延河沿岸土壤重金屬空間分布與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

梁麗娥，茍祎卓

（延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000）

土壤作為重要的生態(tài)因子，承擔(dān)著生態(tài)系統(tǒng)很多重要的生物和非生物過程。隨著人口的迅速增長和城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)［1-2］、礦產(chǎn)開采［3］、農(nóng)業(yè)［4-5］和交通［6］等產(chǎn)生的重金屬污染物不斷進(jìn)入土壤環(huán)境系統(tǒng)。重金屬因其具有毒性、富集性和潛伏性等特點(diǎn)，一旦進(jìn)入土壤系統(tǒng)，不僅影響土壤微生物菌群和酶活性，進(jìn)而影響動植物生長發(fā)育，而且會通過食物鏈危害人體健康［7-9］，因此土壤重金屬污染越來越受到廣泛關(guān)注。延河作為黃河的一級支流，為延安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。延河流域水資源豐富，但水質(zhì)較差，2019年水質(zhì)為Ⅴ類水質(zhì)，主要污染物為氨氮、總磷，2020年為Ⅲ類水質(zhì)，水質(zhì)有所提升。目前針對延河流域的研究主要集中在水土保持［10-11］、生態(tài)水文［12-13］、水污染評價(jià)［14-15］等方面，對于流域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量尚未展開調(diào)查研究。隨著人類活動強(qiáng)度和范圍的不斷擴(kuò)大，污染物排放不斷增加，河流沿岸土壤中重金屬污染物不斷積累，對河流水體及周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此研究延河沿岸重金屬含量、空間分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征具有重要意義，能夠明晰延河沿岸土壤重金屬的污染現(xiàn)狀，為延河流域重金屬污染研究提供一定的數(shù)據(jù)支撐，同時為延河流域水環(huán)境保護(hù)及生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延河地處延安市腹地，屬于黃河一級支流，延安市第二大河流，發(fā)源于榆林市靖邊縣天賜灣鎮(zhèn)，經(jīng)安塞區(qū)鐮刀灣鄉(xiāng)楊石寺村附近入境，流經(jīng)安塞城西，南下入延安，流貫延安城區(qū)，轉(zhuǎn)向入延長縣，在延長縣南河溝鄉(xiāng)涼水岸附近注入黃河。全長286.9 km，流域面積7 725 km2，入河河流主要有坪橋川、杏子河、西川河、蟠龍川、南川河等14條。延河年平均降水量520 mm，多年平均徑流量為2.74億m3，多年平均含沙量244~311 kg/m3，多年平均輸沙量為8 756萬t。延河流域?qū)倥瘻貛c中溫帶過渡區(qū)型大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季氣候溫?zé)?，秋季涼爽多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣?.8℃~10.2℃，由東向西遞減。

1.2 樣品采集與分析

2020年9月筆者對延河進(jìn)行全面考察，根據(jù)《土壤質(zhì)量、土壤采樣技術(shù)指南》（GB/T 36197—2018）及延河沿岸實(shí)際情況，在延河沿岸布置12個采樣點(diǎn)（從上游至下游分別為采樣點(diǎn)YH1~YH12），如圖1所示。樣品采集時利用GPS定位，采樣點(diǎn)位于河岸兩側(cè)0.5~2 m范圍內(nèi)，具體根據(jù)河流兩側(cè)情況確定。每個采樣點(diǎn)采集表層土壤（0~10 cm）500 g，將兩岸樣品混合，四分法去除多余樣品，最終保留500 g作為該采樣點(diǎn)的土壤樣品。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除砂礫石等大雜質(zhì)后備用。

重金屬的測定∶將風(fēng)干的樣品放入烘箱烘干至質(zhì)量恒定后研磨至粉末狀，準(zhǔn)確稱取50 mg樣品至聚四氟乙烯杯中，加入3 mL HNO3、2 mL HF、6 mL HCl，然后放入微波消解儀中進(jìn)行消解，消解后在電熱板上趕酸，然后加入1 mL HClO4加熱蒸干，冷卻后再加入HNO3、0.1 mL H2O2及少量超純水，加熱使殘?jiān)芙?，冷卻后定容上機(jī)測試。砷（As）元素采用原子熒光光譜法［16］進(jìn)行分析，其余重金屬元素（Cd、Ni、Pb、Cu、Cr、Zn）采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法［17］（ICP-MAS）進(jìn)行分析，每個樣品設(shè)置平行組，測試誤差小于5%。

圖1 采樣點(diǎn)位置分布圖

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法廣泛應(yīng)用于土壤、沉積物等重金屬污染評價(jià)中，能定量反映土壤中重金屬的污染程度［18-20］，同時也能反映自然過程及人為活動對重金屬含量的影響［21］。其表達(dá)式為∶

其中，Cn為元素n的實(shí)測含量（mg/kg）；Bn為所測元素的環(huán)境背景值，本文采用陜西省土壤元素背景值（Cd∶0.09，Ni∶28.80，Pb∶21.40，Cu∶21.40，Cr∶62.50，Zn∶69.40，As∶11.10）；K為校正系數(shù)，一般取1.5［22］；Igeo為地累積指數(shù)，其分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度劃分如表1所示［23］。

表1 地累積指數(shù)Igeo分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度劃分

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法綜合考慮了重金屬性質(zhì)、遷移規(guī)律及研究區(qū)域等對重金屬污染的影響，同時結(jié)合生物毒性和生態(tài)學(xué)方法，對單項(xiàng)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和多種重金屬的綜合效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)［24-25］，計(jì)算公式如下∶

