生態(tài)環(huán)境中重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

趙山

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境；重金屬污染；特征分析；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：X826 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

重金屬污染物嚴(yán)重影響了土地的使用。傳統(tǒng)土壤重金屬污染的調(diào)查與評(píng)估大多針對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土地，很少對(duì)地塊重金屬污染特征、潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)以及垂向含量分布特征進(jìn)行全面性地評(píng)價(jià)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果并不可靠。為此，越來(lái)越多的智能技術(shù)與手段被引用到生態(tài)環(huán)境中重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。

目前應(yīng)用比較廣泛的方法主要為GIS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。GIS技術(shù)通過(guò)其可視化真實(shí)反映研究地塊的重金屬分布狀況，并采用圖制軟件直觀地顯示出區(qū)域重金屬的分布情況與分布規(guī)律，結(jié)合主成分分析和多維尺度分析方法評(píng)價(jià)各個(gè)時(shí)期重金屬因子的相關(guān)性，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)。但該方法缺少對(duì)重金屬因子變化規(guī)律的分析，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間的偏差較大。

針對(duì)以上分析，文章結(jié)合實(shí)際案例，通過(guò)對(duì)土壤樣品的采樣與其中重金屬含量的測(cè)定，分析重金屬污染特征，并計(jì)算重金屬地累積指數(shù)與構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域重金屬污染特征分析與生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。文章研究成果可為生態(tài)環(huán)境治理與土地可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1研究材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

以某生態(tài)修復(fù)區(qū)為研究區(qū)，該區(qū)域?yàn)槎嘟饘俚V區(qū)，存在土壤污染，氣溫變化范圍為17.1℃～18.0℃，年降雨量為1532.7mm～2470.1 mm，3月-9月為雨季。場(chǎng)地位于黃河沖積平原，地貌單元單一，地形相對(duì)平坦。絕對(duì)高程29329.8 m，地層主要為第四系黃河沖積層和地表人工填土，場(chǎng)地土壤主要為粉質(zhì)粘土、粉土等。

1.2研究方法

在研究區(qū)域內(nèi)，采用采樣帶法布置A、B、C、D和E五個(gè)采樣段，深度為100cm。將采樣段分為三層：上層為0cm～20cm，中間層為20cm～40cm，下層為40 cm～60 cm，分別進(jìn)行抽樣分析。在每個(gè)采樣帶上均勻設(shè)置3個(gè)土壤采樣點(diǎn)。主要對(duì)采集樣品的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，共測(cè)定了10種重金屬，包括銅（Cu）、砷（As）、鋅（Zn）等。采用五點(diǎn)取樣法在研究區(qū)域隨機(jī)采集3 kg土壤，將其放置在干燥罐子中，送往實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。研究采用SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。各重金屬含量測(cè)定方法為：Cu的測(cè)定方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、As的測(cè)定方法為電位法、Zn的測(cè)定方法為馬爾文激光粒度儀、Cd的測(cè)定方法為連續(xù)浸提法、Ni的測(cè)定方法為火焰原子吸收法、T1的測(cè)定方法為石墨爐原子吸收法、Mn的測(cè)定方法為重鉻酸鉀標(biāo)定法、Hg的測(cè)定方法為蒸氣冷凝原子吸收光譜法、Cr的測(cè)定方法為原子吸收光譜法、Pb的測(cè)定方法為電感耦合等離子體發(fā)射光譜法。使用Ge、In和Bi作為內(nèi)標(biāo)元素，當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大于5%時(shí)，需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)檢。

2重金屬污染特征分析

2.1重金屬含量特征

重金屬元素含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1可知，在檢測(cè)的重金屬中，Cu、T1、Mn和Pb的含量遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)率達(dá)到55%以上，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為3. 04倍、3.73倍、6.80倍和1.60倍。可以看出，場(chǎng)地內(nèi)土壤已被不同程度的重金屬污染，并且有很強(qiáng)的分化特征，表明Cu、Tl、Mn和Pb元素含量的局部增加可能由生產(chǎn)活動(dòng)引起。此外，Cu、T1和Mn三種重金屬元素的平均值相對(duì)較高，在土壤中的富集度相對(duì)較高，表明此三種金屬元素是研究區(qū)土壤中重金屬污染的主要類(lèi)型。

2.2重金屬含量的垂向分布特征

依據(jù)土壤中10種重金屬元素含量與常量元素之間的相關(guān)性系數(shù)可以得到，研究區(qū)域內(nèi)的Cd、T1和Mn含量相對(duì)較高，是造成區(qū)域土壤污染的主要元素。因此，文章接下來(lái)主要對(duì)這三種重金屬元素的垂向污染特征進(jìn)行分析。其含量的垂向分布見(jiàn)圖2。

