山東煙臺養(yǎng)馬島南部地區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險及生態(tài)風(fēng)險評價

湯世凱 扈勝濤 黎奕宏 強萌麟 于林弘 張祥恒 王璨

收稿日期：20231205；修訂日期：20240117；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項目：山東省自然資源廳部省協(xié)議地質(zhì)勘查項目“山東省煙臺市養(yǎng)馬島及鄰近海域綜合地質(zhì)調(diào)查”（魯勘字〔2023〕38號）；山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院科技創(chuàng)新項目“海灣沉積物粒度差異性分析研究——以丁字灣、芝罘灣為例”魯三地勘發(fā)〔2022〕45號

作者簡介：湯世凱（1988—），男，山東東明人，高級工程師，主要從事海洋地質(zhì)調(diào)查研究；Email：tsktop@163.com? *通訊作者：黎奕宏（1991—），女，山東海陽人，工程師，主要從事海洋地質(zhì)調(diào)查研究；Email：553963083@qq.com

摘要：通過對煙臺養(yǎng)馬島南部第四系分布區(qū)土壤樣品中的重金屬（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg）含量測試分析，運用統(tǒng)計分析、地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對元素的相關(guān)性、污染程度以及生態(tài)風(fēng)險進行研究評價。結(jié)果顯示，受一定程度的人類活動影響，除Ni外，高值區(qū)主要分布在第四系中—西南部；除Cr和Cu外，元素含量平均值均超過背景值。相關(guān)性分析表明，Zn與Hg，Zn與Cu以及Cu、Cr、As相互間具較高正相關(guān)性。Hg在TR2點位具有異常高值，屬于中度污染和風(fēng)險程度重。評價各元素污染程度Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr，風(fēng)險程度Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價TR2點位為極重程度，其余為中等程度—低程度。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；相關(guān)性分析；生態(tài)風(fēng)險評價；養(yǎng)馬島南部；山東煙臺

中圖分類號：X53??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.002

引文格式：湯世凱，扈勝濤，黎奕宏，等.山東煙臺養(yǎng)馬島南部地區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險及生態(tài)風(fēng)險評價［J］.山東國土資源，2024，40（6）：1117. TANG Shikai， HU Shengtao， LI Yihong， et al. Evaluation of Heavy Metal Contamination and Ecological Risk of Soil in Southern Yangmadao in Yantai City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：1117.

0? 引言

海島因其狹小的面積，單一的地域結(jié)構(gòu)，突顯出鮮明的生態(tài)脆弱性，極易遭受外界干擾破壞生態(tài)環(huán)境［12］。海島土壤作為生物生存的載體，在元素循環(huán)交換、維持生態(tài)環(huán)境平衡方面具有重要作用［34］。

隨著人類對海島的開發(fā)利用，海島土壤物理、化學(xué)等性質(zhì)不可避免地受到影響。其中的土壤元素尤其是重金屬元素含量會持續(xù)積累，因其毒性較強、不易分解、沿食物鏈傳遞等特點，一定程度上損害人類的身體健康［58］。

養(yǎng)馬島作為旅游度假區(qū)，以往對該島的研究工作偏重于旅游資源的開發(fā)、評價等方面［910］，對海島生態(tài)環(huán)境影響因素及變化規(guī)律等研究較少。本次工作通過對養(yǎng)馬島第四系分布區(qū)進行系統(tǒng)采樣，分析土壤中的重金屬含量，運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等方法，研究養(yǎng)馬島土壤重金屬的分布特征和污染情況，以期為養(yǎng)馬島土壤污染治理、合理利用與保護土地資源，營造良好海島生態(tài)環(huán)境提供重要的地質(zhì)參考依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

養(yǎng)馬島位于山東省煙臺市牟平區(qū)北部的黃海之中，距離牟平城區(qū)9km，面積約13km2，地形北高南低，地貌類型以低丘陵為主，屬于北溫帶季風(fēng)型大陸氣候［11］。人類開發(fā)利用活動主要在第四系分布區(qū)最為劇烈，交通運輸頻繁，城鎮(zhèn)化建設(shè)程度較高。

