皖南山區土壤重金屬污染及潛在生態風險評價

李春輝 孔祥科 韓占濤 趙貴章 陳南祥

摘要 [目的]評價皖南山區土壤重金屬污染及潛在生態風險。 [方法]以池州市西南部山區為研究區，布設和采集0～20 cm土層土壤樣品1 524組，測定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn元素的含量。在計算研究區各元素背景值基礎上，采用單因子指數法、內梅羅綜合指數法和潛在生態風險指數法對土壤重金屬污染特征和潛在生態風險進行評價，并應用Kriging空間插值法分析土壤重金屬污染和生態風險空間分布特征。[結果]土壤中8種重金屬含量的平均值均超過了背景值，表明土壤中各項重金屬均有不同程度的富集，其中As和Cd含量為土壤背景值的1.41倍。土壤中各項重金屬元素單因子指數平均值表現為Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb，Cd屬于輕度污染等級，其他元素屬于無污染等級。內梅羅綜合指數平均值為1.0 超過了警戒線，處于輕度污染等級。土壤綜合潛在生態風險指數（RI）平均值為122.65，表現為輕微潛在生態風險，其中輕微、中等、強及極強潛在生態風險程度的比例占81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，Cd和Hg是造成局部區域潛在生態風險等級較高的主要影響元素。[結論]該研究為當地土壤環境安全及污染防治等提供科學依據。

關鍵詞 土壤;重金屬;背景值;污染評價;潛在生態風險

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）34-0105-06

隨著社會經濟的快速發展，人類活動造成的土壤重金屬污染問題日益突出。重金屬污染具有隱蔽性強、持久性長、危害性大等特點[1-2]。重金屬污染不僅會引起土壤的結構和功能發生變化，影響農產品質量，還可能經食物鏈對人體健康產生危害[3]。近年來，我國“鎘米”“砷毒”及“血鉛”等事件相繼曝光，土壤重金屬污染已成為土壤污染中備受關注的公共問題之一[4]。因此，開展土壤重金屬污染和潛在生態風險評價對土壤的保護及管理利用具有重要意義。

目前，區域土壤重金屬污染評價方法主要有單因子指數法、內梅羅綜合指數法及潛在生態風險指數法[5-9]。單因子指數法能夠較直觀地反映環境中各項污染指標的污染程度，內梅羅綜合指數法可以全面反映各重金屬的綜合污染水平，潛在生態風險指數法可定量評價重金屬對生態環境的危害程度。我國土壤重金屬空間異質性強，尤其是山區，即便縣域尺度內土壤重金屬背景值和累積情況也存在較大差異[10]。復雜的地質背景往往引起區域土壤重金屬背景含量較高，若僅是采用大區域或全國尺度的元素背景值做參比，會不可避免地造成污染評價結果出現偏差，而實際上高背景重金屬含量對山區生態環境的影響可能并不顯著。因此，針對山區土壤重金屬污染和潛在生態風險研究，需要在該地區元素背景值計算基礎上，結合研究區地質背景分析及土地利用調查，再綜合利用以上評價方法進行科學分析。

池州市是皖南典型的山區城市，所轄各縣地質背景和土壤類型差異較大，土地資源種類繁多。近年來，隨著工農業發展和金屬礦產開發，該地區土壤面臨巨大的重金屬污染風險，而目前對于該地區土壤中重金屬含量、分布以及污染狀況尚不清晰[11-12]。筆者依托于中國地質調查局地質調查項目《淮河皖江經濟區土地質量地球化學調查》，首次以池州市西南部生態山區為研究區，按照1∶25萬調查精度采集表層0～20 cm深度土壤樣品，并測定8種重金屬（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）的含量。在求取不同元素背景值的基礎上，采用單因子指數法、內梅羅綜合指數法和潛在生態風險指數法，對土壤中重金屬的含量及空間分布、污染程度和生態環境風險進行研究，并結合區域地質背景、土壤母質及土地利用現狀對污染成因和潛在生態風險進行分析，以期為當地土壤環境安全及污染防治等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于安徽省西南部，行政區劃隸屬于池州市管轄（圖1），包括東至縣、石臺縣、貴池區和青陽縣，地理坐標：116°39′～118°06′E，29°34′～30°40′N。研究區面積約為6 085 km 土地利用類型以林地和農用地（水田和旱地）為主，其中林地面積約為2 752 km 農用地面積約為2 531 km 其他用地面積約為802 km2。地貌以山地為主，地形東高西低，自東向西地貌類型由中山、低山漸變為丘陵。研究區屬北亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均氣溫16.5 °C，年均降水量1 400～2 200 mm。境內主要河流有秋浦河、黃湓河和龍泉河。土壤類型包括粗骨土、紅壤、黑色石灰土、黃壤、普通準紅壤和水稻土。種植作物主要有水稻、玉米、茶和經濟林。研究區內礦產資源比較豐富，包括鉛、鋅、銅、錳、銀、金、硫鐵、鉬、鎢、石灰石、白云石、方解石、花崗巖等。礦種產地分布較集中，其中煤炭主要分布在貴池區的殷匯—涓橋一帶;鐵錳及多金屬礦產主要分布在貴池區和青陽縣境內;白云巖和方解石主要分布在青陽縣及貴池區。

