土壤重金屬地球化學(xué)特征及環(huán)境評(píng)價(jià)
——以張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)為例

李 航, 譚科艷, 張隆隆, 袁 欣, 朱曉華, 王 玉, 蔡敬怡

中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037

土壤是自然生態(tài)系統(tǒng)最基本的環(huán)境要素, 是萬物生命的搖籃, 是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。長期以來, 由于人口的快速增長以及社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中對(duì)自然資源環(huán)境的不合理利用使土壤遭受到不同程度的重金屬污染(陳同斌等, 2005; 劉申等,2010; 陳濤等, 2012; 孟敏等, 2018)。土壤作為物質(zhì)循環(huán)和能量交換的中心環(huán)節(jié), 是多種生命活動(dòng)中的重要媒介(陳衛(wèi)平等, 2018), 由于重金屬自身累積性及不可逆性等特征, 重金屬進(jìn)入土壤后便會(huì)長期積累。這不僅使得土壤肥力下降, 影響作物產(chǎn)量, 還能進(jìn)一步通過降水等途徑進(jìn)入地表水系統(tǒng), 最終對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成威脅(Yang et al.,2018; Mao et al., 2019)。

張家口市張北縣位于河北省西北部, 是北京市主要的水資源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障之一, 是我國首都圈的生態(tài)功能核心區(qū)(和繼軍等, 2009; 徐超璇等,2020)。特別是隨著京津冀的一體化發(fā)展, 該地區(qū)更擔(dān)負(fù)著保護(hù)京津地區(qū)生態(tài)安全的重要任務(wù), 更為重要的是張家口市奧運(yùn)會(huì)的成功舉辦使得該區(qū)迎來了史上前所未有的發(fā)展契機(jī), 但同時(shí)也對(duì)該區(qū)的生態(tài)保護(hù)工作提出了更高的要求。本研究以河北省張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)地區(qū)表層中土壤中的重金屬元素為研究對(duì)象, 對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況以及潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià), 揭示土壤重金屬地球化學(xué)分布特征, 以期為該區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作提供地質(zhì)依據(jù)與決策建議。

1 研究區(qū)概況

張北縣位于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū), 為壩上第一縣。地處北緯 40°57′—41°34′、東經(jīng) 114°10′—115°27′, 面積 4185 km2, 平均海拔 1400～1600 m,屬于大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及表層土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of the study area and distribution of surface soil sampling points

張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)土地利用方式主要為耕地、草地、林地、建設(shè)用地以及未利用土地。區(qū)內(nèi)大面積被第四系和第三系覆蓋, 出露地層主要是白堊系張家口組郭家屯超單元, 巖性為正長閃長巖和二長花崗巖等(圖2)。

圖2 研究區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.2 Regional geological map of the study area

區(qū)內(nèi)地形特征是東南高、西北低, 以沖洪湖積的坡平地和剝蝕堆積的緩斜地為主, 北部地勢(shì)較為開闊平坦, 中部為灘於地、崗梁、湖淖相間分布平原地帶, 南部壩緣為壟狀丘嶺。研究區(qū)全年日照時(shí)間長, 晝夜溫差大, 無霜期短; 土地貧瘠, 多為栗鈣土、草甸土, 土壤凍結(jié)期較長, 土地退化情況嚴(yán)重; 山坡地主要分布礫質(zhì)栗鈣土, 坡下為沙質(zhì)栗鈣土, 灘於地主要為輕度-重度鹽化栗鈣土; 水資源匱乏, 發(fā)育季節(jié)性河流。張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)自然植被屬于草原類型, 由于氣候和地貌的綜合作用, 形成了脆弱的耕地-草地-林地生態(tài)系統(tǒng)(李婧欣, 2009)。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與分析

本研究參照DD 2019-09《生態(tài)地質(zhì)調(diào)查技術(shù)要求(1:50000)(試行)》、DZ/T 0258-2014《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1:250000)》、《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》技術(shù)要求, 結(jié)合研究區(qū)土地利用類型,均勻采集表層土壤樣品并分析。樣品布設(shè)原則以土地利用類型圖斑為基礎(chǔ), 1 km2為一個(gè)采樣單元, 每個(gè)采樣單元原則上布設(shè)一個(gè)點(diǎn)位, 并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆畔』蚣用? 樣品采樣深度 0～20 cm,每個(gè)樣品重大于500 g, 共采集樣品136件。樣品在采集過程中, 使用不銹鋼鐵鍬取樣并用竹片去除與金屬采樣器接觸部分的土壤; 樣品采集后, 及時(shí)裝入寫有編號(hào)的干凈布樣袋并套上專用聚乙烯塑料袋,以免樣品間相互污染。

