體質譜法進行，載氣環境采用穩定的氬氣[13]。電感耦合等離子體質譜法可迅速檢測樣品中的多種元素，具有檢出限低、干擾少、線性范圍寬等優點而被廣泛使用[14]。

2 結果分析與討論

2.1 五臺山區土壤重金屬富集和空間分布特征

采用SPSS 17.0和ArcGIS 10.2對五臺山臺頂和山區土壤重金屬含量進行統計和空間分析。由表1可知，臺頂土壤呈中性偏酸，山區土壤為堿性。臺頂Pb和Hg富集明顯，超過五臺山和山西土壤背景值，Cr、Cd、As富集不明顯，未超過土壤背景值；與《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)二級標準相比，Hg超標，其余均未超標。山區5種重金屬均超過土壤背景值；與GB 15618—1995二級標準相比，只有As、Hg超標。總體上，臺頂土壤重金屬富集較少，山區富集較明顯；山區農田重金屬含量高于河漫灘。

從圖1可知，Cd、Pb、As的空間分布趨勢基本一致，由中間向東西兩側遞減，高值區集中分布在中部羊眼河流域。羊眼河流域上游污染較輕，中游礦區集中，受采掘場、洗礦污水、排污渠等人為因素影響，污染較嚴重；西部峨河流域受礦區影響較小，東部青羊河由于受地形和風力的影響自上游到中游污染逐漸加重。Cr高值主要分布在東部的青羊河，由東向西遞減，說明Cr受鐵礦開采和生活活動有關。Hg的污染較嚴重，主要集中在人為活動開采較強烈的金礦、鐵礦開采區域和尾礦堆放區的中東部羊眼河、青羊河和東南部的臺頂區域，北部地區金礦的開采中混汞法的大量使用以及廢礦排放是Hg污染的主要來源?？傮w上，重金屬高值區主要出現在中部羊眼河流域，其次為青羊河、峨河。Hg在臺頂和山區均嚴重富集，是污染的主要因素。

2.2 地積累指數法污染評價

地積累指數法由MULLER[17]提出，在重金屬污染評價中廣泛使用。其計算公式如下：

Igeo=log2(Ci/1.5Bi)

(1)

式中：Igeo為地積累指數；Ci、Bi分別為重金屬元素i的實測值、環境背景值，mg/kg。

將臺頂和山區實測值代入式(1)，計算出五臺山土壤重金屬元素地積累指數，并根據表2[18]進行劃分，結果見表3。臺頂Hg是主要的污染元素，為嚴重污染；Pb為偏中度污染；Cr、Cd、As為清潔；空間上污染程度總體依次為北臺>西臺>中臺>東臺>南臺。山區Hg污染嚴重，集中分布于羊眼河和青羊河，峨河為清潔；Cd、Pb在羊眼河為中度污染，青羊河輕度污染，峨河為清潔；As、Cr污染程度較??；空間上污染程度總體依次為羊眼河>青羊河>峨河。

由地積累指數法評價可知，臺頂重金屬污染整體輕微，其中Hg受人為活動影響較強烈；山區重金屬污染受礦產開采活動影響明顯。Hg在臺頂和山區污染均較嚴重，反映了Hg污染的廣泛性。

表1 五臺山區重金屬分析

注：1)各重金屬元素單位均為mg/kg。

2.3 生態風險評價

HAKANSON[19]提出了潛在生態危害指數法，從重金屬元素的性質、遷移、轉化及沉積等行為特點進行污染評價。其計算公式為：

Cfi=Ci/Cni

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Cfi為重金屬元素i的單項污染系數；Cni為重金屬元素i的參比值，mg/kg，具體見表4[11]476-477；Eri為重金屬元素i的單項潛在生態危害系數；Tri為重金屬元素i的毒性系數，具體見表4[11]476-477；RI為綜合生態危害指數。

根據單項污染系數可將污染程度分為4個等級：Cfi<1為輕微污染；1≤Cfi<3為中等污染；3≤Cfi<6為強污染；Cfi≥6為很強污染。根據單項潛在生態危害系數可分為5個等級：Eri<40為輕微生態危害；40≤Eri<80為中等生態危害；80≤Eri<160為強生態危害；160≤Eri<320為很強生態危害；Eri≥320為極強生態危害。根據綜合生態危害指數可分為4個等級：RI<150為輕微危害；150≤RI<300為中等危害；300≤RI<600為強危害；RI≥600為很強危害。

