五臺(tái)山土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

王丹丹 鄭慶榮# 侯艷軍 勾朝陽 張永清

(1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.忻州師范學(xué)院地理系，山西 忻州 034000)

五臺(tái)山土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

王丹丹1，2鄭慶榮1，2#侯艷軍2勾朝陽2張永清1

(1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000；2.忻州師范學(xué)院地理系，山西 忻州 034000)

為全面了解五臺(tái)山地區(qū)土壤重金屬的污染狀況，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)五臺(tái)山臺(tái)頂和北部山區(qū)3條河流的49個(gè)土壤樣品進(jìn)行測試，運(yùn)用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)開展污染評(píng)估和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并通過相關(guān)性分析方法探究污染來源。結(jié)果表明：(1)臺(tái)頂土壤重金屬富集相對(duì)較少，山區(qū)富集較明顯；山區(qū)農(nóng)田重金屬含量高于河漫灘。重金屬高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部羊眼河流域。(2)地積累指數(shù)表明，臺(tái)頂重金屬污染整體輕微，山區(qū)重金屬污染受礦產(chǎn)開采活動(dòng)影響明顯。Hg在臺(tái)頂和山區(qū)污染均較嚴(yán)重。(3)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，臺(tái)頂和山區(qū)均受到土壤重金屬的威脅。Hg是主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子。(4)相關(guān)性分析表明，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產(chǎn)物外，其余4種均與礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用有關(guān)，其中Hg受金礦開采影響明顯。

重金屬污染 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn) 五臺(tái)山

隨著礦產(chǎn)資源開采力度的加大，大量的礦產(chǎn)廢棄物被排放到環(huán)境中，重金屬作為潛在危害的污染物，在土壤中大量積累，造成嚴(yán)重的土壤污染。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤重金屬的污染狀況及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究[1-8]。地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法和相關(guān)性分析在土壤重金屬污染、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和來源分析中廣泛應(yīng)用。TEIXEIRA等[9]對(duì)巴西煤礦區(qū)河流底部沉積物重金屬污染狀況進(jìn)行分析。呂書叢等[10]研究認(rèn)為，海河流域沉積物中的4種重金屬元素具有相似的來源；潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)表明，Cd為主要污染因子，海河流域?yàn)檩p微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。賈亞琪等[11]474-479采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)煤礦區(qū)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Cd、Hg是主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，且農(nóng)田區(qū)為強(qiáng)生態(tài)危害水平；相關(guān)性分析認(rèn)為，三廢排放是造成Cd、Cu、Ni、Zn污染的主要來源。本研究采用地積累指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)和相關(guān)性分析對(duì)五臺(tái)山土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和來源進(jìn)行多角度分析，為五臺(tái)山生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品采集與測試

1.1 采樣區(qū)域選擇與采樣點(diǎn)布置

五臺(tái)山地處山西省東北部，隸屬忻州市管轄，位于38°50′N～39°15′N、113°15′E～114°0′E，地處太行山系的北端，由一系列大山和群峰組成，最高處北臺(tái)頂3 061 m，號(hào)稱“華北屋脊”。五臺(tái)山區(qū)地形復(fù)雜，高差懸殊。以5個(gè)臺(tái)頂為主的山地屬于剝蝕構(gòu)造的斷塊高中山地，呈北東向斜列[12]。臺(tái)頂為古夷平面，海拔高且地面平坦，受人類活動(dòng)干擾較??；北部山區(qū)及滹沱河兩岸地勢起伏不平，受峨河、羊眼河和青羊河流水沖刷嚴(yán)重，分布有大量的鐵礦、金礦、鉬礦等礦產(chǎn)資源，峨河流域鐵礦業(yè)集中分布在中下游，羊眼河流域中游鐵礦、金礦分布較集中，青羊河流域上游鐵礦集中分布。本研究選擇臺(tái)頂和礦產(chǎn)資源集中開發(fā)的北部山區(qū)為研究區(qū)域，通過對(duì)比分析，研究五臺(tái)山土壤中重金屬的污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 樣品采集與前處理