土壤樣品在風(fēng)干敲碎后用尼龍篩篩取 10目部分, 送往中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心和河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)試, 分析質(zhì)量及監(jiān)控按照對(duì)應(yīng)樣品規(guī)范要求執(zhí)行。主要使用電感耦合等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)、X射線熒光光譜法(XRF)、電感耦合等離子光譜法(ICP-OES)等分析測(cè)試方法。測(cè)試指標(biāo)包括: Cd、Pb、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni、Mn等(表1)。測(cè)試過程中嚴(yán)格按照中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心和河北地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范, 通過內(nèi)部控制、密碼抽樣、外部控制等手段, 對(duì)樣品的測(cè)試工作進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。內(nèi)部控制(包括準(zhǔn)確度控制和精密度控制)采用國家一級(jí)物質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制,按所送樣品總數(shù)隨機(jī)抽取 5%的樣品進(jìn)行密碼編號(hào),進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)和異常點(diǎn)檢查; 外部控制主要采用中國地質(zhì)調(diào)查局下發(fā)的外部控制樣進(jìn)行外部質(zhì)量控制, 以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。整個(gè)測(cè)試過程中實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格按照質(zhì)量體系運(yùn)行, 各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求, 測(cè)試質(zhì)量精準(zhǔn)可靠。

表1 表層土壤元素分析方法及檢出限Table 1 Analysis methods and detection limits of surface soil elements

2.2 研究方法

多元分析與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合是判別土壤重金屬來源和空間分布的有效方法。利用相關(guān)分析、主成分分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià), 可以判斷土壤重金屬的可能來源(Lv et al., 2015; Chai et al., 2015;Liu et al., 2016)。利用Excel等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)表層土壤樣品實(shí)測(cè)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行一般描述性統(tǒng)計(jì)分析, 其中包括最大值、最小值、平均值、中值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)(Cv)等; 同時(shí)進(jìn)一步對(duì)重金屬元素進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析, 以識(shí)別土壤中重金屬的主要來源; 利用ArcGIS10.2軟件地統(tǒng)計(jì)分析中的反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行空間插值制圖(付傳城等,2014; 馬宏宏等, 2018; 謝龍濤等, 2020), 并結(jié)合地累積指數(shù)法說明重金屬元素的分布特征及污染程度。2018年6月28日生態(tài)環(huán)境部辦公廳印發(fā)了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn), 依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn), 利用土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)等級(jí)劃分方法對(duì)研究區(qū)表層土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià), 并用潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)法進(jìn)一步對(duì)研究區(qū)重金屬的生態(tài)危害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)(Liu et al., 2019)。

地累積指數(shù)(Igeo)也稱Muller指數(shù), 是廣泛用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染污染程度的重要指標(biāo)(彭景等,2007; 趙慶令等, 2015)。其計(jì)算公式為:

其中,Cn是重金屬元素在土壤樣品中的實(shí)測(cè)含量值;Bn以深部土壤元素平均含量為參比值;k一般取值 1.5, 是用來表征自然成巖作用可能引起的背景值變動(dòng)的影響。根據(jù)地累積指數(shù)Igeo將重金屬污染評(píng)價(jià)分為 7個(gè)等級(jí)(F?rstner and Müller, 1981)(表 2)。

表2 地累積指數(shù)與污染程度分級(jí)Table 2 The geo-accumulation index and classification of pollution degree

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1 土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)評(píng)價(jià), 其中因 Ni、Cu、Zn在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有風(fēng)險(xiǎn)管制值, 故采用其風(fēng)險(xiǎn)篩選值(表3)。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》將土壤劃分為三個(gè)土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí): 一等為低風(fēng)險(xiǎn), 土壤風(fēng)險(xiǎn)非常低(土壤重金屬總量值≤篩選值); 二等為中風(fēng)險(xiǎn), 土壤有一定風(fēng)險(xiǎn)(篩選值＜重金屬總量值≤管制值); 三等為高風(fēng)險(xiǎn),土壤風(fēng)險(xiǎn)較高(重金屬總量值＞管制值)(表4)。

