陽宗海北岸-西北岸湖濱地帶土壤重金屬 分布特征及生態風險評價

中圖分類號：X53；X825 文獻標志碼：A

摘要：為了摸清陽宗海湖濱地帶土壤污染狀況及生態風險等級，促進陽宗海生態環境的有效保護。采集陽宗海北岸和西北岸20個樣點，采用單因子評價指數、內梅羅綜合污染指數和地累積指數對土壤中 Cd，Cr，Cu，Pb Z_n 和As元素含量及污染程度進行評價。結果表明： 100% 樣品的Cd和Cu含量 95% 樣品的Cr含量 85% 樣品的 Z_n 含量和 80% 樣品的As含量，以及 45% 樣品的Pb元素含量超過了云南省土壤背景值；3種評價方法反映出的研究區污染狀況基本一致，Cd污染程度最高，其次為Cu，As和Cr存在輕微污染，相對較為安全的為Pb和 Z_n 元素；研究區的主要生態風險因子為 Cd，Cu 和As，整體以中等-強生態危害為主。受周邊人類活動影響，研究區西北岸生態風險高于北岸，今后應對該區域生活污水、垃圾排放等環境問題進行有效管控和治理。

隨著工業化和城市化進程的加快，土壤重金屬污染已成為當今環境污染研究領域的重點問題之二[1]。環境保護部和國土資源部 2014 年聯合發布《全國土壤污染狀況調查公報》，調查結果表明：全國有 19.4% 的耕地土壤受到不同因素和不同程度污染，其中重金屬污染最受關注，Cd、 Hg 和As的點位超標率分別為 7.0%1.6%.2.7% ，這些重金屬主要來源于污水排放、礦山開采、金屬冶煉、交通運輸和農藥化肥的過量使用等人為因素[23]。重金屬具有毒性顯著、難降解和生物富集等特點[4]，對生態環境和人類健康有較大危害。

湖濱地帶的生產力和生物多樣性較高，是湖泊的一道天然屏障，具有重要的生態和服務功能[5]。摸清湖濱地帶的土壤元素含量及污染程度，對開展研究區土壤污染評價及控制具有十分重要的意義。前人對此也開展了眾多研究，主要集中在農田土壤重金屬含量、污染評價及空間變異特征等方面[46]，其中對陽宗海湖泊開展的相關研究大多集中在As污染方面，缺乏對陽宗海周邊湖濱地帶土壤重金屬污染狀況的調查。因此，以陽宗海湖泊北岸和西北岸區域為例，開展陽宗海湖濱地帶土壤重金屬分布特征及生態評價研究對今后陽宗海湖泊保護和治理具有重要意義。本文從單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數及地累積指數不同角度分析研究區各元素含量及污染狀況，采用潛在生態風險指數和綜合潛在生態危害指數分析研究區整體污染情況，以期為陽宗海湖泊保護、生態安全體系構建等提供決策依據，進一步促進生態環境的有效保護。

1 采樣與方法

1.1 研究區概況

陽宗海位于云南省昆明市以東 30km（102^°58^′- 1 ，流域總面積為34050.45hm² ，湖泊面積約 31km² （圖1），湖面海拔 1770m ，南北長約 12km ，東西寬約 3km ，平均水深 22m ，年均氣溫 14.5^°C ，年均降水量 963.5mm_? 0陽宗海流域屬珠江流域南盤江水系，人湖河流主要有陽宗大河、七星河、魯溪沖河及擺依河[8]，地跨澄江、呈貢、宜良三縣（區）之間。流域經濟以工業、農業和旅游業為主。

