松嫩平原黑土區(qū)西北部阿榮旗黑土重金屬分布特征、評(píng)價(jià)及預(yù)警*

杜貫新 閆百泉 孫 雨 錢 程秦 濤 臧延慶 杜繼宇

（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 黑龍江大慶 163318；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心 沈陽(yáng) 110034）

黑土是大自然給予人類得天獨(dú)厚的寶藏，具有質(zhì)地疏松、肥力高、供肥能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被稱為土中“大熊貓”，是東北糧倉(cāng)的基石，也是東北農(nóng)業(yè)的土地基礎(chǔ)（魏丹等，2006；Powlson et al.，2010）。松嫩平原黑土區(qū)是東北三大黑土區(qū)之一，也是典型黑土的主要分布區(qū)（劉寶元等，2008）。近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程加快和土地不正確耕種等問(wèn)題的不斷出現(xiàn)，黑土中已經(jīng)出現(xiàn)了重金屬元素的累積（環(huán)境保護(hù)部和自然資源部，2019①環(huán)境保護(hù)部和自然資源部.2019.全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào).）。因此，黑土重金屬污染問(wèn)題受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注（崔勇等，2020；高鳳杰等，2020；劉媚媚等，2020；李秋燕等，2021）。

在土壤重金屬污染問(wèn)題研究中，首要工作是弄清土壤的污染程度。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是土壤污染程度評(píng)價(jià)最直接的手段之一（陳秀端等，2011；麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜等，2017；洪濤等，2019），在黑土研究中亦是如此。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)重金屬元素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法有多種，主要包括以單因子指數(shù)法（高鳳杰等，2020；李娜等，2021）、地累積指數(shù)法（賀靈等，2021；羅哲等，2021）、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（阿迪萊·伊斯馬伊力，2021）、污染負(fù)荷指數(shù)（王誠(chéng)煜等，2021；于沨等，2021）、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜等，2017；劉媚媚等，2020；賀靈等，2021）等為代表的指數(shù)法，以健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型（Lee et al.，2006）代表的模型模擬法，以及基于GIS進(jìn)行空間分析的GIS分析法（王小宇等，2018）等。單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在近年來(lái)應(yīng)用較廣泛（周旭等，2019；王敏等，2021），單因子指數(shù)法能夠直觀地反映單項(xiàng)重金屬在土壤中的污染情況；內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法主要突出高濃度污染物對(duì)環(huán)境的影響，避免了由于平均作用而削弱高濃度污染物權(quán)重現(xiàn)象的發(fā)生；潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是將重金屬環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)效應(yīng)相聯(lián)系，給予一個(gè)毒性響應(yīng)系數(shù)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)（H?kanson，1980；方曉波等，2015；洪濤等，2019；崔勇等，2020）。上述方法都具有各自的適用范圍和評(píng)價(jià)目的，但單一評(píng)價(jià)方法對(duì)重金屬污染的客觀表達(dá)較局限，評(píng)價(jià)結(jié)果可能具有一定的局限性（洪濤等，2019）。因此，有必要進(jìn)行多方法綜合評(píng)價(jià)。