如圖2所示，Cd、T1和Mn均有相似的垂向變化特征，均呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢(shì)。分別在相關(guān)性系數(shù)為1.23、9.02和9.11時(shí)，三種重金屬的含量達(dá)到最大值。由于土壤樣品采集的深度為0cm～60 cm，所以中部土壤的重金屬含量為高值階段，表層0cm～10cm的重金屬含量趨于減少，在20 cm以上的范圍內(nèi)，對(duì)土壤污染產(chǎn)生較大影響的重金屬以Mn和T1為主，且在第三層土壤中，即50 cm～60 cm階段，Cu的主要形態(tài)為殘?jiān)螒B(tài)，幾乎不存在于底部土壤中。同時(shí)，Cu、T1和Mn的含量由上至下呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢(shì)，上層與中層的土壤重金屬含量相似，遠(yuǎn)高于下層土壤，表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集狀態(tài)，并且表層土壤超標(biāo)最為嚴(yán)重。這可能是由于場(chǎng)地主要分布在40 cm～60 cm深度的穩(wěn)定粉質(zhì)粘土中，透水性較差，對(duì)重金屬的下滲起到一定的阻隔作用。

3重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1重金屬元素的地累積指數(shù)計(jì)算

由場(chǎng)地內(nèi)重金屬污染特征的分析結(jié)果可知，土壤重金屬的累積主要是由自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，且土壤深度越深，重金屬含量越低。基于此，采用重金屬元素富集系數(shù)判別人為活動(dòng)對(duì)重金屬富集的影響以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)程度，公式為式（1）：

4實(shí)例應(yīng)用分析

4.1土壤樣品采集

為了驗(yàn)證該方法的可行性，進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用分析。考慮土壤生態(tài)功能區(qū)代表性，耕地面積以50 m×50 m的網(wǎng)格布置，共有20個(gè)土壤采樣點(diǎn)和2個(gè)土壤控制點(diǎn)；在周?chē)恿鲄^(qū)域，每隔100 m～200 m設(shè)置2個(gè)采樣點(diǎn)，共有3個(gè)泥沙采樣點(diǎn)和1個(gè)泥沙控制點(diǎn)。土壤采樣方法為單對(duì)角線(xiàn)三點(diǎn)混合法，采集0cm～10 cm表層土壤和30 cm～60 cm深層土壤，混合均勻后，質(zhì)量不小于0.5 kg。根據(jù)所述方法檢測(cè)土壤中的鉛、鎘、砷、銅和鉈5種重金屬元素，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中數(shù)據(jù)可知，場(chǎng)地內(nèi)的150份土壤樣品中，重金屬檢出率最高的為砷，最低的為鉈，所有重金屬元素的含量均超出了檢測(cè)值范圍，且出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)。

4.2測(cè)試說(shuō)明

根據(jù)區(qū)域土壤樣品各重金屬檢測(cè)結(jié)果，分析重金屬元素的含量特征，結(jié)合場(chǎng)地規(guī)定的重金屬含量背景值，利用文中所述方法對(duì)該區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，具體流程為：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別-風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制-污染物地累積計(jì)算-環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)或者污染物濃度場(chǎng)-空間上：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃或者時(shí)間上：環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃。參照上述對(duì)研究區(qū)域依托重金屬污染特征分析與生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，采用文章設(shè)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證文章方法的有效性。

4.3生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分析

將研究區(qū)域2022年7月-12月作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的案例年，以土壤樣本中各重金屬含量的檢出結(jié)果作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，輸入到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中，計(jì)算潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并與實(shí)際結(jié)果相比較，評(píng)價(jià)所提方法的評(píng)價(jià)效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。

如圖3所示，運(yùn)用本設(shè)計(jì)的方法對(duì)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估出的潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化范圍與真實(shí)值較為符合，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果與實(shí)際一致，由此可以說(shuō)明，文章所提方法的評(píng)估準(zhǔn)確性較高，評(píng)估效果較好。

4.4評(píng)估準(zhǔn)確性對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證文章方法的優(yōu)越性，采用GIS技術(shù)（方法1）、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（方法2）作為文章方法的對(duì)比方法，基于場(chǎng)地重金屬污染特征，分別對(duì)研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并統(tǒng)計(jì)不同方法的評(píng)估準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。

如圖4所示，與對(duì)比方法相比，文章方法對(duì)于試點(diǎn)不同時(shí)間的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性更高，與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差均控制在0.5%以下，遠(yuǎn)低于其他兩種方法。方法1與方法2評(píng)估準(zhǔn)確性較低的原因主要是未充分考慮到潛在風(fēng)險(xiǎn)水平與單一重金屬污染物之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，影響了評(píng)估結(jié)果。因此，文章方法具有更高的評(píng)估準(zhǔn)確性。

5結(jié)束語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法存在的不足，提高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性，有效分析污染特征，提出了生態(tài)環(huán)境中重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。該研究以實(shí)際生態(tài)修復(fù)區(qū)域?yàn)檠芯勘尘埃瑢?duì)該區(qū)域的重金屬元素的污染特征進(jìn)行分析，該分析從重金屬含量特征、重金屬含量的垂向分布特征兩個(gè)方面闡述了污染特征，并且根據(jù)重金屬元素的污染特征分析結(jié)果，計(jì)算了重金屬元素的地累積指數(shù)，構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該方法有效分析了生態(tài)環(huán)境中重金屬污染特征，并且通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的評(píng)估準(zhǔn)確性更高，與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差均控制在0.5%以下，說(shuō)明該生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具備一定的有效性和可行性。