黃河口國(guó)家公園濕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

王碧瑩 李振函 李海崗 趙強(qiáng) 李揚(yáng)

文章編號(hào)：1671-3559（2024）03-0267-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240318.002

摘要： 為了研究黃河口國(guó)家公園濕地土壤污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，沿黃河故道東營(yíng)段、 黃河入?？谝约把睾Ｌ幑苍O(shè)20個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤采集，對(duì)鉛、 鎘、 鉻、 銅、 鋅、 鎳、 汞、 砷8種重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)，并利用綜合污染指數(shù)法、 地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行土壤污染評(píng)價(jià)。結(jié)果表明： 研究區(qū)鉛、 鎘、 鉻、 銅、 鋅、 鎳、 汞、 砷元素的質(zhì)量比分別為16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg，均符合農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)要求；研究區(qū)土壤綜合污染指數(shù)為0.57，地累積指數(shù)為-0.23，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為65.54，表明研究區(qū)屬于無(wú)污染土壤，存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞： 土壤污染； 重金屬； 綜合污染指數(shù)； 地累積指數(shù)； 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)； 黃河口國(guó)家公園

中圖分類號(hào)： X825

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

開放科學(xué)識(shí)別碼（OSID碼）：

Evaluation of Soil Pollution Caused by Heavy Mental in

Wetland of the Yellow River Estuary National Park

WANG Biying1， LI Zhenhan2， LI Haigang3， ZHAO Qiang1， LI Yang2

（1. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China；

2. Shandong Institute of Geophysical & Geochemical Exploration， Jinan 250013， Shandong， China；

3. Shandong Yiyang Health Group Yihe Development Company， Linyi 276000， Shandong， China）

Abstract： To study the soil pollution status and ecological risk of the wetland in the Yellow River Estuary National Park， a total of 20 sampling points were set up along the Dongying section of the old Yellow River course， the mouth of the Yellow River and the coastal areas for soil collection， and the content of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As were detected. Soil pollution was evaluated by comprehensive pollution index，groundaccumulationindexandpotential ecological risk index.The results show that the mass ratios of Pb， Cd， Cr， Cu， Zn， Ni， Hg and As in the study area are 16.4， 0.11， 57.3， 14.0， 46.9， 20.0， 0.014， 7.71 mg/kg respectively， which all meet the risk control standards for agricultural land soil pollution. The integrated soil contamination index of the study area is 0.57， the land accumulation index is -0.23， and the potential ecological risk index is 65.54， indicating that the study area is a non-polluted soil with a slight potential ecological risk.

Keywords： soil pollution； heavy mental； comprehensive pollution index； geological accumulation index； potential ecological risk assessment； the Yellow River Estuary National Park

收稿日期： 2023-03-01????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2024-03-19T15：48：23

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42072331）；山東省地質(zhì)勘查引領(lǐng)示范與科技攻關(guān)項(xiàng)目（HJ202204）

第一作者簡(jiǎn)介： 王碧瑩（1999—），女，黑龍江牡丹江人。碩士研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)方向。E-mail： 494334480@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介： 李振函（1963—），男，山東濰坊人。教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)。E-mail： lizh328@163.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240318.1844.004

黃河三角洲濕地位于山東省境內(nèi)，因地理位置優(yōu)越而形成了特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，在推進(jìn)我國(guó)實(shí)施人與土地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展政策方面發(fā)揮重要作用［1］。黃河入?？诔薪恿苏麄€(gè)黃河流域輸送來的物質(zhì)流、 能量流和生態(tài)流，在河、 海、 陸交互作用下形成了世界上獨(dú)一無(wú)二的河口三角洲，孕育了我國(guó)暖溫帶最典型的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)。該生態(tài)系統(tǒng)具有匯碳、 生物棲息、 水文調(diào)節(jié)、 土壤改良等多種功能，對(duì)維護(hù)黃河下游及渤海生態(tài)安全起著關(guān)鍵作用。自20世紀(jì)60年代石油和農(nóng)業(yè)大開發(fā)以來，黃河口所受人類活動(dòng)的影響與其自然演化節(jié)奏不相符，人與自然的矛盾不斷被激化，濕地生態(tài)保護(hù)的壓力與日俱增［2］。黃河口濕地面臨的最重要的問題是，人類活動(dòng)導(dǎo)致自然濕地不斷退化消失，生物多樣性銳減［3］，因此國(guó)家公園管理局2021年10月批準(zhǔn)《黃河口國(guó)家公園創(chuàng)建方案》［4］，希望通過建設(shè)保護(hù)區(qū)對(duì)濕地進(jìn)行保護(hù)。

