山東日照地區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

李洪奎，李逸凡

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院 國土資源部金礦成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院 山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；3.濰坊學(xué)院 建筑與工程學(xué)院，山東 濰坊 261061)

0 引 言

土壤環(huán)境質(zhì)量是指土壤環(huán)境(或土壤生態(tài)系統(tǒng))的組成、結(jié)構(gòu)和功能特性及其所處狀態(tài)的水平[1]。土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是在研究土壤環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)及其變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對土壤環(huán)境質(zhì)量的高低優(yōu)劣進(jìn)行定性與定量評價(jià)，依據(jù)其評價(jià)內(nèi)容可分為土壤環(huán)境污染評價(jià)、土壤生態(tài)評價(jià)和綜合評價(jià)[2]。

土壤環(huán)境質(zhì)量主要受自然環(huán)境和人為環(huán)境雙重因素控制[3]。自然環(huán)境指各種自然條件和自然資源的總和，如地質(zhì)、地貌、氣候、水文、生物等；人為環(huán)境指人類在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，為了不斷提高物質(zhì)和精神生活水平，通過長期有計(jì)劃、有目的的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)逐步建立起來的生存環(huán)境[4]。長期的人類活動(dòng)在改造自然環(huán)境的同時(shí)，也對環(huán)境質(zhì)量造成一定負(fù)面影響，如大量化肥、農(nóng)藥的使用和生產(chǎn)生活廢棄物的排放等會(huì)導(dǎo)致土壤受到一定污染。目前，土壤污染已成為抑制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，引起各級政府的高度重視，同時(shí)引起農(nóng)業(yè)、環(huán)境、地質(zhì)、社會(huì)等方面學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-6]。

山東是較早開展生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查的省份之一，從2002年開始，分三大片區(qū)完成了山東多目標(biāo)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)工作：第一片區(qū)是山東黃河下游流域生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)，工作面積5.39×104km2，于2002年10月開始，2006年10月結(jié)束；第二片區(qū)是山東東部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)，于2010年5月完成該地區(qū)約5.4×104km2的調(diào)查工作；第三片區(qū)是山東中部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)，于2014年10月完成該地區(qū)約4.9×104km2的調(diào)查工作。通過開展多目標(biāo)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)，查明區(qū)域土壤、淺層地下水的環(huán)境地球化學(xué)特征，查清土壤質(zhì)量現(xiàn)狀及礦產(chǎn)類、環(huán)境類等各類異常分布狀況，為山東社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和規(guī)劃、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)調(diào)整、環(huán)境保護(hù)、礦產(chǎn)資源勘查、地方病防治等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)資料和可靠翔實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

本文在系統(tǒng)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)基礎(chǔ)上，在山東日照地區(qū)進(jìn)一步采集了5 323個(gè)表層土壤樣品，表層土壤基本分析樣品1 349件，獲取了表層土壤中多元素地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)；重點(diǎn)對日照地區(qū)表層土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)進(jìn)行初步評價(jià)，查明土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和空間分布特征，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)劃、土壤施肥與改良、合理種植布局、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土地利用規(guī)劃、污染治理與修復(fù)提供依據(jù)。

1 樣品采集與分析方法

1.1 樣品采集

山東日照地區(qū)表層土壤樣品采用網(wǎng)格布樣法采集，采樣密度為每1 km2布置1個(gè)點(diǎn)，組合分析樣品為每4 km2布置1個(gè)點(diǎn),采樣深度為0～20 cm。土壤采樣點(diǎn)分布均勻，表層土壤在每個(gè)采樣小格中都進(jìn)行了布點(diǎn)，采樣點(diǎn)位均布置在格子中部(個(gè)別點(diǎn)除外)。樣品編號(hào)以1∶50 000圖幅為單元連續(xù)編號(hào)，表層土壤以4 km2為單位格子，按偶數(shù)方里網(wǎng)為界(2 km×2 km)將單位格子編號(hào)，編號(hào)順序自上而下、自左向右。每個(gè)單位格子劃分為4個(gè)小格(1 km2)，標(biāo)號(hào)順序自左向右、自上而下為A、B、C、D。格子編號(hào)前先做樣品編號(hào)表，每50個(gè)號(hào)碼為一批。其中隨機(jī)取1個(gè)號(hào)碼為重復(fù)樣品大格編號(hào)，并在編號(hào)表上注明，另隨機(jī)取4個(gè)號(hào)碼為標(biāo)準(zhǔn)控制樣品分析編號(hào)。樣品編號(hào)時(shí)做到重復(fù)樣和標(biāo)準(zhǔn)控制樣在同一批次內(nèi)基本均勻分布。取樣采用GPS精確定位，同時(shí)結(jié)合地形圖定點(diǎn)，采樣點(diǎn)布置在農(nóng)田、菜地、林(果)地、草地等。實(shí)地采集時(shí)主要選擇單元樣格內(nèi)的主要土壤類型，盡最大可能保持每一組合樣內(nèi)的4個(gè)單點(diǎn)樣品土壤類型一致，避開可能存在污染的土壤和人為搬運(yùn)的堆積土。為增加土壤樣品的代表性，采用一點(diǎn)多坑法采樣，每個(gè)樣點(diǎn)在直徑10 m范圍內(nèi)選擇3～5個(gè)0～20 cm耕層土壤混合，按四分法取分析樣品，原始質(zhì)量均大于1 kg[7]。在山前沖積地區(qū)采集時(shí)選擇覆蓋層較厚的地段采樣，城鎮(zhèn)區(qū)域樣品采集時(shí)適當(dāng)加深取樣深度，以保證采樣符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

