基于內梅羅指數(shù)法的復墾村莊土壤重金屬污染評價及空間分布

楊玉敏, 師學義, 張 琛

(1.山西省國土資源調查規(guī)劃院, 太原 030024; 2.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

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基于內梅羅指數(shù)法的復墾村莊土壤重金屬污染評價及空間分布

楊玉敏1, 師學義2, 張 琛2

(1.山西省國土資源調查規(guī)劃院, 太原 030024; 2.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

以復墾村莊——山西省澤州縣西郜壓煤搬遷村莊為研究區(qū)，采集和測定了村莊內18個樣點中Hg，As，Pb，Cd，Cr的重金屬含量，并通過內梅羅指數(shù)法對重金屬污染程度進行評價和空間分析。研究表明：西郜村中土壤的重金屬綜合污染程度達到了中度污染程度，其中Hg元素污染程度最高;0—20 cm土壤中重金屬污染程度要高于20—40 cm土壤;研究區(qū)耕地處重金屬污染程度較輕，而土路處由于交通運輸及人類活動從而導致重金屬污染程度較高，對于宅基地區(qū)域，重金屬污染程度較高區(qū)域都分布在修建年代不久的宅基地所在位置，研究結果可為開展村莊復墾重金屬治理提供一定借鑒。

復墾村莊; 重金屬污染; 內梅羅指數(shù)法; 空間分析

我國黃土高原區(qū)煤炭基地作為重要的能源基地，為促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展與城市化的進程起著巨大的推動作用。與此同時，大規(guī)模的煤炭開采也帶來了許多土地塌陷、地下水枯竭等生態(tài)環(huán)境問題，導致許多村莊土地被或即將被廢棄。受到增減掛鉤政策、地區(qū)生態(tài)文明建設的共同影響，開展黃土區(qū)煤炭基地村莊的土地復墾成為補充耕地、改善土壤環(huán)境的有效手段。復墾后村莊土壤的理化性質對于復墾后耕地的生產(chǎn)能力具有重要影響，而土壤重金屬含量超標導致的重金屬污染具有潛伏性、長期性和不可逆性[1]，且重金屬通過食物鏈的生物作用，容易被吸收與富集，從而對身體健康造成威脅與影響[2-4]。因此對復墾村莊的土壤重金屬含量及空間分布情況進行評價與研究對指導復墾后重金屬污染治理具有重要的意義。

目前，對于土壤重金屬評價的研究，有大量的學者進行了大量的探討。針對城市的重金屬污染問題，Gale等人在以美國密蘇里州為研究區(qū)域，探討了城市中鉛冶煉廠生產(chǎn)導致的重金屬污染對周圍的土壤以及植物的影響，李科等以太原市為研究區(qū)，對城市中的主要的7種重金屬含量及分布進行評價，結果表明，太原市土壤重金屬污染主要來源于工業(yè)區(qū)的廢物排放[5]。在農(nóng)田方面，有學者從農(nóng)田中重金屬污染程度、重金屬元素在土壤中的形態(tài)和空間分布規(guī)律以及對于土壤中污染的修復等進行了很多的探討[6-7];在礦區(qū)重金屬的研究方面，王珍等以安徽省淮南市大通煤礦為例，探討了不同重填模式下不同位置的土壤重金屬含量，得出研究區(qū)不同區(qū)域污染程度不一[8]。所采用的研究方法上，常用的方法有單因子指數(shù)法，潛在生態(tài)危害指數(shù)法[9]，內梅羅指數(shù)法[10]，地質累積積數(shù)法[11]，物元分析法[12]，集對分析與三角模糊數(shù)耦合模型[13]?？梢钥闯?，目前針對復墾村莊土壤重金屬空間分布及評價研究較少，需要進一步展開研究。

本文選取山西省澤州縣西郜村為研究區(qū)域，基于內梅羅指數(shù)法，對復墾村莊土壤中的重金屬含量進行評價，旨在綜合全面地反映出土壤中重金屬污染空間分布差異規(guī)律及綜合污染程度，為提升復墾后耕地質量以及對重金屬污染進行治理提供科學依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