表3 農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)值Table 3 Risk values of heavy metal for soil contamination of agricultural land

表4 土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)劃分方法Table 4 Classification method for soil environment quality

2.3.2 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

瑞典著名地球化學(xué)家Hakanson(Hakanson, 1980)于1980年提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法(The Potential Ecological Risk Index)(RI), 該方法不僅考慮了重金屬的含量, 同時(shí)還把重金屬環(huán)境行為與生理毒理效應(yīng)結(jié)合起來, 綜合考慮了不同重金屬不同的生物毒性, 是定量評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度的重要手段之一(Li et al., 2018; 周亞龍等, 2019)。其計(jì)算公式為:

其中,Ci是重金屬元素在土壤樣品中的實(shí)測(cè)含量;Cin以深部土壤元素背景值為參比值;Cir為該重金屬元素的污染系數(shù);Tif為該金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)(Mn=Zn=1＜Cr=2＜Cu=Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40)(徐爭(zhēng)啟等, 2008),Eir為該重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù); 多種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)之和為綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI。潛在生態(tài)危害系數(shù)Eir和綜合危害指數(shù)RI與污染程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表5)。

表5 潛在生態(tài)危害系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Classification standard of Potential ecological hazard coefficient with Eir & RI

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤重金屬元素含量特征

對(duì)研究區(qū)136個(gè)表層土壤樣品pH進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果顯示研究區(qū)表層土壤的平均pH值為8.30,這表明研究區(qū)表層土壤總體為偏堿性。這可能與研究區(qū)地形以及氣候等因素導(dǎo)致易溶性鹽類在地面作水平方向與垂直方向運(yùn)動(dòng), 從而使鹽分在土壤表層中逐漸富集有關(guān)(Nachshon, 2018)。

研究區(qū)136件表層土壤樣品重金屬元素基本統(tǒng)計(jì)量以及元素背景值見表 6。從表 6可以看出, 表土中 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 和 Mn 的平均含量分別為 6.83 mg·kg-1、0.09 mg·kg-1、30.53 mg·kg-1、11.56 mg·kg-1、19.06 μg·kg-1、13.82 mg·kg-1、19.62 mg·kg-1、35.47 mg·kg-1、386.21 mg·kg-1。以受人類活動(dòng)影響較小的淺鉆ZK02的深部土壤元素含量的平均值作為深部土壤元素背景值, 表層土壤元素含量平均值與深部土壤元素背景值的比值為表層土壤元素富集系數(shù), 其中,表層土壤Hg的元素富集系數(shù)最高, 為2.57; As、Pb的富集系數(shù)較高, 分別為 1.14、1.11; Cd、Zn表層土壤平均含量與深部土壤元素背景值差別不大;Cr、Cu、Ni、和 Mn的富集系數(shù)較小, 其表層土壤平均含量低于深部土壤元素背景值。Hg元素出現(xiàn)了異常值, 表明重金屬 Hg可能受到了人類活動(dòng)的嚴(yán)重干擾。

表6 表層土壤重金屬含量特征Table 6 Content characteristic of heavy metals in surface soil

變異系數(shù)可以表征重金屬元素在空間上的離散以及變異程度(趙秀芳等, 2020)。變異系數(shù)越大可能越受人類活動(dòng)的影響越大。重金屬 Hg的變異系數(shù)大于 50%, 反映了局部人類活動(dòng)對(duì)土壤元素的影響較大, 重金屬 Ni、Zn、Cu、Cd的變異系數(shù)在30%～50%之間, 反映了土壤自然背景和人類活動(dòng)對(duì)土壤元素的疊加影響。9種重金屬的變異系數(shù)由高到低分別為 Hg、Cu、Ni、Cr、Zn、Cd、Mn、As、Pb, 其中Hg的變異系數(shù)最高, 為52.94%, 其次Cu為43.17%, 而Pb的變異系數(shù)最低, 為14.88%。

