黃河臨縣段河漫灘洪水前后沉積物重金屬含量研究

張兆瑞，張鵬飛，2，戴燕燕，2，杜方圓，肖夢琳

(1.太原師范學院 地理科學學院；2.太原師范學院 碳中和研究院； 3.榆社縣第三中學，山西 晉中 030600)

土壤重金屬一般通過水體、大氣和食物影響動物，植物和人體健康，是一種潛在的“化學定時炸彈”，隨著城市化、工業化和農業集約化的快速發展，我國土壤環境與健康質量問題日趨嚴重[1]。在過去幾年，黃河水質受到的污染有加重的痕跡，工農業生產污染，生活污染混合在一起，黃河河漫灘土壤的重金屬污染加重。“重金屬污染”一詞是指由重金屬和重金屬產生的化合物導致的對環境的傷害，因為重金屬具有高毒性并且對環境有長久的破壞，它所導致的生態毒性風險被人類長期關注[2]。河漫灘是由于河流的橫向遷移和漫堤的沉積作用而形成的，在地勢低平地區的河流的河漫灘較為常見，且分布寬廣，易于重金屬物質沉積。此外，河漫灘靠近居民區，農業等生產活動多發生于此，與人類生活密切相關。實際上近年來，各地區、各部門積極開展土壤污染狀況調查，中國學者也對污灌區、礦山污染等重金屬土壤污染進行了長期研究，研究表明Cr、Cu、Zn和Pb等富集趨勢明顯[3]，經濟高速發展對土地的利用活動導致對土壤環境質量的破壞成為急需研究的方向。從縣城尺度綜合考慮人類活動對于土壤重金屬含量的影響因素、生態風險、應對措施等的研究相對較少，土壤重金屬污染也是目前國內外研究的熱點之一，因此，對于黃河流域臨縣段河漫灘洪水前后沉積物中重金屬含量的研究具有重大意義。

1 研究區概況

臨縣位于呂梁山西部，北鄰興縣，東接方山，南與離石、柳林毗連，西隔黃河與陜西吳堡、佳縣相望。經緯度在北緯37°35′52＂～38°14′19＂，東經110°29′40＂～111°180′2＂之間。屬于山地高原，地勢起伏較大，地勢東北高西南低。地表溝壑縱橫，是具有代表性的黃土丘陵區。全縣平均海拔在1 000 m左右。臨縣屬暖溫帶氣候，在季風的影響下，四季分明，冬季寒冷少雪，春季干旱多風，夏季雨量集中，秋季溫涼濕潤。北涼南暖，年降水量東部多于西部。臨縣境內河流屬于黃河水系，土壤pH酸堿度為8.3～8.6，屬堿性土壤。

2 材料與研究方法

2.1 數據來源

以黃河臨縣段河漫灘的表層土壤為研究對象，采樣期間為該流域的雨季，降水量豐富且集中，因采樣前黃河臨縣段發生洪水，造成黃河洪水泛濫，沿岸作物被淹沒對河漫灘沉積物質影響較大，并產生約30 cm的洪水沉積物，形成明顯的洪水前后沉積物分層。故此研究著重對其洪水前后河漫灘沉積物中重金屬含量進行對比研究。

在野外調查和室內實驗分析的基礎上對土壤中重金屬含量進行測定，對比該地0～30 cm土壤層及30 cm～100 cm土壤層的10個土樣中的重金屬含量，進而對該地河漫灘沉積物洪水前后的重金屬含量、主要污染物成分、分布特征、污染程度及重金屬來源等進行分析研究，為土壤重金屬污染評價、預測、污染調控治理、當地居民生產生活和土壤資源的可持續利用提供科學依據和理論指導。土壤與人類生活生產活動休戚相關，土壤及土壤圈受大氣圈、巖石圈、水圈和生物圈的影響較大，是多個圈層相互作用的產物。隨著現代社會的快速發展，工業生產的提高，人類活動對土壤生態環境的影響干預作用也愈加深刻。

2.2 樣品采集和預處理

2018年8月15日，于山西省呂梁市臨縣黃河灘采樣，采樣前三天該地洪水泛濫，將當地河漫灘原始作物淹沒，并產生約30 cm的新沉積物，所以上層0～30 cm為洪水后沉積物，40 cm～100 cm為洪水前沉積物。根據臨縣黃河河漫灘的具體情況，綜合考慮地形、灌溉、功能區分布等因素，在臨縣河漫灘處選擇一點M作為采樣點。M點距黃河約10 m，因靠近黃河且處于雨季，所以水分較多，十分濕潤，地表植被稀疏，有稀疏的農作物(大蔥、玉米)分布在其周圍。在該點使用人工輕型人力鉆進行人工取樣，每10 cm取一個土樣，共取10個土樣。采集的樣品即時稱重，密封袋封裝備用。