1.2 分析方法

表層土壤樣品測試分析元素共計(jì)54種，其目的是為了建立以土壤為主體的系列地球化學(xué)參數(shù)和地球化學(xué)基準(zhǔn)值、背景值，查明了山東日照地區(qū)土壤環(huán)境狀況與污染特征，開展了生態(tài)地球化學(xué)現(xiàn)狀預(yù)警研究。本文選取了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素評價(jià)指標(biāo)來對土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

土壤樣品測試分析由武漢綜合巖礦測試中心完成。分析方法主要有等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、原子熒光光譜法、離子選擇性電極法等[8]。采用標(biāo)準(zhǔn)樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段，保證了分析質(zhì)量的可靠性。分析方法的準(zhǔn)確度和精密度是用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW)的分析方法進(jìn)行檢驗(yàn)。配套方案是經(jīng)過12次國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS-1～GSS-8)系列樣品分析，分別統(tǒng)計(jì)各被測項(xiàng)目平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的對數(shù)差(ΔlgC)和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)精密度。實(shí)驗(yàn)室分析方法的精密度和準(zhǔn)確度均符合規(guī)范要求。

2 地球化學(xué)特征

土壤重金屬地球化學(xué)特征的兩個(gè)主要參數(shù)是基準(zhǔn)值和背景值，它們分別代表了不同環(huán)境土壤中元素含量水平和變化規(guī)律?；鶞?zhǔn)值是用來衡量人類活動(dòng)對自然影響程度的度量標(biāo)準(zhǔn)，即自然狀態(tài)下形成的土壤化學(xué)成分，它反映的是自然狀態(tài)的本質(zhì)特點(diǎn)，隨時(shí)空轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，主控因素主要是地質(zhì)背景、沉積物來源和類型以及自然環(huán)境特征。背景值是用來界定異常大小的一般含量及一般變化幅度，代表相對不受污染或少受污染的土壤平均化學(xué)組成，它反映的是自然元素以不同相態(tài)在地表環(huán)境中循環(huán)演化的某一時(shí)空狀態(tài)的一般性，受自然和人為擾動(dòng)的雙重影響。

2.1 基準(zhǔn)值特征

山東日照地區(qū)土壤重金屬元素基準(zhǔn)值見表1。從表1可以看出：與全國C層土壤平均值對比，As、Cu、Hg基準(zhǔn)值明顯偏低，分別為全國C層土壤平均值的45.89%、75.18%和33.64%，Cr、Ni和Zn基準(zhǔn)值略偏低，Cd、Pb基準(zhǔn)值則基本接近全國C層土壤平均值；與山東C層土壤平均值對比，As、Cr、Cu、Ni、Zn等基準(zhǔn)值低于山東C層土壤平均值，其中As、Cr、Cu基準(zhǔn)值明顯偏低，Ni、Zn基準(zhǔn)值略偏低，而Cd、Hg、Pb等基準(zhǔn)值與山東C層土壤平均值基本接近。

表1 土壤重金屬元素地球化學(xué)特征Tab.1 Geochemical Characteristics of Soil Heavy Metal Elements

2.1.1 成土母質(zhì)單元

山東日照地區(qū)的成土母質(zhì)單元主要有中生代大盛群、萊陽群、青山群和王氏群，新元古代青白口紀(jì)榮成序列、南華紀(jì)月季山序列，白堊紀(jì)嶗山序列、偉德山序列，第四紀(jì)山前組、臨沂組等。成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素基準(zhǔn)值見表2。

表2 成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素基準(zhǔn)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical Results of Base Values for Soil Heavy Metal Elements of Parent Material Units

注：地質(zhì)單元括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示原樣本數(shù)。

山前組和臨沂組為第四紀(jì)成土母質(zhì)，其成土物質(zhì)來源廣泛，主要形成于河谷、山前階地或洪積扇等。與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相比，山前組土壤中Cd、Hg、Pb和Zn等基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本接近，As基準(zhǔn)值略偏高，Pb、Ni、Cr基準(zhǔn)值基本接近于調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值。

