網(wǎng)湖流域不同類型土壤重金屬含量及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

呂 典，金 晶，林邦俊，劉玉青

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

近年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，導(dǎo)致環(huán)境問題例如土壤重金屬污染越來越受到人們關(guān)注。對(duì)土壤重金屬含量做有效的定量分析，能準(zhǔn)確判斷土壤的污染狀況，從而掌握土壤重金屬元素的積累趨勢(shì)與空間分布狀況，為生態(tài)污染風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估提供數(shù)據(jù)依據(jù)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受Cd、As、Pb、Hg、Zn 等重金屬污染的耕地面積近 2 000 萬hm2，約占總耕地面積的 1/5[1]。土壤重金屬污染分為人為和自然兩種原因。自然原因主要是因?yàn)閹r石風(fēng)化和火山噴發(fā)等自然地質(zhì)活動(dòng)，而人類活動(dòng)是土壤重金屬污染的主要形成原因，其中主要人類活動(dòng)包括礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、化工化纖、汽車尾氣排放、污泥排放、農(nóng)田灌溉、農(nóng)藥以及化肥過量施用等[8-9]。其中因?yàn)榈V產(chǎn)開采和鋼鐵冶煉的“三廢”排放，使得湖南省湘江流域和資江流域土壤中重金屬Cd、As、Pb、Zn 和Cu 污染比較嚴(yán)重，并產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。而在沈陽(yáng)張士地區(qū)因?yàn)楣I(yè)污水長(zhǎng)久灌溉導(dǎo)致了土壤中重金屬Cd 超標(biāo)，并且在停耕10年后土壤中鎘的移動(dòng)性和生物有效性仍很高[4]。朱桂芬等對(duì)河南省新鄉(xiāng)市寺莊頂污灌區(qū)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)土壤中重金屬鎘、鎳、鋅和銅的含量嚴(yán)重超標(biāo)，分別是國(guó)家土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的108.85、19.94、9.33 和1.46 倍[5]。重金屬可以導(dǎo)致癌癥以及各種突發(fā)疾病，對(duì)人體的健康有著巨大危害[10-11]。以重金屬鎘為例，長(zhǎng)期接觸會(huì)造成人體腎臟損害，進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和軟化[23-24]。因此，研究網(wǎng)湖的土壤重金屬十分有必要，因?yàn)樵诰W(wǎng)湖濕地保護(hù)區(qū)中，不僅僅有珍稀瀕危野生動(dòng)植物資源及其棲息地，而且其附近的陽(yáng)新縣由于煉礦的污染使得該地區(qū)發(fā)生了多起重金屬砷的污染。而網(wǎng)湖作為網(wǎng)湖濕地保護(hù)區(qū)的核心區(qū)域之一，對(duì)其土壤重金屬的研究可以分析出周圍區(qū)域是否已經(jīng)受到污染，是否會(huì)影響周圍動(dòng)物與植物的生存與發(fā)展。

1 研究區(qū)域概況

湖北網(wǎng)湖濕地省級(jí)自然保護(hù)區(qū)在黃石市陽(yáng)新縣，位于115°14′00″～115°25′42″E、29°45′11″～29°56′38″N之間,處于長(zhǎng)江中下游南岸，長(zhǎng)江與富水交匯的三角地帶，總面積達(dá)到 20 495 hm2。

網(wǎng)湖濕地自然保護(hù)區(qū)主要由網(wǎng)湖和舒婆湖組成，核心區(qū)四周中小型湖泊星羅棋布，東有王港湖、楊賽湖和新湖，南邊從東到西依次有夾節(jié)湖、大坡湖、小坡湖、神靈湖、吳家曬湖、下羊湖、小賽湖、絨湖、牛湖、下西湖、中西湖和朱家義湖，西北有賽橋湖、道士湖和下司湖，緊靠良薦湖，北有碧山湖。在西邊的緩沖區(qū)還有紅星塘和東風(fēng)塘，寶塔湖和十里湖內(nèi)的精養(yǎng)魚池眾多，區(qū)外還有石灰賽湖等湖泊群。

該地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫15.9℃，降水量 1 371 mm。湖水補(bǔ)給方式有地表徑流補(bǔ)給與雨水補(bǔ)給。入湖河流主要是富水，汛期洪水經(jīng)網(wǎng)口入湖，非汛期湖水由網(wǎng)口出流，下注富池口排入長(zhǎng)江。多年平均最高水位20.30 m，最低水位15.8 m，平均變幅4.5 m。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與處理