2.3 重金屬含量測定

X-Ray 熒光光譜法是一種快速、無損且不使用酸堿的分析方法，已經在地質調查、鋼鐵和水泥等行業廣泛應用。 使用X-Ray 熒光光譜法(XRF)對土壤中的重金屬進行了檢測，并與 ICP 光譜法的檢測結果進行比對，結果表明 XRF 與 ICP-MS 檢測結果吻合度高，穩定性好，檢測限低。該研究土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、As 和 Cr 含量采用 PW2403 型X-Ray 熒光光譜儀測定[4]。

2.4 研究方法

2.4.1 地累積指數法。地累積指數是由德國科學家Muller于1969年提出的評價沉積物中重金屬富集程度的定量指標[5]。這一指數對自然狀態下地質活動對背景值的影響和人類對重金屬的應用所造成的污染都進行了考慮。重金屬污染釋放源主要有煤和石油的燃燒及化肥的施用[6]。因此該指數可以判斷人為活動對環境的影響的大小，是劃分人為活動影響的重要參數(見表1)。地累積指數(Igeo)的計算公式如下所見。

表1 重金屬污染程度

(1)

式(1)中：Cn為樣品中元素n的測量值；Bn為沉積物地球環境背景值；1.5為修正指數，通常用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響。

2.4.2 潛在生態風險指數法。土壤重金屬的單項及綜合潛在生態風險對該地的土壤重金屬進行評價。采用潛在分析指數法來評價土壤重金屬污染的潛在生態風險，此方法是國際上土壤/沉積物重金屬研究方法之一，該方法不僅考慮了土壤重金屬的含量，還將土壤中重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系起來，定量地劃分出重金屬的潛在風險程度，應用廣泛[7](見表2)。

表2 重金屬的毒性系數

根據瑞典科學家Hakanson制定的標準化重金屬毒性響應參數值分別為Hg(40)>As(10)>Pb(5)=Ni(5)=Cu(5)>Cr(2)>Zn(1)。

(2)

(3)

(4)

表3 Hakanson 潛在生態危害分級標準

表4 的分級標準

3 結果與分析

3.1 洪水前后沉積物重金屬含量對比

以20世紀90年代山西省重金屬元素的背景水平作為該地區土壤重金屬元素的背景參考值，對該洪水后沉積物(0～30 cm)和洪水前堆積物(40 cm～100 cm)進行重金屬元素含量測定。與其背景值相比，Cu、Pb、Zn、As和Ni元素的算術平均值均未超出背景值。就每個元素在0～100 cm不同深度的具體數據(見圖1，表5)進行分析可得出以下結果。

圖1 洪水后土壤中不同元素在不同深度的含量統計

表5 土壤重金屬含量統計分析

經計算得Cu元素洪水前后變化率為-27.58%，Zn元素洪水前后變化率為-20.15%，As元素洪水前后變化率為-15.21%，Cr元素洪水前后變化率為-21.12%，Pb元素洪水前后變化率為9.65%，Ni元素洪水前后變化率為-22.42%，只有Pb元素含量在洪水前后明顯增加。土壤中Ni、Zn、As、Cd元素在0～100 cm處的含量均處于背景值之下，洪水前后并未發生明顯變化，且其含量處于正常水平。Cu、Zn、As、Cd、Pb、Ni和Cr的算數平均值與我國土壤環境質量標準(GB15618-1995)一級標準相比均低于國家一級標準(見表5)。

Cu元素含量變化起伏較大。其含量在100 cm處達到最大值，30 cm處為最小值。在10 cm～40 cm處含量變化較穩定，在30 cm～60 cm處其含量隨深度增加而升高，在60 cm～90 cm處其含量隨深度增加而減少。0～90 cm土壤中Cu元素的含量均處于背景值之下，100 cm處超過背景值。洪水后(0～30 cm)土壤中Cu元素的含量略高于洪水前土壤表層(40 cm)中Cu元素含量，說明洪水過后帶來少量Cu元素，但并未超過山西省背景值，未造成嚴重的污染。40 cm～100 cm處Cu元素含量較高，說明Cu元素在該地多年累積，人類活動是導致其在土壤中的累積的原因之一。從整體上看，Cu元素變異系數達0.98，在該地的累積隨時間推移而明顯減少，可見該河段上游污染治理達到一定效果。

