黔東南山區(qū)土壤重金屬分布特征

瞿飛范成五 劉桂華 秦松

摘 要：為研究砂頁巖土壤重金屬分布特征，評價土壤污染狀況，以貴州省黔東南典型砂頁巖地區(qū)浪洞鄉(xiāng)為研究對象，采用網(wǎng)格布點的方法采集20個土壤樣品，分析了（Cr、Pb、As、Cd、Hg）5種重金屬的含量及分布特征，并采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對該地區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評價。結(jié)果表明，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全國背景值；Hg的平均含量高出全省背景值和全國背景值的3.25倍和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，高于全國背景值，且為全國背景值的4.04倍。表明區(qū)域存在一定程度的Hg污染，其他4種重金屬主要受區(qū)域背景值影響較大。5種重金屬的單項污染指數(shù)大小順序為Cd 研究區(qū)域土壤環(huán)境內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的均值為0.519，表示該區(qū)域土壤處于清潔狀態(tài)。研究區(qū)域5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小順序為Cd Cr，平均潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均值為49.8，處在低風(fēng)險生態(tài)等級，部分點位生態(tài)風(fēng)險指數(shù)接近中度風(fēng)險，從整體上看，研究區(qū)域土壤受重金屬污染較輕，可安全進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但仍需加強(qiáng)對重金屬污染防治工作，避免重金屬造成危害。

關(guān)鍵詞：砂頁巖；土壤重金屬；風(fēng)險評價；浪洞鄉(xiāng)

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2018）03-00 -0 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.03.001

Distribution Characteristics and Potential Risk Assessment of Heavy Metals in Soil of Typical Sand Shale Areas in Southeastern Guizhou

——A case study of Lang Dong village

QU Fei1，F(xiàn)an Chen-wu2，3，Liu Gui-hua2，3 ，Qin Song2，3*

（1. Agricultural College， Guizhou University， Guiyang 550025 China； 2. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer （Agricultural Resources and Environment）， Guiyang 550006 China； 3. Guizhou Agricultural Resources and Environmental Engineering Technology Research Center， Guiyang 550006 China）

Abstract：In order to study the distribution characteristics of heavy metals in sand shale soils and evaluate soil pollution status， Lang Dong village， a typical sand shale region in Qiandongnan， Guizhou Province， was selected as the research area. Twenty soil samples were collected using the method of grid placement. The content and distribution of the five heavy metals （Cr， Pb， As， Cd， Hg） were analysed. The soil environment quality of the heavy metals was evaluated using the single-factor pollution index method， the Nemero pollution index method and Hakanson potential ecological risk index method. The results showed that the average content of Cr， Pb and As in the study area was lower than that of the entire province value and the national background value. The content of Hg was 3.25 times higher than the province value and 5.51 times the national value. The average content of Cd was lower than the province value but was 4.04 times higher than the national value. This indicated that this area has some degree of Hg pollution， while content of the other four heavy metals was mainly influenced by the regional background value. The sequence of single-factor pollution index of the five heavy metals was Cd>Hg>As>Cr>Pb. The environment Nemero comprehensive pollution index of all five heavy metals was 0.519， indicating that the soil of this area was in a clean state. The sequence of the potential ecological risk index of five heavy metals in the study area was Cd>Hg>As>Pb>Cr and the average potential ecological risk index was 49.8， indicating that this area was at a low level of ecological risk. However， the ecological risk index for some parts of the area was at moderate level. On the whole， soil contamination by heavy metals in the study area is relatively light， which is safe for agricultural production. However， work on prevention and control of pollution still needs to be strengthened to avoid the harm of heavy metals.

Key words：sandy shale； soil heavy metals； risk assessment； Langdong village

土壤重金屬污染具有隱蔽性，持久性和難降解的特性，對動植物都會帶來危害[1]。一些可溶性的重金屬能夠被植物吸收富集、遷移轉(zhuǎn)化，再通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[2-4]。隨著礦產(chǎn)資源等工業(yè)開發(fā)，農(nóng)藥、化肥等農(nóng)業(yè)投入品的廣泛使用，含重金屬類物質(zhì)大量進(jìn)入土壤中，造成土壤環(huán)境重金屬污染問題日益嚴(yán)峻。土壤重金屬污染已成為人類面臨的重要問題之一[5-7]。

土壤是由成土母質(zhì)風(fēng)化而來，成土母質(zhì)決定了土壤中重金屬的最初含量，影響著土壤環(huán)境中的重金屬背景值。黔東南地區(qū)自然資源豐富，成土母質(zhì)多樣，其中砂頁巖分布最廣泛，砂頁巖是由砂巖和頁巖相間組成的特殊巖石，可以形成豐富的金屬礦。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，黔東南地區(qū)金礦點較多，研究歷史悠久，是貴州省十分重要的產(chǎn)金區(qū)；金礦礦物質(zhì)和流體均來自于地層圍巖[8-9]。萬斌[10]對蝕變巖型金礦地球化學(xué)特征分析中指出黔東南地區(qū)的金礦中在石英脈中及硅化的破碎的粉砂巖中的含量最高。了解砂頁巖地區(qū)重金屬的分布特征及潛在生態(tài)風(fēng)險，對防治土壤環(huán)境重金屬污染，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