1.2 樣品采集與分析測試

2023年5月，在陽宗海北岸電廠至西岸鋁廠附近沿湖濱岸采集20個樣品，使用RTK儀器對采樣點進行定位，采樣點大多位于湖岸，少部分位于岸邊水底（圖1）。按照NY/T395—2012《農田土壤環境質量監測技術規范》要求，以梅花狀布點，使用鐵鏟按照四分法采集5個點的 1～20cm 土壤樣本，均勻混合后，將 500～1000g 的土樣裝入密封的聚乙烯塑料袋中帶回實驗室，經過室內自然風干，去除異物，研磨用于測試各元素含量。Cu，Cr，Zn 含量采用iCAP6300電感耦合等離子體光譜儀測定；As含量采用AFS-8520原子熒光光度計測定;Cd含量采用iCAP-RQ電感耦合等離子體質譜儀測定； Pb 含量采用iCAPQa電感耦合等離子體質譜儀測定。

1.3 研究方法

1.3.1單因子污染指數法

對研究區土壤元素污染評價采用單因子污染指數法，計算公式如下：

式中： P_i 為某一污染物 i 的污染指數； C_i 為某一污染物 i 的實際測量值； S_i 為某一污染物 i 的國標值（GB15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》），見表1。由于研究區采樣點 ΔpH 值部分樣點缺測，根據李瑾等研究，研究區土壤 pH 在 6.5～7.5 之間。 P_ilt;1 為無污染， 1?P_ilt;2 為輕微污染， 2?P_ilt;3 為輕度污染，3≤P;lt;5為中度污染，P;≥5為重度污染[10]。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法不僅能全面反映各種元素污染物對土壤污染的程度，同時又能反映高濃度對土壤環境質量的影響，以及不同元素的綜合污染水平[12]。其計算公式如下：

式中： P_n 為內梅羅綜合污染指數； P_i，max 為各個元素單項污染指數的最大值； P_i，ave 為各個元素單項污染指數的平均值。內梅羅綜合污染指數評價分級標準如表2所示。

1.3.3 地累積指數法

地累積指數由德國沉積學學者Muller提出[14]，廣泛用于評價土壤元素污染程度。其計算公式如下：

式中： C_i 為土壤樣品中元素 i 含量的實際測量值； k 為經驗系數，一般取 k=1.5^[10] B_i 為 χ_i 元素的土壤背景值，以云南省土壤背景值作為參考。地累積指數 I_geo 越高，代表某種元素 i 的污染程度越嚴重。Muller將地累積指數 I_geo 的污染程度劃分為7級，如表3所示。

1.3.4潛在生態風險指數

潛在生態風險指數由瑞典學者Hakanson提出[15]，該方法綜合考慮了污染物的種類、含量以及毒性等，可以較好地進行更為全面的評價，被廣泛應用于土壤元素污染評價[4，16]。其計算公式為

式中： E_rⁱ 為元素 i 的潛在生態風險指數，分為5個等級； T_rⁱ 為元素 i 的毒性反應系數，其中Cd、Cr，Cu，Pb，Zn 和As的毒性系數分別為30、2、5、30，1，10^[17] 5 C_sⁱ 為土壤中元素 i 的實際測量值， mg/Σ 為元素 i 的背景值， mg/kg 。云南省土壤背景值見表1。

土壤元素的復合污染評價計算公式為

式中：RI為采樣點土壤中多種元素的綜合潛在生態危害指數，分為4個等級，如表4所示。

表4土壤元素潛在生態風險指數及分級[4]

1.4 數據處理

文中數據采用Excel進行統計，研究區位置及采樣點分布圖基于ArcGIS10.8軟件制作。

2 結果與分析

2.1土壤元素含量及分布特征

研究區 Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As6 種元素的含量范圍表現出一定的差異。土壤元素含量見表5，土壤元素含量統計直方圖如圖2所示。表5和圖2顯示：各元素平均值含量大小順序為 Zn（117.64）gt;Cr （116.58） gt; Cu（105.72）gt;Pb（39.16） gt; As（21.02）gt;Cd（0.75） 。 Cd，Cr，Cu，Pb，Zn，As 各元素含量（ 依次為 0.13～2.01.47.20～330.00 44.00～173.00，13.00～116.00，57.50～201.00

