應(yīng)用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法研究濟(jì)寧南部區(qū)域土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

應(yīng)用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法研究濟(jì)寧南部區(qū)域土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙慶令1,2， 李清彩1,2， 謝江坤3， 李元仲1， 姬永紅1， 龐成寶1， 萬(wàn)淼4

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院， 山東 兗州 272100；

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074；

3.中建中環(huán)工程有限公司， 江蘇 南京 210008；4.山東省物化探勘察院， 山東 濟(jì)南 250013)

摘要：評(píng)價(jià)土壤中重金屬污染的方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，但迄今尚沒(méi)有成熟的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文以濟(jì)寧城區(qū)南部農(nóng)田為研究區(qū)域，采集77件土壤樣品進(jìn)行調(diào)查，光譜、質(zhì)譜等技術(shù)分析結(jié)果表明土壤環(huán)境中8種重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)平均含量分別為16.7、0.270、88.4、33.0、0.050、40.4、29.3、89.1 mg/kg，與黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值相比，Hg、Cd分別高于基準(zhǔn)值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準(zhǔn)值的0.26～0.52倍。Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3呈顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤受到了Hg的不同程度人為污染。用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法分析區(qū)內(nèi)8種重金屬元素的污染(富集)程度，均表明土壤環(huán)境中Hg、Cd為輕微污染(富集)程度，其他6種元素均為無(wú)污染。將該區(qū)域重金屬含量與其生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合，運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，8種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為：Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，與污染(富集)程度排序差異明顯；盡管Hg、Cd在研究區(qū)內(nèi)僅僅為輕微(富集)程度，但都具有較高的毒性響應(yīng)系數(shù)，兩元素對(duì)土壤綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了81.26%。借助MapGIS繪制研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)圖，表明區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境總體上處于“中度”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，約6.83%的面積呈“強(qiáng)”和“很強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中復(fù)興河、姚樓河、京杭運(yùn)河3條河流交匯處的局部區(qū)域(占研究區(qū)面積的0.50%)達(dá)到了“很強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)查可疑人為污染源發(fā)現(xiàn)，“強(qiáng)”和“很強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的布局恰好與區(qū)內(nèi)煤礦生產(chǎn)開(kāi)采活動(dòng)相關(guān)。本文提出，應(yīng)當(dāng)注重對(duì)煤礦開(kāi)采礦井周邊區(qū)域土地復(fù)墾及污染防治工作，尤其是加強(qiáng)土壤中Cd、Hg的物理化學(xué)改良及生物治理修復(fù)工作，防止Hg、Cd進(jìn)一步污染擴(kuò)散。

關(guān)鍵詞：土壤； 重金屬污染特征； 富集系數(shù)； 地累積指數(shù)； 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)； 濟(jì)寧

DOI:10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.017

收稿日期：2014-03-05； 修回日期： 2014-07-07； 接受日期： 2014-08-09

基金項(xiàng)目：山東省濟(jì)寧市南部農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(魯國(guó)土資[2005]753)

作者簡(jiǎn)介：趙慶令,工程師, 從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)及儀器分析研究工作。E-mail： zqlzb@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：S151.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract:Many methods, including single factor index method, Nemero comprehensive index method, potential ecological risk index method and geoaccumulation index method, have been employed to evaluate soil heavy metal pollution. However, no well-developed or standard method has yet been established. Herein, 77 samples of farmland soil in south Jining were collected and analyzed. The results show that average concentrations of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn in the samples were 16.7, 0.270, 88.4, 33.0, 0.050, 40.4, 29.3 and 89.1 mg/kg, respectively. The values of Hg and Cd were 1.50 and 1.39 times higher than the benchmark value of the Huang-Huai-Hai Plain and values of other elements were 0.26-0.52 times higher than the benchmark value. All of the samples were evaluated by bivariate correlation analysis method, and the results show that soils are polluted by Hg. The enrichment coefficient method and geoaccumulation method were employed to evaluate the pollution level of 8 elements (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn) in the target area soil. Both results show that there was light accumulation of Hg and Cd, while other elements were at normal levels. Combining heavy metal concentration in the selected area, the biotoxicity index of heavy metals, ecological effect and environmental effect, and the potential biological hazard index method were applied to evaluate the biological risk. The results show that the potential hazard sequence is as follows: Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn with obvious differences to the accumulation level. Although there was only light accumulation of Hg and Cd, their potential hazards contributed up to 81.26% of the total contribution of potential ecological risk index. The result was schematized by using MapGIS. It showed that about 6.83% of the selected area had the problem of strong or very strong potential ecological risk, and the remainder was at the medium level. Despite the junction of Fuxing River, Yaolou River and Jinghang canal faced the problem of very strong potential biological risk. According to the investigation on the anthropogenic emission sources in the research area, it was found that the risk had positive correlation with coal mining activities. Therefore, taking effective measures to remedy the polluted soil, especially the remediation of the Hg and Cd pollution, will be of great significance to prevent the further deterioration of the soil environment.

