潮白河流域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究

劉文清，甘 柯，邢宇鑫，黃鵬輝

?

潮白河流域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究

劉文清，甘 柯，邢宇鑫，黃鵬輝

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500）

為了研究潮白河流域某段土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)采集了42件土壤樣品，對(duì)其7種重金屬（Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd和As）進(jìn)行了測(cè)試分析，利用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，并參考北京市土壤重金屬背景值，采用環(huán)境質(zhì)量指數(shù)與環(huán)境潛在生態(tài)危害指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法，探討土壤中7 種重金屬的累積污染現(xiàn)狀及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，土壤樣品中Cu、 Zn、Cr含量超標(biāo)分別為97.62%、100%、100%；Cu、 Zn、Cr含量重度污染等級(jí)以上的分別占2.38%、2.38%、4.76%；潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)表明，Cu、Zn、Cr含量處于輕微生態(tài)危害等級(jí)分別占97.62%、100%、100%，Cu 含量2.38%處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)判表明，所有樣點(diǎn)均已污染，其中達(dá)到輕度污染、中度污染、重度污染的樣點(diǎn)分別占28.57%、42.86%、28.57%；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示土壤樣品點(diǎn)中97.62%處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)悲觀(guān)原則可以判斷該段流域重金屬污染均處于輕度污染以上。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；土壤重金屬；地累積指數(shù)法；潛在生態(tài)危害指數(shù)法

0　前言

潮白河流域礦產(chǎn)資源長(zhǎng)期開(kāi)采，導(dǎo)致土壤重金屬富集。重金屬進(jìn)入土壤后具有滯留時(shí)間長(zhǎng)、移動(dòng)性差、不被微生物降解且可通過(guò)介質(zhì)最終影響人類(lèi)健康，土壤重金屬污染已經(jīng)成為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，具有隱蔽性和長(zhǎng)期性（孫賢斌等，2013；孫賢斌等，2015）。因此，對(duì)礦區(qū)周邊土壤受重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查十分有必要（李榜江等，2014）。

單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法是目前應(yīng)用較為廣泛的評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的方法，不同評(píng)價(jià)方法各有其局限性（徐玉霞等，2014；王斐等，2014）。本文通過(guò)采集土壤樣品，分析樣品重金屬元素含量，利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積污染指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤重金屬的污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較不同評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為防治周?chē)h(huán)境的污染提供科學(xué)依據(jù)（劉勇等，2015）。

1　樣品采集與研究方法

1.1樣品采集

在潮白河流域周邊進(jìn)行土壤采集（白河流域石城鄉(xiāng)至潮河高嶺鎮(zhèn)），該區(qū)域主要礦區(qū)有太師莊鐵礦、蘆頭鐵礦、前寶嶺鐵礦、馮家峪鐵礦等（黃興星等，2012；廖海軍，2007；石國(guó)峰等，2015）。采集土壤樣品共計(jì)42個(gè)（圖1），對(duì)樣品中Cu、Pb、Zn、 Cr、Ni、Cd和As進(jìn)行分析測(cè)試。

圖1　采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Spatial distribution of sampling points in the study area

1.2評(píng)價(jià)方法及原理

（1）單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是污染物實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值，只考慮單因素污染的結(jié)果，是多因子綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。公式如下：

式中：Pi為土壤污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為土壤污染物i的實(shí)測(cè)值；Si為土壤污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本研究選擇本地背景值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

指數(shù)值越大，表示污染越嚴(yán)重。表1為土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)劃定。

表1　土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Soil environmental quality grading standards

（2）內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

土壤污染不僅僅是由某個(gè)元素造成的，往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法考慮了各種金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的重金屬，反映了各種污染物對(duì)土壤環(huán)境的綜合作用，但難以反映污染的質(zhì)變特征，對(duì)污染程度的界定不足。其公式如下：

表2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法土壤重金屬污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Nemerow index of environmental quality grading standards

