應(yīng)用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法研究濟寧南部區(qū)域土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價

趙慶令1,2， 李清彩1,2， 謝江坤3， 李元仲1， 姬永紅1， 龐成寶1， 萬淼4

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院， 山東 兗州 272100；

2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074；

3.中建中環(huán)工程有限公司， 江蘇 南京 210008；4.山東省物化探勘察院， 山東 濟南 250013)

摘要：評價土壤中重金屬污染的方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，但迄今尚沒有成熟的、統(tǒng)一的標(biāo)準。本文以濟寧城區(qū)南部農(nóng)田為研究區(qū)域，采集77件土壤樣品進行調(diào)查，光譜、質(zhì)譜等技術(shù)分析結(jié)果表明土壤環(huán)境中8種重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)平均含量分別為16.7、0.270、88.4、33.0、0.050、40.4、29.3、89.1 mg/kg，與黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準值相比，Hg、Cd分別高于基準值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準值的0.26～0.52倍。Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3呈顯著負相關(guān)，表明土壤受到了Hg的不同程度人為污染。用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法分析區(qū)內(nèi)8種重金屬元素的污染(富集)程度，均表明土壤環(huán)境中Hg、Cd為輕微污染(富集)程度，其他6種元素均為無污染。將該區(qū)域重金屬含量與其生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合，運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬污染進行生態(tài)風(fēng)險評價。結(jié)果顯示，8種重金屬的潛在生態(tài)危害由強至弱依次為：Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn，與污染(富集)程度排序差異明顯；盡管Hg、Cd在研究區(qū)內(nèi)僅僅為輕微(富集)程度，但都具有較高的毒性響應(yīng)系數(shù)，兩元素對土壤綜合潛在生態(tài)危害的貢獻率之和達到了81.26%。借助MapGIS繪制研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價圖，表明區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境總體上處于“中度”潛在生態(tài)風(fēng)險，約6.83%的面積呈“強”和“很強”潛在生態(tài)風(fēng)險，其中復(fù)興河、姚樓河、京杭運河3條河流交匯處的局部區(qū)域(占研究區(qū)面積的0.50%)達到了“很強”潛在生態(tài)風(fēng)險。通過調(diào)查可疑人為污染源發(fā)現(xiàn)，“強”和“很強”潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)域的布局恰好與區(qū)內(nèi)煤礦生產(chǎn)開采活動相關(guān)。本文提出，應(yīng)當(dāng)注重對煤礦開采礦井周邊區(qū)域土地復(fù)墾及污染防治工作，尤其是加強土壤中Cd、Hg的物理化學(xué)改良及生物治理修復(fù)工作，防止Hg、Cd進一步污染擴散。

關(guān)鍵詞：土壤； 重金屬污染特征； 富集系數(shù)； 地累積指數(shù)； 生態(tài)風(fēng)險評價； 濟寧

DOI:10.15898/j.cnki.11-2131/td.2015.01.017

收稿日期：2014-03-05； 修回日期： 2014-07-07； 接受日期： 2014-08-09

基金項目：山東省濟寧市南部農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查項目(魯國土資[2005]753)

作者簡介：趙慶令,工程師, 從事環(huán)境影響評價及儀器分析研究工作。E-mail： zqlzb@126.com。

中圖分類號：S151.93

文獻標(biāo)識碼：A

Abstract:Many methods, including single factor index method, Nemero comprehensive index method, potential ecological risk index method and geoaccumulation index method, have been employed to evaluate soil heavy metal pollution. However, no well-developed or standard method has yet been established. Herein, 77 samples of farmland soil in south Jining were collected and analyzed. The results show that average concentrations of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn in the samples were 16.7, 0.270, 88.4, 33.0, 0.050, 40.4, 29.3 and 89.1 mg/kg, respectively. The values of Hg and Cd were 1.50 and 1.39 times higher than the benchmark value of the Huang-Huai-Hai Plain and values of other elements were 0.26-0.52 times higher than the benchmark value. All of the samples were evaluated by bivariate correlation analysis method, and the results show that soils are polluted by Hg. The enrichment coefficient method and geoaccumulation method were employed to evaluate the pollution level of 8 elements (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb and Zn) in the target area soil. Both results show that there was light accumulation of Hg and Cd, while other elements were at normal levels. Combining heavy metal concentration in the selected area, the biotoxicity index of heavy metals, ecological effect and environmental effect, and the potential biological hazard index method were applied to evaluate the biological risk. The results show that the potential hazard sequence is as follows: Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn with obvious differences to the accumulation level. Although there was only light accumulation of Hg and Cd, their potential hazards contributed up to 81.26% of the total contribution of potential ecological risk index. The result was schematized by using MapGIS. It showed that about 6.83% of the selected area had the problem of strong or very strong potential ecological risk, and the remainder was at the medium level. Despite the junction of Fuxing River, Yaolou River and Jinghang canal faced the problem of very strong potential biological risk. According to the investigation on the anthropogenic emission sources in the research area, it was found that the risk had positive correlation with coal mining activities. Therefore, taking effective measures to remedy the polluted soil, especially the remediation of the Hg and Cd pollution, will be of great significance to prevent the further deterioration of the soil environment.