養(yǎng)馬島中-北部為基巖發(fā)育區(qū)，面積約9km2，巖性為荊山群斜長片麻巖、斜長角閃巖、大理巖等；南部為第四系發(fā)育區(qū)，面積約4km2，巖性為旭口組中細砂，本次研究對象為南部第四系分布區(qū)。

2? 工作方法

2.1? 樣品采集與分析

為了查清養(yǎng)馬島南部第四系分布區(qū)土壤地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，按照大致均勻布設(shè)點位的原則，2023年7月在養(yǎng)馬島采集表層土壤樣品10件，采樣點位見圖1。采樣過程中首先除去表層浮土，然后將約20cm深度內(nèi)的土壤混合后裝入聚乙烯袋中密封，送往實驗室測試分析，每件土壤樣品重量約1.5kg。

土壤化驗分析由山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)，樣品自然風(fēng)干后，進行研磨篩分，然后對土壤中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg等8種重金屬元素進行分析。Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb等7種重金屬元素的操作分析方法、質(zhì)量控制按照《土壤和沉積物12種金屬元素的測定王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ803—2016）的要求進行，元素檢出限分別為2mg/kg、2mg/kg、0.5mg/kg、7mg/kg、0.6mg/kg、0.07mg/kg、2mg/kg。Hg的操作分析方法及質(zhì)量控制按照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》（HJ680—2013）的要求進行，檢出限為0.002mg/kg。為保證土壤樣品分析數(shù)據(jù)的準確性，按照《中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查技術(shù)標準·多目標區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》的要求采取重復(fù)樣品分析、對異常點重復(fù)性檢驗等方法進行嚴格的質(zhì)量監(jiān)控。

2.2? 重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險評價方法

2.2.1? 地質(zhì)累積指數(shù)法

由德國科學(xué)家Muller在1969年提出［12］，后續(xù)被廣泛應(yīng)用［1314］，該方法主要是參考沉積物背景值對當(dāng)前重金屬含量進行污染評價。評價公式如下：Igeo=log2［Cn/（K×Bn）］，其中Cn為重金屬n的實測含量；K為因地區(qū)巖性差異引起的背景值的波動，是人為取的一個相關(guān)系數(shù)，通常取K=1.5；Bn是沉積母質(zhì)中該元素的地球化學(xué)背景值，本文采用牟平區(qū)土壤地球化學(xué)背景值［15］作為參照進行計算。

根據(jù)計算的地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）數(shù)值大小，參考地質(zhì)累積指數(shù)與污染程度分級對照表（表1），最終對土壤的重金屬污染程度劃分級別。

2.2.2? 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

由瑞典科學(xué)家Hakanson在1980年提出［16］，該方法綜合考慮了每一種重金屬元素的污染指數(shù)、毒性響應(yīng)系數(shù)，最終反映的是多種元素綜合效應(yīng)。因而是目前國內(nèi)外最為常用的生態(tài)風(fēng)險評價方法［1720］。評價公式如式（1）：

Cif=Ci/Cin；Ei r=Tir·Cif；RI=∑Eir（1）

式中：Ci為重金屬元素i的實測含量;Cin是重金屬元素i的地球化學(xué)背景值，本次評價仍采用煙臺市該元素土壤地球化學(xué)背景值參與計算；Cif為重金屬元素i的污染系數(shù);Tir為重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)，其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為2、5、5、1、10、30、5、40［15］；Eir為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);RI為參與評價的所有重金屬元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)（Eir）和多元素的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）分級標準見表2［21］。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 重金屬含量及分布

養(yǎng)馬島南部第四系分布區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果（表3）表明，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的含量平均值分別為23.54mg/kg、20.18mg/kg、16.28mg/kg、59.08mg/kg、8.14mg/kg、0.12mg/kg、32.96mg/kg和0.15mg/kg。經(jīng)統(tǒng)計，Cr和Cu分別有10%和40%點位含量超過背景值，平均含量低于背景值；Ni、Zn、As、Cd、Pb和Hg分別有60%、50%、80%、50%、40%和70%點位含量超過背景值，平均含量超過背景值，其中Hg元素含量平均值超背景值倍數(shù)最高，為6倍。各重金屬元素中，As元素變異系數(shù)最小，為44%，說明在各點位之間As含量差別相對較小，分布較為均勻，Hg變異系數(shù)最大，為209%，表明Hg元素分布非常不均勻。