P值越大表示污染越嚴(yán)重。其土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

(3)地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法由德國(guó)科學(xué)家于1969年提出的用于評(píng)價(jià)沉積物以及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的方法，以重金屬總量為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)，只能反映單個(gè)重金屬分別作用于土壤環(huán)境的大小，而不能反映土壤環(huán)境受污染因子綜合作用的效果。其計(jì)算公式如下：

式中：Igeo為地累積指數(shù)；Cn為元素n在沉積物中的含量；Bn為普通頁(yè)巖中元素n的地球化學(xué)背景；K為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變而取的系數(shù)，用于表征沉積特征、巖石地質(zhì)和其影響，一般取K=1.5。

地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染時(shí)除考慮人為因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還考慮了由于自成巖作用可能引起的背景值變動(dòng)的因素，其污染級(jí)分級(jí)見(jiàn)表3

表3　地累積指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab 3Grading standards for Geoaccuation

(4)潛在生態(tài)危害指數(shù)法潛在

生態(tài)危害指數(shù)法結(jié)合環(huán)境化學(xué)、生態(tài)學(xué)和生物毒理學(xué)等方面的內(nèi)容綜合考慮了重金屬元素含量以及重金屬的生態(tài)及環(huán)境效應(yīng)，以定量的方法劃分出重金屬潛在的危害程度，是一種既可以了解單個(gè)重金屬對(duì)土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)又可以綜合的了解重金屬對(duì)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法，其計(jì)算公式如下：

表4　重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)Tab.4 Toxicity coefficients of heavy metals

表5 重金屬潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)

2　評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

2.1土壤重金屬元素統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)采集的42份土樣土壤重金屬含量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)可知，Cu含量在19.3～490mg/kg之間，樣品中超出背景值的占97.62%，其中23個(gè)樣品含量為其1～2倍，16個(gè)樣品含量為其2～3倍，1個(gè)樣品含量為其5倍，1個(gè)樣品含量為其25倍；Pb含量在13.9～47.1mg/kg之間，樣品中超出背景值的占40.48%，17個(gè)樣品含量為其1～2倍；Zn含量在68～411mg/kg之間，樣品均超出背景值，34個(gè)樣品為背景值的1～2倍，7個(gè)樣品含量為其2～3倍，1個(gè)樣品含量為其7倍；Cr含量在47.4～240mg/kg之間，樣品均超出背景值，9個(gè)樣品為背景值的1～2倍，20個(gè)樣品含量為其2～3倍，13個(gè)樣品含量為其3～8倍；Ni含量在21.2～79.2mg/kg之間，樣品中超出背景值的占80.95%，31個(gè)樣品為其1～2倍，3個(gè)樣品含量為其2～3倍；Cd含量在0.08～0.47mg/kg之間，樣品中超出背景值的占57.14%，16個(gè)樣品含量為其1～2倍左右，8個(gè)樣品含量為其2～4倍；As含量在2.3～19.2mg/kg之間，樣品中超出背景值的占42.86%，14個(gè)樣品含量為其1～2倍，4個(gè)樣品含量為其2～3倍。

2.2單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)

單因子指數(shù)法只考慮單因素污染的結(jié)果，其評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，土壤樣品中Zn和Cr超標(biāo)的樣品占100%，Cu超標(biāo)的樣品占97.62%， Ni超標(biāo)的樣品占80.95%，Cd超標(biāo)的樣品占57.14%，As超標(biāo)的樣品占42.86%，Pb超標(biāo)的樣品占40.48%?？梢钥吹剑杉耐寥罉悠分惺艿絑n、Cr和Cu的污染最嚴(yán)重。

2.3內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)

采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)不同取樣點(diǎn)中重金屬污染綜合情況，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果顯示各取樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均大于1，依據(jù)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，所有點(diǎn)均已污染，其中28.57%達(dá)到輕度污染，42.86%達(dá)到中度污染，28.57%達(dá)到重度污染，其中15號(hào)土壤樣品點(diǎn)的污染最為嚴(yán)重。

2.4地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)