中生代大盛群、中生代萊陽群、中生代青山群、中生代王氏群、新元古代青白口紀(jì)榮成序列、新元古代南華紀(jì)月季山序列、白堊紀(jì)嶗山序列、白堊紀(jì)偉德山序列為殘坡積母質(zhì)，主要為巖石風(fēng)化沉積物原地或近距離搬運(yùn)堆積形成的產(chǎn)物，這些地質(zhì)單元沉積物來源主要為下伏巖體或就近出露巖石，物質(zhì)來源相對簡單，能較好地保存區(qū)域巖石的化學(xué)信息，與基巖層具有良好的承襲關(guān)系。與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相比，中生代大盛群土壤中Cd、Cu基準(zhǔn)值略偏高,As、Cr、Ni等基準(zhǔn)值明顯偏高,其余元素基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相當(dāng)。中生代萊陽群土壤中Cd基準(zhǔn)值略偏高，其余元素基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本相當(dāng)。中生代青山群土壤中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等基準(zhǔn)值略偏高，Hg基準(zhǔn)值明顯偏高，Ni基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相當(dāng)，說明該地質(zhì)單元自身發(fā)育形成的土壤環(huán)境質(zhì)量較差。中生代王氏群土壤中Cu基準(zhǔn)值略偏高，As、Cr、Ni等基準(zhǔn)值明顯偏高，其余元素基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本接近。白堊紀(jì)嶗山序列土壤中Cd、Cr、Cu、Ni等基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相比明顯偏低，最低為Ni，為調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值的60.23%，As、Zn等基準(zhǔn)值略偏低，其余元素基準(zhǔn)值則基本接近調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值。白堊紀(jì)偉德山序列土壤中As、Cr基準(zhǔn)值略低，而Cu、Pb、Zn等基準(zhǔn)值略偏高，Cd基準(zhǔn)值明顯偏高，其余元素基準(zhǔn)值則與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本接近。新元古代青白口紀(jì)榮成序列土壤中As基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相比明顯偏低，Cu基準(zhǔn)值略偏低，Cd、Zn基準(zhǔn)值略偏高，其他元素基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本接近。新元古代南華紀(jì)月季山序列土壤中Cu基準(zhǔn)值略偏低，其余元素基準(zhǔn)值與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值基本相當(dāng)。

根據(jù)成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素基準(zhǔn)值綜合對比可知，不同地質(zhì)單元出現(xiàn)極高值元素主要與火山巖有關(guān)，Cu、Hg、Zn、Pb、Ni等元素的主要地質(zhì)因素為中生代火山巖，而其他地質(zhì)單元對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響微弱。

2.1.2 主要地貌單元

山東日照地區(qū)可分為剝蝕-海蝕平原、剝蝕平原、沖積-海積平原、沖積-洪積平原、海積平原、微切割-強(qiáng)剝蝕丘陵、微弱切割丘陵、中度切割低山和中度剝蝕低山9種地貌類型。表3列出了7種主要地貌類型土壤重金屬元素基準(zhǔn)值。

與調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值相比，剝蝕-海蝕平原深層土壤中Cd、Cu、Zn基準(zhǔn)值略偏低，As、Hg、Pb基準(zhǔn)值略偏高；剝蝕平原土壤中重金屬元素基準(zhǔn)值與之基本相似；沖積-海積平原土壤中As、Cu基準(zhǔn)值偏低，其中Cu最低，為調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值的66.43%，Cd、Cr等基準(zhǔn)值略偏低，Hg、Pb基準(zhǔn)值略偏高；沖積-洪積平原土壤中Cu、Ni基準(zhǔn)值略偏高，As、Cr基準(zhǔn)值明顯偏高；微切割-強(qiáng)剝蝕丘陵土壤中As、Ni基準(zhǔn)值略偏低，其余元素基準(zhǔn)值基本接近調(diào)查區(qū)土壤基準(zhǔn)值；微弱切割丘陵土壤中Cd基準(zhǔn)值略偏低；中度切割低山土壤中僅Ni基準(zhǔn)值略偏低，Cu、Hg、Pb、Zn基準(zhǔn)值略偏高，Cd基準(zhǔn)值明顯偏高。

表3 地貌單元土壤重金屬元素基準(zhǔn)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical Results of Base Values for Soil Heavy Metal Elements of Landform Units

注：地貌單元括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示原樣本數(shù)。

從地貌單元土壤重金屬元素的變異系數(shù)(表3)來看，沖積-洪積平原、微切割-強(qiáng)剝蝕丘陵和中度切割低山土壤中絕大部分重金屬元素的變異系數(shù)相對較小(小于0.3)，分布均一。而剝蝕-海蝕平原、剝蝕平原、沖積-海積平原和微弱切割丘陵土壤中As、Cu的變異系數(shù)較大，反映了在地貌作用和內(nèi)生地球化學(xué)作用下這些元素的地球化學(xué)活性增強(qiáng)，遷移重分配而產(chǎn)生較大含量變化。

2.2 背景值特征

2.2.1 成土母質(zhì)單元

山東日照地區(qū)成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素背景值見表4。

表4 成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistical Results of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of Parent Material Units

注：地質(zhì)單元括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示原樣本數(shù)。

與調(diào)查區(qū)土壤背景值相比，第四紀(jì)山前組單元表層土壤中僅Zn背景值偏低，As、Cd、Cr、Cu、Ni等背景值略偏高，Hg背景值明顯偏高，最高的Hg背景值為調(diào)查區(qū)土壤背景值的1.5倍，Pb背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本接近；臨沂組單元表層土壤中Zn背景值略偏低，Hg背景值略偏高，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本接近(圖1)。

豐減度為重金屬元素背景值相對山東日照地區(qū)對應(yīng)重金屬元素背景值的相對大小圖1 成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素背景值豐減圖Fig.1 Differences of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of Parent Material Units