本研究以黔東南典型砂頁巖地區(qū)的浪洞鄉(xiāng)為研究對象，運用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對浪洞鄉(xiāng)土壤重金屬進(jìn)行污染特征分析及風(fēng)險評價，探討該地區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險，以期為典型砂頁巖地區(qū)的重金屬污染防治和農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采集時間為2016年8月，采自黔東南州黃平縣。采集方法為網(wǎng)格法，按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166—2004）要求，并通過GPS定位，確定采樣點，共采集了112個土壤樣品（圖1），采樣深度為0～20 cm。每個樣品由5個子樣品混合后，再通過四分法取1 kg組成。樣品自然風(fēng)干，磨細(xì)過100目尼龍篩，密封裝袋保存待測。

1.2 樣品分析

精確稱取風(fēng)干樣品0.2 g，用少許水潤濕，加入消解液（V硝酸∶V高氯酸=4∶1）15 mL，濕法消解，用0.5%的HNO3定容至50 mL測定，采用火焰原子吸收法測定Cr、Cd、Pb（原子吸收光譜儀AA-800）。準(zhǔn)確稱取風(fēng)干樣品0.2 g，用少許去離子水潤濕，加消解液（V王水∶V水=1∶1）10 mL，微波消解，冷卻后用5%的HCl定容至50 mL[11-12]，采用原子熒光法測定Hg、As（原子熒光光譜儀AF-640）。

1.3 評價方法

1.3.1 污染現(xiàn)狀評價

參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995），采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對研究區(qū)進(jìn)行風(fēng)險評價。單因子污染指數(shù)式為：

Pi=Ci/Si（公式一）

式中：Pi為土壤污染物i的環(huán)境質(zhì)量污染指數(shù)；Ci為污染物i的實測值，mg/kg；Si為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)，污染評價分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.3.2 生態(tài)風(fēng)險評價

研究區(qū)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法。該方法引入了重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬含量折算為生物毒性風(fēng)險，各單項污染物潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)經(jīng)相加可得此區(qū)域多種污染物的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，削弱了區(qū)域差異和不同源污染情況的影響[13]。其計算公式為：

RI=∑ni=1TirCir=∑ni=1TirCi實測/Cin（公式三）

式中：RI為采樣點多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；Tri為Hakanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)；Cri為該元素的污染系數(shù)；C實測i為該元素的實測含量；Cni為該元素的國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Arc GIS 9.2和Origin 8.6軟件進(jìn)行圖件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量分析

研究區(qū)土壤重金屬含量分布如表3所示，Cr、Pb、Cd、As、Hg5種重金屬的平均含量分別為41.2、25.9、0.392、8.35和0.358 mg/kg，與貴州省背景值[14]和全國背景值[15]相比，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全國背景值；僅有Hg的平均含量高于全省背景值和全國背景值，且分別高出3.25和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，但高于全國背景值；且為全國背景值的4.04倍。從變異系數(shù)上看，5種重金屬的變異系數(shù)分別為40.7%、29.9%、66.3%、54.5%和82.4%，可以看出，Cr、Cd、As和Hg的變異系數(shù)較大，說明受人為因素影響大；Pb的變異系數(shù)較小，說明在分布特征上具有較大相似性[16]。

2.2 土壤重金屬的污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù)評價

根據(jù)單因子污染指數(shù)評價等級，5種重金屬中所有點位中Cr、As和Pb的Pi均小于1，污染等級為1，屬于無污染。點位3#、6#、7#、9#、12#、17#的Cd中1

2.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價

國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）分為3個等級[17]。研究區(qū)土壤pH值的范圍在6.5～7.5之間，因此采用土壤質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的中間指標(biāo)分析（表4）。

根據(jù)土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)判斷研究區(qū)污染狀況，結(jié)果表明（見表5），該5種重金屬的單項污染指數(shù)大小順序為CdPb，均值分別為1.31、0.716、0.278、0.206和0.0862。5種重金屬Cr、Pb、As、Hg和Cd的綜合污染指數(shù)分別為0.291、0.116、0.541、1.99和2.56，Cr、Pb和As的污染等級為清潔（安全）；Hg的污染等級為輕度污染；Cd的污染等級為中度污染。

從各點位內(nèi)梅羅污染指數(shù)上看（圖3），得出采樣點位16#和20#的重金屬綜合污染指數(shù)分別為2.47和2.25，污染等級為等級4，屬于中度污染；采樣點位1#、2#、3#、7#、9#和17#的重金屬綜合污染指數(shù)分別為1.87、1.64、1.30、1.45、1.12和1.38，污染等級為等級3，屬于輕度污染；采樣點位4#、5#、6#、8#、10#、11#、12#、13#、14#、15#、18#和19#的重金屬綜合污染指數(shù)分別為0.502、0.631、0.848、0.305、0.577、0.453、0.988、0.349、0.469、0.681、0.475和0.606，污染等級為1，屬于清潔（安全）。

