典型生態(tài)旅游地土壤重金屬空間分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張永江　鄧茂　邵曾　王祥炳　姚靖

摘要：以黔江區(qū)城市郊區(qū)和生態(tài)旅游區(qū)域作為研究對(duì)象，分析了土壤中8種（As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg）重金屬含量，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行了空間分布及潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：黔江區(qū)土壤中8種重金屬平均值含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種重金屬都高于其背景值。黔江區(qū)土壤中8種重金屬元素的污染程度大小為Cu >Hg> Pb> Zn >As> Ni > Cr > Cd，不同采樣點(diǎn)位呈現(xiàn)輕度、中度和重度污染。8種重金屬之間相關(guān)性較強(qiáng)，Cr、Hg與As的來(lái)源可能相同，主要受到人類活動(dòng)的影響。8種重金屬平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镠g>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其余7種重金屬的潛在生態(tài)危害程度都較低。與城郊區(qū)域土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比較，生態(tài)旅游區(qū)域土壤指數(shù)相對(duì)較高。研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值為107.6，處于輕微生態(tài)危害等級(jí)。

關(guān)鍵詞：黔江區(qū)；生態(tài)旅游；土壤重金屬；空間分布；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.018

中圖分類號(hào)：X833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6444（2015）05-0075-05

重金屬主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車輛、焚化爐、工業(yè)廢棄物和大氣粉塵沉積物等[1-2]。當(dāng)人暴露于高濃度的重金屬中，重金屬能夠在脂肪組織中積累，從而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和破壞身體內(nèi)部器官的正常功能[3]。此外，研究發(fā)現(xiàn)小孩暴露受污染的土壤、灰塵和空氣微粒中，可以通過(guò)手口途徑攝取重金屬[4]。同時(shí)，重金屬被農(nóng)作物吸收富集后通過(guò)食物鏈傳遞給人或動(dòng)物，嚴(yán)重影響人和動(dòng)物的健康，甚至是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[5]。

因此，開(kāi)展土壤中重金屬污染特征成為土壤環(huán)境質(zhì)量研究的重要課題，尤其是土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)成為研究熱點(diǎn)[6]。黔江區(qū)是全國(guó)低碳國(guó)土實(shí)驗(yàn)區(qū)，也是綠色中國(guó)·杰出綠色生態(tài)城市。近年來(lái)，在生態(tài)旅游和農(nóng)業(yè)等方面得到了快速發(fā)展，人類活動(dòng)日益頻繁，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也隨之發(fā)生變化?；诖?，本研究以黔江區(qū)城市郊區(qū)和生態(tài)旅游區(qū)域作為研究對(duì)象，研究不同土壤類別中重金屬元素含量、分布特征，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法，結(jié)合土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和重慶市土壤背景值對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，為黔江區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供科學(xué)決策參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 土壤樣本采集

樣品采集時(shí)間在2014年7月，采集區(qū)域?yàn)榍瓍^(qū)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，樣品采集范圍包括基本農(nóng)田、飲用水水源地保護(hù)區(qū)域、居民生活區(qū)域、菜園地區(qū)域和其他區(qū)域。根據(jù)具體情況每個(gè)采集點(diǎn)用GPS定位布點(diǎn)，采集深度為0～40 cm剖面層，共采集樣品15個(gè)（其中1～10號(hào)為生態(tài)旅游區(qū)域土壤樣品，11～15號(hào)為城市郊區(qū)土壤樣品），為避免采樣過(guò)程中重金屬元素的污染，使用硬質(zhì)塑料鏟垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，采用對(duì)角線法進(jìn)行多點(diǎn)取樣混合一個(gè)代表?xiàng)畹姆椒ǎ總€(gè)混合樣品為1 kg左右。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，樣品避光自然風(fēng)干后并剔除植物殘?bào)w和石塊，對(duì)每一份樣品采用四分法取樣進(jìn)行磨碎處理，過(guò)100（0.149mm）土壤篩，保存于塑料瓶中備用。

1.2 樣品消解和測(cè)試

土壤樣品的猜想采樣王水-高氯酸開(kāi)放式消煮法，稱取1g左右試樣于Anton PVC 消解罐中，加入5 mL HCl和HNO3，120℃消解24 h，直至消解液為1 mL左右時(shí)，冷卻至室溫后加入高氯酸3 mL，140℃繼續(xù)消解72 h，消解液為透明澄清未止，消解結(jié)束冷卻至室溫永超純水定容至50 mL，過(guò)濾到經(jīng)酸浸泡過(guò)的干凈PE塑料瓶中?？瞻缀蜆?biāo)準(zhǔn)樣品（ GBW08303，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心） 同時(shí)消解，以確保消解及分析測(cè)定的準(zhǔn)確度和用于回收率的計(jì)算。消解液中采用原子熒光分光光度計(jì)（ AFS-930，北京海光分析儀器公司）進(jìn)行測(cè)定As 和Hg含量，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，Optima 2000 DV，PerkinElmer，USA）進(jìn)行測(cè)定Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等重金屬元素含量。所有土壤樣品測(cè)試后再抽取總樣品數(shù)的30%進(jìn)行重金屬含量的重復(fù)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明本次測(cè)試合格率為100%。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 重金屬單因子污染指數(shù)法