文章編號(hào)：0254-5357(2015)01-0138-12

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，土壤污染尤其是重金屬污染越來(lái)越突出。重金屬是典型的土壤污染物，具有隱蔽性、難降解、移動(dòng)性差和易被富集等特點(diǎn)，可影響土壤微生物區(qū)系、生態(tài)物種和微生物過(guò)程，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，并通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)蓄積構(gòu)成潛在危害[1]。土壤重金屬污染問(wèn)題已經(jīng)引起了全世界的高度重視和深入研究[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)土壤中重金屬污染的方法較多，如單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法、綜合響應(yīng)因子法、生物效應(yīng)濃度法、次生相與原生相分布比值法、富集系數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，但迄今為止尚沒(méi)有成熟的方法和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5]。例如，涂常青等[6]利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了梅州市某硫銅礦礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬的污染特征及生態(tài)危害，發(fā)現(xiàn)硫銅礦礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中Pb的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)占主導(dǎo)地位；Ogunkunle等[7]利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法調(diào)查了尼日利亞西南部一個(gè)大型水泥廠周?chē)寥赖闹亟饘傥廴緺顩r及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征，認(rèn)為Cd在該區(qū)域土壤中具有非常高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)行必要的生物修復(fù)；Amuno[8]利用富集系數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了盧旺達(dá)萬(wàn)人坑公墓周?chē)寥乐兄亟饘俚姆植继卣骷皾撛谏鷳B(tài)危害，認(rèn)為土壤中累積的重金屬含量沒(méi)有構(gòu)成顯著的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Mohsen等[9]利用主成分分析法、富集系數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了德黑蘭主要街區(qū)土壤中重金屬污染特征、污染來(lái)源和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)高速公路附近土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)遠(yuǎn)大于伊朗科學(xué)技術(shù)大學(xué)校區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；盧嵐嵐等[10]利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了安徽淮南顧橋煤礦矸石山附近表層土壤中重金屬元素的富集特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況，結(jié)果表明土壤中Zn、Pb、Cd、Ni、Cr、Cu的濃度隨距矸石山距離增加而降低，隨土壤深度變化趨勢(shì)不顯著，除Cd外，其余元素均未造成潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；楠定其其格等[11]利用生物效應(yīng)濃度法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)內(nèi)蒙古岱海湖沉積物中重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明岱海表層沉積物中重金屬存在產(chǎn)生生物毒性的可能性。由于每種方法都有其局限性，因此有必要采用多種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以便相互補(bǔ)充和借鑒，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。此外，不同的評(píng)價(jià)體系基于不同的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法，它們之間的相互聯(lián)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系仍值得探討和研究[12-13]。

濟(jì)寧市南部區(qū)域經(jīng)濟(jì)主要以農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、采礦為主，這里土地肥沃，水利設(shè)施齊全，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，是著名的國(guó)家商品糧、優(yōu)質(zhì)大米和淡水魚(yú)生產(chǎn)基地，有山東省“魚(yú)米之鄉(xiāng)”之美譽(yù)。土壤質(zhì)量關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，但目前對(duì)于當(dāng)?shù)赝寥赖闹亟饘傥廴緺顩r研究甚少。本文以濟(jì)寧城區(qū)南部農(nóng)田為研究區(qū)域，對(duì)土壤進(jìn)行調(diào)查采樣，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、原子熒光光譜儀、紅外硫碳測(cè)定儀等儀器分析其中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量，采用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法兩種方法對(duì)土壤重金屬污染(富集)程度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；并將該區(qū)域重金屬含量與重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合，運(yùn)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)重金屬污染進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)危害程度評(píng)價(jià)，以期為濟(jì)寧南部區(qū)域的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及土地利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。