1.2 樣品布設與采集

采樣點布設依據《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295—2016）要求，采用雙層網格化布局，按照4 km2（2 km×2 km）為一個采樣單元（大格），每一大格再劃分為4個1 km2采樣小格（1 km×1 km）均勻布設采樣點。采樣點布局兼顧均勻性和合理性，并保證樣點位于小格內主要土壤類型和成土母質區。采樣深度為0～20 cm，采樣時在采集小格中間部位100 m范圍內3處地點等量采集土壤子樣組合成1件樣品，樣品混合均勻后裝入布袋，同時用GPS對采樣點高程和坐標進行精準記錄。采集的土壤樣品自然干燥后剔除雜質和礫石，用木錘適當敲打并捶碎，過20目尼龍篩，最后按照單元大格等量將采集的4個小格樣品均勻組合成一組分析樣品進行測試（共1 524組）。樣品加工過程嚴格防止土樣污染。

1.3 測試項目與方法

樣品測試分析由國土資源部合肥礦產資源監督檢測中心完成，測試項目包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Hg、Pb和Zn元素。各分析方法的檢出限、精密度和準確度滿足《多目標區域地球化學調查規范（1：250000）》（DZ/T 0258—2014）要求。其中As和Hg用王水溶解后，采用原子熒光光譜法分析;Cd、Cu和Ni用HCl-HNO3-HF-HClO4溶解后，Cd采用電感耦合等離子質譜法分析，Cu和Ni采用電感耦合等離子體發射光譜法分析;Cr、Pb和Zn用粉末壓片法處理后，采用X熒光光譜法分析;pH采用電位法測試。

1.4 數據處理

土壤背景值統計方法依據中國地質調查局下發的《土壤地球化學基準值與背景值研究若干要求》，結合魏復盛等[13]對地球化學背景值的研究，并參照其他省市土壤地球化學背景值計算方法[14-15]，采用土地質量地球化學調查與評價數據管理與維護（應用）子系統軟件，對表層土壤重金屬元素數據按算術平均值加減3倍的標準離差進行剔除，將剔除離群數據后的算術平均值作為地球化學背景值，并用SPSS 20.0進行正態分布檢驗，確定研究區土壤中重金屬元素的背景值。

采用Excel 2016對單因子指數、內梅羅綜合指數和潛在生態風險指數進行計算。利用ArcGIS 10.2軟件進行Kriging空間最優無偏插值和空間分布圖的繪制。

1.5 土壤重金屬污染評價方法

1.5.1 污染指數法。

單因子污染指數計算公式：

內梅羅綜合污染指數計算公式：

1.5.2 潛在生態風險指數法。

潛在生態風險指數法是著名地球化學家Hakanson根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出的對土壤或沉積物中土壤重金屬污染進行評價的方法[18]。該方法結合了環境科學、生態學、生物毒理學等多學科理論，定量計算每種重金屬元素的潛在危害程度，被廣泛應用于環境風險評價中。其計算公式：

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

研究區表層1 524組土壤中重金屬含量統計結果見表3。由表3可知，研究區土壤pH平均為5.7（酸性），土壤pH小于6.5、6.5～7.5和大于7.5的樣品組數分別占總樣品組數的82.94%、12.40%和4.66%。重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值分別為17.10、0.35、62.87、29.93、0.093、29.00、37.65、95.06 mg/kg，與全國土壤中相應重金屬元素背景值相比，Cr的背景值與其近似一致，其他7種重金屬元素背景值均高于全國值。同時，8種重金屬含量也均高于研究區土壤背景值，表明這8種重金屬在人類活動的影響下均出現不同程度的富集[22-24]。其中As和Cd富集明顯，均為土壤背景值的1.41倍。