與單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)法相比，地累積指數(shù)法考慮到了由于自然成巖作用可能會(huì)引起的背景值變動(dòng)，廣泛應(yīng)用于土壤環(huán)境評(píng)價(jià)中。采用此種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖4，依據(jù)地累積指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，受到Cu輕度污染的樣品占71.43%，受到Cu偏中度污染的樣品占2.38%，受到Cu重度污染的樣品占2.38%，其余均未受到污染；受到Pb輕度污染的樣品占4.76%，其余均未受到污染；受到Zn輕度污染的樣品占50.00%，受到Zn中度污染的樣品占2.38%，其余均未受到污染受；受到Cr輕度污染的樣品占69.05%，受到Cr偏中度污染的樣品占26.19%，受到Cr中度污染的樣品占4.76%；受到Ni輕度污染的樣品占64.29%，其余均未受到污染；受到Cd輕度污染的樣品占21.43%，受到Cd偏中度污染的樣品占4.76%，其余均未受到污染；受到As輕度污染的樣品占11.9%，其余均未受到污染。

圖2　單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The results of single factor index

圖3　內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 The results of Nemerow index

圖4　地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 The results of geoaccumulation

2.5潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)

依據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5a評(píng)價(jià)結(jié)果可知， 所有土壤樣品中Pb、Zn、Cr、Ni、和As的含量均處于輕微生態(tài)危害等級(jí)；土壤樣品中Cu的含量97.62%處于輕微生態(tài)危害等級(jí)，其余2.38%則處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)；對(duì)于Cd而言，土壤樣品中66.67%處于輕微生態(tài)危害等級(jí)，28.57%處于中等生態(tài)危害等級(jí)，其余4.76%處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)。圖5b的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，只有15號(hào)土壤樣品點(diǎn)的RI值在150到300之間其余均小于150，即只有15號(hào)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等危害，其余土壤樣品點(diǎn)均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖5　a潛在生態(tài)危害單項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5a The results of potential ecological risk index Eri

圖5　b潛在生態(tài)危害指數(shù)RI評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5b The results of potential ecological risk index RI

2.6幾種評(píng)價(jià)方法的比較

比較單項(xiàng)指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法（圖2、圖3、圖5a）可以看出，單項(xiàng)指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤樣品時(shí)，Cu含量超標(biāo)達(dá)97.62%，Zn、Cr含量100%超標(biāo)；地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤樣品時(shí)，Cu、Zn、Cr含量輕度污染等級(jí)以上的樣品分別占76.19%、52.38%、100%，而重度污染等級(jí)以上的分別占2.38%、2.38%、4.76%；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)，Cu含量輕微污染等級(jí)占97.62%，Zn、Cr含量100%為處于輕微生態(tài)危害等級(jí)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與潛在生態(tài)危害指數(shù)法相比較（圖3、圖5b），內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)判時(shí)，所有樣點(diǎn)均已污染，其中28.57%達(dá)到輕度污染，42.86%達(dá)到中度污染，28.57%達(dá)到重度污染，其中15號(hào)土壤樣品點(diǎn)的污染最為嚴(yán)重；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)只有15號(hào)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等危害，其余土壤樣品點(diǎn)均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3　結(jié)論

（1）當(dāng)采用不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)潮白河流域周邊土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)果有明顯差異。單項(xiàng)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，土壤樣品中Cu、 Zn、Cr含量超標(biāo)分別為97.62%、100%、100%；地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果中，Cu、 Zn、Cr含量重度污染等級(jí)以上的分別占2.38%、2.38%、4.76%；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)，Cu、Zn、Cr含量處于輕微生態(tài)危害等級(jí)分別占97.62%、100%、100%，Cu 含量2.38%處于強(qiáng)生態(tài)危害等級(jí)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)判時(shí)，所有樣點(diǎn)均已污染，其中達(dá)到輕度污染、中度污染、重度污染的樣點(diǎn)分別占28.57%、42.86%、28.57%；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)，土壤樣品點(diǎn)中97.62%處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（2）針對(duì)本研究，單項(xiàng)指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果要嚴(yán)重于地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法。在對(duì)土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)目的選取合適的評(píng)價(jià)方法。

［1］孫賢斌， 李玉成. 淮南大通煤礦廢棄地土壤重金屬空間分布及變異特征［J］. 地理科學(xué)， 2013，33（10）：1238～1244.