1研究區(qū)域基本概況

研究區(qū)位于山東省濟(jì)寧市南部洸府河與微山湖以西的平原區(qū)，包括魚(yú)臺(tái)縣全部、濟(jì)寧市任城區(qū)的安居、許莊、唐口、喻屯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，金鄉(xiāng)縣高河、卜集、胡集和嘉祥縣金屯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域。地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°22′00″～116°49′00″，北緯34°53′50″～35°21′00″，面積1132 km2。本區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，多年(1958～2013年)平均氣溫13.6℃，平均降水量為649.4 mm，平均水面蒸發(fā)量為1671 mm。工作區(qū)屬淮河流域南四湖水系，南陽(yáng)湖系眾水匯集之中心，境內(nèi)河流較多，較大的河流有京杭運(yùn)河、洙水河、萬(wàn)福河、洙趙新河、東魚(yú)河等，以上河流呈放射狀流入南四湖。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要礦種為煤，總儲(chǔ)量達(dá)4.5億噸，主要煤礦有濟(jì)寧二號(hào)煤礦、安居煤礦、王樓煤礦、湖西煤礦、鹿洼煤礦等。經(jīng)濟(jì)以農(nóng)、漁、林、采礦、化工、造紙為主。

區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型共有壤質(zhì)潮土、黏質(zhì)潮土、硫酸鹽鹽化潮土、潮土型幼年水稻土、濕潮土型幼年水稻土、砂姜黑土型幼年水稻土、鹽化潮土型幼年水稻土、潛育型幼年水稻土8個(gè)土屬，各土屬的土壤中絕大多數(shù)元素的含量值總體相差不大，這說(shuō)明了本區(qū)土壤地球化學(xué)元素特征值受土壤類(lèi)型影響較小。

2樣品分析與重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.1樣品采集與指標(biāo)分析

將研究區(qū)以4 km×4 km劃分為一個(gè)采樣單元，采用“多坑點(diǎn)采集”、“多層樣品組合”的方法和“S”形布點(diǎn)原則，進(jìn)行土壤樣品采集工作。土壤樣品的采集深度為0～20 cm，采集工具為鐵鏟。樣品采集過(guò)程中，將與金屬器具接觸的土壤剝?nèi)ィ⑷コs草、草根、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物，采集新鮮無(wú)沾污的土壤樣品，將土壤樣品充分混合，采用四分法將混合土壤縮分。采集約1 kg的樣品統(tǒng)一用布袋放存，寫(xiě)好標(biāo)鑒，送檢。

土壤樣品由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所采用各類(lèi)儀器分析重金屬元素的含量：電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定As、Cd；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、S、TFe2O3；原子熒光光譜法測(cè)定Hg；離子選擇性電極法測(cè)定F；玻璃電極法測(cè)定pH；燃燒氧化-非分散紅外吸收法測(cè)定有機(jī)碳。分析過(guò)程中均采用標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段，保證了分析質(zhì)量的可靠性，測(cè)試質(zhì)量已通過(guò)山東國(guó)土資源廳專(zhuān)家組的驗(yàn)收。

2.2重金屬污染評(píng)價(jià)方法

2.2.1富集系數(shù)法

富集系數(shù)(Enrichment Factor，EF指數(shù))，是評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤及沉積物中重金屬富集程度影響的重要參數(shù)。其基本含義，是將樣品中元素的濃度與背景中元素的濃度進(jìn)行對(duì)比，以此判斷表生環(huán)境介質(zhì)中元素的污染狀況[14]。標(biāo)準(zhǔn)化元素常選擇表生過(guò)程中地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的元素作為參比，如Al、Ti、Fe、Sc等[15-16]。其計(jì)算公式如下：

式中：[Ci/Cn]sediment是土壤中金屬i與標(biāo)準(zhǔn)化元素n的測(cè)定含量比，[Ci/Cn]background是土壤中金屬i與標(biāo)準(zhǔn)化元素n的背景值含量比。Sutherland[17]根據(jù)富集系數(shù)(EF值)的大小，將污染程度劃分為6個(gè)級(jí)別，如表1所示。

