黃河口國家公園濕地土壤重金屬污染評價

王碧瑩 李振函 李海崗 趙強 李揚

文章編號：1671-3559（2024）03-0267-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240318.002

摘要： 為了研究黃河口國家公園濕地土壤污染狀況和生態風險，沿黃河故道東營段、 黃河入海口以及沿海處共設20個采樣點進行土壤采集，對鉛、 鎘、 鉻、 銅、 鋅、 鎳、 汞、 砷8種重金屬含量進行檢測，并利用綜合污染指數法、 地累積指數法和潛在生態風險指數法進行土壤污染評價。結果表明： 研究區鉛、 鎘、 鉻、 銅、 鋅、 鎳、 汞、 砷元素的質量比分別為16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg，均符合農用地土壤污染風險管控標準要求；研究區土壤綜合污染指數為0.57，地累積指數為-0.23，潛在生態風險指數為65.54，表明研究區屬于無污染土壤，存在輕微潛在生態風險。

關鍵詞： 土壤污染； 重金屬； 綜合污染指數； 地累積指數； 潛在生態風險評價； 黃河口國家公園

中圖分類號： X825

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Evaluation of Soil Pollution Caused by Heavy Mental in

Wetland of the Yellow River Estuary National Park

WANG Biying1， LI Zhenhan2， LI Haigang3， ZHAO Qiang1， LI Yang2

（1. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China；

2. Shandong Institute of Geophysical & Geochemical Exploration， Jinan 250013， Shandong， China；

3. Shandong Yiyang Health Group Yihe Development Company， Linyi 276000， Shandong， China）

Abstract： To study the soil pollution status and ecological risk of the wetland in the Yellow River Estuary National Park， a total of 20 sampling points were set up along the Dongying section of the old Yellow River course， the mouth of the Yellow River and the coastal areas for soil collection， and the content of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As were detected. Soil pollution was evaluated by comprehensive pollution index，groundaccumulationindexandpotential ecological risk index.The results show that the mass ratios of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As in the study area are 16.4， 0.11， 57.3， 14.0， 46.9， 20.0， 0.014， 7.71 mg/kg respectively， which all meet the risk control standards for agricultural land soil pollution. The integrated soil contamination index of the study area is 0.57， the land accumulation index is -0.23， and the potential ecological risk index is 65.54， indicating that the study area is a non-polluted soil with a slight potential ecological risk.

Keywords： soil pollution； heavy mental； comprehensive pollution index； geological accumulation index； potential ecological risk assessment； the Yellow River Estuary National Park

收稿日期： 2023-03-01????????? 網絡首發時間：2024-03-19T15：48：23

基金項目： 國家自然科學基金項目（42072331）；山東省地質勘查引領示范與科技攻關項目（HJ202204）

第一作者簡介： 王碧瑩（1999—），女，黑龍江牡丹江人。碩士研究生，研究方向為地質方向。E-mail： 494334480@qq.com。

通信作者簡介： 李振函（1963—），男，山東濰坊人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為水文地質。E-mail： lizh328@163.com。

網絡首發地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240318.1844.004

黃河三角洲濕地位于山東省境內，因地理位置優越而形成了特殊的濕地生態系統，在推進我國實施人與土地生態系統的協調發展政策方面發揮重要作用［1］。黃河入海口承接了整個黃河流域輸送來的物質流、 能量流和生態流，在河、 海、 陸交互作用下形成了世界上獨一無二的河口三角洲，孕育了我國暖溫帶最典型的河口濕地生態系統。該生態系統具有匯碳、 生物棲息、 水文調節、 土壤改良等多種功能，對維護黃河下游及渤海生態安全起著關鍵作用。自20世紀60年代石油和農業大開發以來，黃河口所受人類活動的影響與其自然演化節奏不相符，人與自然的矛盾不斷被激化，濕地生態保護的壓力與日俱增［2］。黃河口濕地面臨的最重要的問題是，人類活動導致自然濕地不斷退化消失，生物多樣性銳減［3］，因此國家公園管理局2021年10月批準《黃河口國家公園創建方案》［4］，希望通過建設保護區對濕地進行保護。