近年來(lái)，已有學(xué)者使用兩種指數(shù)法相結(jié)合對(duì)松嫩平原黑土區(qū)的重金屬污染情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了黑土重金屬存在不同程度的累積（楊忠平，2008；唐麗靜等，2014；孫淳浩，2018；高鳳杰等，2020；劉媚媚等，2020；吳松澤等，2021），但研究區(qū)域大多集中在松嫩平原黑土區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度較好、重工業(yè)較多的南部和東北部地區(qū)，且評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用也較單一，目前西北部黑土研究尚缺少重金屬方面資料的支撐?；诖?，本次選擇松嫩平原黑土區(qū)西北部阿榮旗為研究區(qū)，利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法進(jìn)行多方法綜合評(píng)價(jià)，進(jìn)而降低單一評(píng)價(jià)方法的局限性。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法多用于城市內(nèi)沉降物污染情況的預(yù)警（Rapant and Kordík，2003；楊秀云等，2021），目前尚未在黑土領(lǐng)域中應(yīng)用。本次將其引用到黑土重金屬污染評(píng)價(jià)，并采用多種方法、多背景值進(jìn)行對(duì)比分析，旨在更加準(zhǔn)確地揭示重工業(yè)較少的黑土區(qū)西北部重金屬污染情況，以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法在黑土重金屬污染評(píng)價(jià)中的適用性，可為維護(hù)黑土環(huán)境安全和黑土資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原黑土區(qū)西北部（崔明等，2008；劉寶元等，2021），研究范圍為北緯48°04′15″～48°10′11″，東經(jīng)123°22′34″～123°30′30″，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市阿榮旗，位于主城區(qū)東北部（圖1），為阿倫河的一級(jí)階地與二級(jí)階地之上，地勢(shì)平坦，坡度較小。土地利用方式為城區(qū)用地和農(nóng)用地，土壤類型為黑土。氣候條件屬于典型的半干旱—半濕潤(rùn)大陸性氣候，全年降水量在450 mm左右，年平均氣溫3.4℃，農(nóng)作物生育期為90～130天。主要農(nóng)作物類型有玉米、小麥、水稻、大豆等，是全國(guó)500個(gè)商品糧生產(chǎn)基地之一（朱偉峰，2015）。

1.2 樣品采集與測(cè)試

本次黑土樣品采集規(guī)范參照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》（DZ/T 0258-2014）。以1∶25 000地形圖為底圖，利用GPS野外定位，對(duì)阿榮旗阿倫河兩側(cè)城區(qū)與農(nóng)用地共55.6 km2的表層黑土進(jìn)行樣品采集，采樣平均密度為1個(gè)點(diǎn)/2 km2，采樣深度為0～20 cm。本次共采集樣品32件，采集位置如圖（圖1b）。每個(gè)樣品由樣點(diǎn)及樣點(diǎn)兩側(cè)50 m處2個(gè)采集點(diǎn)位的黑土樣品構(gòu)成。將3個(gè)點(diǎn)位的黑土樣品充分混合后，利用四分法取樣，經(jīng)風(fēng)干、研磨過(guò)篩、裝袋送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析，本次樣品檢測(cè)分析工作由東北地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。檢測(cè)分析項(xiàng)目包括：As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等8項(xiàng)元素，As和Hg采用原子熒光（AFS）法進(jìn)行測(cè)定，Zn、Cr、Ni、Pb等4項(xiàng)元素采用X熒光光譜（XRF）法測(cè)定；Hg和As元素由電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定，檢出限為50×10-3mg/kg。數(shù)據(jù)整理分析與圖件繪制利用Excel、MapGIS、DGSS以及CorelDraw X9等軟件完成。

1.3 黑土重金屬污染物評(píng)價(jià)方法

（1）單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法可以對(duì)土壤中任意一種重金屬污染物的污染程度及特性做出評(píng)價(jià)（房增強(qiáng)，2016；李娜等，2021），是指數(shù)法中應(yīng)用較多的方法，也是國(guó)內(nèi)外最常用的黑土重金屬污染物評(píng)價(jià)方法之一。單因子指數(shù)（Pi）的計(jì)算公式如式（1）。

式中，Ci為土壤中污染物指標(biāo)i的實(shí)測(cè)質(zhì)量數(shù)值（mg/kg）；Si為土壤中污染物指標(biāo)i的背景值，本次選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中給出的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（mg/kg）。單因子指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)如表1。

表1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)（據(jù)李娜等，2021）Table 1 Grading standard of soil single pollution index method（after Li et al.，2021）

（2）內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法在土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多，是以單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)污染物進(jìn)行綜合分析的方法（王斐等，2015；羅改等，2019）。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)（NPI）的計(jì)算公式如式（2）。

式中，NPI為重金屬元素j的綜合污染指數(shù)；pjmax為重金屬元素j元素單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值；pjave為重金屬元素j元素單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)如表2。

表2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)（據(jù)羅改等，2019）Table 2 Grading standard of Nemerow comprehensive index（after Luo et al.，2019）

（3）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)法是由瑞典學(xué)者H?kanson結(jié)合沉積學(xué)與毒理學(xué)提出的一種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。這種方法在土壤和城市道路塵土的重金屬評(píng)價(jià)中都得到了很好的應(yīng)用（H?kanson，1980；麥麥提吐?tīng)栠d·艾則孜等，2017；楊秀云等，2021）。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的計(jì)算公式如式（3）。