2.2.2地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法(Index of geoaccumulation，Igeo)是德國(guó)科學(xué)家Muller在1969年提出的，它是一種研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，近年來(lái)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者[18-20]廣泛應(yīng)用于人為活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬對(duì)土壤污染的評(píng)價(jià)。其公式為：

式中：Ci是樣品中元素i的實(shí)測(cè)濃度；Bi是土壤中元素i的地球化學(xué)背景值。重金屬地累積指數(shù)(Igeo)分級(jí)與污染程度的關(guān)系[20]列于表1。

表 1富集系數(shù)和地累積指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

Table 1Enrichment factor and geo-accumulation index

等級(jí)EF值富集(污染)程度等級(jí)Igeo值富集(污染)程度Ⅰ≤1無(wú)富集(無(wú)污染)Ⅰ≤0無(wú)富集(無(wú)污染)Ⅱ1～2輕微富集(輕微污染)Ⅱ0～1輕微富集(輕微污染)Ⅲ2～5中度富集(中度污染)Ⅲ1～2中度富集(中度污染)Ⅳ5～20顯著富集(強(qiáng)污染)Ⅳ2～3中強(qiáng)富集(中強(qiáng)污染)Ⅴ20～40強(qiáng)烈富集(較強(qiáng)污染)Ⅴ3～4強(qiáng)富集(強(qiáng)污染)Ⅵ>40極強(qiáng)富集(極強(qiáng)污染)Ⅵ4～5較強(qiáng)富集(較強(qiáng)污染)Ⅶ>5極強(qiáng)富集(極強(qiáng)污染)

2.3重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson于20世紀(jì)80年代創(chuàng)建的，該方法主要以土壤、沉積物中重金屬的元素背景值為基礎(chǔ)，并結(jié)合重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)，計(jì)算出重金屬生態(tài)危害指數(shù)(RI值)[21-22]。其計(jì)算公式如下：

表 2生態(tài)危害程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

Table 2Ecological risk level and its assessment index

Eir潛在生態(tài)危害程度RI潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度<40輕度<150輕度40～80中度150～300中度80～160強(qiáng)300～600強(qiáng)160～320很強(qiáng)>600很強(qiáng)>320極強(qiáng)

3研究區(qū)重金屬含量水平和污染特征

3.1重金屬元素含量水平

濟(jì)寧南部區(qū)域77件土壤樣品中重金屬含量的變化及平均值見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，研究區(qū)重金屬元素含量范圍Cr、Cu、Ni、Pb、Zn變化幅度不大，變異系數(shù)均低于19%；As、Cd、Hg含量變化幅度較大，Hg的含量為0.022～0.335 μg/g，變異系數(shù)達(dá)91%，Cd的含量為0.11～0.68 μg/g，變異系數(shù)達(dá)35%，As的含量為5.9～22.9 μg/g，變異系數(shù)達(dá)28%，在單個(gè)樣點(diǎn)數(shù)值上也表現(xiàn)出Hg元素有極個(gè)別樣點(diǎn)含量偏高，這表明表層土壤中的As、Cd、Hg元素受后期人為活動(dòng)的干擾影響較大。就平均值而言，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均高于黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值，其中Hg、Cd最為嚴(yán)重，分別高于基準(zhǔn)值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準(zhǔn)值的0.26～0.52倍。從各元素的采樣點(diǎn)超標(biāo)率比例也可以看出，Hg最為嚴(yán)重，采樣點(diǎn)超標(biāo)率達(dá)到100%，Cd、Zn、Cr、Cu、Pb略次之，均有90%以上的樣點(diǎn)超標(biāo)；As、Ni最輕，但也均有82%的采樣點(diǎn)超過(guò)背景值。

表 3土壤重金屬元素含量分析統(tǒng)計(jì)

Table 3Statistics of heavy metal concentration in soils

項(xiàng)目AsCdCrCuHgNiPbZn含量最小值(μg/g)5.90.1161.718.30.02224.618.257.5含量最大值(μg/g)22.90.68102.451.20.33549.334.1112.5含量平均值(μg/g)16.70.27088.433.00.05040.429.389.1含量背景值(μg/g)110.11366230.02322262標(biāo)準(zhǔn)偏差(μg/g)4.600.1011.525.970.056.893.7812.75變異系數(shù)(%)2835131891171314超標(biāo)率(%)81.8298.7092.2192.21100.0081.8290.9194.81