重金屬是一類重要的污染物，可以通過采礦（石油）、 交通運輸、 殺蟲劑和化肥等來源在環境中積累［5］，如果排放到空氣、 水體、 土壤中，就會對生態環境產生不利影響。隨著人口的快速增長和社會各行各業的迅速發展，重金屬造成的環境污染已經成為世界各國面臨的一個嚴重問題［6］。本文中以黃河口國家公園濕地生態系統為研究對象，進行濕地土壤重金屬污染評價，為黃河口國家公園建設和黃河流域高質量發展提供數據支撐。

濟南大學學報（自然科學版）第38卷

第3期王碧瑩，等：黃河口國家公園濕地土壤重金屬污染評價

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

本文中主要以黃河口國家公園作為研究區，地理位置處于東經118°33′—119°30′、 北緯37°25′—38°17′。 研究區隸屬于山東省東營市， 總面積約為1 371 km2。 東營市位于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區，氣候主要特點是：季風影響顯著，四季分明，冷熱干濕界限明顯；春季干旱多風回暖快，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴天，冬季寒冷少雪干燥。黃河口國家公園濕地主要集中在黃河三角洲的微斜平地、 緩崗之間，黃河故道地勢較低處，形成了特有的濕地生態系統。濕地表層紋理黏重、淺部粗糙薄厚不等的黏土層多為封閉狀，雨季易積水，因此成了蘆葦和其他植物生長的絕佳場所。黃河口國家公園濕地是黃河和海洋一起形成的濕地系統，是全國著名的自然生態保護區。

1.2? 樣品采集與分析

土壤樣品采集分析是為了查明研究區內土壤地球化學背景， 為土壤質量評價提供依據。 采樣點布置在研究區內， 按地理位置劃分樣地， 每一個樣地選取植被覆蓋率較高的地方布設5個土樣采集點， 共設置20個采樣點， 編號為D1、 D2、 …、 D20，具體位置如圖1所示。利用手工在地面鉆探至50 cm后取樣，采集前準備小鏟、 自封袋、 保溫箱、 標簽等，選取地表深度50 cm以內的土壤，每個采樣點均采集5個樣品，將5個樣品混合，裝入寫有標記的自封袋中密封，標簽上詳細注明采樣時間、 地點、 深度和編號，每個混合樣品質量約2 000 g。扎口密封妥善保存并及時送檢。共采集土壤樣品20個，土樣分析項目為砷（As）、 汞（Hg）、 鎘（Cd）、 鉻（Cr）、 銅（Cu）、 鋅（Zn）、 鉛（Pb）、 鎳（Ni）在土壤中的含量。其中Cu、 Ni、 Pb、 Zn、 Cd、 Cr元素的含量采用電感耦合等離子體質譜法進行測定；Hg、 As元素的含量測定采用原子熒光法。

1.3? 評價方法

1）綜合污染指數評價法。綜合指數法能夠在單因子污染指數的基礎上全面評判重金屬的污染程度，其中內梅羅模型被廣泛應用于評價土壤重金屬污染［7］。相關計算公式為

Pi=CiSi ，（1）

P=P—2i +P2max2 ，（2）

式中： Pi為重金屬元素i的單因子污染指數； Ci為重金屬元素i的含量實測值； Si為根據需要選取的重金屬元素i的評價標準，此處參考國家《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）［8］;P為綜合污染指數； P—i為單因子污染指數平均值； Pmax為最大單因子污染指數。

單因子污染指數Pi與對應的土壤污染級別關系［9］如表1所示， 綜合污染指數P與對應的土壤污染級別關系［10］如表2所示。

2）地累積指數法。地累積指數Igeo由德國科學家Muller于1969年首次提出，常用來表征沉積物和土壤中重金屬富集程度，可以同時反映重金屬的自然演變特征和判別人類活動對土壤產生的影響［11］。其計算公式為