將殘坡積母質(zhì)與調(diào)查區(qū)土壤背景值進(jìn)行對比，結(jié)果表明：以中生代大盛群為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧d背景值略偏高，As、Cr、Cu、Ni等背景值明顯偏高；以中生代萊陽群為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠬g背景值略偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值較為接近；以中生代青山群為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠥s、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn等背景值略偏高，Cr、Ni背景值明顯偏高，其中最高的Ni背景值為調(diào)查區(qū)土壤背景值的1.45倍；以中生代王氏群為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧d、Cu背景值略偏高，As、Cr、Ni等背景值明顯偏高，其中最高的為Cr，是調(diào)查區(qū)土壤背景值的1.85倍，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致；以白堊紀(jì)嶗山序列為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧d、Cr、Cu、Ni背景值明顯偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本接近；以白堊紀(jì)偉德山序列為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧r、Ni背景值略偏低，Zn背景值略偏高，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值較為接近；以新元古代榮成序列為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧u背景值略偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值較為接近。以新元古代月季山序列為地質(zhì)單元?jiǎng)澐值谋韺油寥乐蠧u背景值略偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值較為接近。

從成土母質(zhì)單元土壤重金屬元素變異系數(shù)(表4)來看，不同地質(zhì)單元內(nèi)地球化學(xué)組分分布均一性較好。其中，臨沂組、偉德山序列、月季山序列、榮成序列和大盛群重金屬元素的變異系數(shù)均較小，不超過0.3，分布均一；萊陽群、青山群、王氏群和嶗山序列絕大部分重金屬元素的變異系數(shù)較小，但Ni、Hg、Cr等的變異系數(shù)超過0.3，具有局部富集的趨勢。

2.2.2 主要土壤類型單元

不同土壤類型由于成土母質(zhì)、土壤物理化學(xué)性質(zhì)對元素產(chǎn)生遷移轉(zhuǎn)化的影響，元素的含量和變異系數(shù)具有較大差異。區(qū)內(nèi)7個(gè)主要土壤類型單元重金屬元素背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5，其主要土壤類型單元重金屬元素背景值豐減情況見圖2。

圖2 主要土壤類型單元重金屬元素背景值豐減圖Fig.2 Differences of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of Main Soil Type Units

與調(diào)查區(qū)土壤背景值相比，白漿化棕壤中Zn背景值明顯偏低，Cd、Cr、Cu、Ni等背景值略偏低，其余元素背景值均接近調(diào)查區(qū)土壤背景值；潮土中Cu背景值略偏低，Hg背景值略偏高，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本接近；潮棕壤中Zn背景值略偏低，Hg背景值略偏高，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致；酸性粗骨土重金屬元素的背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致；中性粗骨土中As、Cr背景值略偏高，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致；棕壤性土重金屬元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本相似。

從主要土壤類型單元重金屬元素變異系數(shù)(表5)來看，主要土壤類型單元重金屬元素的變異系數(shù)均較小，這說明主要土壤類型單元重金屬元素空間分布均一。

表5 主要土壤類型單元重金屬元素背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Statistical Results of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of Main Soil Type Units

注：土壤類型括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示原樣本數(shù)。

2.2.3 縣級行政區(qū)單元

山東日照地區(qū)縣級行政區(qū)的土壤重金屬元素背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

與調(diào)查區(qū)土壤背景值相比(圖3)，東港區(qū)土壤中Cd、Cr、Cu、Ni背景值略偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本接近；嵐山區(qū)土壤中Cd、Cu背景值略偏低，其余元素背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致；莒縣As、Cu背景值略偏高，Cr、Ni背景值明顯偏高，分別為調(diào)查區(qū)土壤背景值的1.32倍和1.35倍；五蓮縣元素的背景值與調(diào)查區(qū)土壤背景值基本一致。

表6 縣級行政區(qū)單元土壤重金屬元素背景值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.6 Statistical Results of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of County Administrative Region Units

注：行政區(qū)名稱括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示原樣本數(shù)。

與山東A層土壤平均值相比，縣級行政區(qū)土壤背景值變化規(guī)律基本一致，As、Cr、Cu背景值均偏低，而Cd、Hg、Zn偏高。對8種土壤重金屬元素而言，As、Cr、Cu、Ni和Pb在4個(gè)縣級行政區(qū)的背景值均低于全國A層土壤平均值，僅莒縣的Cd、五蓮縣的Cd和Zn背景值明顯偏高，而東港區(qū)、嵐山區(qū)的Cd和Zn以及4個(gè)縣級行政區(qū)的Hg背景值接近或略偏高于全國A層土壤平均值。

3 環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法

3.1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量評價(jià)以表層土壤地球化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)，根據(jù)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素的實(shí)測資料，確定單因子環(huán)境質(zhì)量分級[9-11]。然后在單因子指數(shù)的基礎(chǔ)上，利用綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算綜合評價(jià)結(jié)果，確定各評價(jià)單元土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量級別及其應(yīng)用功能[12-14]。

以網(wǎng)格作為基本評價(jià)單元，將區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲得土壤中每4 km21組的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量數(shù)據(jù)以及土壤中每64 km21組的陽離子交換量(CEC)條件下對應(yīng)元素的土壤環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)相比較，根據(jù)下列計(jì)算公式判定各元素在每個(gè)測點(diǎn)上的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[15]。

式中：Zi為第i種元素環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Xi為實(shí)測數(shù)據(jù)；CⅠ為土壤一級臨界值上限；CⅡa為土壤pH≤6.5時(shí)二級臨界值上限；CⅡb為土壤6.57.5時(shí)二級臨界值上限；CⅢ為三級臨界值上限。

