典型生态旅游地土壤重金属空间分布及潜在生态风险评价

张永江　邓茂　邵曾　王祥炳　姚靖

摘要：以黔江区城市郊区和生态旅游区域作为研究对象，分析了土壤中8种（As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg）重金属含量，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对土壤中重金属进行了空间分布及潜在风险评价。结果表明：黔江区土壤中8种重金属平均值含量均低于《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）二级标准，除Cd、Cr和Ni低于重庆市土壤背景值外，其余5种重金属都高于其背景值。黔江区土壤中8种重金属元素的污染程度大小为Cu >Hg> Pb> Zn >As> Ni > Cr > Cd，不同采样点位呈现轻度、中度和重度污染。8种重金属之间相关性较强，Cr、Hg与As的来源可能相同，主要受到人类活动的影响。8种重金属平均单项生态风险因子由强到弱的顺序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg处于中等水平生态风险外，其余7种重金属的潜在生态危害程度都较低。与城郊区域土壤生态风险相比较，生态旅游区域土壤指数相对较高。研究区土壤平均潜在生态风险均值为107.6，处于轻微生态危害等级。

关键词：黔江区；生态旅游；土壤重金属；空间分布；风险评价

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.018

中图分类号：X833 文献标识码：A 文章编号：2095-6444（2015）05-0075-05

重金属主要来源于机动车辆、焚化炉、工业废弃物和大气粉尘沉积物等[1-2]。当人暴露于高浓度的重金属中，重金属能够在脂肪组织中积累，从而影响中枢神经系统和破坏身体内部器官的正常功能[3]。此外，研究发现小孩暴露受污染的土壤、灰尘和空气微粒中，可以通过手口途径摄取重金属[4]。同时，重金属被农作物吸收富集后通过食物链传递给人或动物，严重影响人和动物的健康，甚至是整个生态系统[5]。

因此，开展土壤中重金属污染特征成为土壤环境质量研究的重要课题，尤其是土壤中重金属的生态风险成为研究热点[6]。黔江区是全国低碳国土实验区，也是绿色中国·杰出绿色生态城市。近年来，在生态旅游和农业等方面得到了快速发展，人类活动日益频繁，生态环境质量也随之发生变化。基于此，本研究以黔江区城市郊区和生态旅游区域作为研究对象，研究不同土壤类别中重金属元素含量、分布特征，运用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法，结合土壤环境质量二级标准和重庆市土壤背景值对土壤环境质量进行系统性评价，为黔江区生态环境保护和生态经济建设提供科学决策参考。

1 试验方法

1.1 土壤样本采集

样品采集时间在2014年7月，采集区域为黔江区3个乡镇，样品采集范围包括基本农田、饮用水水源地保护区域、居民生活区域、菜园地区域和其他区域。根据具体情况每个采集点用GPS定位布点，采集深度为0～40 cm剖面层，共采集样品15个（其中1～10号为生态旅游区域土壤样品，11～15号为城市郊区土壤样品），为避免采样过程中重金属元素的污染，使用硬质塑料铲垂直挖取40 cm×40 cm土壤剖面，采用对角线法进行多点取样混合一个代表杨的方法，每个混合样品为1 kg左右。土壤样品带回实验室后，样品避光自然风干后并剔除植物残体和石块，对每一份样品采用四分法取样进行磨碎处理，过100（0.149mm）土壤筛，保存于塑料瓶中备用。

1.2 样品消解和测试

土壤样品的猜想采样王水-高氯酸开放式消煮法，称取1g左右试样于Anton PVC 消解罐中，加入5 mL HCl和HNO3，120℃消解24 h，直至消解液为1 mL左右时，冷却至室温后加入高氯酸3 mL，140℃继续消解72 h，消解液为透明澄清未止，消解结束冷却至室温永超纯水定容至50 mL，过滤到经酸浸泡过的干净PE塑料瓶中。空白和标准样品（ GBW08303，国家标准物质研究中心） 同时消解，以确保消解及分析测定的准确度和用于回收率的计算。消解液中采用原子荧光分光光度计（ AFS-930，北京海光分析仪器公司）进行测定As 和Hg含量，采用电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，Optima 2000 DV，PerkinElmer，USA）进行测定Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等重金属元素含量。所有土壤样品测试后再抽取总样品数的30%进行重金属含量的重复性检验，检验结果表明本次测试合格率为100%。