采樣的地點(diǎn)圍繞網(wǎng)湖周邊地區(qū)，其具體采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points

其中水稻田的采樣點(diǎn)一共20個(gè)，林地采樣點(diǎn)22個(gè)，共計(jì)42個(gè)采樣點(diǎn)。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，經(jīng)自然風(fēng)干一個(gè)月，對(duì)仍含有水分的土壤進(jìn)行烘干。再取3～5 g土壤，剔除樣品中較大石塊、植物莖葉和根系，用瑪瑙研缽研磨，過150～200目篩。收集樣品裝入聚乙烯袋中干燥封存，做好編號(hào)標(biāo)記。

2.2 測(cè)定工作與數(shù)據(jù)處理

1)取出研磨至150～200目的土壤樣品0.4～0.5 g，用電子天平稱量土壤質(zhì)量并記錄。

2)將稱好的土樣放入消解罐中，加入12 mL濃硝酸以及8 mL濃鹽酸,在XT-9900A的微波消解儀中設(shè)定4個(gè)程序反應(yīng)15 min。待儀器工作結(jié)束后，取出消解罐，將其放在冷風(fēng)機(jī)上吹，直至反光板回落至初始位置。慢慢打開消解罐外罐，取出內(nèi)罐。打開內(nèi)罐后，將其放到預(yù)處理儀上，溫度設(shè)置150℃，升溫趕酸(罐子里液體少于1 mL即可)。待蒸發(fā)完全黃煙散去后，轉(zhuǎn)移至玻璃試管，定容到50 mL。待靜置一段時(shí)間以后，取20～30個(gè)消解好的試樣，對(duì)其進(jìn)行原子光譜吸收。

3)使用Thermo(賽默飛)ICE 3000的原子光譜吸收儀進(jìn)行土壤重金屬的測(cè)定。其測(cè)定原理是輻射通過自由原子蒸汽，且入射輻射的頻率等于原子中的電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)(一般情況下都是第一激發(fā)態(tài))所需要的能量頻率時(shí)，原子就要從輻射場(chǎng)中吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)伴隨著原子吸收光譜的產(chǎn)生。使用該儀器，用火焰法分析土壤Cu、Ni、Zn、Cr的濃度，用石墨爐分析土壤Cd的濃度。

4)對(duì)土壤樣品濃度進(jìn)行計(jì)算，得出土壤重金屬含量。其國(guó)標(biāo)方法如下：

(1)

式中：W—土壤樣品中Cu、Ni、Zn、Cr、Cd(mg/kg)的含量；C—試液的吸光度減去空白試液的吸光度，然后在校準(zhǔn)曲線上查得Cu、Ni、Zn、Cr、Cd 的含量(μg/L)；V—測(cè)定溶液的體積(ml);m—稱取試樣的質(zhì)量(g);f—試樣中水分的含量(g)。

2.3 評(píng)價(jià)方法

2.3.1單因子污染評(píng)價(jià)法

通過單因子評(píng)價(jià)，可以確定主要的重金屬含量的危害程度。其是用土壤單項(xiàng)污染物的實(shí)測(cè)值和背景值相比來說明該污染物在土壤中的污染狀況[12-14]：

(2)

式中：Pi為第i種污染物的污染分指數(shù)；Ci為第i種污染物實(shí)測(cè)濃度；Si為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

Pi≤1，表示土壤重金屬i含量未超標(biāo)；Pi>1，表示土壤重金屬含量超標(biāo)且值越大超標(biāo)程度越嚴(yán)重。

2.3.2綜合指數(shù)法

單因子指數(shù)只能反映各個(gè)重金屬元素的污染程度，因此不能反映土壤重金屬的整體情況。綜合污染指數(shù)既兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，又突出了污染較重的重金屬污染物的作用[15-18]。其綜合污染指數(shù)計(jì)算方法如下：

(3)

綜合因子污染指數(shù)和單項(xiàng)因子污染指數(shù)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Soil environmental quality grading standards

2.3.3地累積指數(shù)污染評(píng)價(jià)法

現(xiàn)如今采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法等在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)比較常見，以上兩種方法均能對(duì)研究區(qū)土壤重金屬的污染程度進(jìn)行較為全面評(píng)價(jià)，但無法從自然異常中分離人為異常，判斷表生過程中重金屬元素的人為污染情況。地累積指數(shù)法注意到了此因素，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足[6-7]。

地累積指數(shù)(Igeo)通常稱為Muller指數(shù)，不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響，而且也充分注意了人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響，因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)[17，19]。地累積指數(shù)計(jì)算方法如下：