圖3 縣級行政區(qū)土壤重金屬元素背景值豐減圖Fig.3 Differences of Background Values for Soil Heavy Metal Elements of County Administrative Region Units

將環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Zi)劃分成4個(gè)級次(表7)，分別代表Ⅰ類土壤、Ⅱ類土壤、Ⅲ類土壤、劣Ⅲ類土壤；再以色塊圖或等值線圖等形式制作單因子環(huán)境質(zhì)量分級圖和綜合指標(biāo)環(huán)境質(zhì)量分級圖，統(tǒng)計(jì)各元素分屬各級環(huán)境質(zhì)量的面積及占調(diào)查區(qū)總面積比例。這種統(tǒng)計(jì)結(jié)果不僅反映各種污染物的平均污染水平，也反映污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害[16-17]。

表7 環(huán)境質(zhì)量評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Evaluation Classification Standards of Environmental Quality

3.2 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0和Excel2010軟件進(jìn)行，土壤重金屬元素環(huán)境質(zhì)量分級圖通過ArcGIS9.2軟件完成。

4 評價(jià)結(jié)果

4.1 土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)

4.1.1 單因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

土壤重金屬單因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果見表8。從表8可以看出，區(qū)域內(nèi)As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素Ⅰ類土壤的面積比例分別為100.00%、98.21%、94.14%、98.10%、99.90%、89.18%、96.61%和98.37%，說明區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量良好。單因子環(huán)境質(zhì)量平均達(dá)到Ⅰ類土壤的占96.81%，As符合Ⅰ類土壤標(biāo)準(zhǔn)范疇；符合Ⅱ類土壤標(biāo)準(zhǔn)范疇的有Cu、Pb、Zn，Ⅱ類土壤平均占3.17%；Cr、Cd、Hg、Ni出現(xiàn)Ⅲ類或劣Ⅲ類土壤，面積最大者為Cd，面積比例分別為0.030%、0.440%，Ⅲ類土壤僅占土壤總面積的0.020%，說明Ⅲ類土壤所占比例極少。綜上所述，區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)土壤單因子環(huán)境質(zhì)量達(dá)到Ⅰ類、Ⅱ類土壤，土壤環(huán)境質(zhì)量總體狀況良好。

表8 單因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果Tab.8 Evaluation Results of Single Factor Environmental Quality

注：調(diào)查總面積為5 307.11 km2，比例表示各元素分屬各級環(huán)境質(zhì)量的面積占調(diào)查區(qū)土壤總面積的百分比。

4.1.2 土壤環(huán)境功能類型分布

區(qū)域表層土壤中As含量在大部分地區(qū)普遍較低，調(diào)查區(qū)均屬Ⅰ類土壤，是唯一沒有出現(xiàn)Ⅱ類土壤的重金屬元素。

Cd的土壤環(huán)境功能類型以Ⅰ類土壤為主，Ⅰ類土壤面積為5 212.25 km2，占98.21%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為92.45 km2，占1.74%，零散分布在東莞鎮(zhèn)、墻夼水庫南、長嶺鎮(zhèn)、中樓鎮(zhèn)以及南湖鎮(zhèn)北，這些地區(qū)多分布有鐵礦點(diǎn)、金礦點(diǎn)或礦化點(diǎn)，推測Ⅱ類土壤主要與礦產(chǎn)伴生或開采污染有關(guān)；Ⅲ類和劣Ⅲ類土壤面積為24.85 km2，其中Ⅲ類土壤面積為1.74 km2，占0.03%，劣Ⅲ類土壤面積為23.11 km2，占0.44%，呈點(diǎn)源狀分布在日照城區(qū)，從分布位置及態(tài)勢來看，初步分析Ⅲ類和劣Ⅲ類土壤的形成與人類生活點(diǎn)源污染有關(guān)。

Cr的土壤環(huán)境功能類型以Ⅰ類土壤為主，面積為4 996.30 km2，占94.14%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為309.75 km2，占5.84%，主要分布在西部剝蝕平原區(qū)，如顫山鎮(zhèn)—東莞鎮(zhèn)、夏莊鎮(zhèn)北、果莊鄉(xiāng)西，另外在日照水庫南部也有零星分布；Ⅲ類土壤面積為0.86 km2，占0.016%，劣Ⅲ類土壤面積為0.198 km2，占0.004%，呈點(diǎn)源狀分布在嵐山區(qū)碑廓鎮(zhèn)北部鐵礦點(diǎn)周邊地帶，推測與鐵礦開采污染有關(guān)。

土壤中Cu含量較低，Cu的土壤環(huán)境功能類型以Ⅰ類土壤為主，面積為5 206.29 km2，占98.10%；Ⅱ類土壤次之，面積為100.82 km2，占1.90%，主要分布在墻夼水庫南部七寶山、柏松鄉(xiāng)北、店子集鎮(zhèn)周邊地區(qū)以及陳疃鎮(zhèn)北部;Ⅱ類土壤與Cd的Ⅱ類、Ⅲ類土壤分布在空間上吻合較好，推測與墻夼水庫南部七寶山金礦伴生銅或閃長巖體有關(guān)。