變異系數能反映重金屬含量在各采樣點分布狀況[24-25]。研究區土壤pH變異系數為0.14，說明研究區內土壤理化性質較穩定。土壤中重金屬As、Cd、Cu、Hg和Pb的變異系數分別為1.29、1.80、0.88、1.15和1.03，均大于0.50，說明研究區這些重金屬含量在空間分布不均勻，可能出現了局部的點源污染。

2.2 土壤重金屬污染指數分布特征

采用單因子指數法對土壤重金屬污染進行分析，結果見表4。由表4可知，土壤中各項重金屬元素單因子指數平均值從大到小依次為Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb。Cd單項指數平均值屬于輕度污染等級，其他重金屬單項指數平均值屬于無污染等級。從各項重金屬元素不同級別樣點數所占比例和污染比例看，Cd污染比例最高，為32.22%，其中輕度、中度和重度污染樣點所占比例分別為21.98%、5.71%和4.53%。As、Ni和Cu的污染比例也分別達12.07%、9.06%和4.27%，其他元素對土壤污染的樣點數比例非常低?？傮w上大部分重金屬元素對土壤污染表現不明顯，但一些采樣點重金屬的單因子指數較高，表明局部地區土壤中各項重金屬對土壤存在不同程度的污染。

由于Cr、Hg、Zn僅在局部采樣點被評價為污染，因此僅對As、Cd、Cu和Ni的單項污染及綜合污染等級空間分布進行分析。由圖2可知，4種重金屬的單項污染指數反映的土壤環境風險空間分布格局各不相同。Cd是污染程度和污染面積最大的元素，表現出區域性污染特征，污染區域主要分布在貴池區和石臺縣，在東至縣和青陽縣也存在小面積的污染區域，各縣均出現面積大小不一的中度和重度污染區域;As污染區主要呈島狀分布，東至縣東部、貴池區西南部和青陽縣東部呈輕度及中度污染態勢，東至縣東北部存在面積相對較大的重度污染區;Ni污染區的污染級別幾乎全部為輕度污染，主要分布在石臺縣。Cu僅在局部出現小面積輕度污染。

研究區土壤重金屬內梅羅綜合指數平均值為1.0 超過了警戒線，屬于輕度污染等級，土壤安全、警戒線、輕度、中度和重度污染樣點的比例分別為50.72%、23.56%、17.98%、4.00%和3.74%，污染樣點的比例為25.72%。對比單項和綜合污染指數空間分布圖可知，As和Cd的單項指數污染評價劃分區域與綜合污染評價結果高度一致，中度、重度污染區域包含在As和Cd的中度、重度污染區域內，警戒線區域包含As和Cd的輕度污染區域。As和Cd是造成局部區域污染指數等級較高的主要影響元素。

2.3 土壤重金屬潛在生態風險指數分布特征

以研究區土壤元素的背景值做參比（表3），計算土壤重金屬單因子潛在生態風險指數，結果見表5。由表5可知，土壤中各項重金屬元素值從大到小依次為Hg>Cd>As>Pb>Cr>Ni>Cu>Zn，研究區土壤中不同重金屬元素對土壤潛在生態風險程度存在一定差異。Cd和Hg元素達中等潛在生態風險程度，其余6種重金屬表現為輕微潛在生態風險。從潛在生態風險指數最大值看，在局部采樣點位，Hg和Cd達到極強潛在生態風險程度，As和Pb達到很強潛在生態風險程度，Cr達到強潛在生態風險程度，Ni、Cu和Zn的最大值均未超過40，表現為輕微潛在生態風險。從各級樣點所占比例看，8種重金屬的潛在生態風險均以輕微程度為主，但Hg和Cd達到中等潛在生態風險的采樣點比例分別為41.31%和20.52%，也有一定比例的強—極強潛在生態風險的采樣點。總體來看，Cd和Hg潛在生態風險比較大，As在一些采樣點也表現出較大潛在的生態風險。研究區土壤重金屬RI平均值為122.65，表現為輕微潛在生態風險。輕微、中等、強、極強潛在生態風險程度的比例分別為81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，整體上處于輕微和中等程度的潛在生態風險。

