寧夏中部干旱帶土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

楊亞芳，何杰

(寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，寧夏 銀川 750001)

土壤作為非再生資源，是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，土壤質(zhì)量也一直是影響我國生態(tài)安全、關(guān)乎國家持續(xù)、健康發(fā)展的重大問題[2-3]。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及不合理的人類活動(dòng)，使得區(qū)域土壤重金屬污染問題突出[4]，土壤重金屬污染主要是由于重金屬不能為土壤微生物所分解，而易于積累，轉(zhuǎn)化為毒性更大的化合物，甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內(nèi)蓄積，嚴(yán)重危害人體健康[5-6]。因此，從多種角度出發(fā)分析區(qū)域土壤重金屬污染問題成為專家學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，具有重要的研究意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的研究逐漸增多，隨著GIS技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[7-9]，評(píng)價(jià)方法不斷地完善和發(fā)展，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究在模型及指標(biāo)選取上愈加成熟。例如任曉輝[10]采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)張掖市甘州區(qū)北部土壤重金屬污染的特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；孟源思[11]對(duì)比基于GIS技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)模型及灰色聚類模型等評(píng)價(jià)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了農(nóng)田土壤重金屬污染；秦夕淳[12]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)方法和模型優(yōu)化，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了土壤重金屬預(yù)測模型。通過對(duì)相關(guān)研究梳理可得，土壤重金屬污染在區(qū)域范圍、評(píng)估方法模型等方面的研究逐漸深入，單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是目前最常用的評(píng)價(jià)方法，因此本文采用以上方法對(duì)寧夏中部干旱帶進(jìn)行研究。

寧夏干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺(tái)地東部，生態(tài)脆弱性明顯，其中土壤質(zhì)量對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用，土壤中重金屬含量及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成為了研究的重點(diǎn)。本文采用ArcGIS中的反距離權(quán)重插值法分析土壤重金屬分布特征，并利用單因子污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行研究，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏中部干旱帶地處寧夏回族自治區(qū)中部，地理坐標(biāo)為104°17′～107°39′E，36°54′～38°23′N，總面積2.85萬平方公里。該區(qū)域地處引黃灌溉區(qū)以南，地形復(fù)雜，氣候多變，屬于典型的荒漠草原帶，年均降水量在200～400 mm，水資源匱乏，全年干旱少雨，風(fēng)沙較大，日照充足且蒸發(fā)強(qiáng)烈，自然災(zāi)害頻繁，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[13-14]。中部干旱帶涉及11個(gè)縣區(qū)，本文選取全部屬于寧夏中部干旱帶的縣域作為重點(diǎn)研究區(qū)，包括海原縣、吳忠市的利通區(qū)、紅寺堡區(qū)、鹽池縣、同心縣5個(gè)縣區(qū)。

1.2 樣品采集與處理

綜合考慮區(qū)域的氣候條件、土壤質(zhì)地、地質(zhì)地貌及土地利用類型等因素，在5個(gè)縣域內(nèi)選取40個(gè)深度為0～20 cm的采樣點(diǎn)，并用GPS精確測定地理經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程值。采集土樣后迅速放入樣品袋并進(jìn)行密封，編號(hào)備注后帶回實(shí)驗(yàn)室待測。

將樣品袋中的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干后過2 mm篩去除其中的石子、植物殘?jiān)入s質(zhì)，使用木棍進(jìn)行研磨，再過0.15 mm篩進(jìn)行備用，將土壤樣品用強(qiáng)酸進(jìn)行消煮，采用火焰原子吸收光分光廣度法測定土壤中的重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Mn及Ni的含量[15]。

所得數(shù)據(jù)使用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用ArcGIS 10.2中的反距離權(quán)重插值方法分析重金屬的分布特征。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是用于研究土壤中重金屬污染程度的一種定量指標(biāo)[16]，計(jì)算公式為：

(1)

式中，Pi為土壤中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為采樣土壤中污染物i的實(shí)測濃度值；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值或參考值，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用寧夏土壤元素背景值。參照我國GB/T15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，制定土壤污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

由瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，可結(jié)合重金屬性質(zhì)及環(huán)境特點(diǎn)等多種因素對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[17]。計(jì)算公式為：