［2］孫賢斌， 李玉成. 基于GIS的淮南煤礦廢棄地土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（2）：348～352.

［3］李榜江，王龍昌，龍明忠，等. 貴陽(yáng)市花溪區(qū)煤礦廢棄地重金屬污染評(píng)價(jià)［J］. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（4）：130～135.

［4］王斐，益宗，王小玲，等. 江西鎢礦周邊土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：不同評(píng)價(jià)方法的比較［J］. 環(huán)境化學(xué)， 2015，34（2）：225～233.

［5］徐玉霞，薛雷，汪慶華，等. 關(guān)中西部某鉛鋅冶煉區(qū)周邊土壤重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2014， 40（2）：110～114.

［6］劉勇，王成軍，劉華，等. 鉛鋅冶煉廠(chǎng)周邊重金屬的空間分布及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9（1）：477～484.

［7］黃興星，朱先芳，唐磊，等. 北京市密云水庫(kù)上游金鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及對(duì)比研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（6）：1520～1528.

［8］廖海軍. 北京市密云水庫(kù)上游土壤重金屬污染調(diào)查評(píng)價(jià)［J］. 城市地質(zhì)，2007，2（3）：31～34.

［9］石國(guó)峰，馮金國(guó)，邢宇鑫，等. 密云水庫(kù)上游礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)對(duì)土壤環(huán)境的影響［J］. 城市地質(zhì)，2015，10（2）：36～41.

［10］陳同斌，鄭袁明，陳煌，等. 北京市土壤重金屬含量背景值的系統(tǒng)研究［J］. 環(huán)境科學(xué)，2004，25（1）：117～122.

Ecological Risk Assessment on Heavy Metals in Surrounding Soils of the
Chaobai River Drainage Area

LIU Wenqing ， GAN Ke， XING Yuxin， HUANG Penghui
（Beijing Geo-engineering Design & Research Institute， Beijing 101500）

In order to study the environmental quality of some heavy metals in soil of the Chaobai River basin and potential ecological risk assessment， according to "Soil Environmental Quality Standards" and soil background values of heavy metals in Beijing， seven kinds of heavy metals （Cu， Pb， Zn， Cr， Ni， Cd and As） from soil samples were tested to evaluate of soil heavy metal pollution. Using environmental quality and environmental potential ecological risk index， and combining Nemerow index method， this paper analyzed cumulative pollution situation and potential ecological risks about seven heavy metals. The research results have shown that Cu， Zn， Cr contents exceeds the standards of 97.62%， 100%； Cu， Zn， Cr accounting for 2.38%， 2.38%， 4.76% at the heavy polluted level or more respectively. Potential ecological risk index evaluation shows that Cu， Zn， Cr contents account for 97.62%， 100%， 100% at slight polluted level， Cu content of 2.38% belongs to the strong polluted level. Nemerow index evaluation shows that all samples have been contaminated， which reached slightly polluted， moderately polluted， heavily polluted levels accounting for 28.57%， 42.86%， 28.57%. The potential ecological risk index shows that 97.62% samples are polluted at slight level. So we consider pessimistically that the heavy metal pollution in the Chaobai River basin is at least light pollution.

Ecological risk assessment； Heavy metals in soil； Accumulation index； Potential ecological risk index

X820.4

A

1007-1903（2016）02-0014-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.004

北京市優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目（2013D002011000002）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局大型礦產(chǎn)資源基地地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目《潮白河流域礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)水土環(huán)境影響調(diào)查評(píng)價(jià)》［2015］05-02-02-012。

劉文清（1979- ），女，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)相關(guān)工作。E-mail：17219437@qq.com