文章編號：0254-5357(2015)01-0138-12

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，土壤污染尤其是重金屬污染越來越突出。重金屬是典型的土壤污染物，具有隱蔽性、難降解、移動性差和易被富集等特點，可影響土壤微生物區(qū)系、生態(tài)物種和微生物過程，進而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，并通過食物鏈在人體內(nèi)蓄積構(gòu)成潛在危害[1]。土壤重金屬污染問題已經(jīng)引起了全世界的高度重視和深入研究[2-4]。

目前，國內(nèi)外評價土壤中重金屬污染的方法較多，如單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法、綜合響應(yīng)因子法、生物效應(yīng)濃度法、次生相與原生相分布比值法、富集系數(shù)法、地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法等，但迄今為止尚沒有成熟的方法和統(tǒng)一的標(biāo)準[5]。例如，涂常青等[6]利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了梅州市某硫銅礦礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬的污染特征及生態(tài)危害，發(fā)現(xiàn)硫銅礦礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中Pb的生態(tài)風(fēng)險占主導(dǎo)地位；Ogunkunle等[7]利用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法調(diào)查了尼日利亞西南部一個大型水泥廠周圍土壤的重金屬污染狀況及生態(tài)風(fēng)險特征，認為Cd在該區(qū)域土壤中具有非常高的潛在生態(tài)風(fēng)險，應(yīng)進行必要的生物修復(fù)；Amuno[8]利用富集系數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了盧旺達萬人坑公墓周圍土壤中重金屬的分布特征及潛在生態(tài)危害，認為土壤中累積的重金屬含量沒有構(gòu)成顯著的生態(tài)風(fēng)險；Mohsen等[9]利用主成分分析法、富集系數(shù)法及潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了德黑蘭主要街區(qū)土壤中重金屬污染特征、污染來源和生態(tài)風(fēng)險狀況，發(fā)現(xiàn)高速公路附近土壤的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)遠大于伊朗科學(xué)技術(shù)大學(xué)校區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；盧嵐嵐等[10]利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法研究了安徽淮南顧橋煤礦矸石山附近表層土壤中重金屬元素的富集特征及生態(tài)風(fēng)險狀況，結(jié)果表明土壤中Zn、Pb、Cd、Ni、Cr、Cu的濃度隨距矸石山距離增加而降低，隨土壤深度變化趨勢不顯著，除Cd外，其余元素均未造成潛在生態(tài)風(fēng)險；楠定其其格等[11]利用生物效應(yīng)濃度法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對內(nèi)蒙古岱海湖沉積物中重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險進行了研究，結(jié)果表明岱海表層沉積物中重金屬存在產(chǎn)生生物毒性的可能性。由于每種方法都有其局限性，因此有必要采用多種方法進行綜合評價，以便相互補充和借鑒，使評價結(jié)果更符合實際情況。此外，不同的評價體系基于不同的理論基礎(chǔ)和實驗方法，它們之間的相互聯(lián)系和對應(yīng)關(guān)系仍值得探討和研究[12-13]。

濟寧市南部區(qū)域經(jīng)濟主要以農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、采礦為主，這里土地肥沃，水利設(shè)施齊全，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，是著名的國家商品糧、優(yōu)質(zhì)大米和淡水魚生產(chǎn)基地，有山東省“魚米之鄉(xiāng)”之美譽。土壤質(zhì)量關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，但目前對于當(dāng)?shù)赝寥赖闹亟饘傥廴緺顩r研究甚少。本文以濟寧城區(qū)南部農(nóng)田為研究區(qū)域，對土壤進行調(diào)查采樣，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、原子熒光光譜儀、紅外硫碳測定儀等儀器分析其中重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的含量，采用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法兩種方法對土壤重金屬污染(富集)程度進行分析和評價；并將該區(qū)域重金屬含量與重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合，運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬污染進行了生態(tài)風(fēng)險危害程度評價，以期為濟寧南部區(qū)域的土壤質(zhì)量評價及土地利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。