3.71～37.80 ，其中Cd元素分布于 0～0.5mg/kg 的樣品數最多、Cr元素分布于 0～100mg/kg 的樣品數最多、 Cu 元素分布于 gt;100～150mg/kg 的樣品數最多、 .Pb 元素分布于 0～50mg/kg 的樣品數最多 ?Z 元素分布于 50～100mg/kg 的樣品數最多、As元素分布于 gt;10～20mg/kg 的樣品數最多。6種元素的變異系數（CV）的順序為 Cd（0.68）gt; Pb（0.64）gt;Cr（0.59）gt;As（0.50）gt;Cu（0.36）gt; Zn（0.33） ，其中 Cd，Pb，Cr 和As4種元素變異系數均在0.5及以上，說明這4種元素受到外界因素的影響較大，空間分布差異明顯[18]；而 Cu 和 Z_n 變異系數在0.5以下，說明研究區 Cu 和 Z_n 在土壤中的含量分布較為均勻，受外界干擾相對較小。

與云南省土壤背景值相比： 100% 樣品的Cd和Cu含量 95% 樣品的Cr含量 85% 樣品的 Z_n 含量和 80% 樣品的As含量，以及 45% 樣品的 Pb 元素含量均超過了云南省土壤背景值； Cd，Cr，Cu 、Pb，Zn，As 含量平均值（ mg/kg 分別是云南省土壤背景值的 7.25.2.02.3.15.1.09.1.46.1.95 倍，表明6種元素在土壤中已有不同程度的積累，其中Cd 積累最為明顯，其次為Cu和 Cr 。根據GB15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，6種元素含量的超標率分別為Cd （ 80% ）、 Cr （ 10% ）、Cu（ 55% ）、 Pb （ 0% ）、 Z_n 1 0% ），As（30%） 。

2.2 污染程度評價

文中主要選擇單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和地累積指數法對研究區各樣點土壤元素污染現狀進行評價，其中單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法以GB15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》作為評價標準，地累積指數法以云南省土壤背景值為評價標準。

2.2.1單因子污染指數法

研究區各元素單因子污染指數變化范圍為：Cd（0.43～6.70） ， Cr（0.24～1.65） ， Cu（0.44～ 1.73）， Pb（0. 11～0. 97） ）， Zn（0.23～0.80） ，As（0.12～1.26） 。各元素單因子污染指數平均值從大到小依次為： Cd（2.51）gt;Cu（1.06）gt;As（0.70）gt; Cr（0.58）gt;Zn（0.47）gt;Pb（0.33） ，其中Cd 污染指數最大，其次為 Cu 和As，除Cd、Cu和As外，其他元素污染水平整體相對較為安全。這說明研究區富集程度相對較高的元素為Cd和 Cu ，最低的為 Pb 。

從各元素單因子污染指數分布（圖3）來看：Cd元素 30% 的樣品為輕微污染， 50% 的樣品達到輕度污染及以上，其中BH-17的樣品為重度污染；Cr元素僅有 10% 的樣品為輕微污染， 90% 的樣品為無污染； Cu 元素 55% 的樣品為輕微污染、 45% 的樣品為無污染； Pb 元素所有樣品均為無污染； Z_n 元素所有樣品均為無污染；As元素 30% 的樣品為輕微污染， 70% 的樣品為無污染。

2.2.2 內梅羅綜合污染指數法

從各元素綜合污染指數分布（圖4）來看：研究區Cd元素在土壤中污染最為嚴重，已達到重度污染， Gr，Cu 和As為輕污染， Pb 為尚清潔， Z_n 為清潔。各元素污染指數大小順序為 Cd（5.06）gt;Cu （1.43）gt;Cr（1.24）gt;As（1.02）gt;Pb（0.72）gt;Zn （0.66）。研究區 Cd，Cr 和Cu值較高，主要是云南地區碳酸鹽含量偏高導致的，此外，研究區各元素污染等級也會受到自然因素及人類活動脅迫等影響[19]