3.2 土壤重金屬元素分布特征

3.2.1 表層土壤元素含量分布特征

為進(jìn)一步探究研究區(qū)表層土壤重金屬元素含量的空間分布特征, 應(yīng)用Arcgis 10.2軟件進(jìn)行IDW空間插值分析, 得到研究區(qū)表層土壤重金屬元素分布圖(圖 3)。

圖3 表層土壤重金屬元素含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of heavy metals in surface soil

從圖中可以看出, 研究區(qū)表層土壤Pb、Cd、As、Cr等9種重金屬元素的空間分布存在較大差異。Pb在東南部山區(qū)、黃蓋淖等水體周邊呈現(xiàn)顯著富集特征, 高值區(qū)在東南部呈點(diǎn)狀分布, 在其他地區(qū)呈面狀分布。Hg在二臺(tái)鎮(zhèn)周邊出現(xiàn)明顯富集, 其他地區(qū)呈面狀分布, 整體上呈現(xiàn)西北高、東南低的趨勢(shì),在二臺(tái)鎮(zhèn)東南部絕大部分地區(qū) Hg含量達(dá)到最低。As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn、Mn的空間分布類似, 主要表現(xiàn)在西北地區(qū)黃蓋淖等水體周圍出現(xiàn)明顯富集,表現(xiàn)為西北高、東南低的整體趨勢(shì); 此外在東南部花崗巖區(qū)也出現(xiàn)明顯局部富集?？傮w來看, As、Cd等元素高值區(qū)主要在西北和東南局部地區(qū)呈點(diǎn)狀分布, 其他地區(qū)呈面狀分布。

3.2.2 土壤垂向元素含量分布特征

在研究區(qū)二臺(tái)鎮(zhèn)波羅素村布設(shè)淺鉆 1個(gè), 編號(hào)為ZK02, 孔深37 m。淺鉆整體以粉砂質(zhì)-黏質(zhì)黏土為主, 在35 m處可見風(fēng)化基巖(圖4)。

圖4 淺鉆ZK02各類元素剖面變化曲線Fig.4 Profile changes of various elements of the shallow drill ZK02

由圖可見, 不同重金屬元素呈現(xiàn)出不同的垂直分布特征。Hg在剖面中含量沒有明顯變化, 僅在表層土壤中略顯偏高; As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn在7 m和34 m左右出現(xiàn)兩次“小高峰”, 從對(duì)應(yīng)的巖性上看, 7 m小高峰為黏土質(zhì)層, 這是由于長期的季節(jié)性湖淖沉積導(dǎo)致 Zn、Cu等元素富集, 表明這些元素可能來自自然來源; 34 m小高峰則是由于基巖影響導(dǎo)致元素含量偏高。Hg的表層土壤元素含量均高于深層土壤, 說明這些元素在人為活動(dòng)的干擾下出現(xiàn)了局部富集; Cd在垂向上含量并無明顯差異。

3.3 重金屬元素來源解析

3.3.1 相關(guān)分析

利用 SPSS軟件, 對(duì)研究區(qū) 136件表層土壤樣品中的As、Cd、Cr等9種重金屬元素進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析(Zhang et al., 2018)(表7)。Mn-Cr-Ni-As-Cu-Zn-Cd之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明這些重金屬元素可能有著相同的自然來源或人為污染源(Yan et al., 2010), Pb、Hg與其他重金屬元素呈弱相關(guān), 說明在土壤中 Pb、Hg具有不同的物質(zhì)來源或地球化學(xué)行為。另外結(jié)合圖 3可知, 重金屬元素均在三蓋淖等季節(jié)性匯水區(qū)相對(duì)較高, 可見東南部基巖在風(fēng)化作用之后受到了強(qiáng)烈的季節(jié)性的水動(dòng)力作用影響。為了解研究這些元素之間的聯(lián)系和來源,進(jìn)一步使用主成分分析進(jìn)行判別。

表7 表層土壤重金屬元素相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlations matrix for the heavy metals in surface soil

3.3.2 主成分分析

主成分分析(PCA)是識(shí)別土壤中重金屬來源的有效方法(Borvka et al., 2005; Han et al., 2006; 李蘋等, 2018)。136件表層土壤樣品 KMO統(tǒng)計(jì)量為0.906(大于0.7), 巴特利特球體檢驗(yàn)P＜0.05, 滿足因子分析的條件。對(duì)經(jīng)過極大方差標(biāo)準(zhǔn)化的研究區(qū)表層土壤重金屬含量值進(jìn)行因子分析, 根據(jù)特征值大于 1原則, 共篩選出 3個(gè)主成分, 解釋了 93.73%的原有信息。9種重金屬元素的主成分分析結(jié)果見表8。