山西省晉城市西郜村地處澤州縣巴公鎮(zhèn)，距離澤州城北25 km，位于東經(jīng)112°50′55″—112°53′03″，北緯35°39′20″—35°41′09″，處于山西煤炭運銷集團永豐煤業(yè)有限公司開采區(qū)范圍內。西郜村總體地勢呈東西北高，中部、南部較低，屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)。土壤類型主要為褐土，土層較為深厚，土壤質地偏粘并且土壤熟化度高。村內的交通條件良好，土地總面積為35.706 2 hm2。但村莊分布分散，且壓占了大量的煤炭資源，對該村莊進行搬遷復墾具有重要意義。

1.2土壤樣品采集

結合研究區(qū)實際情況，選取汞、砷、鉛、鎘和鉻五種重金屬元素作為評價指標。采樣點的布設采用網(wǎng)格法，按照每2 hm2布設一個樣點的原則，共設立了18個采樣點覆蓋村莊的全部。并且每個采樣點按照0—20 cm和20—40 cm兩種深度分層進行采樣。

1.3土壤樣品測定

將采樣后的土樣混合，通過風干、去雜、過篩后用瑪瑙研缽磨成粉末，再進行重金屬元素的測定。對于As的測定，采用的是二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法，利用冷原子吸收分光光度法對Hg元素進行測定，通過火焰原子吸收分光光度法測定Cr，利用KI-MIBK法對Pb和Cd的含量進行測定。測試的土壤各樣點重金屬含量水平具體見表1。

1.4評價標準與方法

1.4.1評價標準在以往重金屬評價的研究中，研究區(qū)土壤背景值或者國家土壤環(huán)境質量二級標準均可以作為評價標準。在本研究中，西郜村大部分土地將被復墾利用為耕地，因此對土地的質量要求較高。另外，不同類型的土壤中某一種元素的背景值可能存在很大的差異，因此，在選擇評價標準時，應該選擇同一地區(qū)同一或者相近類型的土壤中元素的平均含量作為評價標準。因此，本次研究選擇西郜村所在地的山西省土壤背景值[14]作為評價標準。

1.4.2評價方法本次研究采用內梅羅綜合指數(shù)法對復墾村莊土壤重金屬進行評價，內梅羅指數(shù)法可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并可以計算得到各單個污染物的污染指數(shù)，適合對土壤重金屬這類聯(lián)合污染進行綜合評價。具體的計算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi表示表示土壤重金屬元素i的單因子污染指數(shù)；Ci表示元素i的實測值mg/kg；Si表示為元素i計算時的評價標準值；PN表示重金屬的綜合污染指數(shù)；Paver表示所有重金屬污染指數(shù)的平均值；Pmax則表示所有重金屬污染指數(shù)的中最大值。當PN<0.7時，顯示污染等級為清潔；當0.7≤PN<1時，顯示污染等級為警戒；當1≤PN<2時，顯示污染等級為輕度污染；當2≤PN<3時，顯示污染等級為中度污染；當3≤PN時，顯示污染等級為重度污染[15-16]。

2　結果與分析

2.1復墾村莊土壤重金屬含量統(tǒng)計性描述

本研究分別對西郜村不同采樣深度復墾土壤中5種重金屬元素的含量通過SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，具體的統(tǒng)計性描述結果見表2。

從表2的結果顯示來看，在0—20 cm土層中，5種重金屬的測定值范圍分別為：鉻39.09～58.73 mg/kg；鎘0.03～0.22 mg/kg；砷13.50～15.82 mg/kg；汞0.04～0.19 mg/kg；鉛28.45～48.45 mg/kg；變異系數(shù)從大到小依次為：鎘>汞>鉛>鉻>砷。20—40 cm土層中，5種重金屬的測定值范圍分別為：鉻32.96～56.03 mg/kg；鎘0.02～0.29 mg/kg；砷13.51～15.70 mg/kg；汞0.04～0.18 mg/kg；鉛26.99～47.53 mg/kg；變異系數(shù)從大到小依次為：鎘>汞>鉛>鉻>砷。此外可以看出在這兩層土壤中，汞和鉻的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)都較大，表明此次試驗測得的這兩種重金屬含量可能存在一定的異常值，其余重金屬元素的含量基本符合正態(tài)分布。

表1　不同樣點土壤重金屬濃度

表2　復墾村莊土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計特征

2.2復墾村莊土壤重金屬污染評價

本研究根據(jù)內梅羅指數(shù)法計算得出山西省西郜村土壤中各種重金屬的污染系數(shù)以及綜合污染程度，并對及結果進行統(tǒng)計分析，具體結果見表3—5。