2 评价方法

2.1 重金属单因子污染指数法

采用单因子污染指数法对重金属污染进行评价是国内外普遍选用方法之一，是对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价，评估公式如下[7]：

Pi=CiSi

式中，Pi是土壤污染物i的环境质量指数；Ci是土壤污染物i的实测值，mg/kg； Si是土壤污染物i的评价标准，mg/kg，选用重庆市土壤中重金属元素的平均背景值[8]。Pi≤1，未污染；1

2.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗（Nemerow）综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害。其计算公式为[9]：

PN=[（ci/Si）2max+（ci/Si）2ave2]1/2

式中，PN为综合污染指数；（ci/Si）max为各污染物中污染指数最大值； （ci/Si）ave为各污染物中污染指数的算数平均值。

依据重金属单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，可将土壤重金属污染划分为5个等级。具体如表1所示。

2.3 潜在生态危害指数法

依据瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法对土壤中重金属进行评价，可以反映出单个和各个污染物综合效应及污染水平，定量评估潜在的生态风险和危害程度，该方法只需要土壤中重金属总量分析数据，极大提高了方法的实用性。公式如下：

RI=∑MIEir=∑MITir×Cir=∑MITir×cicin

式中，RI为土壤环境中重金属的潜在生态风险指数；Eir是潜在的生态风险；Tir是单一污染物的毒性系数，可以综合反映重金属的毒性、污染水平和污染敏感程度；Ci是土壤中重金属的测试浓度；Cir是某一重金属的污染参数；为反映特定区域的分异性，Cin选用重庆市土壤中重金属元素的平均背景值作为比较基准[8]。在本研究中，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的毒性系数分别为10、30、2、5、5、5、1、40[10]。

2.4 数据处理与统计分析

运用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和汉克森潜在生态风险指数法评价武陵山区黔江区土壤中的重金属污染状况特征和来源，采用Excel2003、SPSS19.0统计软件对数据进行统计分析和相关分析。依据单一重金属的潜在生态危害系数Eir可将土壤中重金属污染状况划分为5个等级；多个重金属的潜在生态危害系数RI可将土壤中重金属污染状况划分为5个等级；其污染程度的具体关系见表2[11]。

3 结果与讨论

3.1 黔江区土壤重金属含量统计结果特征

从表3中可看出，研究中8种重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg平均值含量分别为6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，8种重金属的平均含量均低于《土壤环境质量标准》二级标准限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重庆市土壤背景值外，其余5种都高于其背景值。与重庆市土壤背景值相比较，测试点位样品的单个重金属超标率除As、Cd、Cr外，其余5种重金属的超标率均大于53.3%，其中Cu超标率达到100.0%，Cu和Hg与背景值的比值远超过其他6种，分别为背景值的1.55倍和1.54倍。从土壤中8 种重金属的变异系数来看，As、Cd、Cr、Hg 和Cu 的变异系数较大，反映出这5种重金属元素的离散程度较高，表明在不同点位的5种重金属含量差异较大；As、Cd和Hg变异系数相差较小，表明As、Cd和Hg受外界影响状况基本一致，说明这几种重金属受外界干扰影响较大，可能有相似的来源和污染途径；Pb和Zn变异系数较小，可能受自然因素的影响较大[12]。研究区域土壤中Cr的含量最大值为178.0 mg/kg，最小值为28.3 mg/kg，变异系数为86.4%，平均值为178.0 mg/kg，说明这几种金属受人为因素影响较明显[13]。

3.2 重金属元素的相关性分析

黔江区土壤中8种重金属相关分析结果见表4，从表中可以看出，黔江区土壤中重金属之间的相关关系比较复杂，As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg之间相关性较强。Cr和As、Zn和Ni、Hg和Cr在P<0.01水平上相关系数分别为0.891、0.794、0.712。Hg和As、Pb，Zn和Cu在P<0.05水平上相关系数分别为0.590、0.543、0.635，是正相关。Cr、Hg与As的来源可能相同，从采样点来看，表明土壤中这些金属含量受人类生产和生活活动范围影响，在菜地出现浓度值较高，其来源相同导致其相关关系。从总体情况来看，相关重金属含量较高的采样点网大多数位于基本农田、菜园地和居民生活区等人类活动较为频繁区域，其来源受人类活动的影响较自然环境影响大，这与焉耆盆地中位于县城居民点附近以及农土壤重金属之间相关性一致[14]。分析结果表明，黔江区土壤环境中重金属含量主要受人类活动影响。