采用SPSS 21軟件對(duì)77件土壤樣品的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，不同元素間相關(guān)關(guān)系如表4所示。有機(jī)碳與Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn六種元素表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與As呈顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)槌练e物的有機(jī)質(zhì)可提高截留可交換態(tài)重金屬的能力[24]；S、TFe2O3與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，這可能與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素較高的親鐵親硫特性有關(guān)[25]；F與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，這可能是因?yàn)镕能與許多金屬形成易揮發(fā)、易溶解的絡(luò)合物，對(duì)這些金屬元素的遷移、富集起著極其重要的作用[25]；而pH僅與As、Ni表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與Hg、有機(jī)碳呈極顯著的負(fù)相關(guān)性，與Cr呈顯著正相關(guān)，由于pH與重金屬的作用機(jī)制較為復(fù)雜，pH的影響機(jī)理目前尚不明確[24]，有待于進(jìn)一步研究。

As-Cd-Cr-Cu-Ni-Pb-Zn之間、表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，存在共同變化的趨勢(shì)，說(shuō)明了這些重金屬有著共同的自然源或人為污染源[26]。另外，Hg與As、Cr、F、pH呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與Cu、Ni、TFe2O3呈顯著負(fù)相關(guān)，不難看出，Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3不存在共同的來(lái)源，這種現(xiàn)象可能是濟(jì)寧南部區(qū)域土壤中受到了Hg的不同程度人為污染所致，本研究將采用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法進(jìn)行證實(shí)。

3.2重金屬污染(富集)特征分析

3.2.1富集系數(shù)分析重金屬污染特征

以黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值數(shù)據(jù)作為背景值[23]，采用Fe元素作為校準(zhǔn)元素進(jìn)行對(duì)比計(jì)算富集系數(shù)。對(duì)8種重金屬的富集系數(shù)(EF)進(jìn)行分析比較(表5)，可以得出8種元素富集(污染)程度排列為：Hg (1.99)>Cd (1.77)>As (1.10)>Zn (1.07)>Cu (1.06)>Pb (1.00)>Cr (0.99)>Ni (0.93)。Hg、Cd、As、Zn、Cu區(qū)域富集污染級(jí)別為Ⅱ級(jí)，屬輕微污染；Pb、Cr、Ni為Ⅰ級(jí)，無(wú)污染，其中，超過(guò)94%采樣點(diǎn)的Ni、超過(guò)70%采樣點(diǎn)的Cr、超過(guò)66%采樣點(diǎn)的Pb為無(wú)富集；Hg、Cd、As、Zn、Cu存在76%～84%的采樣點(diǎn)為元素輕微富集；Hg和Cd均存在15.58%的采樣點(diǎn)為中度富集。

表 4濟(jì)寧南部區(qū)域土壤中不同元素間相關(guān)關(guān)系

Table 4Correlationship between different elements in soils of Southern Jining

元素AsCdCrCuHgNiPbZnFSOrgCTFe2O3pHAs10.501**0.915**0.722**-0.312**0.901**0.677**0.762**0.887**0.433**0.290* 0.851**0.451**Cd10.561**0.425**-0.130 0.527**0.447**0.515**0.505**0.350**0.433**0.491**0.124 Cr10.778**-0.307**0.963**0.827**0.852**0.891**0.520**0.502**0.943**0.266*Cu10.233*0.832**0.766**0.940**0.681**0.349**0.489**0.778**0.107 Hg1-0.274* -0.034 0.079 -0.300** -0.088 0.132 -0.252* -0.327** Ni10.813**0.898**0.871**0.424**0.441**0.930**0.293**Pb10.822**0.644**0.407**0.591**0.813**-0.103 Zn10.740**0.363**0.531**0.857**0.117 F10.480**0.373**0.836**0.408**S10.665**0.480**-0.104 OrgC10.490**-0.350**TFe2O310.222pH1