表8 表層土壤重金屬主成分分析Table 8 Principal component analysis of heavy metals in surface soil

第一主成分貢獻(xiàn)率為 63.09%, Mn、As、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd具有較高的載荷, 載荷系數(shù)分別為0.896、0.825、0.908、0.927、0.924、0.861、0.843,均大于0.8, 說明這7種元素具有顯著的相關(guān)性。由表層土壤重金屬空間分布圖3可得, Mn、As、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd含量在研究區(qū)東南部山區(qū)和西北部洼淖區(qū)(三蓋淖)含量相對(duì)較高。受地形及水動(dòng)力作用的影響, 土壤元素活化、遷移、富集主要集中在水蝕區(qū), 這就造成西北部洼淖地區(qū)表層土壤中的Mn、As、Cr等元素整體含量明顯高于其他地區(qū);Mn、As等元素一般在暗色礦物如角閃石、輝石中含量較高, 主要與成土母質(zhì)中暗色礦物的含量密切相關(guān)(Veeken and Hamelers, 2002), 而研究區(qū)東南部山區(qū)為黑云母二長花崗巖、閃長巖與安山巖分布區(qū),母巖中的暗色礦物經(jīng)過長期風(fēng)化剝蝕作用便造成了該區(qū)表層土壤重金屬含量Mn、As等元素含量相對(duì)偏高。因此成土母質(zhì)是土壤中 Cr、Cu、Zn等元素的主要來源, 第一主成分重金屬元素主要受到成土母質(zhì)等自然來源的影響。

第二主成分貢獻(xiàn)率為 15.97%, Pb載荷系數(shù)為0.926; 第三主成分貢獻(xiàn)率為 14.67, Hg載荷系數(shù)為0.947。Pb、Hg高值區(qū)主要出現(xiàn)在城鎮(zhèn)以及光伏發(fā)電站附近, 這可能與研究區(qū)內(nèi)的人口分布以及交通等人為因素有關(guān)(Lindberg et al., 2007; Jaradat et al.,2010)。Pb元素在東南部出現(xiàn)的高值區(qū)為花崗巖等基巖分布區(qū), 結(jié)合圖3、圖4重金屬元素分布特征,Pb在東南部地區(qū)出現(xiàn)明顯局部空間富集, 這就表明Pb元素受到了成土母質(zhì)以及人為活動(dòng)的雙重影響。經(jīng)實(shí)地調(diào)查, Pb高值區(qū)為大面積光伏發(fā)電站建設(shè)用地, 建設(shè)過程中汽車尾氣排放、橡膠輪胎磨損等可能是該區(qū)土壤Pb等富集的重要原因之一(蔡立梅等,2008; Liu et al., 2017; 王茜等, 2017); Hg高值區(qū)主要分在二臺(tái)鎮(zhèn)周圍, 其來源受到人類活動(dòng)嚴(yán)重影響。

3.4 重金屬污染程度分析

以深部土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 利用地累計(jì)指數(shù)法對(duì)研究區(qū)表層土壤重金屬進(jìn)行分析, 9種重金屬的Igeo計(jì)算結(jié)果如表9所示。9種重金屬元素Igeo由高至低依次為: Hg＞As＞Pb＞Zn＞Cd＞Cr＞Cu＞Ni＞Mn, 除 Hg元素以外所有重金屬元素Igeo平均值均未超過 0。從統(tǒng)計(jì)表來看, As、Pb、Zn、Cd、Cr、Cu、Ni局部區(qū)域富集污染程度為輕微污染, 其比率依次為 9.56%、2.21%、8.82%、4.41%、4.41%、2.94%、2.94%; Hg元素輕污染、中污染、中-重污染、重污染的比率為69.12%、19.85%、1.47%、0.74%, 整體為中污染; Mn元素為無污染。

表9 表層土壤重金屬地累積指數(shù)Table 9 Geo-accumulation index of heavy metals in surface soil

3.5 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)

3.5.1 土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)評(píng)價(jià)