2.2.3地累積指數法

研究區各元素地累積指數為： Cd（-0.26～ 3.69）， Cr（-0.87～1.93） ， Cu（-0.20～1.78） ，Pb（-2.05～1.10） ） Zn（-1.07～0.73） ， As（-2.13～ 1.22）。從各元素地累積指數分布（圖5）來看：研究區Cd元素 40% 的樣品介于1～2之間，為偏中度污染， 20% 的樣品介于2～3之間，為中度污染，20% 的樣品介于3～4之間，為偏重度污染，其余樣品為無污染和輕度污染； Cr 元素 40% 的樣品為無污染， 45% 的樣品介于0～1之間，為輕度污染，15% 的樣品介于1～2之間，為偏中度污染； Cu 元素 35% 的樣品介于 0～1 之間，為輕度污染， 55% 的樣品介于1～2之間，為偏中度污染，其余樣品為無污染； Pb 元素 80% 的樣品為無污染， 15% 的樣品介于0＼～1之間，為輕度污染，僅有一個樣品介于1＼～2之間，為偏中度污染，該樣品為 BH-16;Zn 元素 50% 的樣品為無污染， 50% 的樣品介于0＼～1之間，為輕度污染；As元素 40% 的樣品為無污染，45% 的樣品介于0～1之間，為輕度污染， 15% 的樣品介于1＼～2之間，為偏中度污染。

總的來說，研究區Cd元素以偏中度污染、中度污染和偏重度污染為主，Cr元素以輕度污染和無污染為主，Cu元素以偏中度污染和輕度污染為主，Pb元素以無污染為主， Z_n 元素以輕度污染和無污染為主，As元素以輕度污染和無污染為主。各元素平均含量的地累積指數大小順序為Cd（2.28）gt;Cu（1.07）gt;Cr（0.43）gt;As（0.38）gt;Zn （ε-0.04）gt;Pb（ε-0.46） 。

2.3 生態風險評價

研究區各樣點不同元素潛在生態風險指數和綜合潛在生態危害指數結果（表6）顯示，各元素生態風險指數平均值大小順序為 Cd（218.55）gt;As （1 9.46）gt;Cu（15.73）gt;Pb（5.44）gt;Cr（4.05）gt; Zn（1.46） 。Cd元素表現為極強生態危害等級，為研究區最突出的生態風險因子，其次為As和 c_u 元素，污染等級為輕微生態危害等級，Pb、Cr和 Z_n 的生態風險指數較小，危害較低。從各元素生態風險范圍來看，Cd元素生態風險指數介于 37.68～ 582.61，50% 的樣品系數超過160，處于很強和極強生態危害等級； Cr 元素生態風險指數介于 1.64～ 11.46，所有樣品指數均小于12，處于相對較為安全等級； Cu 元素生態風險指數介于 6.55～25.74 ，35% 的樣品指數介于 20～26 之間，個別點存在輕微生態危害； Pb 元素生態風險指數介于 1.81～ 16.11， 90% 的樣品指數小于10，整體生態風險較低； Z_n 元素生態風險指數介于 0.71～2.50 ，指數較低，所有樣品均處于安全等級；As元素生態風險指數介于 3.44～35.00，45% 的樣品指數介于20＼～35之間，存在輕微危害風險等級。

從綜合潛在生態危害指數來看， 25% 的樣品存在輕微生態危害， 35% 的樣品存在中等生態危害，35% 的樣品存在強生態危害，樣品BH-17存在很強生態危害。研究區整體以中等-強生態危害為主。