(2)

式中，RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Ei為采樣點(diǎn)重金屬i的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ci為重金屬i的污染系數(shù)，fi為采樣點(diǎn)土壤重金屬i的實(shí)測濃度平均值；bi為重金屬i的參比值；Ti為重金屬i的毒性相應(yīng)系數(shù)，重金屬毒性系數(shù)分別為：Zn=Mn=1、Cr=2、Cu=Pb=Ni=5[18]。風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤重金屬污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)寧夏中部干旱帶區(qū)域土壤樣品中的重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：重金屬Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、Ni的平均含量分別為11.23 mg·kg-1、103.98 mg·kg-1、36.46 mg·kg-1、51.52 mg·kg-1、526.38 mg·kg-1、0.32 mg·kg-1，Cu、Cr、Ni均未超出寧夏土壤背景值，Zn、Pb、Mn高于寧夏土壤背景值(表2)。

變異系數(shù)反映了采樣點(diǎn)重金屬元素的平均變異程度，變異系數(shù)值越大，表明該重金屬污染物受人類活動(dòng)干擾越大[19]。由表2可得出土壤重金屬變異程度為：Pb>Zn>Ni>Cu>Cr>Mn，其中Pb、Zn的變異系數(shù)為59.72%、55.51%，超過55%，表明該兩種重金屬受人為影響較大，空間分布不均。

表2 研究區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì) mg·kg-1

2.2 土壤重金屬空間分布特征

為了更直觀的分析寧夏中部干旱帶土壤重金屬空間分布特征，采用反距離權(quán)重插值方法對(duì)重金屬含量進(jìn)行插值(圖1)(審圖號(hào)：寧S[2021]第028號(hào))。

圖1 研究區(qū)土壤重金屬含量空間分布圖

通過土壤重金屬含量插值圖分析可看出，研究區(qū)域在空間分布結(jié)構(gòu)上特征明顯，呈斑塊狀分布，差異性顯著。其中Cu的空間分布范圍為4.00 mg·kg-1～20.8 mg·kg-1，北部及西南部值較高，紅寺堡西南區(qū)域值較低；Zn的分布范圍為27.8 mg·kg-1～237 mg·kg-1，西北、西南值較高；Pb的空間分布范圍為4.39 mg·kg-1～73.0 mg·kg-1，紅寺堡中部、海原縣西部及鹽池縣政府區(qū)域均出現(xiàn)高值中心，含量不規(guī)則分布；Cr和Mn的污染分布情況較為一致，含量較低的為紅寺堡區(qū)；Ni重金屬的總體值均較低，含量范圍為0.06 mg·kg-1～0.644 mg·kg-1，中間低四周高。綜合來看，土壤各重金屬均在中部紅寺堡等區(qū)域含量較低，南部海原縣及西北部利通區(qū)含量較高。

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以寧夏土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算單因子污染指數(shù)并進(jìn)行污染等級(jí)分析及評(píng)價(jià)(表3)。研究區(qū)重金屬單因子污染指數(shù)的平均值由大到小為：Pb(1.77)=Zn(1.77)>Mn(1.25)>Cr(0.86)>Cu(0.51)>Ni(0.01)，其中Ni的清潔程度達(dá)100%，均小于0.7；Zn、Pb及Mn的輕度污染所占比重均較大，分別為47.37%、31.58%、76.3%；Cu的清潔等級(jí)占總數(shù)百分比的78.94%，尚清潔達(dá)15.79%，輕度污染均在利通區(qū)范圍內(nèi)，占總百分比的5.26%；Cr尚清潔等級(jí)比重較大，占總數(shù)百分比的39.47%，中度污染占31.58%，清潔等級(jí)占到28.95%。

表3 土壤重金屬污染單因子指數(shù)及污染等級(jí)

從整體看來，研究區(qū)土壤重金屬污染處于輕度污染，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)與發(fā)展有一定的阻礙。