表3　復墾土壤重金屬的污染系數(shù)及綜合污染程度

表4　不同元素的綜合污染程度

表5　不同深度下土壤重金屬綜合污染程度及評價等級

從表3的結果中可以看出，煤炭基地復墾村莊西郜村中土壤的綜合污染程度介于1.62～6.16，平均值為2.84，在總體上處于中度污染程度，其中有13個樣本處于輕度污染等級，占樣本總數(shù)的36.11%，13個樣本處于中度污染等級，占樣本總數(shù)的36.11%，10個樣本達到了重度污染等級，占樣本總數(shù)的27.78%。

從不同元素的污染情況角度來看，表4的結果顯示出各個重金屬因子污染指數(shù)范圍，Hg為1.74～8.26，As為1.48～1.85，Pb為1.91～3.44，Cd為0.20～2.84，Cr為0.60～1.06；對于平均污染系數(shù)，Hg為3.35，As為1.61，Pb為2.58，Cd為0.91，Cr為0.82。從而可以得出，Hg元素處于較高污染水平，為研究區(qū)主要污染物，而Cd與Cr元素相對污染程度較低。

從表5中可以看到，0—20 cm土層中土壤的綜合污染程度在1.84～6.16，平均值為3.16，在總體達到了重度污染等級；而20—40 cm土層土壤的綜合污染程度在1.62～5.86，平均值2.52，屬于中等污染等級。因此可以看出，從綜合污染程度的范圍以及平均值的角度來看，復墾村莊中0—20 cm土層的污染程度要高于20—40 cm土層，土壤的重金屬污染程度隨著土層深度的增加而增加。

2.3復墾村莊土壤重金屬污染空間分布分析

為了探尋復墾村莊土壤重金屬污染的空間分布規(guī)律，分別將0—20 cm層次土壤與20—40 cm土壤的污染評價結果與西郜村居民點建設歷史情況相結合展開分析，以期探尋復墾村莊重金屬空間分布差異規(guī)律，具體結果詳見表6。

表6　西郜村0-20 cm，20-40 cm土壤重金屬綜合污染程度空間分布

結合表6進行分析，可以發(fā)現(xiàn)耕地所在區(qū)域內，即樣點1，樣點2，0—20 cm和20—40 cm兩種土層上的土壤重金屬污染程度均較低，該樣點處原本土地類型為耕地，經(jīng)過長期的耕種與管理，所以該處土壤重金屬污染程度較低。對于在村莊土路上所選擇的樣點3，4，5，其所在處0—20 cm和20—40 cm的土壤中，重金屬污染程度則相對較高，可能是由于道路上汽車輪胎磨損、汽車尾氣排放等交通運輸活動以及當?shù)鼐用裨谛凶邥r所亂扔的垃圾有很大關系。而對宅基地范圍內所選擇的樣點分析來看，高值區(qū)主要分布在1990年以后所建造的宅基地區(qū)域內，而次高值區(qū)多分布在1950—1990年期間所建造的宅基地范圍內，而1950年以前所建的宅基地區(qū)域內土壤重金屬污染程度較低，這可能是因為西郜村中1950年以前的房屋以及一小部分1950—1990年的房屋無人居住且離開采區(qū)較遠，受人為因素影響較小以及采礦帶來的粉塵等污染離這些區(qū)域距離較遠，其所在地的土壤中重金屬含量較低。而對于復墾村莊中1950—1990年的房屋絕大多數(shù)房屋以及1990年以后修建的房屋所在區(qū)域，由于該部分區(qū)域人口較多，日常生活中產(chǎn)生大量的如電池這種垃圾與生活廢水，造成區(qū)域重金屬富集，從而造成了土壤重金屬污染程度較高。另外，這部分區(qū)域離采礦區(qū)距離較近，采礦中所產(chǎn)生的如煤矸石等各種固體廢棄物以及工業(yè)廢水，容易造成面源污染導致該部分區(qū)域累積了大量的重金屬元素，從而引發(fā)重金屬污染程度很高。

