重慶豐都長(zhǎng)江以北地區(qū)表層土壤重金屬污染及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

欒進(jìn)華，崔志偉，胡峰，何昌成，毛玲玲，張雄

1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；2.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

土壤是人類賴以生存的自然資源之一。快速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程引起了土壤污染。重金屬已經(jīng)成為對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)的全球性問題。我國(guó)在20世紀(jì)末開始關(guān)注土壤重金屬污染，開展了重點(diǎn)區(qū)域的污染特征、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和治理修復(fù)研究（王加恩等，2010）。隨著土壤重金屬污染加劇，該方向研究逐漸深入。

豐都縣長(zhǎng)江以北地區(qū)有多個(gè)重慶市特色農(nóng)產(chǎn)品基地。前人研究主要集中在豐都地區(qū)局部區(qū)域或者流域附近的狹長(zhǎng)地段或只針對(duì)土壤肥力進(jìn)行了研究（鐘志淋等，2019；陶睿等，2017；孫宇等，2014），本次研究將以豐都縣長(zhǎng)江以北整個(gè)地區(qū)的表層土壤為對(duì)象，探討該區(qū)域重金屬的含量特征，并開展土壤重金屬污染評(píng)價(jià)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為該地區(qū)特色農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)提供重要的理論依據(jù)。

一、材料與方法

（一）研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市豐都縣長(zhǎng)江以北，四川盆地東部邊緣。區(qū)內(nèi)主要為山脈和丘陵，地形呈南高北低，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫18.8℃，年均降水量為823.8m，平均海拔在多在200～800米。區(qū)內(nèi)擁有2條國(guó)道、2條省道，交通較為便利。研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為侏羅系—三疊系。大地構(gòu)造位置位于于萬州拗褶帶(Ⅵ-4-2-1)。主要構(gòu)造為菁口背斜、豐都向斜等。研究區(qū)紫色土分布最為廣泛。

（二）樣品采集與測(cè)試分析

將研究區(qū)按照1×1km方格劃分為一個(gè)調(diào)查單元，調(diào)查單元內(nèi)采樣密度為4-6點(diǎn)/km2，采樣深度為20cm，樣品重量一般大于1.5kg。本次研究共采集了3762件表層土壤樣品，經(jīng)過干燥、過篩、填寫樣品標(biāo)簽和裝瓶處理后送樣進(jìn)行測(cè)試分析，詳細(xì)的樣品加工過程參照《多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查暫行規(guī)定》執(zhí)行。

本次工作樣品測(cè)試工作在國(guó)土資源部重慶礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行。烘干-除雜-過篩-混勻后，稱取0.5g樣品進(jìn)行微波消解、酸化，處理后定容至25mL，混勻、靜置60min，取上清液采用ICP-AES方法進(jìn)行測(cè)試分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理采用Excel2010軟件。

二、結(jié)果與討論

（一）土壤重金屬含量特征分析

通過對(duì)研究區(qū)表層土壤樣品的重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果顯示（表1），土壤中重金屬 Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni的平均含量（單位：mg/kg）為0.25、70.67、26.85、5.41、23.47、84.69 和32.51，除Cr以外的其他元素平均含量均超出該區(qū)域背景值。7中元素均屬于中等變異程度，其中Cd的變異系數(shù)最大。7種元素的最大值分別為背景值的8.06、1.57、3.88、5.21、12.04、7.81 和 1.86倍，說明重金屬元素具有明顯的局部富集的特點(diǎn)。

表1 研究區(qū)表層土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)表（單位：mg/kg）

（二）土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

1.地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)（Igeo）常被用于研究沉積物及其它物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)（謝薇等，2021）。Igeo分為Igeo≤0（無污染），0＜Igeo≤1（無污染-中度污染），1＜Igeo≤2（中度污染），2＜Igeo≤3（中度污染-強(qiáng)污染），3＜Igeo≤4（強(qiáng)污染），（強(qiáng)污染-極強(qiáng)污染）Igeo＞5（極強(qiáng)污染）7個(gè)等級(jí)。本次研究結(jié)果表明，7種元素平均地累積指數(shù)均小于0，以無污染為主。Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni無污染的樣品點(diǎn)個(gè)數(shù)占比分別是95.1%、99.7%、99.5%、84.4%、96.9%、99.1% 和 99.1%。部分點(diǎn)位的重金屬含量為無-中度污染，以As、、Cd和Cu所占的比例較高，分別為14.6%、4.8%和3.1%。通過地累積指數(shù)的評(píng)價(jià)表明，研究區(qū)內(nèi)7種重金屬元素大部分為無污染，部分點(diǎn)位的部分重金屬元素存在無-中度污染的情況，可能是人為原因?qū)е轮亟饘倬植糠e累。

