山東省東部地區(qū)土壤重金屬污染及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

代杰瑞，王 學(xué)，董 建，張祖路

（1．山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013；2．山東師范大學(xué) 人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

0 引 言

山東省東部地區(qū)是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的主體部分，包括青島、煙臺、威海、濰坊、日照、臨沂等6個地級市的46個縣，面積5．4×104km2，也是山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進(jìn)是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要標(biāo)志。然而，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤與水環(huán)境污染、土壤鹽漬化、海水入侵、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留和重金屬含量超標(biāo)等生態(tài)問題相繼出現(xiàn)，并日趨嚴(yán)峻［1］。這不僅威脅當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境、生態(tài)安全，也嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速、持續(xù)、健康發(fā)展。因此，在山東省東部地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量研究和生態(tài)風(fēng)險評價具有重要的現(xiàn)實意義。

土壤重金屬污染作為土壤環(huán)境健康質(zhì)量惡化重要標(biāo)志之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。前人在山東省東部地區(qū)作了大量有關(guān)土壤重金屬污染方面的研究［2－6］。這些研究大多是從土壤重金屬元素的絕對含量為切入點，研究土壤重金屬污染的形成機(jī)理，評價區(qū)域環(huán)境污染特點，而從宏觀角度研究較大尺度土壤重金屬污染和從重金屬毒性系數(shù)為出發(fā)點研究重金屬危害的報道甚少。基于此，筆者以山東省東部地區(qū)土壤為研究對象，分析土壤重金屬的污染特征，采用重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)法［7］對土壤重金屬的生態(tài)危害效應(yīng)進(jìn)行評價，探討優(yōu)勢農(nóng)作物的重金屬富集特性，旨在對山東省東部地區(qū)土壤污染防治和保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 土壤樣品采集與分析

表層土壤樣品采用網(wǎng)格布樣法采集，采樣密度為1件·km－2，在采樣點周圍50m范圍內(nèi)等量采集3～5點土壤組成1件樣品。采樣時，除去表面雜物，垂直采集地表至20cm深的土壤，保證上下均勻采集，并棄去動植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等，裝入干凈布袋，樣品原始質(zhì)量大于1kg；同時采集深層土壤樣品，采樣密度為每4km2采集1件，平原區(qū)采樣深度1．5～2．0m，山地丘陵區(qū)采集的是1．2m以下30cm的土柱，以不采集半風(fēng)化層物質(zhì)為原則。在煙臺市小麥種植區(qū)采集小麥籽實樣品84件，用聚乙烯塑料袋封裝后運回實驗室。

樣品測試工作由武漢綜合巖礦測試中心承擔(dān)。土壤樣品風(fēng)干、敲碎、過孔徑為0．900mm的尼龍篩，并按4個相鄰網(wǎng)格（表層土壤樣品為4km2，深層土壤樣品為16km2）的樣品組合為1個樣品，樣品經(jīng)混合酸（HC1（濃）＋HNO3（濃）＋HF＋HClO4）消解后測定。植物樣品用去離子水洗凈，置于烘箱中105℃殺青30min，在70℃下烘24h左右，碾碎，過孔徑為0．154mm的尼龍篩，然后用濃HNO3加熱消解。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP－MS）分析Cd、Cu、Pb、Zn含量；采用 X射線熒光光譜法（XRF）分析Cr含量；采用原子熒光光譜法（AFS）分析Hg、As含量；采用標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度。

1．2 評價方法

不同重金屬元素對農(nóng)作物及人體健康的毒性不同［8－10］，即使土壤中具有相同含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后文同）的 Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn，對農(nóng)作物及人體健康的危害也有差別。因此，研究土壤重金屬元素污染的潛在環(huán)境生態(tài)風(fēng)險，要比直接評價土壤重金屬元素超標(biāo)倍數(shù)能更好地說明不同重金屬元素的危害。瑞典科學(xué)家Hankanson正是基于這一觀點，從沉積學(xué)角度提出土壤或沉積物中重金屬污染評價的方法，將重金屬生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，更好地反映了重金屬元素的潛在危害［7］。其計算公式為

式中：為第i種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)；IR為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)；為第i種污染物毒性響應(yīng)系數(shù)（表1）［7］；為第i種重金屬污染指數(shù)；Ci為第i種重金屬的實測含量；為評價重金屬元素污染的參比值；n為重金屬種數(shù)。

表1 重金屬元素毒性響應(yīng)系數(shù)Tab．1 Response Coefficients to Toxicity of Heavy Metal Element

取值應(yīng)為工業(yè)化以前未受污染的背景值，但如今幾乎很難找到不受污染的土壤，研究表明本區(qū)深層土壤地球化學(xué)含量在一定程度上可以代表表層土壤的原始沉積地球化學(xué)元素含量［3］，筆者采用不同地質(zhì)單元深層土壤平均值代表相應(yīng)表層土壤未受污染的參比值，既排除了不同區(qū)域土壤元素初始含量差異的干擾，又保證了評價的合理性。

Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法涉及多氯聯(lián)苯（PCBs）、Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn等8種污染物，其污染危害程度劃分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立也是基于此8種物質(zhì)。本調(diào)查未對PCBs進(jìn)行測試，因此進(jìn)行綜合生態(tài)危害評價的指標(biāo)為7項。筆者結(jié)合山東省東 部 地 區(qū) 重 金 屬 污 染 特 征 及 相 關(guān) 研 究［2－3］，對Hakanson提出的重金屬生態(tài)危害程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整（表2）。

表2 潛在生態(tài)危害評價標(biāo)準(zhǔn)Tab．2 Criteria for Potential Ecological Risk Evaluation

2 結(jié)果和討論

2．1 單指標(biāo)潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

對研究區(qū)13 674件表層土壤樣品重金屬元素的含量范圍、均值、污染指數(shù)（Cif）等特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計（表3）。由表3可知，污染指數(shù)均值從大到小依次為 Hg、Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As，且均大于1，說明研究區(qū)表層土壤中這7種重金屬元素均出現(xiàn)一定程度的累積；就土壤平均含量而言，污染最嚴(yán)重的重金屬元素為Hg，其次是Cd，而As、Cr污染程度最輕。

表3 土壤重金屬元素含量統(tǒng)計特征Tab．3 Statistics for Contents of Soil Heavy Metal Elements

土壤重金屬單元素及綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)計算結(jié)果（表4）表明，元素Hg、Cd對土壤綜合潛在生態(tài)危害的總貢獻(xiàn)率達(dá)到87．95%，僅元素Hg的貢獻(xiàn)率就達(dá)到61．96%，Hg對土壤的潛在生態(tài)危害最嚴(yán)重（圖1）；潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為28．7～77 241．8，最大值是很強(qiáng)危害標(biāo)準(zhǔn)限值（IR＝525）的147倍，說明局部地區(qū)已出現(xiàn)很強(qiáng)的生態(tài)危害，平均值為218．3，危害程度中等。分析單個重金屬元素潛在生態(tài)危害程度等級及均值（表5）可以發(fā)現(xiàn)，元素Cr、Zn潛在生態(tài)危害指數(shù)全部小于40，對土壤生態(tài)環(huán)境的危害輕微，Cd、Hg在各等級危害中均有分布。土壤中Hg的生態(tài)危害最大，危害為強(qiáng)、很強(qiáng)和極強(qiáng)的樣品數(shù)占總數(shù)的54．82%，其中生態(tài)危害級別為強(qiáng)的樣品數(shù)占總數(shù)的40．85%，其指數(shù)均值高達(dá)107．31，元素Cd生態(tài)危害級別為強(qiáng)及以上的土壤樣品占總數(shù)的10．36%，As、Pb為0．05%，Cu為0．02%。可見，就單元素而言，研究區(qū)土壤潛在生態(tài)環(huán)境危害最大的元素是Hg，而Cr、Zn危害輕微，危害程度從大到小依次為 Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn。

表4 土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)統(tǒng)計特征Tab．4 Statistics for Potential Ecological Risk Indexes of Soil Heavy Metal Elements

2．2 綜合潛在生態(tài)危害評價結(jié)果

評價結(jié)果（圖2）顯示，本區(qū)土壤重金屬元素綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的空間分布規(guī)律明顯，煙臺采金區(qū)、牟乳斷裂金成礦帶以及青島北石墨礦區(qū)是土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害很強(qiáng)的分布區(qū)，除Cr、Zn外，其余重金屬元素均具有較強(qiáng)的生態(tài)危害，是在金礦體伴生重金屬元素高背景下疊加礦山開采、選冶活動等導(dǎo)致的，面積1 378．40km2，占2．60%；上述生態(tài)危害很強(qiáng)的分布區(qū)外圍以及臨朐、濰坊、膠州、高密、日照、青島、蓬萊市區(qū)及多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊地帶是生態(tài)危害強(qiáng)的分布區(qū)，從分布態(tài)勢來看，主要與人類日常生活活動、“工業(yè)三廢”排放含Hg、Cd等污染物有關(guān)，面積5 912．28km2，占11．15%；研究區(qū)中部、南部大部分地區(qū)以及威海東部是土壤重金屬元素生態(tài)危害中等分布區(qū)，面積39 498．86km2，占74．50%；濰坊市北部沿海、研究區(qū)南部和東部、沂水—安丘以及青島市局部地段是土壤重金屬元素生態(tài)危害輕微分布區(qū)，面積6 230．03km2，占11．75%。

表5 不同生態(tài)危害級別的重金屬元素分布及其潛在生態(tài)危害指數(shù)均值Tab．5 Distribution of Heavy Metal Elements in Different Levels of Ecological Risk and Their Mean Potential Ecological Risk Indexes