對各重金屬元素含量作等值線分布圖（圖2），可以看出，養(yǎng)馬島第四系土壤重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的平面分布具有如下特征：

（1）土壤中Zn、Hg和Cd的分布規(guī)律較為相似（圖2a、圖2d和圖2g），在養(yǎng)馬島大橋以西，即第四系西南分布區(qū)出現(xiàn)含量高值區(qū)，在大橋以東的第四系中、東北分布區(qū)為含量低值區(qū)。

（2）土壤中Pb、Cu、Cr和As的分布規(guī)律較為類似（圖2b、圖2e、圖2f和圖2h），在養(yǎng)馬島大橋兩側(cè)，即第四系中—西南分布區(qū)出現(xiàn)含量高值區(qū)，第四系中—東北分布區(qū)出現(xiàn)含量低值區(qū)。

（3）土壤中Ni的分布（圖2c）與其余各元素均不同，Ni僅在第四系東北部附近出現(xiàn)一個高值區(qū)，其余地區(qū)為低值分布區(qū)。

這種重金屬分布特征可能與人類生產(chǎn)活動有關(guān)。自1984年養(yǎng)馬島被列為山東省重點旅游開發(fā)區(qū)以來，人類活動主要集中在西南區(qū)域，島上的旅游業(yè)、捕撈業(yè)、建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，與之相關(guān)的建筑管線、養(yǎng)殖浮球、農(nóng)業(yè)藥劑、生活電池等工業(yè)制品逐漸被大規(guī)模使用，產(chǎn)品廢棄后分解出來的重金屬隨著雨水、土壤孔隙擴散，從而影響土壤中重金屬的背景含量。

3.2? 相關(guān)性分析

定性方面，從圖2養(yǎng)馬島土壤重金屬含量分布圖中可以大致看出各元素之間的相關(guān)性，Zn和Hg之間的相關(guān)性較高，Pb、Cu和Cr之間的相關(guān)性較高，Ni分布與其余各元素不同，與其余元素相關(guān)性最低。

定量方面，本次采用SPSS軟件對養(yǎng)馬島土壤重金屬含量進行Pearson相關(guān)分析，進一步分析各元素的同源性［2223］，分析結(jié)果見表4。

從表4中可以看出Cr分別與Cu、As之間相關(guān)系數(shù)在0.01水平上為0.842、0.930，為極高度相關(guān)；Cu與As、Zn的相關(guān)系數(shù)分別在0.01和0.05水平為0.884和0.818，為極高度相關(guān)；Zn與Hg相關(guān)系數(shù)在0.01水平上為0.901，為極高度相關(guān)。

上述分析表明，Cu和As以及Zn和Hg均為親銅元素，在土壤中多具有較高的相關(guān)性，但Cr為親鐵元素和Cu也具有較高相關(guān)性，說明各元素之間除了受巖石風(fēng)化、侵蝕及水動力作用等自然過程作用影響，還受到人為的影響（例如人為排放污水，固體垃圾等），相關(guān)性越高的各元素同源性可能性也越大。Ni與其余各金屬元素之間相關(guān)性較低，同源可能性最低。

3.3? 地質(zhì)累積指數(shù)評價

養(yǎng)馬島土壤各重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)（Igeo）計算結(jié)果見表5。從表中可以看出TR2點位Zn、As、Cd為偏中度污染，Hg為嚴重污染；TR3點位As、Cd、Hg為偏中度污染；TR4點位As、Pb為偏中度污染；TR5點位As為偏中度污染，Hg為中度污染；TR7點位Hg為偏中度污染；TR9點位Ni為偏中度污染；其余點位及元素為輕度或無污染。第四系分布區(qū)污染程度綜合來看，Hg均值為1.09，屬于偏中度污染，As和Zn均值分別為0.60、0.02，屬于輕度污染，其余元素為無污染，重金屬元素污染程度依次為Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr。