注：*代表P<0.05；**代表P<0.01。

3.2.2地累積指數(shù)分析重金屬污染特征

仍以黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值數(shù)據(jù)作為背景值[23]進(jìn)行計(jì)算，8種重金屬的地累積指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，可以得出8種元素Igeo排列為：Cd(0.60)>Hg(0.45)>As(-0.06)>Zn(-0.08)>Cu(-0.09)>Cr(-0.18)>Pb(-0.19)>Ni(-0.27)，Cd、Hg區(qū)域富集污染程度為輕微污染；其他元素均屬無(wú)污染。其中，超過(guò)93%采樣點(diǎn)的Ni、超過(guò)93%采樣點(diǎn)的Pb、超過(guò)84%采樣點(diǎn)的Cr為無(wú)富集；Hg、Cd、As、Zn、Cu存在48%～81%的采樣點(diǎn)為元素輕微富集；Cd和Hg均存在9.05%的采樣點(diǎn)為中度富集，這表明該地區(qū)Hg、Cd元素在人類(lèi)生產(chǎn)、生活活動(dòng)的影響下，積累明顯，尤其以Hg顯著，還有1.30%的采樣點(diǎn)存在Hg元素強(qiáng)污染。

結(jié)合富集系數(shù)及地累積指數(shù)的分析結(jié)果，可見(jiàn)EF與Igeo的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，研究區(qū)內(nèi)Hg、Cd、As富集污染程度為輕微污染，尤其以Hg、Cd最為嚴(yán)重，這表明該研究區(qū)Hg、Cd元素在人類(lèi)生產(chǎn)、生活活動(dòng)的影響下積累明顯，個(gè)別區(qū)域甚至存在Hg元素強(qiáng)污染,而As、Zn、Cu、Cr、Pb、Ni元素富集污染程

度均為無(wú)污染，說(shuō)明它們主要來(lái)自于巖石礦物的風(fēng)化、侵蝕及土壤母質(zhì)。

4研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1重金屬潛在生態(tài)危害程度評(píng)價(jià)

土壤重金屬單元素及綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。分析單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)危害程度等級(jí)及均值可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)該區(qū)土壤潛在生態(tài)環(huán)境危害最大的元素是Hg，潛在危害程度排序?yàn)镠g(99.30)>Cd(71.65)>As(15.16)>Cu(7.17)>Pb(6.65)>Ni(6.32)>Cr(2.68)>Zn(1.44)。元素As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn在研究區(qū)域的平均值均小于40，表明這些重金屬元素都處于輕度生態(tài)危害程度，并且各采樣點(diǎn)生態(tài)危害程度相差不大。Hg、Cd主要在“中度”、“強(qiáng)”、“很強(qiáng)”生態(tài)危害等級(jí)中分布，土壤中Hg的生態(tài)危害最大，“強(qiáng)”、“很強(qiáng)”和“極強(qiáng)”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的32.47%，“中度”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的67.53%，其指數(shù)均值高達(dá)99.30，為“強(qiáng)”潛在生態(tài)危害等級(jí)；Cd元素強(qiáng)潛在生態(tài)危害等級(jí)以上的土壤樣品占總數(shù)的18.18%，“中度”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的75.33%，其指數(shù)均值為71.65，屬“中度”潛在生態(tài)危害等級(jí)。

表 5土壤重金屬元素富集系數(shù)和地累積指數(shù)評(píng)價(jià)特征值統(tǒng)計(jì)

Table 5Eigenvalue Statistics of enrichment factor and geo-accumulation index of heavy metals in soils

元素EF變化范圍平均值EF<1樣品數(shù)比率1

表 6土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)特征值統(tǒng)計(jì)

Table 6Eigenvalue Statistics of potential ecological risk of heavy metals in soils

元素Eir變化范圍平均值Eir≤40樣品數(shù)比率40320樣品數(shù)比率As5.36～20.8215.167710000000000Cd29.20～180.5371.6556.495875.331215.5822.6000Cr1.87～3.102.687710000000000Cu3.98～11.137.177710000000000Hg44～67099.30005267.531519.48810.3922.60Ni3.87～7.706.327710000000000Pb4.14～7.756.657710000000000Zn0.93～1.811.447710000000000

Hg、Cd兩元素對(duì)土壤綜合潛在生態(tài)危害的貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了81.26%(圖1)，僅Hg元素的貢獻(xiàn)率就達(dá)到了47.20%，說(shuō)明Hg對(duì)土壤的潛在生態(tài)危害最嚴(yán)重，潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為44～670，說(shuō)明局部地區(qū)已出現(xiàn)Hg“極強(qiáng)”潛在生態(tài)危害；Cd略次之(34.06%)，潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為29.2～180.53，說(shuō)明局部地區(qū)已出現(xiàn)Cd“很強(qiáng)”潛在生態(tài)危害。

