基于內(nèi)梅羅指數(shù)法與地質(zhì)累積指數(shù)法對海寧市土壤重金屬污染狀況評價的比較與分析

張婉璐，吳 云

（山西水利職業(yè)技術學院工程管理系，太原 030027）

土壤是萬物之源，是一切生命之本。隨著近年來社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，土壤污染問題已日益顯現(xiàn)，其中，以土壤重金屬污染問題表現(xiàn)最為突出。土壤重金屬污染主要指Hg、Cd、Pb、Cr和As等生物毒性顯著的元素，以及有一定毒性的Zn、Cu、Ni等元素的含量超過土壤背景值而對土壤造成污染。我國受Cd、Zn、Pb、Hg、As等重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占全國總耕地面積的1/5[1]。這些過量重金屬元素能引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)，而且在土壤中移動性很小，不易隨水淋濾，不易被微生物分解，易在土壤及農(nóng)作物中富集，通過食物鏈進入人體后，潛在危害極大。土壤重金屬污染問題已經(jīng)引起了全世界的高度重視和深入探討[2]。

目前，國內(nèi)外學者對土壤重金屬污染已進行了大量研究，提出的研究方法和評價模型種類繁多。與此同時，新的評價方法也不斷涌現(xiàn)，其中以內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評判法、富集因子法、地質(zhì)累積指數(shù)法等評價方法應用最為廣泛。這些評價方法各有優(yōu)缺點，適用范圍也不盡相同。本文以長江三角洲南翼典型的縣級城市海寧市為研究對象，對海寧市土壤中的Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、Hg、As八種重金屬元素，分別運用內(nèi)梅羅指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法進行評價，并對兩種評價結(jié)果的差異進行分析討論，探討更適合該區(qū)土壤類型的評價方法。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

筆者選取海寧市八個主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）進行取土采樣，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)以蛇形布點取30個樣品，采用五點法取樣，采樣深度為土壤表層0～20 cm。將研究區(qū)域采集的所有土壤樣品存袋密封送至試驗室進行Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、Cr、Hg、As八種重金屬元素含量的測定試驗并記錄測定結(jié)果。為了便于對八個研究區(qū)域進行土壤評價，筆者分別對每個研究區(qū)域的重金屬元素測定結(jié)果求平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 土壤重金屬含量值

1.2 評價方法

1.2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是目前進行環(huán)境評價廣泛采用的方法。通過該方法進行污染評價，人們不僅可以得到重金屬的綜合污染狀況，還可以得到單項重金屬因子的污染狀況。另外，該方法將不同重金屬元素所占的權(quán)重值納入計算，考慮了不同重金屬元素對土壤環(huán)境影響不同這一現(xiàn)實問題，克服了平均值法各種污染物分擔的缺陷[3]。其計算公式為：

式中，Pi為元素i的單項污染指數(shù)；Ci為元素i的實測值；Si為土壤環(huán)境質(zhì)量標準值（本研究采用國家二級標準值）。

式中，P為采樣點的綜合污染指數(shù)；Pimax為采樣點重金屬污染物單項污染指數(shù)中的最大值；P—i是用加權(quán)計算法求出的單項污染指數(shù)平均值。

1.2.2 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)法是由德國科學家Muller在20世紀60年代提出的。這種研究方法不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響，已經(jīng)被各國科學家廣泛應用于由人為活動引起的土壤重金屬污染研究中[4]。其計算公式為：

式中，Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn為樣品中元素n的實測值；Bn為元素n的地球化學背景值；1.5為修正系數(shù)。值得注意的是，地質(zhì)累積指數(shù)法通常選用普通頁巖的平均值作為土壤重金屬元素的地球化學背景值，但由于不同沉積作用形成的沉積物有所不同，如果采用普通頁巖的地球化學背景值做地質(zhì)累積指數(shù)計算過程中的背景值，難免會以偏概全，對評價結(jié)果造成誤差，難以準確反映污染狀況[5]。基于此考慮，本研究選用長江三角洲地區(qū)土壤地球化學基準值作為背景值來進行地質(zhì)累積指數(shù)計算[6]，其具體數(shù)值如表2所示。

表2 長江三角洲地區(qū)土壤地球化學背景值

2 研究區(qū)域重金屬污染評價結(jié)果

2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

經(jīng)計算，各研究區(qū)域的八種重金屬元素的單項污染指數(shù)如表3所示，綜合污染指數(shù)如表4所示。從表3的單項污染指數(shù)評價結(jié)果可看出，硤石街道、長安鎮(zhèn)的重金屬元素Cd、Cr達到輕微污染狀態(tài)，周王廟鎮(zhèn)、袁花鎮(zhèn)的Cr處于輕度污染狀態(tài)，許村鎮(zhèn)的Zn達到中度污染狀態(tài)，鹽官鎮(zhèn)的Cu、Cr均處于輕微污染狀態(tài)。從表4的評價結(jié)果可看出，這八個主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，只有馬橋街道和丁橋鎮(zhèn)屬于無污染狀態(tài)，袁花鎮(zhèn)處于無污染和輕度污染的臨界，硤石街道、鹽官鎮(zhèn)、長安鎮(zhèn)屬于輕度污染狀態(tài)，周王廟鎮(zhèn)和許村鎮(zhèn)已經(jīng)達到中度污染狀態(tài)。