從表5可知：(1)根據單項污染系數，臺頂Hg達到很強污染等級，平均單項污染系數為349.24，最大值413.21位于北臺；Pb為強污染等級，最大值位于中臺；Cr、Cd、As均為輕微污染等級；重金屬的污染程度依次為Hg>Pb>Cd>Cr>As。(2)根據單項潛在生態危害系數，Hg(極強生態危害)>Cd、Pb、Cr、As(輕微生態危害)。(3)根據綜合生態危害指數，臺頂達到很強危害等級，依次為北臺>西臺>中臺>東臺>南臺。

圖1 土壤重金屬質量濃度空間分布Fig.1 Spatial distribution of heavy metals in soil

Igeo級別污染程度<00清潔0～<11輕度污染1～<22偏中度污染2～<33中度污染3～<44偏重污染4～<55重污染≥56嚴重污染

表3 五臺山土壤重金屬元素地積累指數與級別

表4 重金屬元素參比值及毒性系數

表5 五臺山土壤重金屬污染系數及潛在生態危害指數

山區單項污染系數依次為Hg>As>Cd>Pb>Cr；單項潛在生態危害系數依次為Hg(極強生態危害)>Cd(強生態危害)>As(中等生態危害)>Cr、Pb(輕微生態危害)；綜合生態危害指數依次為羊眼河>青羊河>峨河。

綜合對比分析可知，五臺山臺頂和山區土壤重金屬的潛在生態危害均為很強危害等級，表明臺頂和山區均受到來自土壤重金屬污染的威脅。Hg是五臺山主要的生態風險貢獻因子，是造成土壤環境污染的主要因素。

2.4 相關性與成因分析

采用SPSS 17.0中Pearson相關性分析對五臺山土壤中重金屬元素間的關系進行分析，結果見表6。Pb與Cd、As與Cd、As與Pb、Hg與Pb呈顯著性正相關，由此可推斷，Cd、Pb、As、Hg的來源相似，由相同的事件引起。結合五臺山地區大規模采礦活動的歷史和現狀，推斷這4種重金屬元素的富集和污染是由人類采礦活動所引起的。Cr與各重金屬元素的相關性系數總體較小，且Cr的實測值低于背景值，推斷其來源于自然界，基本反映土壤母質及其風化產物的累積過程。

表6 土壤中重金屬元素間的相關性分析1)

注：1)**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

從五臺山區采礦活動的歷史與現狀來看，該區是多種金屬礦產資源的集中分布區，尤以鐵礦和金礦的開采較普遍。北麓南岸3條流域均有鐵礦礦山和選礦場分布，滹沱河谷北岸砂河鎮附近出現過大規模的金礦群采群選過程，這種以混汞法提金的工藝，Hg回收較難，大量的Hg排放到環境中，而Hg具有易揮發性和長距離的遷移運輸性，影響范圍廣，臺頂Hg污染嚴重與此有極大關系。綜上所述，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產物外，其余4種均與礦產資源的開發利用有關，其中Hg受金礦開采影響明顯。

3 結 論

(1) 臺頂土壤重金屬富集相對較少，山區富集較明顯；山區農田重金屬含量高于河漫灘。重金屬高值區主要出現在中部羊眼河流域，其次為青羊河、峨河。Hg在臺頂和山區均嚴重富集，是污染的主要因素。

(2) 地積累指數表明，臺頂重金屬污染整體輕微，山區重金屬污染受礦產開采活動影響明顯。Hg在臺頂和山區污染均較嚴重。

(3) 生態風險評價表明，臺頂和山區均受到土壤重金屬的威脅。Hg是主要生態風險貢獻因子。

(4) 相關性分析表明，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產物外，其余4種均與礦產資源的開發利用有關，其中Hg受金礦開采影響明顯。

(致謝：感謝國土資源部太原礦產資源監督檢測中心的趙春光高級工程師、李建新主任對本研究樣品測試的幫助。)

[1] 袁新田，張春麗.宿州市礦區與耕地土壤重金屬含量及其潛在生態風險評價[J].土壤通報，2013，44(1)：232-235.

[2] 肖晶，李秋華，孫榮國，等.百花水庫消落帶及庫岸土壤重金屬空間分布和風險評價[J].環境污染與防治，2016，38(11)：31-37.

[3] MANTA D S，ANGLONE M，BELLANCA A，et al.Heavy metals in urban soils：a case study from the city of Palermo(sicily)，Italy[J].Science of the Total Environment，2002，300(1/2/3)：229-243.