土壤樣品的采集主要分布于五臺(tái)山臺(tái)頂和北部山區(qū)，共采土樣49個(gè)。臺(tái)頂選擇距離道路和寺廟50 m外平坦區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)，采集表層0～20 cm土壤，共采土樣17個(gè)；山區(qū)選擇礦產(chǎn)集中分布的峨河、羊眼河和青羊河3條流域進(jìn)行布點(diǎn)，考慮到水力和風(fēng)力作用的不同影響，采樣點(diǎn)布設(shè)于河漫灘和沿岸農(nóng)田，從上游采礦影響區(qū)開始順流而下依次布點(diǎn)，共設(shè)采樣點(diǎn)16處，采集土樣32個(gè)，用手持全球定位系統(tǒng)(GPS)儀定位。河漫灘選取1 m×1 m的較平整樣地，用木勺采集地表0～20 cm表層土壤。農(nóng)田選取10 m×10 m的平整地塊，用梅花形布點(diǎn)法采集5個(gè)樣品，用四分取樣法混合形成一個(gè)土樣，用聚乙烯自封塑料袋封裝，登記編碼。所有土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，撿除其中的植物殘?bào)w和石塊，磨碎過100目篩，取100 g保存于封口袋中備用。

1.3 測試方法與結(jié)果

土壤樣品消解采用酸溶法，其中Cr、Cd、Pb采用HF、HCl、HNO3、HClO4消解，As、Hg采用王水消解。本次測試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行，載氣環(huán)境采用穩(wěn)定的氬氣[13]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法可迅速檢測樣品中的多種元素，具有檢出限低、干擾少、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[14]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 五臺(tái)山區(qū)土壤重金屬富集和空間分布特征

采用SPSS 17.0和ArcGIS 10.2對(duì)五臺(tái)山臺(tái)頂和山區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和空間分析。由表1可知，臺(tái)頂土壤呈中性偏酸，山區(qū)土壤為堿性。臺(tái)頂Pb和Hg富集明顯，超過五臺(tái)山和山西土壤背景值，Cr、Cd、As富集不明顯，未超過土壤背景值；與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，Hg超標(biāo)，其余均未超標(biāo)。山區(qū)5種重金屬均超過土壤背景值；與GB 15618—1995二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，只有As、Hg超標(biāo)。總體上，臺(tái)頂土壤重金屬富集較少，山區(qū)富集較明顯；山區(qū)農(nóng)田重金屬含量高于河漫灘。

從圖1可知，Cd、Pb、As的空間分布趨勢基本一致，由中間向東西兩側(cè)遞減，高值區(qū)集中分布在中部羊眼河流域。羊眼河流域上游污染較輕，中游礦區(qū)集中，受采掘場、洗礦污水、排污渠等人為因素影響，污染較嚴(yán)重；西部峨河流域受礦區(qū)影響較小，東部青羊河由于受地形和風(fēng)力的影響自上游到中游污染逐漸加重。Cr高值主要分布在東部的青羊河，由東向西遞減，說明Cr受鐵礦開采和生活活動(dòng)有關(guān)。Hg的污染較嚴(yán)重，主要集中在人為活動(dòng)開采較強(qiáng)烈的金礦、鐵礦開采區(qū)域和尾礦堆放區(qū)的中東部羊眼河、青羊河和東南部的臺(tái)頂區(qū)域，北部地區(qū)金礦的開采中混汞法的大量使用以及廢礦排放是Hg污染的主要來源?？傮w上，重金屬高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部羊眼河流域，其次為青羊河、峨河。Hg在臺(tái)頂和山區(qū)均嚴(yán)重富集，是污染的主要因素。

2.2 地積累指數(shù)法污染評(píng)價(jià)

地積累指數(shù)法由MULLER[17]提出，在重金屬污染評(píng)價(jià)中廣泛使用。其計(jì)算公式如下：

Igeo=log2(Ci/1.5Bi)

(1)

式中：Igeo為地積累指數(shù)；Ci、Bi分別為重金屬元素i的實(shí)測值、環(huán)境背景值，mg/kg。

將臺(tái)頂和山區(qū)實(shí)測值代入式(1)，計(jì)算出五臺(tái)山土壤重金屬元素地積累指數(shù)，并根據(jù)表2[18]進(jìn)行劃分，結(jié)果見表3。臺(tái)頂Hg是主要的污染元素，為嚴(yán)重污染；Pb為偏中度污染；Cr、Cd、As為清潔；空間上污染程度總體依次為北臺(tái)>西臺(tái)>中臺(tái)>東臺(tái)>南臺(tái)。山區(qū)Hg污染嚴(yán)重，集中分布于羊眼河和青羊河，峨河為清潔；Cd、Pb在羊眼河為中度污染，青羊河輕度污染，峨河為清潔；As、Cr污染程度較小；空間上污染程度總體依次為羊眼河>青羊河>峨河。