3　結論與討論

本研究基于內梅羅指數(shù)法，以復墾村莊山西省西郜村為例，選取Pb，Hg，Cr，Cd，As五種重金屬元素作為評價指標，從村域尺度上全面地評價了村莊土壤重金屬的污染狀況，并在此基礎上對研究區(qū)域內土壤污染程度空間分布規(guī)律進行了全面的分析?？梢钥闯?，西郜村中土壤的重金屬綜合污染程度達到了中度污染，其中Hg元素污染程度最高，在進行村莊復墾時應該有針對性的進行治理，如利用超累積植物進行重金屬元素提取[17]。此外，從復墾村莊重金屬垂直方向分布來看，0—20 cm的土壤重金屬含量要高于20—40 cm土壤，表層土壤的重金屬污染問題更為嚴重。另外從水平空間分布來看，研究區(qū)耕地處重金屬污染程度較輕，而土路處由于交通運輸及人類活動從而導致重金屬污染程度較高。對于研究區(qū)宅基地區(qū)域，重金屬污染程度較高區(qū)域都分布在修建年代不久的宅基地所在處，主要與這部分區(qū)域受人為生活及采礦活動干擾影響相對更大。

針對復墾村莊西郜村土壤重金屬污染，可采取物理化學、植物修復等方式進行修復。比如陳懷滿，鄭春等通過研究指出，使用固化劑石灰石可以提高土壤中PH含量，使土壤中的Hg，Cd重金屬離子形成氫氧化物或鹽類沉淀[18]，郝漢舟、靳孟貴等人得出結論使用沸石作為修復材料，可以通過物理吸附作用將土壤中的Pb，Cd吸附到表面，從而達到修復的目的[19]。田吉林等通過研究大米草的抗汞性的強弱，發(fā)現(xiàn)大米草的抗汞性較強，可以有效的吸收有機汞元素[20]；同時，利用鼠類、蚯蚓等低等動物，也可以達到吸收重金屬的效果；在復墾中可以利用此特性，可以在一定程度上達到降低土壤中的Hg污染程度的目的，以修復土壤[21]。對于復墾村莊中土壤重金屬修復，應選用科學合適的方法，達到修復的目的。

內梅羅指數(shù)法被廣泛應用于重金屬污染評價中[22-24]。本文所采用的內梅羅指數(shù)法不僅全面的展示出了復墾村莊重金屬綜合污染程度，并且也能夠有效地揭示單個重金屬元素的污染程度。本研究所得的結果也與張琛等通過利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法得到的結果與規(guī)律相一致[25]，證明利用內梅羅指數(shù)法進行復墾村莊重金屬污染評價是可行有效的。

同時本研究也存在著不足與需要改進的地方。當中由于時間、采樣點難度較大等限制，此次研究以網(wǎng)格法只布設了18個采樣點，采樣點數(shù)量偏少，由此可能會造成西郜村土壤重金屬綜合污染程度的不完善，且難以有效的模擬出研究區(qū)土壤重金屬空間分異規(guī)律。此外，本次研究以山西省土壤重金屬背景值作為評價標準，不同研究區(qū)域的土壤質量狀況和自然條件差異顯著，因此在接下來的研究中應對研究區(qū)周圍耕地的環(huán)境狀況進行實際調查，選擇未受污染的地塊進行重金屬含量測定，將其作為背景值，從而使評價結果更加科學準確。

[1]王振中,張友梅,鄧繼福,等.重金屬在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的富集及毒性效應[J].應用生態(tài)學報,2006,17(10):1948-1952.

[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)風險評價[J].安全與環(huán)境學報,2015,15(2):348-352.

[3]許柏寧,王鵬,王建壹,等.北京某環(huán)路兩側土壤重金屬污染風險評價[J].環(huán)境化學,2014,33(12):2152-2161.

[4]高奇,師學義,李牧,等.復墾村莊土壤重金屬污染損失評價[J].水土保持學報,2014,28(2):204-209.

[5]李科,丁晴晴,傅珊.太原市土壤重金屬污染空間分布及評價[J].環(huán)境化學,2015,34(4):772-778.

[6]陳同斌,鄭袁明,陳煌,等.北京市不同土地利用類型的土壤砷含量的特征[J].地理研究,2005,24(2):229-235.

[7]陳玉東,王火焰,周健民,等.黑龍江省海倫市農(nóng)田土壤重金屬分布特征及污染評價[J].土壤,2012,44(4):613-620.

[8]王珍,王寧,李玉成,等.煤礦塌陷區(qū)不同充填模式土壤特征及修復評價[J].水土保持通報,2014,34(5):170-175.

[9]李一蒙,馬建華,劉德新,等.開封城市土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風險評價[J].環(huán)境科學,2015,36(3):1037-1044.