式中RI為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Eib為單因素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Cib為某重金屬元素的污染指數(shù)，代表研究區(qū)所測(cè)得的各項(xiàng)重金屬含量；為各項(xiàng)重金屬元素的地區(qū)背景值為參考值；Ti為元素i的毒性響應(yīng)系數(shù)，指示該元素在環(huán)境中的危險(xiǎn)程度，Zn、Cr、Ni、Pb、Cu、As、Cd和Hg的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為1、2、5、5、5、10、30、40。

根據(jù)污染物調(diào)整第一級(jí)別界限值的方法（馬建華等，2011；楊秀云等，2021），對(duì)研究區(qū)內(nèi)的重金屬元素毒性系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)如表3。

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)（據(jù)馬建華等，2011；楊秀云等，2021）Table 3 Ratings of potential risk levels of heavy metals in black soil of Arongqi study area（after Ma et al.，2011；Yang et al.，2021）

（4）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法常用于沉積物重金屬元素可能存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警研究，學(xué)者曾證明這種方法對(duì)于道路積塵中重金屬元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有很好的預(yù)警（Rapant and Kordík，2003；楊秀云等，2021）。本次將其應(yīng)用到黑土重金屬元素污染評(píng)價(jià)中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）計(jì)算公式如式（4）。

式中，IER為評(píng)價(jià)樣品環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警綜合指數(shù)；IERi為單元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)；ACi為土壤中污染物指標(biāo)i的實(shí)測(cè)質(zhì)量數(shù)值；RCi為重金屬元素i元素的風(fēng)險(xiǎn)集中限值，為當(dāng)?shù)毓芸貥?biāo)準(zhǔn)。本次分別選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩值、內(nèi)蒙古土壤背景值兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比對(duì)。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：IER≤0無(wú)警；0＜IER≤1預(yù)警；1＜IER≤3輕警；3＜IER≤5中警；IER＞5重警。

2 結(jié)果與討論

2.1 黑土中重金屬含量特征

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，研究區(qū)黑土中8種重金屬含量變化范圍分別為：Cd（0.08×10-6～0.17×10-6）、Cu（4.98×10-6～19.09×10-6）、Pb（21.37×10-6～30.33×10-6）、Zn（36.46×10-6～84.16×10-6）、As（2.74×10-6～16.19×10-6）、Hg（0.01×10-6～0.06×10-6）、Ni（1.91×10-6～124.50×10-6）、Cr（9.84×10-6～178.64×10-6），平 均 值 依 次 為：0.11×10-6、12.74×10-6、25.85×10-6、58.80×10-6、6.95×10-6、0.02×10-6、9.30×10-6、20.55×10-6，分別是內(nèi)蒙古表層土壤背景值的1.99倍、0.90倍、1.50倍、0.99倍、0.93倍、0.53倍、0.18倍、0.50倍（魏復(fù)盛等，1991）。土壤背景值是指在未受人類活動(dòng)影響下的土壤環(huán)境中重金屬元素的自然含量（鮑麗然等，2015），而研究區(qū)內(nèi)黑土中的Cd、Pb含量平均值分別為背景值的1.99、1.50倍，說(shuō)明研究區(qū)黑土受人類活動(dòng)影響導(dǎo)致重金屬元素出現(xiàn)了累積。

元素變異系數(shù)（CV）可以反映重金屬含量的平均變異程度。若元素變異系數(shù)較大，說(shuō)明具有外源污染物質(zhì)進(jìn)入，具有污染可能（雷國(guó)建等，2013）。研究區(qū)內(nèi)黑土重金屬元素的變異情況如表4所示，As（0.50）、Ni（0.49）、Cr（0.42）、Hg（0.39）、Pb（0.26）、Cu（0.26）處于中等變異（0.25＜CV≤0.5），表明黑土中As、Ni、Cr、Hg、Pb、Cu空間差異性較大，元素分布不均勻，可能有外源污染物質(zhì)進(jìn)入；Zn（0.11）、Cd（0.16）為弱變異性（CV≤0.25），表明兩種元素空間差異較小，元素分布較均勻，外源污染物質(zhì)進(jìn)入可能性小。