2.污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)（IPL，IPLzone）可以直觀反映重金屬元素對(duì)土壤造成污染的貢獻(xiàn)程度，常被用于評(píng)價(jià)區(qū)域表層土壤污染程度（謝薇等，2021）。IPLzone分為PLIzone＜1（無污染），1≤PLIzone＜2（中等污染），2≤PLIzone＜3（強(qiáng)污染），PLIzone≥3（極強(qiáng)污染）作為分級(jí)界限值。本次研究結(jié)果表明，整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)的污染負(fù)荷指數(shù)PLIzone為0.97，表明該地區(qū)表層土壤整體處于無污染的狀態(tài)。從單個(gè)元素來看，7種金屬元素的重金屬污染系數(shù)（Fi）均值均在1左右，反映土壤中重金屬含量整體基本與背景值持平。全部樣品點(diǎn)的IPL最小值為0.34，最大值為2.03，平均值為0.99，為無污染。其中存在50.6%的點(diǎn)位PLI值在1～2，為中等污染。綜上，該地區(qū)土壤整體表現(xiàn)為無污染，部分樣品點(diǎn)存在中度污染的情況，樣品點(diǎn)相對(duì)較為集中，主要受到As和Cd元素的影響較大。3.內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)（Pi，I）是兼顧極大值和平均值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境綜合污染評(píng)價(jià)（謝薇等，2021）。Pi分為Pi＜1（清潔），1≤Pi＜2（輕污染），2≤Pi＜3（中污染），Pi≥3（重污染）作為分級(jí)界限值。Pi計(jì)算過程的中Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni標(biāo)準(zhǔn)值分別選取0.3、200、120、30、100、250和100。I分為Ⅰ＜0.7（清潔），0.7≤Ⅰ＜1（尚清潔），1≤Ⅰ＜2（輕污染），2≤Ⅰ＜3（中污染），Ⅰ≥3（重污染）作為分級(jí)界限值，綜合污染指數(shù)I計(jì)算過程中Pi加權(quán)平均值各元素權(quán)重值為 Cd-3、Cr-2、Pb-3、As-3、Cu-2、Zn-2和Ni-2（李有文等，2020）。研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)所有樣品點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均值為0.65，整體上表現(xiàn)為清潔無污染，其中存在32.8%的樣品點(diǎn)為尚清潔，3.1%的樣品點(diǎn)為輕度污染。研究區(qū)內(nèi)表層土壤單項(xiàng)污染指數(shù)（Pi）的均值均未超過1，整體表現(xiàn)為清潔，其中Cd、Cu和Zn元素的Pi最大值均超過了2，Cd元素最高可達(dá)6。綜上，內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)該地區(qū)表層土壤整體處于清潔狀態(tài)，存在部分樣品點(diǎn)位存在中污染的情況。

（三）土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）是瑞典科學(xué)家Hakason提出的，該指數(shù)能夠綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境影響潛力。Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni污染物毒性系數(shù)分別為30、2、5、10、5、1和5（徐爭(zhēng)啟等，2008），RI分為RI＜89（輕微）、89≤RI＜178（中等）、178≤RI＜356（強(qiáng)）、RI≥356（極強(qiáng)）4個(gè)等級(jí)（范明毅等，2016）。單個(gè)元素潛在生態(tài)危害系數(shù)分為＜40（輕微）40≤＜80（中等）80≤＜160（強(qiáng)）160≤＜320（很強(qiáng)）≥320（極強(qiáng)）。研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)表層土壤各個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)的平均值依次為Cd（30.62）＞As（10.63）＞Cu（5.07）＞Pb（5.03）＞Ni（5.00）＞Cr（1.99）＞Zn（1.00）。其中Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度最大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為4.60～241.94，其中，有11.4%的樣品點(diǎn)Cd元素達(dá)到了中等危害程度，有3%的樣品點(diǎn)As元素達(dá)到了中等危害程度，其他元素均為輕微的危害程度。研究區(qū)內(nèi)表層土壤各個(gè)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為59.34，其中，有2.4%的樣品點(diǎn)RI值達(dá)到了89以上，屬于中等危害程度，其余樣品點(diǎn)的RI值均未超過89，進(jìn)一步說明潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微程度。從重金屬元素對(duì)RI的貢獻(xiàn)率來看，Cd和As對(duì)的貢獻(xiàn)率分別為51.6%、17.9%，其他元素均低于10%，表明該地區(qū)表層土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是主要由Cd和As引起的，與地累積指數(shù)法和污染負(fù)荷指數(shù)法得出的結(jié)論基本一致。

三、結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)表層土壤中重金屬Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni的平均含量（單位：mg/kg）為0.25、70.67、26.85、5.41、23.47、84.69和32.51，除Cr以外的其他元素平均含量均超出該區(qū)域背景值，初步分析認(rèn)為是由于重金屬局部富集導(dǎo)致的。

（2）土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)整體處于無污染的狀態(tài)，僅部分點(diǎn)位處于中度污染的水平。

（3）土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)整體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度較低，僅少部分樣品點(diǎn)重金屬含量處于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度，初步判斷主要由局部Cd和As元素含量相對(duì)較高導(dǎo)致的。