表3 研究區(qū)域單項污染指數(shù)評價結(jié)果

表4 研究區(qū)域綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

2.2 地質(zhì)累積指數(shù)法評價結(jié)果

經(jīng)計算，各研究區(qū)域的八種重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)如表5所示。從表5結(jié)果可看出，八個研究區(qū)域的重金屬元素Hg均達到中度污染狀態(tài)。除此之外，硤石街道的Cd也達到中度污染狀態(tài)，周王廟鎮(zhèn)的Cd同樣達到中度污染狀態(tài)，Cr甚至達到中重度污染狀態(tài)，許村鎮(zhèn)的Zn達到中重度污染狀態(tài)，鹽官鎮(zhèn)的Ni處于輕度污染狀態(tài)，Cu、Cr均達到中度污染狀態(tài)，長安鎮(zhèn)的Cd、Cr達到了中度污染狀態(tài)，袁花鎮(zhèn)的Ni 處于輕度污染狀態(tài)，Pb、Cr達到中度污染狀態(tài)。依據(jù)木桶效應，以各重金屬元素污染的最高級別來表示該研究區(qū)域的污染程度，可以得出硤石街道、馬橋街道、鹽官鎮(zhèn)、丁橋鎮(zhèn)、長安鎮(zhèn)、袁花鎮(zhèn)均達到中度污染狀態(tài)，周王廟鎮(zhèn)和許村鎮(zhèn)甚至達到中重度污染狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

對海寧市這八個主要研究區(qū)域的內(nèi)梅羅指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法的評價結(jié)果進行比較可看出，兩種方法對重金屬元素Hg的評價結(jié)果差異最大。內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，八個研究區(qū)域的Hg均處于無污染狀態(tài)，而地質(zhì)累積指數(shù)法則顯示Hg均達到中度污染狀態(tài)。結(jié)合海寧市的工業(yè)情況進行分析，全市涉及重金屬重點排放的行業(yè)主要有金屬表面處理及熱處理加工業(yè)、皮革制造及加工業(yè)、蓄電池制造業(yè)等，這些工業(yè)活動排放的重金屬污染物主要含有Cd、Cr、Zn、Pb、Cu、Ni等重金屬元素，而Hg的排放量并不多，并不會構(gòu)成污染。因此，地質(zhì)累積指數(shù)法的評價結(jié)果略有夸大，原因是地質(zhì)累積指數(shù)法過分強調(diào)重金屬元素地球化學背景值的影響，而本研究選用的長江三角洲土壤地球化學背景值中Hg元素的背景值明顯低于土壤地球化學基準值，所以造成Hg元素的評價結(jié)果偏大。

對于另外七種重金屬元素，除了元素As的兩種評價結(jié)果一致，均處于無污染狀態(tài)外，其余六種元素Cd、Cr、Zn、Pb、Cu、Ni均處于輕度或中度污染，且地質(zhì)累積指數(shù)法的評價結(jié)果顯示這六種元素的污染程度更加嚴重，內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結(jié)果相對保守，其原因可能是內(nèi)梅羅指數(shù)法描述的評價結(jié)果是非連續(xù)的，使其對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏性不夠高。另外，兩種評價方法對八個研究區(qū)域的綜合污染程度評價結(jié)果也不盡相同，內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于輕度污染狀態(tài)，兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達到中度污染，而地質(zhì)累積指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，六個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均達到中度污染狀態(tài)，兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至達到中重度污染狀態(tài)。

筆者認為，出現(xiàn)這種差異的原因可能是內(nèi)梅羅指數(shù)法過分突出污染指數(shù)最大的重金屬元素對環(huán)境質(zhì)量的影響，在評價時可能會人為夸大或縮小一些元素的影響作用，使計算結(jié)果難以區(qū)分土壤環(huán)境污染程度的差別。同時，地質(zhì)累積指數(shù)法過分強調(diào)了重金屬元素地球化學背景值的影響，如果背景值選擇不恰當，也會影響評價結(jié)果。因此，內(nèi)梅羅指數(shù)法和地質(zhì)累積指數(shù)法在評價土壤重金屬污染中各有優(yōu)缺點，人們在評價過程中應結(jié)合運用才能更加全面地反映研究區(qū)域的土壤污染狀況。

4 結(jié)語

結(jié)合兩種評價方式的優(yōu)缺點，筆者認為，馬橋街道和丁橋鎮(zhèn)屬于無污染狀態(tài)，硤石街道、鹽官鎮(zhèn)、長安鎮(zhèn)、袁花鎮(zhèn)屬于中度污染狀態(tài)，周王廟鎮(zhèn)和許村鎮(zhèn)屬于中重度污染狀態(tài)。

1 陳懷滿.環(huán)境土壤學[M].北京：科學出版社，2005.

2 Li X D，Lee S L，Wong S C，etal.The Study of Metal Contamination in Urban Soil of Hong Kong Using a GIS-based Approach[J].Environmental Pollution，2004，129（1）：113-124．

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4 趙慶令，李清彩，謝江坤，等.應用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法研究濟寧南部區(qū)域土壤重金屬污染特征及生態(tài)風險評價[J].巖礦測試，2015，34（1）：129-137.

5 滕彥國，度先國，倪師軍，等.應用地質(zhì)累積指數(shù)評價沉積物中重金屬污染：選擇地球化學背景的影響[J].環(huán)境科學與技術，2002，（2）：7-10.

6 陳國光，奚小環(huán)，梁曉紅，等.長江三角洲地區(qū)土壤地球化學基準值及其應用探討[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（6）：1041-1048.