表4 研究區(qū)黑土中重金屬含量特征Table 4 Statistics of heavy metal concentrations in black soil of Arongqi study area

2.2 黑土中重金屬含量對(duì)比

選取松嫩平原黑土區(qū)東北部哈爾濱地區(qū)（劉媚媚等，2020）和東南部吉林地區(qū)（唐麗靜等，2014），與研究區(qū)的重金屬含量進(jìn)行對(duì)比如表5，結(jié)果表明，東南部吉林地區(qū)黑土中的Cu、As、Ni、Cr平均含量明顯高于研究區(qū)，分別達(dá)到了研究區(qū)平均含量的1.7倍、1.5倍、2.9倍和2.74倍；東北部黑土中的Zn和Hg平均含量高于研究區(qū)，分別達(dá)到了1.2倍和3倍。特別是研究區(qū)Ni和Cr平均含量明顯低于其他區(qū)域。由此可見(jiàn)，雖然研究區(qū)黑土中重金屬元素出現(xiàn)了累積，但相對(duì)于松嫩平原黑土區(qū)其他區(qū)域累積程度較輕。

表5 松嫩平原黑土區(qū)不同位置重金屬含量/×10-6對(duì)比Table 5 Comparison of heavy metal contents/×10-6 in different locations in Songnen black soil region

2.3 黑土重金屬污染特征與空間分布

通過(guò)單因子指數(shù)法得出8個(gè)重金屬元素單因子指數(shù)（Pi）的平均值見(jiàn)表6，Cd（0.37）、As（0.24）、Zn（0.23）、Pb（0.22）、Cu（0.13）、Cr（0.10）、Ni（0.07）、Hg（0.01）均小于0.7，低于農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控篩選值；Ni在局部地區(qū)存在輕度污染等級(jí)，從污染點(diǎn)位占有率來(lái)看，輕度污染等級(jí)占比為3.13%，清潔等級(jí)占96.87%。Cr在局部地區(qū)存在警戒線等級(jí)，從污染點(diǎn)位占有率來(lái)看，警戒線等級(jí)占比為3.13%，清潔等級(jí)占96.87%；8種重金屬元素內(nèi)梅羅綜合指數(shù)（NPI）介于0.20～0.92之間，平均值為0.33，為無(wú)污染水平，危險(xiǎn)程度為無(wú)影響。存在局部點(diǎn)位大于0.7，處于警戒程度，樣點(diǎn)占總比3.13%。

表6 研究區(qū)黑土重金屬污染評(píng)價(jià)指數(shù)Table 6 Pollution appraisal indexes of heavy metal in black soil of Arongqi study area

為了對(duì)Ni、Cr和NPI出現(xiàn)的高值進(jìn)一步分析，繪制了Ni、Cr與NPI的空間分布圖（圖2）。由圖中可看出Ni輕度污染的位置主要分布在南那吉村西南部，Ni與Cr具有一定的空間同步性，說(shuō)明二者受外來(lái)因素的影響一致。研究表明，在工廠燃煤、燃油、金屬電鍍、軸承生產(chǎn)排放的工業(yè)粉塵以及流水中包含大量的Ni和Cr元素（方曉波等，2015）。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Cr與Ni高值區(qū)位于廢品收購(gòu)站、汽車修理廠、太陽(yáng)能制造等具有大量工業(yè)粉塵排放附近，這可能是導(dǎo)致這兩種元素含量偏高的重要原因。從NPI的分布來(lái)看，與Cr、Ni高值區(qū)具有空間同步性，由此可見(jiàn)，Ni和Cr高值是NPI高值的主要誘因。

圖2 研究區(qū)黑土中重金屬元素空間分布圖Fig.2 Heavy metal spatial distribution in Arongqi study area