圖1 不同重金屬元素對綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率Fig．1 Contribution Rates of Different Heavy Metal Elements to Integrated Potential Ecological Risk

圖2 土壤重金屬元素不同綜合潛在生態(tài)危害程度分布Fig．2 Distribution of Different Levels of Potential Ecological Risks for Soil Heavy Metal Elements

2．3 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價

在煙臺范圍內(nèi)共采集84件小麥籽實樣品，其中有41件位于生態(tài)危害級別為中等的區(qū)域內(nèi)，23件位于生態(tài)危害級別為強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，20件位于生態(tài)危害級別為很強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)。小麥籽實樣品在不同生態(tài)危害區(qū)平均含量見表6。由表6可見，受土壤重金屬元素污染的生態(tài)危害級別為強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，小麥籽實中Cd、Zn、As、Hg、Cu含量均值是生態(tài)危害級別為中等區(qū)域的1．11～1．67倍；生態(tài)危害級別為很強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，小麥籽實中Cd含量均值是生態(tài)危害級別為中等區(qū)域的3．44倍，Pb、Zn、As、Cu平均含量也較高。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《食物中污染物限量》（GB 2762—2005）［11］，土壤重金屬元素生態(tài)危害級別為很強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)20件小麥籽實樣品中Cd、Pb、Zn的超標(biāo)率分別為40%、10%和5%，而生態(tài)危害級別為強(qiáng)的區(qū)域41件小麥樣品中，Cd超標(biāo)率僅為4．35%，Pb、Zn未超標(biāo)，小麥?zhǔn)苤亟饘傥廴镜某潭容^小。

綜上所述，本區(qū)局部土壤重金屬污染物已遷移到小麥籽實內(nèi)，對人體健康產(chǎn)生影響；土壤污染嚴(yán)重的地區(qū)，小麥籽實重金屬含量較其他地區(qū)高；生態(tài)危害級別為很強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)小麥籽實Cd、Pb等重金屬超標(biāo)率較其他級別生態(tài)危害區(qū)大。

3 結(jié) 語

（1）山東省東部地區(qū)土壤受到 Hg、Cd、Pb、Cu、Zn等重金屬污染，且這些元素對土壤的污染程度不同，其中元素Hg對土壤的污染程度最嚴(yán)重，其次是Cd，而As、Cr污染程度最輕。

表6 生態(tài)危害級別不同的區(qū)域小麥重金屬元素平均含量、超標(biāo)數(shù)和超標(biāo)率Tab．6 Average Content，Number and Rate of over Standard of Heavy Metal Elements in Winter Wheat from the Areas with Different Ecological Risk Grades

（2）采用不同地質(zhì)單元深層土壤平均值來代替工業(yè)化以前未受污染的土壤背景值，并將其作為Hakanson提出的Cin，實踐證明是可行的。具有潛在生態(tài)危害的重金屬主要是Cd、Hg，已達(dá)到強(qiáng)—很強(qiáng)的生態(tài)危害水平，其余重金屬（As、Cr、Cu、Pb、Zn）在大部分區(qū)域均顯示為輕微—中等的生態(tài)危害水平，其中Cr、Zn在全區(qū)均為輕微生態(tài)危害。

（3）山東省東部地區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為28．7～77 241．8，說明局部地區(qū)已出現(xiàn)很強(qiáng)的生態(tài)危害，平均值為218．3，說明總體屬中等的生態(tài)危害。潛在生態(tài)風(fēng)險級別為強(qiáng)和很強(qiáng)的土壤占研究區(qū)總面積的13．75%，這種綜合潛在生態(tài)危害主要受元素Hg和Cd制約，分布在萊州—招遠(yuǎn)—煙臺和牟平—乳山金礦集中區(qū)以及人口密集的城鎮(zhèn)地帶，這種分布規(guī)律與目前金礦開采、選冶和工業(yè)生產(chǎn)、城市人類活動布局呈顯著的相關(guān)關(guān)系。局部土壤重金屬污染物（Cd、Cr、Pb、Zn等）已遷移到小麥籽實內(nèi)，具有較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險，有必要進(jìn)一步對強(qiáng)—很強(qiáng)的生態(tài)危害區(qū)農(nóng)作物進(jìn)行抽樣調(diào)查，或健全農(nóng)產(chǎn)品污染物檢測體系，以確保人民群眾的身體健康。

［1］ 代杰瑞，龐緒貴，劉華峰，等．山東省東部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查及生態(tài)問題淺析［J］．巖礦測試，2012，31（1）：188－197．DAI Jie－rui，PANG Xu－gui，LIU Hua－feng，et al．Agro－ecological Geochemical Survey and Evaluation of Eastern Shandong Province［J］．Rock and Mineral Analysis，2012，31（1）：188－197．

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［11］ GB 2762—2005，食品中污染物限量［S］．GB 2762—2005，Maximum Levels of Contaminants in Foods［S］．