圖 1　重金屬元素對(duì)潛在生態(tài)危害貢獻(xiàn)率示意圖 Fig.1　Contribution characteristics of heavy metals to potential ecological risk

4.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)

借助MapGIS對(duì)濟(jì)寧南部區(qū)域土壤中8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI評(píng)價(jià)結(jié)果繪制成重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)圖，如圖2所示，大部分研究區(qū)處于中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，面積占整個(gè)研究區(qū)面積的86.67%；安居鎮(zhèn)的后堰口村附近、唐口鎮(zhèn)的陳莊和李集附近、喻屯鎮(zhèn)的鄭莊和劉官屯附近、老寨鎮(zhèn)的東北角等區(qū)域處于強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占整個(gè)研究區(qū)面積的6.33%；復(fù)興河、姚樓河、京杭運(yùn)河3條河流的交匯處處于很強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占整個(gè)研究區(qū)面積的0.50%。濟(jì)寧南部區(qū)域“強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及“很強(qiáng)”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的布局正好與濟(jì)寧南部區(qū)域中煤礦生產(chǎn)礦井相對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)研究區(qū)內(nèi)的有關(guān)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的廢水、粉塵、廢氣對(duì)周邊土壤污染比較嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)注重對(duì)煤礦周邊農(nóng)田的土地復(fù)墾與污染防治工作，尤其是針對(duì)土壤中Cd、Hg的治理工作。

5結(jié)語(yǔ)

(1)濟(jì)寧南部區(qū)域土壤環(huán)境中重金屬的含量與黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準(zhǔn)值相比，Hg、Cd分別高于基準(zhǔn)值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準(zhǔn)值的0.26～0.52倍。經(jīng)雙變量相關(guān)分析，可明顯看出，Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3不存在共同的來(lái)源，是因Hg受到不同程度的人為污染所致。

(2)濟(jì)寧南部區(qū)域土壤環(huán)境總體處于“無(wú)～輕微”污染程度。采用EF和Igeo的評(píng)價(jià)結(jié)果均得出8種元素富集(污染)程度排列為：Hg>Cd>As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni,。研究區(qū)內(nèi)Hg、Cd、As富集污染程度為輕微污染，尤其以Hg、Cd最為明顯，個(gè)別區(qū)域甚至存在Hg元素強(qiáng)污染；其他5種元素富集污染程度均為無(wú)污染。

(3)濟(jì)寧南部區(qū)域土壤環(huán)境總體上處于“中度”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。相對(duì)而言，8種重金屬的潛在生態(tài)危害由強(qiáng)至弱依次為：Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。盡管Hg、Cd在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)僅僅為“輕微”富集程度，但由于兩者具有較高的毒性響應(yīng)系數(shù)，致使研究區(qū)內(nèi)6.83%的面積呈“強(qiáng)”和“很強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(4)“強(qiáng)”和“很強(qiáng)”潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的形成主要由煤礦開(kāi)采相關(guān)的生產(chǎn)活動(dòng)所致。因此，應(yīng)當(dāng)注重對(duì)煤礦開(kāi)采礦井周邊區(qū)域土地復(fù)墾及污染防治工作，尤其是加強(qiáng)針對(duì)土壤中Cd、Hg的物理化學(xué)改良及生物治理修復(fù)工作，以防止重金屬Hg、Cd進(jìn)一步污染擴(kuò)散。

圖 2濟(jì)寧南部區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)圖

Fig.2Map of potential risk distribution of heavy metals in Southern Jining

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ZHAOQing-ling1,2,LIQing-cai1,2,XIEJiang-kun3,LIYuan-zhong1,JIYong-hong1,

PANGCheng-bao1,WANMiao4

(1.Lunan Geo-Engineering Exploration Institute of Shandong Province, Yanzhou 272100, China;

2.School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

3.China Construction Power and Environment Engineering Co. LTD., Nanjing 210008, China;

4.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Jinan 250013, China)

Key words: soil; pollution characteristics of heavy metal; enrichment factor; index of geoaccumulation; ecological risk assessment; Jining