3.3 黔江土壤重金属染污评价

黔江区土壤中8种重金属污染评价结果见图1。单因子污染指数法分析评价结果表明，黔江区土壤中

8种重金属元素的污染程度大小为Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd。不同采样点位土壤重金属的污染程度表现为Cu呈轻度、重度和重度污染，其中2号采样点As、Cr和Hg，15号采样点Cu和Hg呈重度污染，12号采样点Hg呈中度污染。与城郊区域土壤相比较，典型生态旅游地土壤中As、Cr、Cu和Hg的污染指数相对较高，这可能与生态旅游区域发展生态农业，大量施用农药和化肥有关；城郊区域土壤11～15号采样点中Cu和Hg呈现不同程度的污染，与城郊结合区域人类活动频繁，受人类活动影响较大有关。

内梅罗综合污染指数法评价结果表明，黔江区土壤平均指数为1.57，为轻污染水平，2号采样点呈重度污染，15号采样点呈中度污染，其余点位除10号和14号采样点指数分别为0.96和0.92，处于警戒线范围外，其他采样点位指数为1.15～1.62，呈现轻度污染。从各个污染物的分担率结果表明，Hg和Cr是黔江区土壤重金属风险指数的主要贡献因子，污染分担率分别为21.7%和17.4%，其他6种重金属分担率均小于16.0%。与潜在生态等闲评价相比较，内梅罗污染指数评价时高估了高浓度污染物的影响作用，因此Hg作为黔江区土壤重金属风险指数的主要贡献因子，与部分点位超标有关。

3.4 黔江区土壤重金属潜在的生态风险指数评估

黔江区土壤中8种重金属的潜在生态风险因子（Eir）和风险指数（RI）分析结果如表5所示，从中可以看出，8种重金属平均单项生态风险因子由强到弱的順序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg处于中等水平生态风险外，其余7种重金属的潜在生态危害程度都较低。从采样点位来看，黔江区土壤中8种重金属的综合潜在生态风险指数（RI）值在62.96～240.41范围内，其中有13.3%的采样点处于中等生态风险水平，86.7%的采样点处于轻微生态风险水平。黔江区土壤中8种重金属生态风险指数评价结果与内梅罗污染评价结果一致，整个研究区土壤平均潜在生态风险均值为107.6，处于轻微生态危害等级，从整体上看黔江区研究区域内土壤中重金属环境质量较好。与城郊区域土壤生态风险相比较，1～10号生态旅游区域土壤指数相对较高，2号点位已达到中等生态危害水平，因此，必须同时加强对城郊区域和生态旅游区域土壤污染防治，确保土壤环境质量安全。

4 结论

（1）黔江区土壤中8种重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn、Hg的平均含量分别为6.9、0.07、43.3、34.1、25.4、35.3、82.7、0.057 mg/kg，平均含量均低于《土壤环境质量标准》（GB 15618—19957）二级标准限制要求，除Cd、Cr和Ni低于重庆市土壤背景值外，其余5种均高于其背景值。

（2）单因子污染指数法分析评价结果表明，黔江区土壤中8种重金属元素的污染程度大小为Cu>Hg>Pb>Zn>As>Ni>Cr>Cd，不同采样点位呈现轻度、中度和重度污染。内梅罗综合污染指数法评价结果表明，黔江区土壤平均指数为1.57，为轻污染水平。

（3）重金属元素的相关性分析表明，黔江区土壤中重金属之间的相关关系比较复杂，8种重金属之间相关性较强，Cr、Hg与As的来源可能相同，黔江区土壤环境中重金属含量主要受到人类活动的影响。

（4）潜在的生态风险指数评估结果表明，黔江区土壤中8种重金属平均单项生态风险因子由强到弱的顺序为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，除Hg处于中等水平生态风险外，其余7种重金属的潜在生态危害程度都较低。与城郊区域土壤生态风险相比较，生态旅游区域土壤指数相对较高。生态风险指数评价结果与内梅罗污染评价结果一致，整个研究区土壤平均潜在生态风险均值为107.6，处于轻微生态危害等级。

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