Igeo=log2CiKBi ，（3）

式中： Bi為土壤中重金屬元素i的含量，取山東省土壤環境背景值［12］，Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的含量背景值（質量比）分別為23.6、 0.132、 62、 22.6、 63.3、 27.1、 0.031、 8.6 mg/kg［13］； K為考慮各地巖石差異可能引起的背景值變動而取的系數，一般為1.5［14］。地累積指數等級劃分［15］見表3。

3）潛在生態風險指數法。Hakanson［16］提出的潛在生態風險指數Ir體現了生物有效性和相對貢獻比例及地理空間差異等特點，可以綜合反映土壤中重金屬對環境的潛在影響。其計算公式為

Ir=∑ni=1Eri=∑ni=1TriCiBi ，（4）

式中： Eri為重金屬元素i單因子潛在生態風險指數； Tri為重金屬元素i毒性響應系數，目前的多數研究中，眾多學者一般直接用毒性系數替代毒性響應系數進行計算， Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的毒性系數分別為5、 30、 2、 5、 1、 5、 40、 10［17］。土壤重金屬潛在生態風險指數及其相應的生態風險等級分級標準［18］見表4。

2? 結果與分析

2.1? 研究區土壤重金屬含量

各采樣點土壤重金屬含量見表5， 重金屬元素含量空間分布如圖2所示。 由表5中可以看出， 研究區Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的質量比分別為16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg， 8種重金屬元素的平均含量均小于山東省土壤環境背景值。 從圖2可以看出， 采樣點D8的土壤中各類重金屬含量明顯高于其他采樣點的， 此外采樣點D12的污染程度也相對較高， 其余各采樣點的污染狀況相差不大。 從各污染物的質量比與山東省土壤環境背景值比較來看， 采樣點D8的Pb、 Cu、 Zn、 Ni元素的質量比高于背景值， 采樣點D8、 D12的Cd和Hg元素的質量比高于背景值， 有5個采樣點的As元素的質量比高于背景值， 有6個采樣點的Cr元素的質量比高于背景值， 占比達到30%， 是8種重金屬元素中比例最高的。

通過富集系數法定量分析各類金屬在土壤中的富集程度。富集系數法是由Zoller等［19］首次提出，可以對污染程度以及污染來源進行定量評價，富集

系數Ef的計算公式為

Ef=CiBi 。（5）

研究區土壤中重金屬元素富集系數見表6。由表可知，研究區土壤中重金屬富集程度均屬于無污染或輕微污染，其中Cd元素富集系數為0.83，富集程度相對最高，Hg元素富集程度相對最低。

從整體上看， 研究區土壤環境質量良好， 金屬污染程度較輕， 符合國家規定的土壤環境質量標準。 采樣點D8處于農用地附近的沿海灘涂， 周圍約3 km處建有水產養殖公司以及鹽業化工公司，因此該采樣點處重金屬總體含量相對較高可能是受工農業排放影響。

2.2? 綜合污染指數評價結果

研究區各采樣點土壤中重金屬單因子污染指數和綜合污染指數見表7。 由表可見，各采樣點土壤

中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均單因子污染指數分別為0.47、 0.55、 0.64、 0.40、 0.47、 0.50、 0.10、 0.51，由大到小的重金屬元素排序為Cr、 Cd、 As、 Ni、 Zn（Pb）、 Cu、 Hg。從整體來看，各重金屬元素平均單因子污染指數均小于1，表明研究區土壤未被重金屬污染。從采樣點來看，采樣點D8的綜合污染指數為0.98，高于其他采樣點的，污染程度相對較重，采樣點D7、 D10的綜合污染指數最小，土壤重金屬含量相對最少。綜上分析，通過綜合污染指數法判斷，研究區土壤屬于清潔無污染土壤。