Igeo=log2(Cn/kBn)

(4)

式中：Cn為元素n 在土壤中的含量；Bn為土壤中該元素的化學(xué)背景值；K為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)(一般取值為1.5)，用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響[17]。評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2.3.4聚類分析法

聚類分析是研究多要素事物分類問題的數(shù)量方法，其基本原理是用數(shù)學(xué)方法按照某種相似性或差異性指標(biāo)，定量地確定樣本直接的親疏關(guān)系，并按這種親疏關(guān)系程度對(duì)樣本進(jìn)行聚類[21-22]。

3 結(jié)果

3.1 土壤重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)

將網(wǎng)湖周邊土壤重金屬元素含量特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果與湖北省土壤背景值、中國(guó)土壤背景值[20]和世界土壤中值[20]對(duì)比，詳見表3。

由表3可見，與我國(guó)土壤背景值相比，湖北省土壤中重金屬元素Cu、Zn、Cr、Cd、Ni的含量普遍高于中國(guó)土壤背景值，與世界土壤的背景值相接近。

表3 網(wǎng)湖周邊地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素特征值Tab.3 Characteristic value of heavy metal elements in farmland soil around Wanghu Lake

注：引自《中國(guó)土壤元素背景值》[20]

由表3的結(jié)果可以看出，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)中，不論哪一種，網(wǎng)湖周邊農(nóng)田土壤利用類型的Cu、Zn、Cr、Cd、Ni的P值均高于0.05，說明所有的數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

在網(wǎng)湖周邊地區(qū)土壤中，不論是什么利用類型的農(nóng)田，土壤重金屬元素Cu、Zn、Cd的含量都很高，說明這些元素在該地區(qū)富集程度高，且高于湖北省土壤背景值和中國(guó)土壤背景值以及世界土壤中值。其中Cu、Zn、Cr、Cd、Ni是背景值的2.10,1.42,0.48,22.82,0.48倍?？梢钥闯?，Cd對(duì)比湖北省土壤背景值的比率最高，說明其在網(wǎng)湖周邊區(qū)富集程度相對(duì)較高。同時(shí)對(duì)比Ni元素可以發(fā)現(xiàn)，其部分超過了湖北省土壤背景值與中國(guó)土壤背景值，但僅少量超過世界土壤背景值，且其平均值并沒有超過國(guó)家土壤背景值。

為了更好地觀察網(wǎng)湖流域附近土壤重金屬的累積特征，制作土壤重金屬含量(平均值)/背景值(中國(guó)土壤背景值[25])圖表(圖2、表4)。從圖中可以直觀地看出，水稻田和林地的重金屬含量比率較大的是Cd、Cu與Ni，Zn與Cr比率都比較小。

由表3變異系數(shù)可以看出，重金屬元素Cu、Zn、Cd、Ni具有比較小的變異系數(shù)，變化范圍都在0.1～0.5之間，屬于中等變異強(qiáng)度，反映了這些元素在網(wǎng)湖周邊地區(qū)的分布上具有相對(duì)均一性。Cr的變異系數(shù)雖然水稻田與林地的均大于0.5，U但是小于1，說明總體而言在網(wǎng)湖周邊地區(qū)重金屬元素的波動(dòng)性不大。

圖2 土壤重金屬含量/背景值Fig.2 Soil heavy metal content / background value

表4 網(wǎng)湖周邊土壤重金屬特征

3.2 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.2.1單因子污染評(píng)價(jià)

從結(jié)果分析(表5)來看，Cr、Cu、Zn和Ni的單因子污染指數(shù)均小于1，屬于清潔，可以視為未發(fā)生污染；Cd的單因子污染指數(shù)都大于3，屬于元素含量嚴(yán)重超標(biāo)，國(guó)家相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門應(yīng)該及時(shí)采取科學(xué)的保護(hù)和修復(fù)措施，加以有效管理控制。

3.2.2內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)綜合因子污染指數(shù)和單項(xiàng)因子污染指數(shù)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)進(jìn)行分析,可以看出,水稻田、林地重金屬都屬于重度污染水平，但結(jié)合表6的單因子分析可以認(rèn)為,是由于Cd的嚴(yán)重超標(biāo)使得內(nèi)梅羅指數(shù)處于一個(gè)較高值。

3.2.3地累積指數(shù)污染評(píng)價(jià)