Zn元素含量總體較少，變化起伏較小。100 cm處達到最大值，30 cm處為最小值。在30 cm～60 cm處其含量隨深度增加而升高，在60 cm～90 cm處其含量隨深度增加而減少，洪水后(0～30 cm)土壤中Zn元素的含量略高于洪水前土壤表層(40 cm)Zn元素含量，說明洪水過后帶來少量Zn元素，但從整體上看，Zn元素在該地的累積隨時間推移呈階地式下降。Zn元素在0～100 cm處的含量處于背景值之下，Zn元素含量未受到人類活動特別是人為污染影響。變異系數為0.22，屬于低度變異，處于自然累積狀態。

As元素含量變化起伏大，但總體上含量較少。其含量在100 cm處達到最大值，30 cm處為最小值。洪水前(40 cm～100 cm)土壤中As元素的含量總體上高于洪水后(0～30 m)土壤中As元素的含量，在30 cm～100 cm處其含量隨深度增加而升高。As元素在0～100 cm處的含量處于背景值之下，As元素含量除土壤中固有的外，可能還與沿岸居民使用含As的農藥、殺蟲劑等有關，變異系數為0.16，說明人類農業生產對As元素影響較小。

Cr元素含量變化起伏較大，60 cm處達到最大值，30 cm處為最小值。洪水后(0～30 cm)土壤中Cr元素的含量在0～20 cm處高于背景值，30 cm處低于背景值，洪水前(40 cm～100 cm)土壤中Cr元素的含量在50 cm，70 cm～80 cm處均處于背景值之下，在40 cm，60 cm和90 cm～100 cm處均高于背景值。洪水過后土壤中Cr元素含量持續增加，此處Cr元素主要來源于黃河上游分布的冶金工業，與工礦業“三廢”排放、磷肥和有機肥的施用等有一定的關系，與沿岸居民使用含Cr的殺蟲劑、顏料、油漆等也有一定的關系。雖然Cr元素含量變化起伏較大，但變異系數為0.16，變異程度較低，說明Cr元素來源穩定，具有一定的周期性。

Pb元素含量變化起伏較小，但其含量總體上較多。100 cm處達到最大值，20 cm和30 cm處為最小值。洪水后(0～30 cm)土壤中Pb元素的含量均處于背景值之下，洪水前(40 cm～100 cm)土壤中Pb元素的含量在40 cm～50 cm和70 cm～90 cm處均處于背景值之下，60 cm處與背景值相等，100 cm處高于背景值，說明洪水后帶來少量的Pb元素，Pb元素在當地有累積的情況。在10 cm～90 cm處含量變化較穩定，在40 cm～60 cm處其含量隨深度增加而升高，洪水后(0～30 cm)土壤中Pb元素含量略高于洪水前土壤表層(40 cm)Pb元素含量，且Pb元素在該地多年累積。說明洪水過后帶來一定的Pb元素，電池、保險絲、顏料等物質中都含有Pb元素，所以Pb元素含量的變化與中上游重金屬工廠污染物的排放，生產生活習慣等有較大關系。

Ni元素含量變化較大，總體來說含量較少。100 cm處達到最大值，30 cm處為最小值。在30 cm～60 cm處其含量隨深度增加而升高，在60 cm～90 cm處其含量隨深度增加而減少，0～30 cm處略高于洪水前土壤表層(40 cm)Ni元素含量，Ni元素在0～100 cm處的含量均處于背景值之下，含量整體隨時間推移呈階梯式下降，說明洪水過后雖帶來少量Ni元素，但應為土壤中固有的Ni元素，人為因素影響較小。

3.2 洪水前后沉積物重金屬含量分析

根據單個重金屬污染物分析，最大值均出現在100 cm處，最小值約在30 cm處，通過對0～30 cm和30 cm～100 cm的數據對比發現，洪水后所有重金屬含量均有所升高，可知洪水后從上游帶來一定的重金屬污染物質。通過調查發現，黃河中上游從青海到內蒙古段，黃河沿岸高污染的工業企業眾多，產生出了包括重金屬等在內的大量污染物。除工業污染外，生活污水和大量使用化肥、農藥導致的污染目前也有增多的跡象，在所有污染中占有的比例處于上升階段。同時，黃河沿線的一些城市在河邊堆積生活垃圾，對黃河污染也產生了一些影響。