重金屬是一類重要的污染物，可以通過采礦（石油）、 交通運(yùn)輸、 殺蟲劑和化肥等來源在環(huán)境中積累［5］，如果排放到空氣、 水體、 土壤中，就會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。隨著人口的快速增長(zhǎng)和社會(huì)各行各業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬造成的環(huán)境污染已經(jīng)成為世界各國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題［6］。本文中以黃河口國(guó)家公園濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行濕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，為黃河口國(guó)家公園建設(shè)和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第38卷

第3期王碧瑩，等：黃河口國(guó)家公園濕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

本文中主要以黃河口國(guó)家公園作為研究區(qū)，地理位置處于東經(jīng)118°33′—119°30′、 北緯37°25′—38°17′。 研究區(qū)隸屬于山東省東營(yíng)市， 總面積約為1 371 km2。 東營(yíng)市位于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候主要特點(diǎn)是：季風(fēng)影響顯著，四季分明，冷熱干濕界限明顯；春季干旱多風(fēng)回暖快，夏季炎熱多雨，秋季涼爽多晴天，冬季寒冷少雪干燥。黃河口國(guó)家公園濕地主要集中在黃河三角洲的微斜平地、 緩崗之間，黃河故道地勢(shì)較低處，形成了特有的濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地表層紋理黏重、淺部粗糙薄厚不等的黏土層多為封閉狀，雨季易積水，因此成了蘆葦和其他植物生長(zhǎng)的絕佳場(chǎng)所。黃河口國(guó)家公園濕地是黃河和海洋一起形成的濕地系統(tǒng)，是全國(guó)著名的自然生態(tài)保護(hù)區(qū)。

1.2? 樣品采集與分析

土壤樣品采集分析是為了查明研究區(qū)內(nèi)土壤地球化學(xué)背景， 為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。 采樣點(diǎn)布置在研究區(qū)內(nèi)， 按地理位置劃分樣地， 每一個(gè)樣地選取植被覆蓋率較高的地方布設(shè)5個(gè)土樣采集點(diǎn)， 共設(shè)置20個(gè)采樣點(diǎn)， 編號(hào)為D1、 D2、 …、 D20，具體位置如圖1所示。利用手工在地面鉆探至50 cm后取樣，采集前準(zhǔn)備小鏟、 自封袋、 保溫箱、 標(biāo)簽等，選取地表深度50 cm以內(nèi)的土壤，每個(gè)采樣點(diǎn)均采集5個(gè)樣品，將5個(gè)樣品混合，裝入寫有標(biāo)記的自封袋中密封，標(biāo)簽上詳細(xì)注明采樣時(shí)間、 地點(diǎn)、 深度和編號(hào)，每個(gè)混合樣品質(zhì)量約2 000 g。扎口密封妥善保存并及時(shí)送檢。共采集土壤樣品20個(gè)，土樣分析項(xiàng)目為砷（As）、 汞（Hg）、 鎘（Cd）、 鉻（Cr）、 銅（Cu）、 鋅（Zn）、 鉛（Pb）、 鎳（Ni）在土壤中的含量。其中Cu、 Ni、 Pb、 Zn、 Cd、 Cr元素的含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定；Hg、 As元素的含量測(cè)定采用原子熒光法。

1.3? 評(píng)價(jià)方法

1）綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法。綜合指數(shù)法能夠在單因子污染指數(shù)的基礎(chǔ)上全面評(píng)判重金屬的污染程度，其中內(nèi)梅羅模型被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤重金屬污染［7］。相關(guān)計(jì)算公式為

Pi=CiSi ，（1）

P=P—2i +P2max2 ，（2）

式中： Pi為重金屬元素i的單因子污染指數(shù)； Ci為重金屬元素i的含量實(shí)測(cè)值； Si為根據(jù)需要選取的重金屬元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此處參考國(guó)家《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）》（GB 15618—2018）［8］;P為綜合污染指數(shù)； P—i為單因子污染指數(shù)平均值； Pmax為最大單因子污染指數(shù)。

單因子污染指數(shù)Pi與對(duì)應(yīng)的土壤污染級(jí)別關(guān)系［9］如表1所示， 綜合污染指數(shù)P與對(duì)應(yīng)的土壤污染級(jí)別關(guān)系［10］如表2所示。

2）地累積指數(shù)法。地累積指數(shù)Igeo由德國(guó)科學(xué)家Muller于1969年首次提出，常用來表征沉積物和土壤中重金屬富集程度，可以同時(shí)反映重金屬的自然演變特征和判別人類活動(dòng)對(duì)土壤產(chǎn)生的影響［11］。其計(jì)算公式為

