典型流域農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價

于云江，胡林凱，，楊 彥，車 飛，孫 朋，鄧 飛，

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164

典型流域農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價

于云江1，胡林凱1，2，楊 彥2，車 飛1，孫 朋1，鄧 飛1，2

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164

采用野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，以原有工業(yè)污染較嚴(yán)重的某流域農(nóng)田表層土壤為研究對象，分析了土壤中重金屬Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn和 Mn的含量及污染特征，并采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對農(nóng)田土壤重金屬污染進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險評價.結(jié)果表明：研究區(qū)農(nóng)田土壤中各元素的含量均高于背景值，仍存在一定程度的污染，其污染程度由強(qiáng)至弱依次為Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn;研究區(qū)農(nóng)田土壤存在較高的潛在生態(tài)風(fēng)險，在8種重金屬中鎘的風(fēng)險指數(shù)最高.表明流域內(nèi)歷史工業(yè)污染對農(nóng)田土壤環(huán)境仍具有一定的生態(tài)危害性.

農(nóng)田土壤;重金屬;生態(tài)風(fēng)險評價;地累積指數(shù)

隨著工業(yè)發(fā)展和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類及數(shù)量的增加，農(nóng)田土壤環(huán)境污染日益嚴(yán)重，污染面積逐年擴(kuò)大.由于重金屬具有不易降解、易富集等特征［1］，土壤重金屬污染所帶來的環(huán)境問題日益受到人們的重視，已經(jīng)成為國際環(huán)境土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)［2］.

目前，國內(nèi)對于土壤重金屬污染的研究主要集中于資源開發(fā)、城市化進(jìn)程加速和規(guī)模化養(yǎng)殖等導(dǎo)致的污染及其帶來的環(huán)境及人體健康風(fēng)險方面［3-7］，大多局限于對現(xiàn)存污染源的研究.歷史污染源由于被閑置或搬遷易于被忽視和遺忘，因此，國內(nèi)對由歷史污染源污染引起的生態(tài)風(fēng)險及人群健康風(fēng)險研究較少，少量研究主要集中在污灌區(qū)［8-10］.為此，筆者以原有工業(yè)污染較嚴(yán)重的某流域?yàn)檠芯繀^(qū)，分析了研究區(qū)土壤中各重金屬元素的含量及分布特征，并利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對當(dāng)?shù)赝寥牢廴緺顩r和潛在生態(tài)風(fēng)險值進(jìn)行評價，以了解歷史工業(yè)污染與農(nóng)田土壤潛在生態(tài)風(fēng)險之間的相關(guān)性，為人類的生產(chǎn)和生活安全提供保障.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國中部，地理位置優(yōu)越，區(qū)內(nèi)物產(chǎn)資源豐富.20世紀(jì)90年代初期，研究區(qū)印染和造紙等重污染工業(yè)企業(yè)發(fā)展迅速，由于企業(yè)規(guī)模小，相應(yīng)的“三廢”處理配套設(shè)施不完善，區(qū)內(nèi)環(huán)境受到嚴(yán)重污染，過境河流一度魚蝦絕跡.近年來，當(dāng)?shù)卣鸩郊哟罅藢^(qū)內(nèi)企業(yè)的環(huán)境督查力度，對區(qū)內(nèi)污染嚴(yán)重的印染和造紙等企業(yè)陸續(xù)實(shí)施關(guān)閉或搬遷措施，目前研究區(qū)內(nèi)無重金屬污染企業(yè).

1.2 樣品的采集

于2009年7月在位于研究區(qū)內(nèi)6個自然村的農(nóng)田土壤中采樣，各采樣點(diǎn)的位置如圖1所示.根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，采用對角線布點(diǎn)法采取0～20 cm的表層土壤，去除土壤中的礫石和根系等雜物后，混合均勻，采用四分法取1 kg裝入樣品袋，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測.

圖1 各采樣點(diǎn)位置Fig.1 Sketch map showing the location of sampling points

1.3 樣品的處理與分析

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，將運(yùn)回的土壤樣品風(fēng)干、過篩成制備樣.分別采用高壓密封罐消解法和微波消解法對土壤制備樣進(jìn)行消解，消解液中各重金屬元素的含量采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)進(jìn)行檢測.