由地積累指數(shù)法評(píng)價(jià)可知，臺(tái)頂重金屬污染整體輕微，其中Hg受人為活動(dòng)影響較強(qiáng)烈；山區(qū)重金屬污染受礦產(chǎn)開采活動(dòng)影響明顯。Hg在臺(tái)頂和山區(qū)污染均較嚴(yán)重，反映了Hg污染的廣泛性。

表1 五臺(tái)山區(qū)重金屬分析

注：1)各重金屬元素單位均為mg/kg。

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

HAKANSON[19]提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法，從重金屬元素的性質(zhì)、遷移、轉(zhuǎn)化及沉積等行為特點(diǎn)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式為：

Cfi=Ci/Cni

(2)

Eri=Tri×Cfi

(3)

RI=∑Eri

(4)

式中：Cfi為重金屬元素i的單項(xiàng)污染系數(shù)；Cni為重金屬元素i的參比值，mg/kg，具體見表4[11]476-477；Eri為重金屬元素i的單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tri為重金屬元素i的毒性系數(shù)，具體見表4[11]476-477；RI為綜合生態(tài)危害指數(shù)。

根據(jù)單項(xiàng)污染系數(shù)可將污染程度分為4個(gè)等級(jí)：Cfi<1為輕微污染；1≤Cfi<3為中等污染；3≤Cfi<6為強(qiáng)污染；Cfi≥6為很強(qiáng)污染。根據(jù)單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)可分為5個(gè)等級(jí)：Eri<40為輕微生態(tài)危害；40≤Eri<80為中等生態(tài)危害；80≤Eri<160為強(qiáng)生態(tài)危害；160≤Eri<320為很強(qiáng)生態(tài)危害；Eri≥320為極強(qiáng)生態(tài)危害。根據(jù)綜合生態(tài)危害指數(shù)可分為4個(gè)等級(jí)：RI<150為輕微危害；150≤RI<300為中等危害；300≤RI<600為強(qiáng)危害；RI≥600為很強(qiáng)危害。

從表5可知：(1)根據(jù)單項(xiàng)污染系數(shù)，臺(tái)頂Hg達(dá)到很強(qiáng)污染等級(jí)，平均單項(xiàng)污染系數(shù)為349.24，最大值413.21位于北臺(tái)；Pb為強(qiáng)污染等級(jí)，最大值位于中臺(tái)；Cr、Cd、As均為輕微污染等級(jí)；重金屬的污染程度依次為Hg>Pb>Cd>Cr>As。(2)根據(jù)單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)，Hg(極強(qiáng)生態(tài)危害)>Cd、Pb、Cr、As(輕微生態(tài)危害)。(3)根據(jù)綜合生態(tài)危害指數(shù)，臺(tái)頂達(dá)到很強(qiáng)危害等級(jí)，依次為北臺(tái)>西臺(tái)>中臺(tái)>東臺(tái)>南臺(tái)。

圖1 土壤重金屬質(zhì)量濃度空間分布Fig.1 Spatial distribution of heavy metals in soil

Igeo級(jí)別污染程度<00清潔0～<11輕度污染1～<22偏中度污染2～<33中度污染3～<44偏重污染4～<55重污染≥56嚴(yán)重污染

表3 五臺(tái)山土壤重金屬元素地積累指數(shù)與級(jí)別

表4 重金屬元素參比值及毒性系數(shù)

表5 五臺(tái)山土壤重金屬污染系數(shù)及潛在生態(tài)危害指數(shù)

山區(qū)單項(xiàng)污染系數(shù)依次為Hg>As>Cd>Pb>Cr；單項(xiàng)潛在生態(tài)危害系數(shù)依次為Hg(極強(qiáng)生態(tài)危害)>Cd(強(qiáng)生態(tài)危害)>As(中等生態(tài)危害)>Cr、Pb(輕微生態(tài)危害)；綜合生態(tài)危害指數(shù)依次為羊眼河>青羊河>峨河。

綜合對(duì)比分析可知，五臺(tái)山臺(tái)頂和山區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)危害均為很強(qiáng)危害等級(jí)，表明臺(tái)頂和山區(qū)均受到來自土壤重金屬污染的威脅。Hg是五臺(tái)山主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，是造成土壤環(huán)境污染的主要因素。