[10]李其林,黃峋,重慶市近郊區(qū)蔬菜地土壤重金屬含量變化及污染情況[J].土壤通報.2002,33(3):158-160.

[11]韓平,王紀華,馮曉元,等.北京順義區(qū)土壤重金屬污染生態(tài)風險評估研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2015,34(1):103-109.

[12]劉維明,王曉飛,魏萌萌,等.基于物元分析法的農(nóng)田土壤重金屬污染評價[J].浙江農(nóng)業(yè)學報,2015,27(2):249-253.

[13]葛康,汪明武,陳光怡.基于集對分析與三角模糊數(shù)耦合的土壤重金屬污染評價模型[J].土壤,2011,43(2):216-220.

[14]史崇文.山西省土壤環(huán)境背景值[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1992.

[15]郭偉,趙仁鑫,張君,等.內蒙古包頭鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及其評價[J].環(huán)境科學,2011,32(10):3099-3105.

[16]祝遵凌,崔利杰,王颯.路基邊坡土壤重金屬污染特征及評價[J].水土保持研究,2012,19(6):127-130.

[17]劉小梅,吳啟堂,李秉滔.超富集植物治理重金屬污染土壤研究進展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2003,22(5):636-640.

[18]陳懷滿,鄭春榮,涂從，等.中國土壤重金屬污染現(xiàn)狀與防治對策[J]. AMIO：人類環(huán)境雜志,1999,28(2):120-134,207.

[19]郝漢舟,陳同斌,靳孟貴，等.重金屬污染土壤穩(wěn)定固化修復技術[J].應用生態(tài)學報,2011,22(3):816-824.

[20]田吉林,諸海燾,楊玉愛,等.大米草對有機汞的耐性、吸收及轉化[J].植物生理與分子生物學學報,2004,30(5):577-582.

[21]趙美微,塔莉,李萍.土壤重金屬污染及其預防、修復研究[J].環(huán)境科學,2007,32(6):70-72.

[22]張舒婷,李曉燕,陳朋.城市不同功能區(qū)地表灰塵重金屬時空動態(tài)變化[J].安全與環(huán)境學報,2015,15(2):307-312.

[23]李姍姍,曹廣超,石平超,等.青島城區(qū)土壤重金屬元素空間分布及其現(xiàn)狀評價[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報,2015(1):112-117.

[24]趙慧敏,高凌顏,劉敏超.天沙河沉積物中重金屬污染特征與生態(tài)風險評價[J].長江流域資源與環(huán)境,2013,22(3):337-342.

[25]張琛,師學義,馬樺薇,等.煤炭基地復墾村莊土壤重金屬污染生態(tài)風險評價[J].水土保持研究,2014,21(5):277-284.

Spatial Distribution and Evaluation of Heavy Metal Pollution of Reclaiming Village Based on Nemerow Integrated Pollution Index Method

YANG Yumin1, SHI Xueyi2, ZHANG Chen2

(1.AcademyofLandResourcesinSurvey&PlanofShanxiProvince,Taiyuan030024,China;2.CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Selecting Xigao village in Zezhou County of Shanxi Province as the research area, we collected 18 soil samples in the village, determinated heavy metal content, and carried out the evaluation of heavy metal pollution based on Nemerow integrated pollution index method and spatial analysis of heavy metal distribution. The results demonstrated as follows. The integrated soil heavy metal pollution of Xigao village was at the moderate risk level, the integrated pollution level of soil in 0—20 cm layer was higher than that in the 20—40 cm layer, the heavy metal pollution in arable land area was slight, while it was high in the road area because of transportation and human interventions, in addition, for the residential area, the area where level of heavy metal pollution was high， and located in the newly construction area. The results could provide some

for controling heavy metal pollution in the reclamation work of the village.

reclaiming village; heavy metal pollution; Nemerow integrated pollution index method; spatial analysis

2015-08-19

2015-09-25

國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費課題“北方村莊壓煤山丘區(qū)土地綜合整治技術研究”(201411007)

楊玉敏(1963—),男,山西晉城人,本科,主要研究方向為土地資源調查與利用規(guī)劃。E-mail:sxgtyym@126.com

師學義(1960—),男,山西省祁縣人,博士,教授,主要從事土地利用規(guī)劃與土地利用工程研究。E-mail:shixueyi60@163.com

X53

A

1005-3409(2016)04-0338-06