從表7重金屬元素地累積指數(shù)中可以看出，Cu為1級(jí)輕度污染，Cr、Zn和Ni的值都小于0，為清潔。土壤樣品中的Cd元素水稻田與林地在3～4，為偏重污染?？傮w而言，網(wǎng)湖周邊地區(qū)農(nóng)田土壤中Cd元素的累積量較大，污染嚴(yán)重，國(guó)家相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門應(yīng)該及時(shí)采取科學(xué)的保護(hù)和修復(fù)措施。

表5 土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)Tab.5 Single factor pollution index of heavy metal elements in soil

表6 網(wǎng)湖周邊地區(qū)不同類型農(nóng)用地的土壤重金屬平均含量Tab.6 Average content of heavy metals in soil of different agricultural lands around Wanghu Lake

3.3 聚類分析

3.3.1土壤重金屬元素聚類分析

根據(jù)聚類分析結(jié)果(圖3、圖4)可以看出：1)在種植水稻的土壤中Ni與Cr關(guān)系密切，可能受同一個(gè)因素影響，來自一個(gè)污染源，并且Ni、Cr與Cu的污染可能也存在一定聯(lián)系。此外，Zn與Cd都單獨(dú)成一類，說明其污染來源可能不同。2)對(duì)比林地與水稻田的重金屬直接的親疏關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，其也是Ni與Cr關(guān)系密切，Zn與Cd都單獨(dú)成一類。從中可以推斷，水稻田與林地雖然屬于不同的土地利用類型，但是其可能受到外界的干擾是一樣的，差異性不大。

表7 重金屬元素地累積指數(shù)Tab.7 Accumulative indexes of heavy metals

圖3 水稻田土壤重金屬聚類分析

圖4 林地土壤重金屬聚類分析

3.3.2Cd元素采樣點(diǎn)聚類分析

因?yàn)樯厦婢C合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示Cd為偏重污染，所以對(duì)黃石42個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了聚類分析，觀察是否有同一個(gè)污染源對(duì)網(wǎng)湖流域周邊土壤的重金屬含量產(chǎn)生了影響(圖5)。通過聚類分析，將42個(gè)采樣點(diǎn)分成了5組，并用ArcGIS繪制了每組的空間分布圖(圖6)。從圖組4的圖可以看出，在舒婆湖的西南部重金屬Cd較為密集，而在網(wǎng)湖的西北部，從組1來看也相對(duì)分布密集。

圖5 Cd元素聚類分析

4 結(jié)論

1)在網(wǎng)湖周邊地區(qū)土壤中，土壤重金屬元素Cu、Zn、Cd的含量都很高，并且高于湖北省土壤背景值和中國(guó)土壤背景值以及世界土壤中值。其中Cu、Zn、Cr、Cd、Ni是背景值的2.10,1.42,0.48,22.82,0.48倍，說明Cd的污染最為嚴(yán)重。

2)元素Cr、Cu、Zn和Ni的單因子污染指數(shù)均小于1，屬于清潔，可以視為未發(fā)生污染；Cd的單因子污染指數(shù)都大于3，屬于元素含量嚴(yán)重超標(biāo)。同時(shí)，通過內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示，網(wǎng)湖不同土地利用類型中，水稻田、林地重金屬都屬于重度污染水平。

3)通過地積累指數(shù)評(píng)價(jià)可以看出，Cu為1級(jí)輕度污染，Cr、Zn和Ni的值都小于0，為清潔。土壤樣品中的Cd元素，水稻田與林地在3～4之間，為偏重污染?？傮w而言，網(wǎng)湖周邊地區(qū)農(nóng)田土壤中Cd的累積量較大，污染嚴(yán)重。

4)通過聚類分析可以得出，水稻田與林地的土壤中，Ni與Cr關(guān)系密切，可能受同一個(gè)因素影響，來自一個(gè)污染源，并且Ni、Cr與Cu的污染可能也存在一定聯(lián)系。Zn與Cd都單獨(dú)成一類，說明其污染來源可能不同。

圖6 聚類分析重金屬Cd空間分布Fig.6 Spatial distribution of heavy metals Cd by cluster analysis

5)從ArcGIS繪制的Cd聚類分析的空間分布圖可以看出，在舒婆湖的西南部Cd較為密集，而在網(wǎng)湖的西北部也相對(duì)分布密集。并且據(jù)采樣時(shí)的觀察與平時(shí)對(duì)網(wǎng)湖周邊水域的了解，在這兩個(gè)地區(qū)確實(shí)有工廠分布，其對(duì)重金屬的污染產(chǎn)生了一定影響。