3討論

研究區各元素平均值含量呈現 Zngt;Crgt;Cugt; Pbgt;Asgt;Cd 的特征，與滇池流域一致，且與前人開展研究結果基本一致[1.20]。重金屬含量的高低受到云南地區碳酸鹽含量偏高的影響，此外，土壤類型、人類活動、大氣降水及種植農作物類型等均會產生一定程度的影響。采樣點BH13一BH18這6個樣點受人類活動影響較多，包括生活污水排放、農藥化肥使用及垃圾焚燒等引起該區域Cd、Cr，Cu 的元素值較其他樣點值相對較高。各元素污染程度排序均與前人研究結果基本一致，且文中采用的3種污染指數法結果可以相互驗證，均呈現Cd和Cu值偏高，尤其是Cd元素呈現出偏重度、中度和偏中度污染的情況；其次為As和Cr元素，處于輕度污染的情況， Pb 和 Z_n 目前無污染。但文中僅對采樣點6種元素含量、污染程度及存在的生態風險指數進行分析，未對地上種植農作物的根、莖、葉的含量及遷移情況進行分析，這將是今后需要進一步努力的方向。

4結論

1）陽宗海北岸—西北岸湖濱地帶 Cd，Cr，Cu 、Pb.Zn.As 6 種元素的含量（ mg/kg 范圍分別為0 ）.13～2.01，47.20～330.00，44.00～173.00，13.00～ 116.00.57.50～201.00.3.71～37.80 ，平均值分別是云南省土壤背景值的 7.25，2.02，3.15，1.09 、1.46，1.95 倍，均超出云南省土壤背景值含量。各元素變異系數順序為 Cdgt;Pbgt;Crgt;Asgt;Cugt;Zn， □2）研究區各元素單因子指數平均值呈現出Cdgt;Cugt;Asgt;Crgt;Zngt;Pb 的分布特征，內梅羅綜合污染指數法結果呈現出 Cdgt;Cugt;Crgt;Asgt;Pbgt; Z_n 的分布特征，各元素平均含量的地累積指數法呈現出 Cdgt;Cugt;Crgt;Asgt;Zngt;Pb 的分布特征。3種研究方法的研究結果基本一致，均反映出Cd污染程度最高，其次為Cu元素，As和Cr存在輕微污染，相對較為安全的為 Pb 和 Z_n 元素。

3）研究結果表明該區域的主要生態風險因子為Cd、Cu和As，研究區整體以中等-強生態危害為主。其中陽宗海北岸的土壤生態風險低于陽宗海西北岸，主要原因為陽宗海西北岸受周邊人類活動影響較大，居民生活污水、垃圾等加劇了該區域生態污染。人類活動已成為影響環境生態的主要因素，人類主要生活區與農業耕種區應保持一定距離，之間可建立一定的緩沖帶，并集中堆放、處理生活垃圾，對生活污水排放進行有效管控

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（責任編輯：周曉南）

Distribution Characteristics of Soil Heavy Metals and Ecological Risk Assessment of Lakeside Area on the North and Northwest Lake Shores of Yangzonghai

SUN Xiaoli，TIAN Shujing，LI Yanli*，FENG Yaoming，HUANG Qianrui （Yunnan Land and Resources Vocational College，Kunming 652501，China）

Abstract： In order to assess the soil polution status and ecological risk levels of the Yangzonghai lakeside area， and promote the effective protection of the ecological environment，2O sampling points were collcted from the northernand northwestern lakeshores of Yangzonghai. The soil content and polution levels of Cd，Cr，Cu，Pb， Zn ，andAs elements were evaluated by single-factor evaluation indices，Nemerow comprehensive pollution index，and geo-accumulation index. The results show that the contents of Cd and Cu in 100% samples，Cr in （號 95% samples， Zn in 85% samples，As in 80% samples，and Pb in 45% samples all exceed the soil background value of Yunnan Province.The polltion status of the study area reflected by the three evaluation methods is essentially consistent，with the highest pollution level being Cd，followed by Gu ，and slight pollution from As and Cr. Pb and Zn elements are relatively safer. The main ecological risk factors in the study area are Cd ， Cu and As，and the overall ecological risk is mainly medium-strong.Afected bysurrounding human activities，the ecologicalrisk of the northwestshoreis higherthan the north areainthestudyarea.Efectivecontrol and management of environmental isues such as domestic sewage and garbage discharge of the area should be carried out in the future.

Key words： Yangzonghai Lake;soil heavy metals； pollution； distribution characteristics;； ecological risk assess-ment