2.3? 地累積指數評價結果

研究區土壤中重金屬地累積指數見表8。 由表可知， 各類重金屬的地累積指數平均值均小于0， 表明研究區土壤總體上較為清潔， 污染程度從重到輕的重金屬元素排序為As、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。 從采樣點來看， 采樣點D8的地累積指數明顯大于其余采樣點的，污染程度相對嚴重，其中

Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累積指數大于0， 屬于輕度至中度污染。 綜合來看， 研究區土壤整體為無污染土壤。

2.4? 潛在生態風險評價結果

表9為研究區各采樣點土壤中重金屬潛在生態風險評價結果。 可以看出： 采樣點D8的Ir為159.00，為中等程度的潛在風險，其余采樣點的潛在風險程度均為輕微； 采樣點D12的Ir也相對較大， 為139。 采樣點D8、 D12的Hg元素貢獻率分別達到43.40%和52.01%， 而Hg元素的Ir平均值為18.59， 說明Hg元素主要集中于采樣點D8、 D12處。 從整體上來看， 各重金屬元素的Ir平均值為0.74～25.14， Ir由大到小的重金屬元素排序為Cd、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn， Cd元素的貢獻率高達38.36%。綜上可知，研究區的潛在生態風險輕微，主要由金屬鎘引起。

2.5? 不同評價方法的結果對比

綜合污染指數法、 地累積指數法、 潛在生態風險評價法對研究區土壤重金屬的評價結果顯示，3種方法均能反映土壤中重金屬的污染程度和風險狀況；但是，由于每種方法的側重點和評價機制不同，因此評價結果有所差異［20］。

由綜合污染指數可知，研究區土壤屬于清潔無污染土壤，符合國家對自然保護區的環境要求。綜合污染指數法計算公式中含有評價參數中最大的單因子污染指數，突出了污染指數最大的污染物對環境質量的影響和作用，但單個金屬的污染指數最大值對整體結果的影響很大［21］。相比之下，地累積指數法更關注單個重金屬含量對環境的影響［22］，結果顯示，研究區土壤屬于無污染土壤，As元素的地累積指數相對最大，Hg元素的相對最小。結合潛在生態風險指數法來看，Hg元素的潛在風險僅次于Cd元素的，表明Hg元素雖然含量較少但毒性大，仍對生態環境造成威脅。綜上分析，潛在生態風險指數法更適用于研究區土壤重金屬污染評價，因為其不局限于目前的土壤的污染狀況［23］，更能綜合反映沉積物中重金屬的潛在影響，為土壤重金屬的污染防治提供更有價值的參考數據。

3? 結論

本文中采用綜合污染指數法、地累積指數法、潛在生態風險評價法對黃河口國家公園濕地土壤進行重金屬污染評價，得出以下主要結論：

1）研究區土壤中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均含量均符合《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）的土壤要求。

2）研究區土壤中Cd元素富集系數為0.83，富集程度相對最高，Hg元素富集程度最低。根據綜合污染指數法評價結果，研究區屬于清潔無污染土壤。由地累積指數法評價結果可知，污染程度由高到低的重金屬元素排序為As、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。潛在生態風險由大到小的重金屬元素排序為Cd、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn。

3）采樣點D8土壤中各重金屬含量均高于其他采樣點的，其中Cd元素的質量比為0.23 mg/kg，不符合土壤環境質量執行一級標準要求，Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累積指數大于0，屬于輕度至中度污染，潛在生態風險綜合指數為159.00，為中等程度的潛在風險。為了維持保護區的土壤清潔，保護生物多樣性，應對該采樣點附近的企業以及農業用地進行監管，防止其未來對研究區土壤環境造成更大危害。

4）由于3種評價方法的側重點不同，評價結果也有所不同，潛在生態風險指數法考慮了重金屬的生態、 環境和毒理效應，能夠為正在建設中的黃河口國家公園的重金屬污染防治提供更具有長遠性的參考數據。

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（責任編輯：于海琴）