2.4 黑土的重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)分析及空間分布

如表7可見(jiàn)，研究區(qū)重金屬的單元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（Er）的平均值遞增序列為Zn（1.01）、Cr（1.31）、Ni（4.10）、Cu（4.70）、Pb（7.55）、As（10.29）、Hg（22.30）、Cd（64.12），其中Cr、Zn、Ni、Pb、Cu、As所有樣點(diǎn)Er均低于40，為輕微風(fēng)險(xiǎn)，Cd元素Er值64.12，為中等風(fēng)險(xiǎn)，Er值范圍為45.44～101.36，中等風(fēng)險(xiǎn)與高等風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)占比分別為96.85%、3.15%。Hg元素Er值22.30，Er范圍為14.2～60.55，仍存在一部分樣點(diǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)。

表7 阿榮旗研究區(qū)黑土重金屬元素潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 7 Potential risk level of heavy metal elements in black soil of Arongqi study area

Hg輕微風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)占比分別為93.75%、6.25%。8種重金屬元素聯(lián)合產(chǎn)生的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）為115.36（表7），為輕微風(fēng)險(xiǎn)，變化范圍為72.86～241.06之間，RI輕微、中等風(fēng)險(xiǎn)的占比分別為68.73%、31.25%、其中Cd樣點(diǎn)對(duì)RI的貢獻(xiàn)率介于21.88%～84.34%之間，平均為65.62%，由此可見(jiàn)區(qū)內(nèi)黑土中的主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)元素Cd，Hg只在局部富集。研究表明Cd與Hg元素都是極具生物毒性的元素（阿地拉·艾來(lái)提等，2020），為了進(jìn)一步研究Cd、Hg重金屬元素的高值分布情況，繪制了Cd、Hg和RI的空間分布圖（圖3）。

圖3a所示，Hg的中等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位分布于研究區(qū)的東部，呈斑狀分布，其余為輕微風(fēng)險(xiǎn)，研究表明Hg元素主要受化石燃料燃燒、電子工業(yè)以及生活垃圾的影響（周旭等，2019），經(jīng)實(shí)地調(diào)查與研究分析發(fā)現(xiàn)Hg高值區(qū)的分布主要為廢品收購(gòu)站、汽車修理廠、養(yǎng)殖場(chǎng)附近，在冬季需要大量燃料進(jìn)行取暖區(qū)域以及汽車主要聚集區(qū)域，這可能是導(dǎo)致Hg元素含量偏高的重要原因。

為了進(jìn)一步分析Cd重金屬元素的空間分布，把中等風(fēng)險(xiǎn)Er分為二段式進(jìn)行研究，圖3b中可見(jiàn)中等風(fēng)險(xiǎn)的地帶分異性明顯，中等風(fēng)險(xiǎn)中40＜Er＜60主要分布區(qū)域與主城區(qū)具有一定的重合性，中部向北東方向展布。中等風(fēng)險(xiǎn)中60＜Er＜80主要分布北西部與南東部的黑土農(nóng)用地和城市周邊位置，中等風(fēng)險(xiǎn)Er＞80主要分布于主城區(qū)局部位置。Cd是我國(guó)農(nóng)田重污染元素，中國(guó)農(nóng)田土壤重金屬Cd含量明顯高出地區(qū)背景值（張小敏等，2014），其中最主要誘因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥和農(nóng)藥的施加（Gray et al.，2003），張民等也在研究重金屬元素分布規(guī)律時(shí)證實(shí)，當(dāng)有化肥進(jìn)入土壤時(shí)，Cd元素有表土層富集的趨勢(shì)（張民等，1996），研究區(qū)黑土中Cd重金屬元素普遍含量高可能是使用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和化肥農(nóng)藥所致，圖中Cd元素的Er最高值分布在北部的朝鮮村附近，在經(jīng)過(guò)實(shí)地的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，村子內(nèi)具有較多塑料大棚和地膜覆蓋的高密度種植區(qū)，研究表明農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑含有Cd重金屬元素（段玲玲等，2021），結(jié)合高密度的種植，這可能是引起該區(qū)域出現(xiàn)Cd元素高風(fēng)險(xiǎn)的主要原因。研究區(qū)8種元素RI的高值區(qū)的空間分布格局與Cd元素具有較高的相似性，表明區(qū)內(nèi)綜合風(fēng)險(xiǎn)RI的分布格局主要受到Cd元素的影響。