3.4? 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

養(yǎng)馬島土壤中重金屬單元素及綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的計算結(jié)果見表6，從計算結(jié)果來看，單元素潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（Eir），Cd在TR2、TR3、TR6和TR7點位風(fēng)險程度中等，Hg在TR2、TR3、TR4、TR5、TR7和TR9點位風(fēng)險程度依次為嚴重、較重、中等、重、較重和中等，其余點位元素風(fēng)險程度低；受Cd和Hg潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)高值影響，TR2點位綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）最高，風(fēng)險程度極重；TR3、TR4、TR5和TR7點位綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）較小，風(fēng)險程度中等；其余點位綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）小，風(fēng)險程度低。

對各元素風(fēng)險程度大小進行比較，依次為Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，這與上述用地質(zhì)累積指數(shù)法得出的排列順序有所不同，主要原因是潛在生態(tài)風(fēng)險計算考慮了各重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)（Tir），結(jié)果更能反映重金屬元素的潛在生態(tài)危害。

對各點位重金屬風(fēng)險程度大小進行比較，依次為TR2>TR5>TR3>TR7>TR4>TR9>TR6>TR1>TR10>TR8，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)除TR2點位偏高外，其余點位均小于300，綜合來看，養(yǎng)馬島土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度整體屬于中等程度—低程度。

4? 結(jié)論

本次通過對養(yǎng)馬島第四系土壤的重金屬含量分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的含量平均值分別為23.54mg/kg、20.18mg/kg、16.28mg/kg、59.08mg/kg、8.14mg/kg、0.12mg/kg、32.96mg/kg和0.15mg/kg。除Cr和Cu外，其余元素含量受一定程度的人類活動影響，均超過了該元素牟平地區(qū)背景值。

（2）空間分布上，Ni元素與其余元素不同，高值區(qū)分布在第四系的東北部，其余元素高值區(qū)均分布在第四系的中—西南部；相關(guān)性方面，Ni與其余元素相關(guān)性均較低，Zn和Hg以及Zn和Cu之間相關(guān)性較高，Cu、Cr、As互相之間相關(guān)性較高。

（3）TR2點位Hg異常高值，Hg元素為偏中度污染，元素風(fēng)險程度重。地質(zhì)累積指數(shù)法評價各元素污染程度為Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr，潛在生態(tài)風(fēng)險法評價各元素風(fēng)險程度為Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險程度除TR2點位為極重外，其余點位為中等程度—低程度。

參考文獻：

［1］? 趙鳴，石洪華，池源，等.廟島群島南五島土壤性質(zhì)空間分布及其影響因子［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2017，36（6）：884891.

［2］? 王利英，程雄，黃文鑫，等.廣東內(nèi)伶仃島土壤調(diào)查與污染評價［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（3）：101107.

［3］? 魏艷艷，張凱迪，徐良，等.浙江省無居民海島土壤重金屬污染與植物多樣性的關(guān)系［J］.土壤通報，2019，50（5）：12261232.

［4］? 許昊，郭振，張志衛(wèi)，等.有居民海島土壤重金屬空間異質(zhì)性及其入海風(fēng)險分析：以田橫島為例［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2023，42（5）：704712.

［5］? 劉華峰.章丘區(qū)北部土壤重金屬地球化學(xué)特征及潛在生態(tài)風(fēng)險［J］.山東國土資源，2020，36（9）：5057.

［6］? 湯世凱，張杰，于曉靜，等.山東丁字灣海域沉積物重金屬含量、分布及與粒徑之間的關(guān)系研究［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2020，34（5）：928935.

［7］? 王美娥，彭馳，陳衛(wèi)平.寧夏干旱地區(qū)工業(yè)區(qū)對農(nóng)田土壤重金屬累積的影響［J］.環(huán)境科學(xué)，2016，37（9）：35323539.

［8］? 李金哲，劉寧強，龔慶杰，等.廣東汕頭市內(nèi)海灣沉積物重金屬環(huán)境質(zhì)量調(diào)查與評價［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2021，35（5）：14411449.

［9］? 林龍飛，彭濛萌.論海島型旅游非優(yōu)區(qū)資源評價：以煙臺養(yǎng)馬島和芝罘島為例［J］.山東工商學(xué)院學(xué)報，2014，28（6）：2329.