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果如表4所示。

表4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知，6種重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)從大到小依次為：Pb(43.39)>Cu(11.95)>Zn(8.52)>Cr(8.43)>Mn(6.05)>Ni(0.36)，對(duì)照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，研究區(qū)Cu、Zn、Cr、Mn及Ni的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度均處于輕微級(jí)別，Pb處于中風(fēng)險(xiǎn)。綜合計(jì)算寧夏中部干旱帶6種重金屬的RI值為78.70，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為輕微等級(jí)，其中Pb是主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子，對(duì)土壤污染造成的影響最大這與重金屬元素的毒性相關(guān)系數(shù)有很大關(guān)聯(lián)，當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源開發(fā)、工業(yè)企業(yè)及人類活動(dòng)也有重要影響。

3 討論

通過結(jié)果分析可看出，土壤重金屬空間分布與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小并沒有相關(guān)關(guān)系，重金屬含量高的區(qū)域其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度并不一定最高。通過單因子污染指數(shù)方法計(jì)算得到Pb及Zn的污染程度較高，屬于輕度污染，通過計(jì)算重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)得到Pb屬于中風(fēng)險(xiǎn)，其余重金屬元素屬于輕微污染，兩種計(jì)算方法得到土壤重金屬污染等級(jí)有著差異，并不能通過單一方法來判定重金屬污染程度，每種方法的側(cè)重點(diǎn)不同，例如單因子污染指數(shù)法側(cè)重單項(xiàng)重金屬元素的污染分析，而潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)法考慮到綜合因素的影響，增加了重金屬毒性相應(yīng)系數(shù)的計(jì)算，側(cè)重于重金屬元素的綜合污染分析。因此，研究區(qū)域重金屬污染程度時(shí)應(yīng)采用多種不同方法，通過對(duì)比分析，得出準(zhǔn)確有效的結(jié)構(gòu)。

研究結(jié)構(gòu)表明寧夏中部干旱帶土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)中Pb的貢獻(xiàn)率高達(dá)55.13%，含量出現(xiàn)大面積富集，土壤中Pb含量主要來源于礦產(chǎn)資源開采、工業(yè)生產(chǎn)及交通污染等，受人為活動(dòng)影響較大，含量過高會(huì)造成幼苗萎縮、生長緩慢、產(chǎn)量下降甚至絕收，并且在作物的食用部位積累殘毒，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及人體健康都形成一定的阻礙。因此，該研究區(qū)域要重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題，進(jìn)一步分析重金屬污染的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，在已有研究基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的研究，為當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量整治及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供借鑒與參考作用。

4 結(jié)論

(1)寧夏中部干旱帶土壤中6種重金屬含量從大到小為：重金屬M(fèi)n>Zn>Cr>Pb>Cu>Ni，其中Zn、Pb、Mn的含量均高于寧夏土壤背景值，分別是背景值的1.77、1.67、1.25倍，表明研究區(qū)域土壤受到人類活動(dòng)及經(jīng)濟(jì)行為的影響。

(2)反距離權(quán)重插值法分析表明，研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬含量空間分布呈斑塊狀，差異性明顯，各重金屬均在中部紅寺堡等區(qū)域含量較低，南部海原縣及西北部利通區(qū)含量較高。

(3)單因子污染指數(shù)結(jié)果表明，研究區(qū)土壤重金屬污染處于輕度污染，在利通區(qū)輕度污染比重較大，單因子污染指數(shù)的平均值由大到小為：Pb=Zn>Mn>Cr>Cu>Ni，其中Cu及Ni屬于清潔水平，Cr屬于尚清潔水平，Zn、Pb及Mn均屬于輕度污染水平。

(4)研究區(qū)域重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei從大到小依次為：Pb>Cu>Zn>Cr>Mn>Ni，除Pb生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為中等外，其他重金屬元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度均為輕微級(jí)別，處于低風(fēng)險(xiǎn)；寧夏中部干旱帶潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)RI為78.70，其中Pb占55.13%，處于輕微風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

從整體來看，寧夏中部干旱帶土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，但Pb污染所占比重較大，且集中于工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的縣域，與人為活動(dòng)有密切關(guān)系，因此需進(jìn)一步研究重金屬污染驅(qū)動(dòng)力，從而為土壤保護(hù)的決策提供科學(xué)準(zhǔn)確的參考依據(jù)。