由于僅極個別采樣點中Cr和Pb呈中等或中等以上潛在生態風險，且Cr、Cu和Zn表現為輕微潛在生態風險，因此僅分析As、Cd和Hg這3種較大潛在生態風險元素的單項和綜合潛在生態風險等級分布。由圖3可知，Hg達到中等及以上潛在生態影響的區域面積最大、分布范圍最廣，這與其毒性響應系數最大有關，但主要以中等程度的潛在風險區域為主。Cd的潛在生態風險僅次于Hg，接近10%研究區達到強—極強程度的潛在生態風險。As的潛在生態風險相對Hg和Cd較小，僅局部區域存在中等—強程度的潛在風險。由綜合潛在生態風險等級分布特征可知，重金屬中等程度潛在生態風險區域主要呈島狀和點狀分布，在局部存在斑點狀分布的高值區，分布于青陽縣的東部、貴池區的南部、石臺縣的西南部以及東至縣周邊及北部，重金屬對這些區域土壤存在重和嚴重的潛在生態影響。對比分析土壤重金屬單項和綜合潛在生態風險指數等級及分布特征，影響區域土壤重金屬潛在生態風險的主要元素為Cd和Hg。

2.4 土壤重金屬污染成因分析

Cd是研究區最主要的污染物之一，在評價中對內梅羅綜合污染指數和綜合潛在生態風險指數的貢獻非常大。對研究區不同成土母質土壤中Cd含量統計分析發現，碎屑巖和碳酸鹽巖不僅為區內主要成土母質（分別占全區土壤總面積的20%和27%），且其Cd的平均含量分別達0.424和0.509 mg/kg，均超過了研究區土壤中Cd含量的平均值0.35 mg/kg。其中，碳酸鹽巖區土壤單因子指數超標樣點數、中等及以上等級潛在生態風險樣點數分別占總采樣點數的62.13%和59.95%。碎屑巖區土壤單因子指數超標樣點數、中等及以上等級潛在生態風險樣點數分別占總采樣點數的31.16%和66.44%，這表明研究區土壤Cd含量分布與受地質背景控制的成土母質密切相關。另外，雖然研究區內土壤幾乎不存在Hg污染，但由于Hg具有極高的生態毒性[2]，因此導致Hg含量較高區域的潛在生態風險評價等級為中等程度。野外調查發現，在東至縣東北部、貴池區西南部和青陽縣東部土壤中Cd、As和Cu中度和重度污染區均存在礦區的分布，表明礦山開采等人類活動可能對以上元素含量增加產生影響。因此，研究區土壤重金屬污染受地球化學成因和人類活動的共同影響，總體上不同巖石類型風化物發育的土壤，其地球化學組分保留了部分原成土母質特有元素的含量特征，但研究區內礦石的開采、加工和冶煉等人類活動是造成局部區域重金屬含量異常的重要因素。

3 結論

（1）研究區土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量平均值分別為17.10、0.35、62.87、29.93、0.093、29.00、37.65、95.06 mg/kg，均高于土壤背景值，表明土壤中各重金屬有不同程度的富集，其中As和Cd富集最為明顯，均為土壤背景值的1.41倍。

（2）研究區土壤中各重金屬元素單因子指數平均值表現為Cd>Ni>As>Cu>Zn>Cr>Hg>Pb。Cd屬于輕度污染等級，其他重金屬屬于無污染等級。Cd、As和Ni的單因子指數較高，污染面積和污染程度較高。內梅羅綜合指數平均值為10 超過了警戒線，處于輕度污染等級，Cd和As為內梅羅綜合指數主要貢獻元素。

（3）研究區土壤輕微、中等、強、極強潛在生態風險程度的比例分別為81.44%、15.41%、2.56%和0.59%，整體上處于輕微和中等程度的潛在生態風險程度。Cd和Hg是造成局部區域潛在生態風險等級較高的主要影響元素。

（4）Cd是導致研究區土壤污染的主要元素，對研究區內梅羅綜合指數和綜合潛在生態風險指數的貢獻較大，同時As和Ni的單項污染指數較大，Hg的潛在生態風險較大，這些元素在該區域土地開發利用過程中需重點關注。

參考文獻

[1]雷國建，陳志良，劉千鈞，等.廣州郊區土壤重金屬污染程度及潛在生態危害評價[J].中國環境科學，2013，33（S1）：49-53.