采用單因子污染指數(shù)法對(duì)重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)是國(guó)內(nèi)外普遍選用方法之一，是對(duì)土壤中的某一污染物的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估公式如下[7]：

Pi=CiSi

式中，Pi是土壤污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci是土壤污染物i的實(shí)測(cè)值，mg/kg； Si是土壤污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg，選用重慶市土壤中重金屬元素的平均背景值[8]。Pi≤1，未污染；1

2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害。其計(jì)算公式為[9]：

PN=[（ci/Si）2max+（ci/Si）2ave2]1/2

式中，PN為綜合污染指數(shù)；（ci/Si）max為各污染物中污染指數(shù)最大值； （ci/Si）ave為各污染物中污染指數(shù)的算數(shù)平均值。

依據(jù)重金屬單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，可將土壤重金屬污染劃分為5個(gè)等級(jí)。具體如表1所示。

2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

依據(jù)瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以反映出單個(gè)和各個(gè)污染物綜合效應(yīng)及污染水平，定量評(píng)估潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和危害程度，該方法只需要土壤中重金屬總量分析數(shù)據(jù)，極大提高了方法的實(shí)用性。公式如下：

RI=∑MIEir=∑MITir×Cir=∑MITir×cicin

式中，RI為土壤環(huán)境中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eir是潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Tir是單一污染物的毒性系數(shù)，可以綜合反映重金屬的毒性、污染水平和污染敏感程度；Ci是土壤中重金屬的測(cè)試濃度；Cir是某一重金屬的污染參數(shù)；為反映特定區(qū)域的分異性，Cin選用重慶市土壤中重金屬元素的平均背景值作為比較基準(zhǔn)[8]。在本研究中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的毒性系數(shù)分別為10、30、2、5、5、5、1、40[10]。

2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和漢克森潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)武陵山區(qū)黔江區(qū)土壤中的重金屬污染狀況特征和來(lái)源，采用Excel2003、SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析。依據(jù)單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個(gè)等級(jí)；多個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)RI可將土壤中重金屬污染狀況劃分為5個(gè)等級(jí)；其污染程度的具體關(guān)系見(jiàn)表2[11]。

3 結(jié)果與討論

3.1 黔江區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果特征

從表3中可看出，研究中8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg平均值含量分別為6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，8種重金屬的平均含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種都高于其背景值。與重慶市土壤背景值相比較，測(cè)試點(diǎn)位樣品的單個(gè)重金屬超標(biāo)率除As、Cd、Cr外，其余5種重金屬的超標(biāo)率均大于53.3%，其中Cu超標(biāo)率達(dá)到100.0%，Cu和Hg與背景值的比值遠(yuǎn)超過(guò)其他6種，分別為背景值的1.55倍和1.54倍。從土壤中8 種重金屬的變異系數(shù)來(lái)看，As、Cd、Cr、Hg 和Cu 的變異系數(shù)較大，反映出這5種重金屬元素的離散程度較高，表明在不同點(diǎn)位的5種重金屬含量差異較大；As、Cd和Hg變異系數(shù)相差較小，表明As、Cd和Hg受外界影響狀況基本一致，說(shuō)明這幾種重金屬受外界干擾影響較大，可能有相似的來(lái)源和污染途徑；Pb和Zn變異系數(shù)較小，可能受自然因素的影響較大[12]。研究區(qū)域土壤中Cr的含量最大值為178.0 mg/kg，最小值為28.3 mg/kg，變異系數(shù)為86.4%，平均值為178.0 mg/kg，說(shuō)明這幾種金屬受人為因素影響較明顯[13]。

3.2 重金屬元素的相關(guān)性分析

黔江區(qū)土壤中8種重金屬相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表4，從表中可以看出，黔江區(qū)土壤中重金屬之間的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg之間相關(guān)性較強(qiáng)。Cr和As、Zn和Ni、Hg和Cr在P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為0.891、0.794、0.712。Hg和As、Pb，Zn和Cu在P<0.05水平上相關(guān)系數(shù)分別為0.590、0.543、0.635，是正相關(guān)。Cr、Hg與As的來(lái)源可能相同，從采樣點(diǎn)來(lái)看，表明土壤中這些金屬含量受人類生產(chǎn)和生活活動(dòng)范圍影響，在菜地出現(xiàn)濃度值較高，其來(lái)源相同導(dǎo)致其相關(guān)關(guān)系。從總體情況來(lái)看，相關(guān)重金屬含量較高的采樣點(diǎn)網(wǎng)大多數(shù)位于基本農(nóng)田、菜園地和居民生活區(qū)等人類活動(dòng)較為頻繁區(qū)域，其來(lái)源受人類活動(dòng)的影響較自然環(huán)境影響大，這與焉耆盆地中位于縣城居民點(diǎn)附近以及農(nóng)土壤重金屬之間相關(guān)性一致[14]。分析結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤環(huán)境中重金屬含量主要受人類活動(dòng)影響。