Hg的土壤環(huán)境功能類型以Ⅰ類土壤為主，面積為5 301.95 km2，占99.90%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為3.90 km2，占0.07%，呈點(diǎn)源狀分布在南湖鎮(zhèn)東部、后村鎮(zhèn)周邊以及濤雒鎮(zhèn)；Ⅲ類土壤面積為1.25 km2，占0.02%，僅分布在后村鎮(zhèn)周邊，Ⅲ類土壤的分布面積雖然不大，但很有可能指示出該地區(qū)的污染中心，初步分析Ⅲ類土壤的出現(xiàn)主要是人類生活活動(dòng)(如生活垃圾或小型污染企業(yè)點(diǎn)源污染)引起的。

Ni的Ⅰ類土壤面積為4 732.77 km2，占89.18%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為573.17 km2，占10.80%，是8種重金屬元素中Ⅱ類土壤分布面積最大的元素，主要分布在西部平原顫山鎮(zhèn)—東莞鎮(zhèn)、中部丘陵龍山鎮(zhèn)—石場鄉(xiāng)、日照水庫周邊以及嵐山區(qū)西部局部地段，與白堊紀(jì)王氏群有關(guān)；Ⅲ類土壤面積為1.17 km2，占0.02%，僅分布在碑廓鎮(zhèn)北部，與Cr的Ⅲ類土壤分布相吻合，推測與Cr有相同的污染來源，即與鐵礦開采污染有關(guān)。

土壤中Pb含量較低，土壤環(huán)境功能類型絕大多數(shù)以Ⅰ類土壤為主，面積為5 127.24 km2，占96.21%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為179.87 km2，占3.39%，主要分布在墻夼水庫南部七寶山金礦區(qū)、店子集鎮(zhèn)東部鐵礦和鉛鋅礦點(diǎn)區(qū)，推測與金、鐵礦產(chǎn)伴生鉛有關(guān)，另外有少量Ⅱ類土壤呈點(diǎn)源狀分布在長嶺鎮(zhèn)南部、南湖鎮(zhèn)北部，主要與人類活動(dòng)污染有關(guān)。

土壤中Zn含量較低，Ⅰ類土壤面積為5 220.39 km2，占98.37%，分布廣泛；Ⅱ類土壤面積為86.71 km2，占區(qū)域面積的1.63%，主要分布在墻夼水庫南部七寶山金礦區(qū)，與金礦開采污染有關(guān)，另外有少量呈點(diǎn)源狀分布在石場鄉(xiāng)以及日照水庫南部局部地帶，主要與人類生產(chǎn)生活活動(dòng)有關(guān)。

4.2 重金屬污染綜合評價(jià)

4.2.1 綜合評價(jià)

從表層土壤重金屬污染綜合評價(jià)結(jié)果(表9)可以看出：區(qū)域內(nèi)表層土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等重金屬元素含量達(dá)到Ⅰ類土壤，相當(dāng)于清潔—較清潔范疇,占調(diào)查區(qū)總面積的86.39%，這些區(qū)域土壤沒有重金屬污染顯示，說明土壤環(huán)境質(zhì)量良好；重金屬含量屬Ⅱ類土壤范疇的約占調(diào)查區(qū)總面積的13.55%，表明這些區(qū)域土壤環(huán)境已輕度污染；Ⅲ類土壤分布面積占調(diào)查區(qū)總面積的0.06%，屬于中度污染土壤，說明區(qū)域土壤中的重金屬元素積累已超過臨界值，有的可能已危及動(dòng)植物生長及人體健康[18]，但沒有出現(xiàn)嚴(yán)重污染的土壤。

表9 土壤重金屬元素污染綜合評價(jià)結(jié)果Tab.9 Comprehensive Evaluation Results of Soil Heavy Metal Element Pollution

注：占比表示對應(yīng)環(huán)境質(zhì)量面積占調(diào)查區(qū)總面積的百分比。

土壤中8種重金屬元素綜合污染現(xiàn)狀見圖4。區(qū)域內(nèi)中度污染土壤呈孤點(diǎn)狀分布在日照城區(qū)及后村鎮(zhèn)周邊，致污因子單一，前者治污因子為Cd，后者為 Hg，均與人類生活污染有關(guān)。中度污染土壤中Hg、Cd等重金屬元素積累已超過臨界值，可能會(huì)危及動(dòng)植物生長及人體健康，應(yīng)注意防止環(huán)境進(jìn)一步惡化[18]。

圖4 土壤重金屬元素污染綜合分區(qū)Fig.4 Comprehensive Zoning Map of Soil Heavy Metal Element Pollution

輕度污染土壤主要分布于顫山鎮(zhèn)—東莞鎮(zhèn)以及龍山鎮(zhèn)—店子鎮(zhèn)局部地段，另外在柏松鄉(xiāng)、戶部鄉(xiāng)以及日照水庫局部地段也有零星分布。輕度污染土壤的成因主要為成土母巖、母質(zhì)等自然背景，包括地層與巖性、構(gòu)造與礦化等，如中生代王氏群、青山群Cr、Cd等元素含量較高；其次為人為作用，包括礦山開采、城區(qū)生產(chǎn)與生活等，如七寶山金礦污染區(qū)，中南部鐵、鉛礦點(diǎn)或礦化點(diǎn)周邊，另外還有重金屬元素在表生作用下自身地球化學(xué)性質(zhì)的影響[18]。輕度污染土壤中重金屬元素已經(jīng)有所積累，但還不足以危害動(dòng)植物生長和人體健康，在現(xiàn)階段是安全的，建議該區(qū)要加強(qiáng)對各種污染源的管理，防止土壤重金屬元素進(jìn)一步積累[19-20]。