2.2.3 土壤重金屬污染空間分布情況

采用ArcGIS對單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)空間分布情況作分析，模擬出研究區(qū)5種重金屬污染空間分布圖（圖4～9）。結(jié)果顯示，研究區(qū)未受到Cr、As、Pb污染，均為安全水平；Hg存在低風(fēng)險和中度風(fēng)險污染，中度風(fēng)險污染主要集中在浪洞鄉(xiāng)東部地區(qū)；Cd存在低風(fēng)險和中度風(fēng)險污染，中度風(fēng)險污染主要集中在浪洞鄉(xiāng)西南地區(qū)和中部勤龍村、浪洞村等部分地區(qū)；綜合污染分布與Cd空間污染分布一致，說明整個研究區(qū)域的土壤重金屬主要受Cd污染的影響較大，其他重金屬污染影響較小。

2.3 土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險評價

采用Hakanson潛在生態(tài)指數(shù)法分析研究區(qū)5種土壤重金屬，根據(jù)土壤重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級（表6），對其進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價。

結(jié)果顯示（表7），20個采樣點位的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）均小于150，根據(jù)風(fēng)險等級劃分，風(fēng)險等級均為低風(fēng)險；Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)范圍在7.53～67.3，Hg的風(fēng)險指數(shù)范圍在2.58～76.2之間，As的風(fēng)險指數(shù)范圍在0.937～7.12之間，Pb的風(fēng)險指數(shù)范圍在0.225～0.697之間，Cr的風(fēng)險指數(shù)范圍在0.144～0.712之間，5種重金屬的潛在綜合指數(shù)范圍在18.9～130之間；5種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大小順序為Cd

Cr；樣點20#的潛在綜合風(fēng)險指數(shù)為138，最接近中等風(fēng)險，應(yīng)及時預(yù)防；樣點1、16、17的綜合風(fēng)險指數(shù)分別為80.0、88.8、82.4，相對其他點位較高。整體上看，研究區(qū)域的5種土壤重金屬都處于清潔狀態(tài)。

3 結(jié)論與討論

有研究表明土壤中的重金屬污染的原因主要有：礦石開采、城市化建設(shè)、固體廢棄物堆積、施用化肥、污水灌溉等原因[18]。浪洞鄉(xiāng)位于黔東南苗族侗族自治州黃平縣境內(nèi)，自然環(huán)境優(yōu)良旅游資源豐富；全鄉(xiāng)境內(nèi)主要以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，幾乎無農(nóng)藥、化肥、污水等污染；大型工礦業(yè)較少，主要以家庭作坊為主；而該區(qū)域?qū)儆谇瓥|南州典型的砂頁巖地區(qū)，境內(nèi)有鉛鋅礦、粘土、鐵、煤等礦產(chǎn)資源，粘土礦資源尤其豐富。相關(guān)研究表明，成土母質(zhì)決定了土壤中最初的重金屬含量，不同母質(zhì)類型，重金屬元素含量差異較大[19]。何騰兵等[20]在不同母質(zhì)發(fā)育的土壤重金屬差異性研究中指出，鈣質(zhì)紫色砂頁巖、石灰?guī)r和河流沖積物發(fā)育的土壤中鎘、鉻、汞的含量較其他母質(zhì)發(fā)育的土壤高。

本文分析了5種重金屬在黔東南浪洞鄉(xiāng)的分布特征，結(jié)果顯示其中Hg和Cd兩種重金屬在研究區(qū)存在中度污染風(fēng)險，區(qū)域主要集中在浪洞鄉(xiāng)東部地區(qū)、西南地區(qū)和中部勤龍村、浪洞村等部分地區(qū)；其中Hg高于全國和全省背景值，分別高出3.25和5.51倍；Cd僅在全國背景值下有污染表現(xiàn)，高出4.04倍；而綜合污染分布顯示指出該區(qū)域土壤重金屬主要受Cd污染的影響較大；而對于Cr、As、Pb的分析結(jié)果未存在污染風(fēng)險，均處于安全水平。該區(qū)域的土壤重金屬污染排除農(nóng)業(yè)廢棄物、城市化建設(shè)等因素，很可能與主要成土母質(zhì)砂頁巖相關(guān)。而研究區(qū)采樣點大部處于污染低風(fēng)險，說明土壤重金屬有一定量積累，周邊環(huán)境污染較少，土壤5種重金屬含量總體符合相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)，對于農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，優(yōu)化農(nóng)藝生產(chǎn)措施可確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

研究區(qū)5種重金屬的平均含量與貴州省背景值總站和全國背景值相比，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全國背景值；僅有Hg的平均含量高于全省背景值和全國背景值，且分別高出3.25和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，但高于全國背景值；且為全國背景值的4.04倍。

研究區(qū)5種重金屬的單項污染指數(shù)大小順序為CdCr；Cd為最主要生態(tài)風(fēng)險貢獻(xiàn)因子。土壤平均潛在生態(tài)風(fēng)險均值為49.8，處于低風(fēng)險生態(tài)等級，點位20的潛在生態(tài)風(fēng)險值接近中等風(fēng)險。

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