[4] MORTON BERMEA O，HERNNDEZLVAREZ E，GONZLEZ HERNNDEZ G，et al.Assessment of heavy metal pollution in urban topsoils from the metropolitan area of Mexico City[J].Journal of Geochemical Exploration，2009，101(3)：218-224.

[5] 寧翠萍，李國琛，王顏紅，等.細河流域農田土壤重金屬污染評價及來源解析[J].農業環境科學學報，2017，36(3)：487-495.

[6] 黃哲，曲世華，白嵐，等.包頭城區土壤重金屬空間分布特征及污染評價[J].環境工程，2017，35(5)：149-153.

[7] 黃小娟，江長勝.重慶溶溪錳礦區土壤重金屬污染評價及植物吸收特征[J].生態學報，2014，34(15)：4201-4211.

[8] 賈趙恒，羅瑤，沈友剛，等.大冶龍角山礦區農田土壤重金屬形態分布及其來源[J].農業環境科學學報，2017，36(2)：264-271.

[9] TEIXEIRA E C，ORTIZL S，ALVES M F C，et al.Distribution of selected heavy metals in fluvial sediments of coal miningregion of Baixo Jacui，R S，Brazil[J].Environmental Geology，2001，41(1)：145-154.

[10] 呂書叢，張洪.海河流域主要河口區域沉積物中重金屬空間分異及生態風險評價[J].環境科學，2013，34(11)：4204-4210.

[11] 賈亞琪，程志飛.煤礦區周邊農田土壤重金屬積累特征及生態風險評價[J].土壤通報，2016，47(2).

[12] 鄭慶榮.五臺山及其鄰區陸殼演化特征研究[M].太原：山西人民出版社，2015.

[13] 王述偉，趙燕芳.電感耦合等離子體質譜法在重金屬分析中的應用[J].中國環境管理干部學院學報，2015，25(5)：51-54.

[14] 加那爾別克·西里甫汗.電感耦合等離子體質譜法在土壤環境監測中的應用及進展[J].環境化學，2011，30(10)：1799-1804.

[15] 馬大羽.五臺山土壤環境背景值研究[J].中國環境監測，1986，2(3)：40-42.

[16] 史崇文.山西土壤元素背景值及其特征[J].華北地質礦產志，1994，9(2)：188-196.

[17] MULLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River[J].Geojournal，1969，2(3)：108-118.

[18] MARTIN C W.Heavy metal trends in floodplain sedments and valley fill，rive Lahn，Germany[J].Catena，2000，39(1)：53-68.

[19] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach[J].Water Research，1980，14(8)：975-1001.

PollutioncharacteristicsandpotentialecologicalriskassessmentofheavymetalsinsoilofMountWutai

WANGDandan1，2，ZHENGQingrong1，2，HOUYanjun2，GOUChaoyang2，ZHANGYongqing1.

(1.CollegeofGeographicalScience，ShanxiNormalUniversity，LinfenShanxi041000；2.DepartmentofGeography，XinzhouTeachersUniversity，XinzhouShanxi034000)

In order to understand the pollution of soil heavy metal in Wutai mountain areas，the 49 soil samples collected from the top of Mount Wutai and the northern foot of Mount Wutai，and measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The pollution index and ecological risk assessment were analyzed by the method of index of geo accumulation and potential ecological risk index，and the correlation coefficient between elements was analyzed by Pearson correlation coefficient to analyze the source of pollution. Results showed：(1) the soil heavy metal concentration of top was less enriched，and that of northern was obviously enriched. The farmland was higher than the flood plain and the high-value region was mainly distributed in the central Yangyan river basin. (2) The accumulation index indicated that the heavy metal pollution of the top mountain was slighted and in mountain area was obviously affected by mining activitives. Hg element pollution was more serious in the top and mountain areas. (3) Potential ecological risk showed that both the top of the mountain and the mountain area were threatened by the pollution of heavy metals in the soil. Hg was the main ecological risk factor in the top of the mountain. (4) Correlation analysis showed that the sources of Cr was natural products，and the other four heavy metals were all related to the exploitation and utilization of mineral resources. Hg was obviously affected by gold mining.

heavy metal pollution; potential ecological risk; Mount Wutai

王丹丹，女，1991年生，碩士研究生，研究方向為資源開發與環境保護。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.31571604)；忻州師范學院青年基金資助項目(No.QN201404)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.009

2017-06-19)