從重金屬富集的角度分析，Cu、Cr、Zn、As和Ni元素在黃河灘區土壤中富集不明顯，屬于自然源重金屬；而土壤Pb富集明顯，屬于人為源重金屬，可能與黃河中游某地工廠排放含Pb廢水有關。研究灘區重金屬的富集和污染，應將泥沙對土壤重金屬的來源與遷移的影響進行更深入的分析，從外源輸入的方式、強度，還有本身的成土過程以及生長作物進行剖析[8]。

重金屬空間變異系數表明，Cu元素空間變異性為強變異水平，其余重金屬均為低等變異水平，Cu元素的空間分布差異最顯著，說明Cu元素含量隨深度的變化十分明顯，Cu元素隨深度減少含量成階梯式下降，Cu元素含量的減少說明Cu元素對該地的危害減少。其余元素的變異系數低，說明這些元素在該地的含量沒有明顯變化，人為影響弱。

3.3 土壤重金屬污染質量評價

地積累指數評價主要探討了外部重金屬的富集情況，而潛在生態危害指數在地累積指數的前提下還探究了各種重金屬的生物毒性的影響[9]。就地累積指數而言，6種重金屬元素地累積指數均<0，沒有構成污染(見表6)。就RI而言，Cu、Cd、Pb、Ni和Cr為輕微生態危害，Zn和As為強度生態危害(見表7)。主要是因為現代農業生產的高度集約化的形式導致農藥、肥料當中的重金屬元素在土壤中長時間聚集[10]，同時受工業“三廢”排放的影響加重了土壤重金屬污染[11]。

表6 各重金屬元素地累積指數

表7 各重金屬元素RI值

單項污染系數以0.7為警戒線[12]，Ni和As均未超出警戒線；Cu在0～40 cm處低于警戒線，50 cm～100 cm超出警戒線；Zn和Ni在0～90 cm出低于警戒線，在100 cm超出警戒線；Cr除20 cm～30 cm外均超出警戒線；Pb始終高于警戒線。說明洪水后，所有重金屬元素的含量均減少的趨勢，其中Cu、As、Pb大致與洪水前含量保持一致，可能與上游有色金屬冶煉廠，工農業生活生產有直接關系。由于重金屬污染具體持久性、潛伏性和滯后性，一般要經過較長時間之后才會被人發現并且采取相應的措施進行預防[13]，因此在今后的生產生活中要加強對Pb元素的監控。具體數據見圖2。

圖2 洪水前后各個元素單項污染系數

3.4 土壤重金屬污染治理

在土壤污染治理的過程中可以采用多種方法：化學修復法、生物修復法和物理修復法進行污染治理[14]。利用生物化學技術，如超累積植物篩選與培育；利用分子生物學和基因工程技術，將超積累植物和微生物的基因篩選培養成適應性強、生長速度快、生物量大的植物；以植物修復技術為主，輔以化學和生物措施，提高植物修復的效率[15]；盡量用有機肥代替化肥，加強生活污水治理；物理修復法包括客土法、熱解析和電動修復等，僅對污染重、面積小的土壤修復效果明顯，適應性廣，但容易破壞土壤結構[16]。政府部門應加大監管力度，利用法律手段規范工農業生產活動。

4 結束語

黃河臨縣段河漫灘洪水前后沉積物中Cu、Cr、Pb、Zn、As和Ni元素的含量的算數平均值均未超出山西省背景值，Cu、Zn、As、Pb、Ni和Cr的平均含量與我國土壤環境質量標準(GB 15618-1995)一級標準相比均低于國家一級標準，Cu、Pb、Ni和Cr為輕微生態危害，Zn和As為強度生態危害。洪水過后對Cu、Pb、Cr元素含量變化較大，應當引起重視。

由上述分析可以看出，不同的人類生產生活活動導致土壤中重金屬元素含量增加，工業活動、城市化和農業生產活動是導致土壤重金屬元素含量增加的主要原因。其中，工業生產活動對重金屬含量影響顯著。為避免該地土壤重金屬污染，當地政府和個人都應加強對黃河上游重金屬污染的防治與重視。例如，按照國家土壤環境質量標準一級標準的土壤限制值，評價黃河灘臨縣段土壤質量，使區域土壤重金屬含量完全低于一級標準，以符合當地居民農業生產和生活的要求。