依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》, 研究區(qū)表層土壤 9種重金屬元素含量最大值均低于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值, 研究區(qū)表層土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)以一等、無風(fēng)險(xiǎn)土壤為主, 占比100%。但由于研究區(qū)Pb、Hg、As 3種重金屬元素富集系數(shù)偏高, 結(jié)合地累積指數(shù)分析結(jié)果, 需進(jìn)一步進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.5.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(2), 利用表層土壤重金屬元素實(shí)測(cè)含量值、深部土壤背景值以及毒性響應(yīng)系數(shù), 計(jì)算出張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)地區(qū)表層土壤中單個(gè)重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)Er(表10)。

表10 表層重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 10 Potential ecological hazard coefficient of heavy metal in surface soil

從表 10可以看出, Mn、As、Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb和Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值按照由高到低的排序: Hg(103.15)＞Cd(27.31)＞As(11.41)＞Pb(5.56)＞Cu(3.97)＞Ni(3.73)＞Cr(1.62)＞Mn(1.00)＞Zn(0.66); 研究區(qū)表層土壤除Hg元素以外所有重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)平均值均小于40, 表明研究區(qū)域重金屬元素處于輕微潛在生態(tài)危害等級(jí)。表層土壤中潛在危害最大的重金屬是Hg, 重金屬Hg中等生態(tài)危害、強(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害、極強(qiáng)生態(tài)危害的百分比分別為38.97%、53.67%、6.62%、0.74%,整體為很強(qiáng)潛在生態(tài)危害等級(jí); 其次的重金屬元素是Cd, 也達(dá)到中等潛在生態(tài)危害等級(jí), 整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)共有11個(gè)點(diǎn)(占全部樣品的8.09%)。綜上所述,研究區(qū)內(nèi)Hg、Cd元素處于中度-很強(qiáng)潛在生態(tài)危害等級(jí), 其余元素均為輕微潛在生態(tài)危害等級(jí), 需注意Pb、Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控。

根據(jù)張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)地區(qū)表層土壤中9種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI, 利用 ArcGIS軟件繪制出了重金屬綜合生態(tài)危害指數(shù)RI空間分布圖(圖5)。如圖 5所示, 研究區(qū)以輕微和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主, 其中在舊圍子附近生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為高風(fēng)險(xiǎn), 在七間窯村—哈拉勿素村以西地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度為中風(fēng)險(xiǎn),其他地區(qū)為輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 張北縣二臺(tái)鎮(zhèn)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)圖Fig.5 Evaluation map of potential ecological risk of heavy metals in Ertai Town, Zhangbei

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)9種重金屬元素土壤環(huán)境質(zhì)量單指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)以一等、低風(fēng)險(xiǎn)土壤為主, 但 Pb、Hg和As三種重金屬元素富集系數(shù)偏高, 局部地區(qū)存在點(diǎn)狀污染。

(2)因子分析和主成分分析結(jié)果顯示,Mn-Cr-Ni-As-Cu-Zn-Cd之間呈極顯著正相關(guān), 均受成土母質(zhì)的影響; Hg、Pb受成土母質(zhì)及人類活動(dòng)疊加影響。從元素整體空間分布來看, 基巖在經(jīng)歷風(fēng)化作用之后受到了強(qiáng)烈季節(jié)性水動(dòng)力作用的影響。

(3)地累積指數(shù)結(jié)果顯示, 9種重金屬元素除Hg以外地累積指數(shù)均小于 0, 總體為無污染等級(jí), 重金屬Hg整體為中污染等級(jí)。

(4)潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示, 9種重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)按照由高到低的排序?yàn)?Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Mn＞Zn。Hg 和 Cd 為潛在危害元素, 其中 Hg整體達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害程度,Cd達(dá)到中等生態(tài)危害程度, 其他元素為輕微生態(tài)危害程度, 需注意 Pb、Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控。重金屬綜合生態(tài)危害指數(shù)(RI)表明在研究區(qū)七間窯村—哈拉勿素村以西地區(qū)為中等生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 其余地區(qū)為輕微生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

致謝: 本研究得到中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心生態(tài)修復(fù)室研究團(tuán)隊(duì)的大力支持, 審稿專家與編輯部老師給予了建設(shè)性意見與建議, 在此一并表示衷心感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20190655).