[2]王茜，張光輝，田言亮，等.農田表層土壤中重金屬潛在生態風險效應研究[J].水文地質工程地質，2017，44（4）：165-172.

[3]張兆永，吉力力·阿不都外力，姜逢清，等.艾比湖流域農田土壤重金屬的環境風險及化學形態研究[J].地理科學，2015，35（9）：1198-1206.

[4]楊奇勇，謝運球，羅為群，等.基于地統計學的土壤重金屬分布與污染風險評價[J].農業機械學報，2017，48（12）：248-254.

[5]郭笑笑，劉叢強，朱兆洲，等.土壤重金屬污染評價方法[J].生態學雜志，201 30（5）：889-896.

[6]王玉軍，吳同亮，周東美，等.農田土壤重金屬污染評價研究進展[J].農業環境科學學報，2017，36（12）：2365-2378..

[7]吳洋，楊軍，周小勇，等.廣西都安縣耕地土壤重金屬污染風險評價[J].環境科學，2015，36（8）：2964-2971.

[8]虞敏達，張慧，何小松，等.典型農業活動區土壤重金屬污染特征及生態風險評價[J].環境工程學報，2016，10（3）：1500-1507.

[9]何東明，王曉飛，陳麗君，等.基于地積累指數法和潛在生態風險指數法評價廣西某蔗田土壤重金屬污染[J].農業資源與環境學報，2014，31（2）：126-131.

[10]陳衛平，楊陽，謝天，等.中國農田土壤重金屬污染防治挑戰與對策[J].土壤學報，2018，55（2）：261-272.

[11]豆長明，徐德聰，周曉鐵，等.銅陵礦區周邊土壤-蔬菜系統中重金屬的轉移特征[J].農業環境科學學報，2014，33（5）：920-927.

[12]尹國慶，江宏，王強，等.安徽省典型區農用地土壤重金屬污染成因及特征分析[J].農業環境科學學報，2018，37（1）：96-104.

[13]魏復盛，楊國治，蔣德珍，等.中國土壤元素背景值基本統計量及其特征[J].中國環境監測，199 7（1）：1-6.

[14]陳興仁，陳富榮，賈十軍，等.安徽省江淮流域土壤地球化學基準值與背景值研究[J].中國地質，201 39（2）：302-310.

[15]汪慶華，董巖翔，周國華，等.浙江省土壤地球化學基準值與環境背景值[J].生態與農村環境學報，2007，23（2）：81-88.

[16]國家環境保護局.土壤環境質量標準：GB 15618—1995[S].北京：中國標準出版社，1997.

[17]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.

[18]劉文清，甘柯，邢宇鑫，等.潮白河流域土壤重金屬生態風險評價方法研究[J].城市地質，2016，11（2）：14-19.

[19]李一蒙，馬建華，劉德新，等.開封城市土壤重金屬污染及潛在生態風險評價[J].環境科學，2015，36（3）：1037-1044.

[20]劉巍，楊建軍，汪君，等.準東煤田露天礦區土壤重金屬污染現狀評價及來源分析[J].環境科學，2016，37（5）：1938-1945.

[21]王爽，李榮華，張增強，等.陜西潼關農田土壤及農作物重金屬污染及潛在風險[J].中國環境科學，2014，34（9）：2313-2320.

[22]胡碧峰.基于地統計學與GIS的區域土壤重金屬污染評價與不確定性分析[D].杭州：浙江大學，2017.

[23]易治伍，王靈，錢翌，等.烏魯木齊市農田土壤重金屬含量及評價[J].干旱區資源與環境，2009，23（2）：150-154.

[24]王小莉，陳志凡，魏張東，等.開封市城鄉交錯區農田土壤重金屬污染及潛在生態風險評價[J].環境化學，2018，37（3）：513-522.

[25]麥麥提吐爾遜·艾則孜，阿吉古麗·馬木提，艾尼瓦爾·買買提，等.博斯騰湖流域綠洲農田土壤重金屬污染及潛在生態風險評價[J].地理學報，2017，72（9）：1680-1694.