目前，調(diào)查區(qū)清潔土壤面積為1 199.62 km2，占22.60%，較清潔土壤面積為3 385.22 km2，占63.79%，較清潔土壤占主導(dǎo)地位。未受到重金屬元素污染的土壤集中分布于區(qū)域中部以及東南部廣大區(qū)域，是山東日照地區(qū)重要的土壤資源分布區(qū)。

4.2.2 單元素污染評價(jià)

從土壤單元素污染評價(jià)結(jié)果(表10)可以看出：區(qū)域內(nèi)主要富集Cd、Hg，其中Hg富集最強(qiáng)烈，其中度—重度富集區(qū)面積累計(jì)占61.45%；其次為Cd，中度—重度富集區(qū)面積占13.06%； Pb、Cr、Ni、Zn、As以未富集區(qū)為主，沒有出現(xiàn)中度—重度富集區(qū)，而Cu在調(diào)查區(qū)均未富集。

(1)Hg是危害植物生長的元素，植物體中的Hg主要來源于土壤，土壤中Hg過高，不但能在植物體內(nèi)累積，還會(huì)對植物產(chǎn)生毒害，特別是經(jīng)過生態(tài)食物鏈的逐級濃集，對人體構(gòu)成嚴(yán)重?fù)p害。研究表明，土壤中Hg含量與鼻咽癌和乳腺癌死亡率成顯著的正相關(guān)關(guān)系。Hg是調(diào)查區(qū)主要的富集元素之一，以富集區(qū)為主，面積累計(jì)占88.24%。中度富集區(qū)分布最廣，主要分布在西部平原、東部市界以及三莊鎮(zhèn)—濤雒鎮(zhèn)一帶；重度富集區(qū)主要分布在果莊鄉(xiāng)南部、街頭鎮(zhèn)、山河鎮(zhèn)、日照城區(qū)以及后村鎮(zhèn)—街頭鎮(zhèn)一帶；弱富集區(qū)呈條帶狀分布在五蓮縣境內(nèi)、中樓鎮(zhèn)—碑廓鎮(zhèn)以及莒縣長嶺鎮(zhèn)周邊；未富集區(qū)分布在五蓮縣境內(nèi)以及墻夼水庫西部。

表10 單元素污染評價(jià)結(jié)果Tab.10 Evaluation Results of Single Element Pollution

注：比例表示各元素分屬各富集區(qū)的面積占調(diào)查區(qū)總面積的百分比。

從調(diào)查區(qū)西部Hg富集區(qū)呈沿沭河分布的特點(diǎn)來看，其與河流關(guān)系相當(dāng)密切，說明沭河是攜帶Hg的主要介質(zhì)。沭河將上游的Hg以機(jī)械顆粒物、懸浮物及溶質(zhì)離子等形式帶入，當(dāng)沉積條件適宜時(shí)，Hg沉淀在河道和湖積物中，便形成現(xiàn)在河道兩側(cè)大面積Hg富集土壤。另外，礦產(chǎn)開采及農(nóng)業(yè)上大量使用含Hg農(nóng)藥也是引起Hg在土壤表層富集的主要原因。為防止Hg在土壤中富集進(jìn)一步擴(kuò)大和加重，主要措施就是控制產(chǎn)生汞工業(yè)的排污量。在Hg富集區(qū)，為減少作物對Hg的吸收，可在土壤中加入適當(dāng)?shù)幕衔?如磷肥、氮肥等)，以促使Hg轉(zhuǎn)化為對人體健康無害的固定態(tài)。

(2)Cd是典型的稀有分散元素，具有親銅親硫性，常產(chǎn)于閃鋅礦及金礦中，又是親石元素，因而也見于鈣、錳氧化礦物中。Cd是一種有毒元素，對動(dòng)植物均有毒害作用。Cd對人類的危害報(bào)道較多，骨痛病就是由慢性鎘中毒引起的，鎘中毒可使血壓升高以及動(dòng)脈粥狀硬化，引起肺癌、腎癌、前列腺癌等。土壤中Cd中度富集區(qū)主要分布在沭河兩側(cè)的莒縣—夏莊鎮(zhèn)一帶，東莞鎮(zhèn)周邊、山河鎮(zhèn)、日照城區(qū)以及碑廓鎮(zhèn)；重度富集區(qū)呈點(diǎn)源狀分布在日照城區(qū)西部小型磷礦開采區(qū)，與磷礦開采污染有關(guān)，屬于局部生態(tài)環(huán)境問題；弱富集區(qū)分布在沭河?xùn)|部以及東南沿海一帶；未富集區(qū)大面積分布在區(qū)域中南部。