其中，Cfi為某污染因子；Ci為某金屬的實(shí)測值；Cni為計(jì)算所需的參比值；Tri為某污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)，Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和As的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為2、5、1、5、5、30和10；Er i為某單個污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對應(yīng)的污染級別如表2所示；RI為多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對應(yīng)的污染級別如表2所示［26］。

表2 單個污染物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Eri和多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量

延河沿岸表層土壤重金屬含量如表3所示，重金屬Cd、Pb、Cu、Cr平均含量分別為0.15、100.95、66.76、121.42 mg/kg，與陜西省土壤重金屬背景值比較，分別超標(biāo)1.67倍、4.72倍、3.12倍、1.94倍；與土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)相比較，Pb、Cu、Cr分別超標(biāo)2.88倍、1.91倍、1.35倍。重金屬Ni、Zn、As平均含量分別為21.8、44.51、4.47 mg/kg，均未超過陜西土壤重金屬背景值。從變異系數(shù)看，各重金屬空間分布差異不大，其中As的變異系數(shù)達(dá)到34.80%，其余均小于30%。

表3 延河延安土壤重金屬含量

2.2 土壤重金屬空間分布特征

延河沿岸表層土壤重金屬空間分布如圖2所示。從圖中可以看出，沿程上各重金屬總體呈現(xiàn)中游高于上游和下游的規(guī)律，其中重金屬Cu、Pb、Cr和Ni在YH6點(diǎn)含量最高、As在YH7點(diǎn)含量最高，Cd和Zn在YH5點(diǎn)含量最高。研究認(rèn)為，環(huán)境中的Pb、Zn和Cd主要來源于交通運(yùn)輸?shù)挠绊懀?7-28］，同時Cu、Zn、Ni作為汽車輪胎的添加劑，來源于汽車輪胎與地面磨損產(chǎn)生的顆粒物［29］。YH5、YH6、YH7這3個點(diǎn)位于市內(nèi)主要交通要道附近，人們活動頻繁，交通運(yùn)輸活動密集，導(dǎo)致各金屬含量相對較高，應(yīng)引起重視。

圖2 延河沿岸土壤重金屬含量空間分布

2.3 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.3.1 地累積指數(shù)法評價(jià)

對延河沿岸表層土壤重金屬進(jìn)行地累積指數(shù)計(jì)算（表4），結(jié)果顯示，重金屬Pb的Igeo最大，As的Igeo最小，7種重金屬Igeo大小順序?yàn)镻b>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As。地累積法評價(jià)結(jié)果顯示，Pb和Cu處于中度污染水平，Cd和Cr處于輕度污染水平，Ni、Zn和As無污染。

表4 延河沿岸土壤重金屬污染Igeo評價(jià)結(jié)果

2.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

延河沿岸各采樣點(diǎn)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果如表5和圖3所示。由此可知，自上游到下游單項(xiàng)重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Er從高到低依次為∶Cd>Pb>Cu>As>Cr>Ni>Zn，其中Cd的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Er為47.40，高于40，處于中等風(fēng)險(xiǎn)等級，其余各重金屬Er值均低于40，處于低風(fēng)險(xiǎn)等級。在沿程上，各重金屬風(fēng)險(xiǎn)等級總體呈現(xiàn)中游高于上游和下游，其中Cd在YH5點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Er最高，為56.68，Pb和Cu在YH6點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Er最高，分別為31.34和22.14。

延河沿岸土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI如圖4所示，由此可知，各采樣點(diǎn)RI值介于79.06~119.26之間，均值為98.94，均小于150，屬于輕度污染水平。從沿程來看，RI值呈現(xiàn)先減小，再增大，再減小的趨勢。最小值分布在YH4點(diǎn)，該點(diǎn)位于安塞區(qū)郝家窯村，最大值位于YH6點(diǎn)，該點(diǎn)位于延安市寶塔區(qū)城中心位置，河道兼有景觀休閑作用，人們活動頻繁，導(dǎo)致重金屬污染程度較高。

表5 延河沿岸土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子Er

圖3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子Er

圖4 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI

3 結(jié)論

1）研究區(qū)重金屬Cd、Pb、Cu、Cr、Ni、Zn、As平均含 量 分 別 為0.15、100.95、66.76、121.42、21.85、44.51、4.47 mg/kg，其中Cd、Pb、Cu、Cr分別超過陜西省土壤重金屬背景值1.67倍、4.72倍、3.12倍、1.94倍，分別超過土壤環(huán)境一級標(biāo)準(zhǔn)0.75倍、2.88倍、1.91倍、1.35倍。

2）研究區(qū)重金屬空間分布特征不顯著，沿程上各重金屬總體呈現(xiàn)中游高于上游和下游的規(guī)律，重金屬Cu、Pb、Cr和Ni在YH6點(diǎn)含量最高，As在YH7點(diǎn)含量最高，Cd和Zn在YH5點(diǎn)含量最高。

3）地累積指數(shù)Igeo大小順序?yàn)镻b>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As，Pb和Cu處于中度污染水平，Cd和Cr處于輕度污染水平，Ni、Zn和As無污染，說明延河沿岸重金屬污染以Pb為主。

4）研究區(qū)單項(xiàng)重金屬風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Er從高到低依次為∶Cd>Pb>Cu>As>Cr>Ni>Zn，其中Cd為中等風(fēng)險(xiǎn)等級，其余重金屬處于低風(fēng)險(xiǎn)等級。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI值介于79.06~119.26之間，均值為98.94，屬于輕度污染水平，表明延河沿岸土壤重金屬存在污染風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起重視，加強(qiáng)污染源控制。