Igeo=log2CiKBi ，（3）

式中： Bi為土壤中重金屬元素i的含量，取山東省土壤環(huán)境背景值［12］，Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的含量背景值（質(zhì)量比）分別為23.6、 0.132、 62、 22.6、 63.3、 27.1、 0.031、 8.6 mg/kg［13］； K為考慮各地巖石差異可能引起的背景值變動(dòng)而取的系數(shù)，一般為1.5［14］。地累積指數(shù)等級(jí)劃分［15］見表3。

3）潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。Hakanson［16］提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ir體現(xiàn)了生物有效性和相對(duì)貢獻(xiàn)比例及地理空間差異等特點(diǎn)，可以綜合反映土壤中重金屬對(duì)環(huán)境的潛在影響。其計(jì)算公式為

Ir=∑ni=1Eri=∑ni=1TriCiBi ，（4）

式中： Eri為重金屬元素i單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)； Tri為重金屬元素i毒性響應(yīng)系數(shù)，目前的多數(shù)研究中，眾多學(xué)者一般直接用毒性系數(shù)替代毒性響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算， Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As的毒性系數(shù)分別為5、 30、 2、 5、 1、 5、 40、 10［17］。土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及其相應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［18］見表4。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 研究區(qū)土壤重金屬含量

各采樣點(diǎn)土壤重金屬含量見表5， 重金屬元素含量空間分布如圖2所示。 由表5中可以看出， 研究區(qū)Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的質(zhì)量比分別為16.4、 0.11、 57.3、 14.0、 46.9、 20.0、 0.014、 7.71 mg/kg， 8種重金屬元素的平均含量均小于山東省土壤環(huán)境背景值。 從圖2可以看出， 采樣點(diǎn)D8的土壤中各類重金屬含量明顯高于其他采樣點(diǎn)的， 此外采樣點(diǎn)D12的污染程度也相對(duì)較高， 其余各采樣點(diǎn)的污染狀況相差不大。 從各污染物的質(zhì)量比與山東省土壤環(huán)境背景值比較來看， 采樣點(diǎn)D8的Pb、 Cu、 Zn、 Ni元素的質(zhì)量比高于背景值， 采樣點(diǎn)D8、 D12的Cd和Hg元素的質(zhì)量比高于背景值， 有5個(gè)采樣點(diǎn)的As元素的質(zhì)量比高于背景值， 有6個(gè)采樣點(diǎn)的Cr元素的質(zhì)量比高于背景值， 占比達(dá)到30%， 是8種重金屬元素中比例最高的。

通過富集系數(shù)法定量分析各類金屬在土壤中的富集程度。富集系數(shù)法是由Zoller等［19］首次提出，可以對(duì)污染程度以及污染來源進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，富集

系數(shù)Ef的計(jì)算公式為

Ef=CiBi 。（5）

研究區(qū)土壤中重金屬元素富集系數(shù)見表6。由表可知，研究區(qū)土壤中重金屬富集程度均屬于無(wú)污染或輕微污染，其中Cd元素富集系數(shù)為0.83，富集程度相對(duì)最高，Hg元素富集程度相對(duì)最低。

從整體上看， 研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量良好， 金屬污染程度較輕， 符合國(guó)家規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 采樣點(diǎn)D8處于農(nóng)用地附近的沿海灘涂， 周圍約3 km處建有水產(chǎn)養(yǎng)殖公司以及鹽業(yè)化工公司，因此該采樣點(diǎn)處重金屬總體含量相對(duì)較高可能是受工農(nóng)業(yè)排放影響。

2.2? 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)各采樣點(diǎn)土壤中重金屬單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)見表7。 由表可見，各采樣點(diǎn)土壤

中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均單因子污染指數(shù)分別為0.47、 0.55、 0.64、 0.40、 0.47、 0.50、 0.10、 0.51，由大到小的重金屬元素排序?yàn)镃r、 Cd、 As、 Ni、 Zn（Pb）、 Cu、 Hg。從整體來看，各重金屬元素平均單因子污染指數(shù)均小于1，表明研究區(qū)土壤未被重金屬污染。從采樣點(diǎn)來看，采樣點(diǎn)D8的綜合污染指數(shù)為0.98，高于其他采樣點(diǎn)的，污染程度相對(duì)較重，采樣點(diǎn)D7、 D10的綜合污染指數(shù)最小，土壤重金屬含量相對(duì)最少。綜上分析，通過綜合污染指數(shù)法判斷，研究區(qū)土壤屬于清潔無(wú)污染土壤。

2.3? 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)土壤中重金屬地累積指數(shù)見表8。 由表可知， 各類重金屬的地累積指數(shù)平均值均小于0， 表明研究區(qū)土壤總體上較為清潔， 污染程度從重到輕的重金屬元素排序?yàn)锳s、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。 從采樣點(diǎn)來看， 采樣點(diǎn)D8的地累積指數(shù)明顯大于其余采樣點(diǎn)的，污染程度相對(duì)嚴(yán)重，其中

Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累積指數(shù)大于0， 屬于輕度至中度污染。 綜合來看， 研究區(qū)土壤整體為無(wú)污染土壤。

2.4? 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表9為研究區(qū)各采樣點(diǎn)土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。 可以看出： 采樣點(diǎn)D8的Ir為159.00，為中等程度的潛在風(fēng)險(xiǎn)，其余采樣點(diǎn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度均為輕微； 采樣點(diǎn)D12的Ir也相對(duì)較大， 為139。 采樣點(diǎn)D8、 D12的Hg元素貢獻(xiàn)率分別達(dá)到43.40%和52.01%， 而Hg元素的Ir平均值為18.59， 說明Hg元素主要集中于采樣點(diǎn)D8、 D12處。 從整體上來看， 各重金屬元素的Ir平均值為0.74～25.14， Ir由大到小的重金屬元素排序?yàn)镃d、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn， Cd元素的貢獻(xiàn)率高達(dá)38.36%。綜上可知，研究區(qū)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微，主要由金屬鎘引起。

2.5? 不同評(píng)價(jià)方法的結(jié)果對(duì)比

綜合污染指數(shù)法、 地累積指數(shù)法、 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)土壤重金屬的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，3種方法均能反映土壤中重金屬的污染程度和風(fēng)險(xiǎn)狀況；但是，由于每種方法的側(cè)重點(diǎn)和評(píng)價(jià)機(jī)制不同，因此評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異［20］。

由綜合污染指數(shù)可知，研究區(qū)土壤屬于清潔無(wú)污染土壤，符合國(guó)家對(duì)自然保護(hù)區(qū)的環(huán)境要求。綜合污染指數(shù)法計(jì)算公式中含有評(píng)價(jià)參數(shù)中最大的單因子污染指數(shù)，突出了污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，但單個(gè)金屬的污染指數(shù)最大值對(duì)整體結(jié)果的影響很大［21］。相比之下，地累積指數(shù)法更關(guān)注單個(gè)重金屬含量對(duì)環(huán)境的影響［22］，結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤屬于無(wú)污染土壤，As元素的地累積指數(shù)相對(duì)最大，Hg元素的相對(duì)最小。結(jié)合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法來看，Hg元素的潛在風(fēng)險(xiǎn)僅次于Cd元素的，表明Hg元素雖然含量較少但毒性大，仍對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅。綜上分析，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法更適用于研究區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，因?yàn)槠洳痪窒抻谀壳暗耐寥赖奈廴緺顩r［23］，更能綜合反映沉積物中重金屬的潛在影響，為土壤重金屬的污染防治提供更有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

3? 結(jié)論

本文中采用綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)黃河口國(guó)家公園濕地土壤進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)，得出以下主要結(jié)論：

1）研究區(qū)土壤中Pb、 Cd、 Cr、 Cu、 Zn、 Ni、 Hg、 As元素的平均含量均符合《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）的土壤要求。

2）研究區(qū)土壤中Cd元素富集系數(shù)為0.83，富集程度相對(duì)最高，Hg元素富集程度最低。根據(jù)綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果，研究區(qū)屬于清潔無(wú)污染土壤。由地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果可知，污染程度由高到低的重金屬元素排序?yàn)锳s、 Cd（Cr）、 Zn、 Ni、 Pb、 Cu、 Hg。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)由大到小的重金屬元素排序?yàn)镃d、 Hg、 As、 Ni、 Pb、 Cu、 Cr、 Zn。

3）采樣點(diǎn)D8土壤中各重金屬含量均高于其他采樣點(diǎn)的，其中Cd元素的質(zhì)量比為0.23 mg/kg，不符合土壤環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，Cd、 Cr、 Hg、 As元素的地累積指數(shù)大于0，屬于輕度至中度污染，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)為159.00，為中等程度的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了維持保護(hù)區(qū)的土壤清潔，保護(hù)生物多樣性，應(yīng)對(duì)該采樣點(diǎn)附近的企業(yè)以及農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行監(jiān)管，防止其未來對(duì)研究區(qū)土壤環(huán)境造成更大危害。

4）由于3種評(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也有所不同，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法考慮了重金屬的生態(tài)、 環(huán)境和毒理效應(yīng)，能夠?yàn)檎诮ㄔO(shè)中的黃河口國(guó)家公園的重金屬污染防治提供更具有長(zhǎng)遠(yuǎn)性的參考數(shù)據(jù)。

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（責(zé)任編輯：于海琴）