Cd富集分布態(tài)勢主要與地質(zhì)背景有關(guān)，富集區(qū)主要分布在中生代王氏群砂礫巖與沿海第四紀(jì)山前組砂質(zhì)黏土區(qū)，這兩個(gè)地質(zhì)區(qū)Cd含量均高于調(diào)查區(qū)背景值；其次與農(nóng)田污水灌溉及農(nóng)藥化肥使用有關(guān)，減少農(nóng)藥化肥的過量使用是防止表層土壤Cd富集加重的有效措施。土壤中pH值是影響植物吸收Cd的因素，當(dāng)土壤條件不變時(shí)，植物組織中Cd含量隨著土壤中pH值的增高而降低。因此，防止土壤酸化，減小Cd的活性，是防止Cd對人體健康產(chǎn)生危害的有效途徑。

4.2.3 綜合指標(biāo)評價(jià)

區(qū)域土壤重金屬元素綜合指標(biāo)評價(jià)結(jié)果見表11。從表11可以看出：區(qū)域土壤以中度富集為主，中度富集區(qū)面積占53.27%；重度富集區(qū)占2.60%；弱富集區(qū)占38.63%；而未富集區(qū)僅占5.50%。這說明區(qū)域內(nèi)表層土壤中污染物已經(jīng)明顯積累，雖可能還未達(dá)到有害程度，但應(yīng)引起重視。

表11 綜合指標(biāo)評價(jià)結(jié)果Tab.11 Evaluation Results of Comprehensive Index

圖5 土壤重金屬元素綜合富集程度分區(qū)Fig.5 Zoning Map of Comprehensive Enrichment Degree of Soil Heavy Metal Elements

根據(jù)土壤重金屬元素綜合富集程度分區(qū)(圖5)，可分為3種不同成因類型的富集帶。第一個(gè)富集帶主要分布在果莊鄉(xiāng)—莒縣—夏莊鎮(zhèn)，由Hg、Cd等組成，局部富集系數(shù)為15～20，該帶表層、深層土壤重金屬元素分布分配特征差異明顯，其富集因素可能主要與沭河攜帶上游的重金屬元素在河道、湖積物中沉積有關(guān)。第二個(gè)富集帶主要分布在人口密集的城鎮(zhèn)地帶或污水灌溉地帶，以Hg、Cd等為主，多為中度富集，局部達(dá)重度富集，其重金屬元素的富集強(qiáng)度明顯弱于第一個(gè)富集帶，該富集帶在后村鎮(zhèn)、街頭鎮(zhèn)等形成了清晰的Hg、Cd等濃集中心，其富集的形成主要與工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)。工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致局部表層土壤環(huán)境出現(xiàn)重金屬元素富集：一方面可能因?yàn)楣I(yè)活動(dòng)本身就牽涉到一些重金屬元素的排放；另一方面與工業(yè)燃煤有很大關(guān)系。農(nóng)業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬元素富集主要與施肥和污水灌溉直接污染土壤有關(guān)。第三個(gè)富集帶出現(xiàn)在礦集區(qū)，如墻夼水庫南部七寶山金礦、街頭鎮(zhèn)西北礦區(qū)(磷礦、鐵礦、鉛鋅礦)，富集元素為Hg、Cd、Pb、Zn等，多與成礦作用產(chǎn)生的伴生重金屬元素在表層土壤富集或礦山開采污染有關(guān)[21]。

5 結(jié) 語

(1)山東日照地區(qū)表層土壤重金屬單因子環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果顯示區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量總體狀況良好，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素Ⅰ類土壤的面積比例分別為100.00%、98.21%、 94.14%、98.10%、99.90%、89.18%、96.61%和98.37%，說明區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量良好。土壤單因子環(huán)境質(zhì)量平均達(dá)到Ⅰ類土壤，占土壤總面積的96.81%；Cu、Pb、Zn符合Ⅱ類土壤，占3.17%；Ⅲ類土壤僅占0.02%，說明Ⅲ類土壤占比極少。

(2)山東日照地區(qū)表層土壤重金屬元素污染綜合評價(jià)結(jié)果表明：反映表層土壤環(huán)境質(zhì)量的As、Cu、Ni、Cd、Hg、Pb、As、Cr等8種重金屬元素含量屬于Ⅰ類土壤(清潔—較清潔)的占土壤總面積的86.39%，屬于Ⅱ類土壤(輕度污染)的占13.55%，屬于Ⅲ類土壤(中度污染)的占0.06%。這說明山東日照地區(qū)表層土壤重金屬元素綜合污染很少，土壤環(huán)境質(zhì)量總體狀況良好。

(3)山東日照地區(qū)土壤重金屬元素綜合指標(biāo)評價(jià)結(jié)果可知：區(qū)域土壤以中度富集為主，中度富集區(qū)面積占區(qū)域總面積的53.27%；重度富集區(qū)占2.60%；弱富集區(qū)占38.63%；而未富集區(qū)僅占5.50%。這說明區(qū)域內(nèi)表層土壤中污染物已有積累趨勢，雖還未達(dá)到有害程度，但應(yīng)引起重視。

(4)山東日照地區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)良好，但存在極少量的土壤重金屬元素污染，主要污染元素是Cd、Hg，污染源主要為礦山開發(fā)活動(dòng)和工業(yè)“三廢”排放。因此，在貫徹“預(yù)防為主”原則基礎(chǔ)上有必要提出土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量的預(yù)防措施和治理對策。