圖3 阿榮旗研究區(qū)重金屬元素潛在風(fēng)險(xiǎn)空間分布圖Fig.3 Heavy metal spatial distribution in Arongqi study area

為探析松嫩平原黑土區(qū)重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)特征，選取松嫩平原黑土區(qū)東北部哈爾濱地區(qū)（劉媚媚等，2020），東南部公主嶺—梨樹(shù)、九臺(tái)—德惠、榆樹(shù)—松原地區(qū)多個(gè)區(qū)域（唐麗靜等，2014）與阿榮旗的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行對(duì)比如表8，在松嫩黑土區(qū)東南部的公主嶺—梨樹(shù)地區(qū)和西北部阿榮旗地區(qū)均出現(xiàn)了Cd元素的中等風(fēng)險(xiǎn)，最高值出現(xiàn)在西北部阿榮旗地區(qū)黑土中。Cu、As、Ni、Cr等4項(xiàng)元素的Er高值均出現(xiàn)在東南部黑土中，Zn元素Er最高值在東北部哈爾濱黑土中。綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)RI經(jīng)同項(xiàng)元素?cái)?shù)量對(duì)比可知，最高值出現(xiàn)在東北部哈爾濱黑土中，最低值在東南部九臺(tái)—德惠黑土中。通過(guò)以上的分析可以看出，阿榮旗黑土中大部分元素的潛在風(fēng)險(xiǎn)低于其他區(qū)域黑土，Cd元素明顯的高于其他區(qū)域黑土，對(duì)此應(yīng)給予重視。

表8 松嫩平原黑土區(qū)不同位置重金屬元素潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)比Table 8 Comparison of potential risk levels of heavy metal elements in black soil in different locations of Songnen black soil area

2.5 黑土的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警研究對(duì)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防與治理有著指導(dǎo)作用。本次將該方法應(yīng)用到阿榮旗黑土研究中進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并采用了兩種對(duì)比背景進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證其應(yīng)用性。結(jié)果如下，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩值為背景的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果如表9，可知8種單項(xiàng)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IERi）的平均值由大到小的排列順序?yàn)镃d（-0.64）、As（-0.75）、Zn（-0.75）、Pb（-0.76）、Ni（-0.83）、Cu（-0.84）、Cr（-0.86）、Hg（-0.99），8項(xiàng)元素均屬于無(wú)警（IERi≤0），Ni元素局部點(diǎn)位具有預(yù)警。8種元素聯(lián)合產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）介于-0.80～-0.08之間，平均值為-0.67，為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，與單因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的結(jié)果相同，但對(duì)于單項(xiàng)重金屬元素的污染識(shí)別方面相比單因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法敏感度略低。

表9 阿榮旗研究區(qū)黑土重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)IER（以GB15618-2018中風(fēng)險(xiǎn)篩值為參考）Table 9 Pollution appraisal index IER of heavy metal in black soil of Arongqi study area（risk screening value from GB15618-2018）

以內(nèi)蒙古表層土壤背景值為參考背景（魏復(fù)盛等，1991）的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警結(jié)果如表10。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IERi）的平均值由大到小的排列順序?yàn)镃d（1.11）、Pb（0.50）、Zn（-0.01）、As（-0.07）、Cu（-0.10）、Hg（-0.47）、Cr（-0.50）、Ni（-0.52），其中Cd元素為輕警（1＜IERi≤3），Pb為預(yù)警（0＜IERi≤1），Zn、As、Cu、Hg、Cr、Ni，6種元素均為無(wú)警。8種元素聯(lián)合產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）介于-2.70～9.17之間，平均值為0.65屬于預(yù)警，經(jīng)統(tǒng)計(jì)之后發(fā)現(xiàn)IER處于重警、中警、輕警、預(yù)警、無(wú)警的點(diǎn)樣的占比分別為3.13%、3.12%、31.25%、25%、37.50%。

表10 阿榮旗研究區(qū)黑土重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)IER（以內(nèi)蒙古表層背景值為參考）Table 10 Pollution appraisal index IER of heavy metal in black soil of Arongqi study area（background value of surface soil from Inner Mongolia）