3.3 黔江土壤重金屬染污評(píng)價(jià)

黔江區(qū)土壤中8種重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖1。單因子污染指數(shù)法分析評(píng)價(jià)結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤中

8種重金屬元素的污染程度大小為Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd。不同采樣點(diǎn)位土壤重金屬的污染程度表現(xiàn)為Cu呈輕度、重度和重度污染，其中2號(hào)采樣點(diǎn)As、Cr和Hg，15號(hào)采樣點(diǎn)Cu和Hg呈重度污染，12號(hào)采樣點(diǎn)Hg呈中度污染。與城郊區(qū)域土壤相比較，典型生態(tài)旅游地土壤中As、Cr、Cu和Hg的污染指數(shù)相對(duì)較高，這可能與生態(tài)旅游區(qū)域發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，大量施用農(nóng)藥和化肥有關(guān)；城郊區(qū)域土壤11～15號(hào)采樣點(diǎn)中Cu和Hg呈現(xiàn)不同程度的污染，與城郊結(jié)合區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，受人類活動(dòng)影響較大有關(guān)。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤平均指數(shù)為1.57，為輕污染水平，2號(hào)采樣點(diǎn)呈重度污染，15號(hào)采樣點(diǎn)呈中度污染，其余點(diǎn)位除10號(hào)和14號(hào)采樣點(diǎn)指數(shù)分別為0.96和0.92，處于警戒線范圍外，其他采樣點(diǎn)位指數(shù)為1.15～1.62，呈現(xiàn)輕度污染。從各個(gè)污染物的分擔(dān)率結(jié)果表明，Hg和Cr是黔江區(qū)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的主要貢獻(xiàn)因子，污染分擔(dān)率分別為21.7%和17.4%，其他6種重金屬分擔(dān)率均小于16.0%。與潛在生態(tài)等閑評(píng)價(jià)相比較，內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)時(shí)高估了高濃度污染物的影響作用，因此Hg作為黔江區(qū)土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的主要貢獻(xiàn)因子，與部分點(diǎn)位超標(biāo)有關(guān)。

3.4 黔江區(qū)土壤重金屬潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估

黔江區(qū)土壤中8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子（Eir）和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）分析結(jié)果如表5所示，從中可以看出，8種重金屬平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镠g>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其余7種重金屬的潛在生態(tài)危害程度都較低。從采樣點(diǎn)位來(lái)看，黔江區(qū)土壤中8種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）值在62.96～240.41范圍內(nèi)，其中有13.3%的采樣點(diǎn)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，86.7%的采樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。黔江區(qū)土壤中8種重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與內(nèi)梅羅污染評(píng)價(jià)結(jié)果一致，整個(gè)研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值為107.6，處于輕微生態(tài)危害等級(jí)，從整體上看黔江區(qū)研究區(qū)域內(nèi)土壤中重金屬環(huán)境質(zhì)量較好。與城郊區(qū)域土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比較，1～10號(hào)生態(tài)旅游區(qū)域土壤指數(shù)相對(duì)較高，2號(hào)點(diǎn)位已達(dá)到中等生態(tài)危害水平，因此，必須同時(shí)加強(qiáng)對(duì)城郊區(qū)域和生態(tài)旅游區(qū)域土壤污染防治，確保土壤環(huán)境質(zhì)量安全。

4 結(jié)論

（1）黔江區(qū)土壤中8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的平均含量分別為6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，平均含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—19957）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重慶市土壤背景值外，其余5種均高于其背景值。

（2）單因子污染指數(shù)法分析評(píng)價(jià)結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤中8種重金屬元素的污染程度大小為Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd，不同采樣點(diǎn)位呈現(xiàn)輕度、中度和重度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤平均指數(shù)為1.57，為輕污染水平。

（3）重金屬元素的相關(guān)性分析表明，黔江區(qū)土壤中重金屬之間的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，8種重金屬之間相關(guān)性較強(qiáng)，Cr、Hg與As的來(lái)源可能相同，黔江區(qū)土壤環(huán)境中重金屬含量主要受到人類活動(dòng)的影響。

（4）潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)估結(jié)果表明，黔江區(qū)土壤中8種重金屬平均單項(xiàng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镠g>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg處于中等水平生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其余7種重金屬的潛在生態(tài)危害程度都較低。與城郊區(qū)域土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比較，生態(tài)旅游區(qū)域土壤指數(shù)相對(duì)較高。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與內(nèi)梅羅污染評(píng)價(jià)結(jié)果一致，整個(gè)研究區(qū)土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均值為107.6，處于輕微生態(tài)危害等級(jí)。

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