2.4 相關(guān)性與成因分析

采用SPSS 17.0中Pearson相關(guān)性分析對(duì)五臺(tái)山土壤中重金屬元素間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見表6。Pb與Cd、As與Cd、As與Pb、Hg與Pb呈顯著性正相關(guān)，由此可推斷，Cd、Pb、As、Hg的來源相似，由相同的事件引起。結(jié)合五臺(tái)山地區(qū)大規(guī)模采礦活動(dòng)的歷史和現(xiàn)狀，推斷這4種重金屬元素的富集和污染是由人類采礦活動(dòng)所引起的。Cr與各重金屬元素的相關(guān)性系數(shù)總體較小，且Cr的實(shí)測值低于背景值，推斷其來源于自然界，基本反映土壤母質(zhì)及其風(fēng)化產(chǎn)物的累積過程。

表6 土壤中重金屬元素間的相關(guān)性分析1)

注：1)**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

從五臺(tái)山區(qū)采礦活動(dòng)的歷史與現(xiàn)狀來看，該區(qū)是多種金屬礦產(chǎn)資源的集中分布區(qū)，尤以鐵礦和金礦的開采較普遍。北麓南岸3條流域均有鐵礦礦山和選礦場分布，滹沱河谷北岸砂河鎮(zhèn)附近出現(xiàn)過大規(guī)模的金礦群采群選過程，這種以混汞法提金的工藝，Hg回收較難，大量的Hg排放到環(huán)境中，而Hg具有易揮發(fā)性和長距離的遷移運(yùn)輸性，影響范圍廣，臺(tái)頂Hg污染嚴(yán)重與此有極大關(guān)系。綜上所述，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產(chǎn)物外，其余4種均與礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用有關(guān)，其中Hg受金礦開采影響明顯。

3 結(jié) 論

(1) 臺(tái)頂土壤重金屬富集相對(duì)較少，山區(qū)富集較明顯；山區(qū)農(nóng)田重金屬含量高于河漫灘。重金屬高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部羊眼河流域，其次為青羊河、峨河。Hg在臺(tái)頂和山區(qū)均嚴(yán)重富集，是污染的主要因素。

(2) 地積累指數(shù)表明，臺(tái)頂重金屬污染整體輕微，山區(qū)重金屬污染受礦產(chǎn)開采活動(dòng)影響明顯。Hg在臺(tái)頂和山區(qū)污染均較嚴(yán)重。

(3) 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明，臺(tái)頂和山區(qū)均受到土壤重金屬的威脅。Hg是主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子。

(4) 相關(guān)性分析表明，5種重金屬元素的來源除Cr是自然界產(chǎn)物外，其余4種均與礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用有關(guān)，其中Hg受金礦開采影響明顯。

(致謝：感謝國土資源部太原礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心的趙春光高級(jí)工程師、李建新主任對(duì)本研究樣品測試的幫助。)

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PollutioncharacteristicsandpotentialecologicalriskassessmentofheavymetalsinsoilofMountWutai

WANGDandan1，2，ZHENGQingrong1，2，HOUYanjun2，GOUChaoyang2，ZHANGYongqing1.

(1.CollegeofGeographicalScience，ShanxiNormalUniversity，LinfenShanxi041000；2.DepartmentofGeography，XinzhouTeachersUniversity，XinzhouShanxi034000)

In order to understand the pollution of soil heavy metal in Wutai mountain areas，the 49 soil samples collected from the top of Mount Wutai and the northern foot of Mount Wutai，and measured by inductively coupled plasma mass spectrometry. The pollution index and ecological risk assessment were analyzed by the method of index of geo accumulation and potential ecological risk index，and the correlation coefficient between elements was analyzed by Pearson correlation coefficient to analyze the source of pollution. Results showed：(1) the soil heavy metal concentration of top was less enriched，and that of northern was obviously enriched. The farmland was higher than the flood plain and the high-value region was mainly distributed in the central Yangyan river basin. (2) The accumulation index indicated that the heavy metal pollution of the top mountain was slighted and in mountain area was obviously affected by mining activitives. Hg element pollution was more serious in the top and mountain areas. (3) Potential ecological risk showed that both the top of the mountain and the mountain area were threatened by the pollution of heavy metals in the soil. Hg was the main ecological risk factor in the top of the mountain. (4) Correlation analysis showed that the sources of Cr was natural products，and the other four heavy metals were all related to the exploitation and utilization of mineral resources. Hg was obviously affected by gold mining.

heavy metal pollution; potential ecological risk; Mount Wutai

王丹丹，女，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橘Y源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)。#

。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.31571604)；忻州師范學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(No.QN201404)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.009

2017-06-19)