1.4 生態(tài)風(fēng)險評價方法

生態(tài)風(fēng)險評價是指確定人為活動或不利事情對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害或?qū)ι飩€體、種群及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的可能性分析過程［11］.常用的重金屬污染生態(tài)風(fēng)險評價方法主要有地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法.地累積指數(shù)法在評價過程中主要考慮元素的富集作用，適用于評價單一元素的污染狀況;而潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法更側(cè)重于多元素的協(xié)同作用，同時考慮了各重金屬元素的毒性，適用于評價區(qū)域環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險.

1.4.1 地累積指數(shù)法

地積累指數(shù)(Index of Geo-accumulation，Igeo)又稱 Mull指數(shù)，是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來的廣泛用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)［12-17］.計算公式如下：

式中，Cn為實(shí)測重金屬含量，mg/kg;Bn為當(dāng)?shù)爻练e物重金屬含量背景值，mg/kg;K為考慮到成巖作用可能引起背景值波動而設(shè)定的常數(shù)，K=1.5.地累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度的劃分見表1.

表1 地累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification criteria of index of geo-accumulation

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法(The Potential Ecological Risk Index)是瑞典科學(xué)家HAKANSON于1980年提出的，評價重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險的一種相對快速、簡便和標(biāo)準(zhǔn)的方法.由于綜合考慮了多元素的協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度及生態(tài)對重金屬的敏感性等方面的因素［18-22］，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法得到了較為廣泛的應(yīng)用.計算公式如下：

式中，RI為多種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Ei為

r第i種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Cfi為第 i種重金屬的污染系數(shù);Ci為樣品中第i種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的實(shí)測值，mg/kg;Cni為第i種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)背景值，mg/kg;Tri為第i種重金屬的毒性響應(yīng)參數(shù);元素 Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn 和 Mn 的毒性系數(shù)分別為 40，2，30，10，5，5，1 和 1［17］. 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果分級見表2.

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification criteria of the potential ecological risk index

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬的污染特征分析

查閱《中國土壤元素背景值》可知［23］，研究區(qū)土 壤 中 w(Hg)，w(Cr)，w(Cd)，w(As)，w(Pb)，w(Cu)，w(Zn)和w(Mn)的背景值分別為 0.034，63.8，0.074，11.4，19.6，19.7，60.1 和 579 mg/kg，表3為研究區(qū)土壤中8種重金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及富集倍數(shù)(F).

由表3可知，研究區(qū)農(nóng)田受到一定程度的重金屬污染，除采樣點(diǎn)4和6的土壤樣品中w(Hg)較低外，其余土壤中8種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于背景值，存在不同程度的富集和污染.元素Cd的富集系數(shù)最高，各采樣點(diǎn)土壤中w(Cd)為0.982～1.668 mg/kg，研究區(qū)平均富集系數(shù)為16.00;其次為 As，Zn和Cu，平均富集系數(shù)分別為3.01，1.73和1.71.研究區(qū)8種元素的富集程度排序?yàn)镃d＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

通過實(shí)地考察，結(jié)合研究區(qū)2009年污染源普查更新數(shù)據(jù)資料，區(qū)內(nèi)目前暫無重金屬污染企業(yè)，可以判定研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量超過當(dāng)?shù)乇尘爸凳怯捎跉v史污染源造成的.

2.2 地累積指數(shù)法評價

研究區(qū)農(nóng)田表層土壤中各元素的地累積指數(shù)計算結(jié)果如表4所示.

表3 研究區(qū)土壤中各重金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及富集系數(shù)Table 3 The concentrations and enrichment coefficients of farmland soils in research area

表4 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染地累積指數(shù)及風(fēng)險級別Table 4 The index of geo-accumulation and risk level of heavy metals in farmland soils of research area

分析表4，結(jié)合地累積指數(shù)法污染程度及風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)可知：①對元素 Hg，Mn，Cr和 Pb：除采樣點(diǎn)1的農(nóng)田土壤中Cr和Pb存在輕度污染外，其余各采樣點(diǎn)土壤環(huán)境中四元素均未形成污染，其生態(tài)風(fēng)險級別為0級.②對元素 Cd，As，Cu和 Zn：各采樣點(diǎn)農(nóng)田土壤中均存在一定程度的污染.其中，元素Cd污染最嚴(yán)重，污染程度為強(qiáng)污染;研究區(qū)平均地累積指數(shù)為3.42，風(fēng)險級別為4級;其次是As，Cu和Zn，平均污染程度分別為中等污染，輕度污染，輕度-中等污染，風(fēng)險級別分別2級，1級，1級.采樣區(qū)8種重金屬元素的風(fēng)險級別依次為 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價

研究區(qū)農(nóng)田表層土壤中各元素的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(Eri)和總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)見表5.