IER的空間分布情況如圖4所示，黑土中8種重金屬元素的預(yù)警分布為中部無(wú)警，兩側(cè)逐級(jí)升高的分布格局，中、重度預(yù)警主要集中在研究區(qū)的南東部。預(yù)警與輕警態(tài)勢(shì)主要集中在研究區(qū)的北西部，中部城區(qū)較低，與RI的空間變化趨勢(shì)基本一致，相比較潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，在單項(xiàng)元素方面更加靈敏。綜上分析，研究區(qū)內(nèi)RI、IER、NPI的空間分布主要受到來(lái)自Cd、Pb、Ni、Ci等4項(xiàng)元素的影響，其中研究區(qū)內(nèi)最主要的影響元素為Cd，次要元素為Pb。

圖4 阿榮旗研究區(qū)黑土中金屬IER的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of heavy metal IER in black soil of Arongqi study area

2.6 方法對(duì)比與應(yīng)用

本次在阿榮旗黑土重金屬元素污染調(diào)查中，采用了單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)、H?kanson潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，并首次引用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法，各方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定差別。利用單因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法分析采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩值為參考背景時(shí)，顯示清潔無(wú)污染，但是單因子指數(shù)法反映出Ni、Cr元素極值的污染情況。利用H?kanson潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法采用內(nèi)蒙古背景值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，顯示Cd元素的中等風(fēng)險(xiǎn)，綜合風(fēng)險(xiǎn)顯示為輕微風(fēng)險(xiǎn)。雖然結(jié)果均顯示為安全、輕微風(fēng)險(xiǎn)，但是從各方法的異常反應(yīng)元素來(lái)看，潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)于Cd元素的反應(yīng)比較靈敏，而單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)Ni、Cr的反應(yīng)比較靈敏，這主要是不同方法的側(cè)重性與背景值選用不同的結(jié)果。所以今后在研究黑土中重金屬元素污染時(shí)，有必要進(jìn)行多種方法，多背景值的對(duì)比研究。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩值為參考背景時(shí)，顯示為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，與單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法測(cè)得的結(jié)果一致，在單項(xiàng)元素風(fēng)險(xiǎn)方面但反映出Ni元素的極值預(yù)警。在選用內(nèi)蒙古表層土壤背景值做參考背景時(shí)顯示Cd元素輕警，Pb元素預(yù)警，IER為預(yù)警，出現(xiàn)預(yù)警的區(qū)域分布與潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法RI的空間變化趨勢(shì)基本一致，相比較潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)單元素Pb的識(shí)別更靈敏。綜合以上分析，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警法通過(guò)選用不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重金屬元素預(yù)警結(jié)果與各類方法相同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比較為準(zhǔn)確，結(jié)合靈敏度方面考慮在阿榮旗研究區(qū)黑土中的應(yīng)用較為成功。

3 結(jié) 論

黑 土 中8種 重 金 屬 含 量 由 大 到 小 分 別 為Zn（58.80×10-6）、Pb（25.85×10-6）、Cr（20.55×10-6）、Cu（12.74×10-6）、Ni（9.30×10-6）、As（6.95×10-6）、Cd（0.11×10-6）、Hg（0.02×10-6），Cd、Pb元素受農(nóng)業(yè)影響存在著一定的累積，高于內(nèi)蒙古表層土壤背景值。8種重金屬的污染指數(shù)Pi均低于國(guó)家農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，為清潔（安全）；綜合指數(shù)NPI（0.33）小于0.7，等級(jí)為無(wú)影響。

潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的結(jié)果表明Cd為中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余元素均為輕微風(fēng)險(xiǎn)，綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)為輕微風(fēng)險(xiǎn)（RI=115.36）。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)法參考背景選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018）時(shí)，單元素與綜合環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警均為無(wú)警（IERi＜0，IER＜0），參考背景選用內(nèi)蒙古表層土壤背景值時(shí)顯示Cd元素輕警，Pb元素預(yù)警，綜合IER為預(yù)警；8種重金屬元素空間分布RI、IER較相似，主要受Cd的影響最為顯著；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)（IER）在研究區(qū)黑土中應(yīng)用較為成功。

致 謝感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（編號(hào)：DD20190039-01）資助；感謝東北地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心在實(shí)驗(yàn)中給予的幫助；感謝編輯老師和審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)。