［10］? 劉真真，張廣海.基于博弈論的中國有居民海島旅游開發(fā)決策研究：以山東煙臺養(yǎng)馬島為例［J］.海洋開發(fā)與管理，2016，33（7）：38.

［11］? 山東省海洋與漁業(yè)廳.山東海島［M］.北京：海洋出版社，2010：224228.

［12］? MULLER G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River［J］.Geojournal，1969，2（2）：108118.

［13］? 顧效源，孔祥淮，王偉，等.山東丁字灣表層沉積物重金屬分布及污染評價［J］．海洋地質(zhì)前沿，2019，35（3）：1321.

［14］? 康桂玲，徐佳，平艷麗，等.魯西萊陽茌梨產(chǎn)地小流域沉積物重金屬生態(tài)風(fēng)險評價及來源分析［J］.山東國土資源，2023，39（1）：3039.

［15］? 代杰瑞，龐緒貴.山東省縣（區(qū)）級土壤地球化學(xué)基準值與背景值［M］.北京：海洋出版社，2019：396397.

［16］? HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach［J］.Water research，1980，14（8）：9751001.

［17］? 胡慶海，王學(xué)求，韓志軒，等.京津冀地區(qū)永清縣土壤重金屬地球化學(xué)特征及綠色食品產(chǎn)地的土壤質(zhì)量評價［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2023，37（3）：778789.

［18］? 張朋朋，胡蕾，王小丹，等.長島北四島海洋牧場海域環(huán)境適宜性分析［J］．山東國土資源，2022，38（5）：5462.

［19］? 李蘋，黃勇，林赟，等.北京市懷柔區(qū)土壤重金屬的分布特征、來源分析及風(fēng)險評價［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2018，32（1）：8694.

［20］? 丁婷婷，李強，杜士林，等.沙潁河流域水環(huán)境重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價［J］.環(huán)境化學(xué)，2019，38（10）：23862401.

［21］? 姚春卉，張春榮，李少勇，等.膠州灣沿岸土壤重金屬元素分布特征及其生態(tài)風(fēng)險評價［J］.中國科技論文，2021，16（1）：112120.

［22］? 楊振宇，廖超林，鄒炎，等.湘東北典型河源區(qū)土壤重金屬分布特征、來源解析及潛在生態(tài)風(fēng)險評價［J］.環(huán)境化學(xué)，2023，44（9）：52885298.

［23］? 張又文，韓建華，涂棋，等.天津市郊農(nóng)田土壤重金屬積累特征及評價［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2019，35（11）：14451452.

Evaluation of Heavy Metal Contamination and Ecological Risk of Soil in Southern Yangmadao in Yantai City in Shandong Province

TANG Shikai1，2，HU Shengtao1，2，LI Yihong1，2，QIANG Menglin1，2，YU Linhong1，2，ZHANG Xiangheng3，WANG Can4

（1.Shandong Marine Geological Exploration Institute， Shandong Yantai 264004，China;2.No.3 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Yantai 264004，China;3.Yantai Ludong Surveying and Mappinging Limited Corporation，Shandong Yantai 264004，China;4.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstracr：Based on content testing analysis of heavy metal（Cr， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Pb and Hg） of soil in Quaternary distribution area in southern Yangmadao in Yantai city， by using statistical analysis， geological accumulation index method and potential ecological risk index method， the correlation， pollution level and ecological risk of elements have been studied and evaluated. It is showed that influenced by human activities to a certain extent， except for Ni， high value areas are mainly distributed in the middle to southwest of the Quaternary system. Except for Cr and Cu， the average element content exceeds the background value. Correlation analysis shows that there is a high positive correlation between Zn and Hg， Zn and Cu， as well as between Cu， Cr and As. Hg has an abnormally high value at TR2 point， indicating moderate pollution and a high level of risk. The pollution level of each element is evaluated as Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr， with a risk level of Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn. Based on comprehensive evaluation of the potential ecological risk level， TR2 points are classified as extremely severe， while the rest are classified as moderate to low.

Key words：Heavy metals in soil; correlation analysis; ecological risk assessment; southern Yangmadao; Yantai city in Shandong province