表5 農(nóng)田土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)及風(fēng)險級別Table 5 The potential ecological risk index and risk level of heavy metals in farmland soils of research area

由表5可知，研究區(qū)重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險級別為C級(危害程度強(qiáng))，各元素的生態(tài)危害程度依次為Cd＞Hg＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞Mn.

從單元素角度分析可知：Cd的潛在生態(tài)危害最強(qiáng)，6個采樣點(diǎn)的風(fēng)險級別均達(dá)到D級，生態(tài)危害程度極強(qiáng);其次是 Hg，其在采樣點(diǎn)1，2，3和4的生態(tài)危害為中等程度，在采樣點(diǎn)5和6為程度輕微.其余6種重金屬元素的生態(tài)危害程度均為輕微.

從多元素角度綜合分析可知：研究區(qū)重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險值很高，采樣點(diǎn)1和2的生態(tài)危害程度均達(dá)到極強(qiáng)，其余采樣村的生態(tài)危害程度均為強(qiáng).

2.4 評價結(jié)果的比較和討論

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果為：研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險級別為C級，生態(tài)危害程度為強(qiáng)，各元素的風(fēng)險級別依次為 Cd＞Hg＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞Mn;地累積指數(shù)法評價結(jié)果為 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

比較分析可知，2種評價方法均認(rèn)為研究區(qū)農(nóng)田土壤中元素Cd污染的生態(tài)風(fēng)險值最高，Mn的生態(tài)風(fēng)險值最低，對其他6種元素的生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果不同，可能是由評價方法的自身特點(diǎn)決定.潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法在評價過程中由于考慮了各重金屬元素的毒性，更側(cè)重于從生物和人的角度進(jìn)行評價;而地累積指數(shù)法在評價過程中主要考慮元素相對于自然本底值的富集性，更側(cè)重于從自然角度評價;因此在評價過程中，應(yīng)根據(jù)評價目的的差異選擇不同的評價方法.

農(nóng)田土壤是各類農(nóng)作物的生長基質(zhì)，是生物和人類生存的重要載體;由于其特殊性，在進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價時應(yīng)充分考慮重金屬污染物的毒性效應(yīng)，因而潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法更適合該研究.

3 結(jié)論

a.除采樣點(diǎn)4和6的w(Hg)較低外，研究區(qū)農(nóng)田土壤中8種重金屬元素均存在一定程度的富集和污染，污染強(qiáng)度為 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.初步分析表明是由于歷史污染源造成的.

b.研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險級別為C級，表現(xiàn)為強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險程度，其中Cd的貢獻(xiàn)率最高，其次為 Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn 和 Mn.由此可見，因歷史污染源造成的生態(tài)風(fēng)險仍應(yīng)引起相關(guān)部門的高度重視.

c.重金屬污染具有持久性和滯后性等特征，因此，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)對舊重金屬污染場地的風(fēng)險評價研究.

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils of a Typical Basin

YU Yun-jiang1，HU Lin-kai1，2，YANG Yan2，CHE Fei1，SUN Peng1，DENG Fei1，2
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.School of Environmental＆ Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China

By means of field investigation and laboratory analysis，the concentrations and pollution characteristics of Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn and Mn in farmland surface soil from a valley which suffered serious industrial historical pollution were analyzed.The ecological risk assessment of heavy metal pollution in the farmland soil wais discussed with the methods of geoaccumulation index and potential ecological risk index.The results showed that the farmland soils in the research area were polluted by heavy metals，and their concentrations were all above the background values.The enrichment degree of heavy metals ranked as follows：Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.The potential ecological risk level in the farmland soils in the research area was relatively high.The potential ecological risk of Cd was highest among the eight studied heavy metals，which showed that industrial historical pollutants in the valley were harmful to the ecological environment of farmland soils in the research area.

farmland soil;heavy metals;ecological risk assessment;geoaccumulation index

X53

A

1001-6929(2010)12-1523-05

2010-06-21

2010-09-29

國家“十一五”科技支撐計劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2007BAC16B07);國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200909101)

于云江(1964-)，男，內(nèi)蒙古烏拉特前旗人，研究員，博士后，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境風(fēng)險評價研究，yuyj@craes.org.cn.