1研究區(qū)域基本概況

研究區(qū)位于山東省濟寧市南部洸府河與微山湖以西的平原區(qū)，包括魚臺縣全部、濟寧市任城區(qū)的安居、許莊、唐口、喻屯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，金鄉(xiāng)縣高河、卜集、胡集和嘉祥縣金屯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域。地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°22′00″～116°49′00″，北緯34°53′50″～35°21′00″，面積1132 km2。本區(qū)屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，多年(1958～2013年)平均氣溫13.6℃，平均降水量為649.4 mm，平均水面蒸發(fā)量為1671 mm。工作區(qū)屬淮河流域南四湖水系，南陽湖系眾水匯集之中心，境內(nèi)河流較多，較大的河流有京杭運河、洙水河、萬福河、洙趙新河、東魚河等，以上河流呈放射狀流入南四湖。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要礦種為煤，總儲量達4.5億噸，主要煤礦有濟寧二號煤礦、安居煤礦、王樓煤礦、湖西煤礦、鹿洼煤礦等。經(jīng)濟以農(nóng)、漁、林、采礦、化工、造紙為主。

區(qū)內(nèi)土壤類型共有壤質(zhì)潮土、黏質(zhì)潮土、硫酸鹽鹽化潮土、潮土型幼年水稻土、濕潮土型幼年水稻土、砂姜黑土型幼年水稻土、鹽化潮土型幼年水稻土、潛育型幼年水稻土8個土屬，各土屬的土壤中絕大多數(shù)元素的含量值總體相差不大，這說明了本區(qū)土壤地球化學(xué)元素特征值受土壤類型影響較小。

2樣品分析與重金屬污染和生態(tài)風(fēng)險評價方法

2.1樣品采集與指標(biāo)分析

將研究區(qū)以4 km×4 km劃分為一個采樣單元，采用“多坑點采集”、“多層樣品組合”的方法和“S”形布點原則，進行土壤樣品采集工作。土壤樣品的采集深度為0～20 cm，采集工具為鐵鏟。樣品采集過程中，將與金屬器具接觸的土壤剝?nèi)ィ⑷コs草、草根、礫石、磚塊、肥料團塊等雜物，采集新鮮無沾污的土壤樣品，將土壤樣品充分混合，采用四分法將混合土壤縮分。采集約1 kg的樣品統(tǒng)一用布袋放存，寫好標(biāo)鑒，送檢。

土壤樣品由湖北省地質(zhì)實驗研究所采用各類儀器分析重金屬元素的含量：電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定As、Cd；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、S、TFe2O3；原子熒光光譜法測定Hg；離子選擇性電極法測定F；玻璃電極法測定pH；燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定有機碳。分析過程中均采用標(biāo)準樣、密碼樣、監(jiān)控樣等多種監(jiān)控手段，保證了分析質(zhì)量的可靠性，測試質(zhì)量已通過山東國土資源廳專家組的驗收。

2.2重金屬污染評價方法

2.2.1富集系數(shù)法

富集系數(shù)(Enrichment Factor，EF指數(shù))，是評價人類活動對土壤及沉積物中重金屬富集程度影響的重要參數(shù)。其基本含義，是將樣品中元素的濃度與背景中元素的濃度進行對比，以此判斷表生環(huán)境介質(zhì)中元素的污染狀況[14]。標(biāo)準化元素常選擇表生過程中地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的元素作為參比，如Al、Ti、Fe、Sc等[15-16]。其計算公式如下：

式中：[Ci/Cn]sediment是土壤中金屬i與標(biāo)準化元素n的測定含量比，[Ci/Cn]background是土壤中金屬i與標(biāo)準化元素n的背景值含量比。Sutherland[17]根據(jù)富集系數(shù)(EF值)的大小，將污染程度劃分為6個級別，如表1所示。

2.2.2地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法(Index of geoaccumulation，Igeo)是德國科學(xué)家Muller在1969年提出的，它是一種研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，近年來已被國內(nèi)外學(xué)者[18-20]廣泛應(yīng)用于人為活動產(chǎn)生的重金屬對土壤污染的評價。其公式為：

式中：Ci是樣品中元素i的實測濃度；Bi是土壤中元素i的地球化學(xué)背景值。重金屬地累積指數(shù)(Igeo)分級與污染程度的關(guān)系[20]列于表1。

表 1富集系數(shù)和地累積指數(shù)評價指標(biāo)

Table 1Enrichment factor and geo-accumulation index

等級EF值富集(污染)程度等級Igeo值富集(污染)程度Ⅰ≤1無富集(無污染)Ⅰ≤0無富集(無污染)Ⅱ1～2輕微富集(輕微污染)Ⅱ0～1輕微富集(輕微污染)Ⅲ2～5中度富集(中度污染)Ⅲ1～2中度富集(中度污染)Ⅳ5～20顯著富集(強污染)Ⅳ2～3中強富集(中強污染)Ⅴ20～40強烈富集(較強污染)Ⅴ3～4強富集(強污染)Ⅵ>40極強富集(極強污染)Ⅵ4～5較強富集(較強污染)Ⅶ>5極強富集(極強污染)

2.3重金屬生態(tài)風(fēng)險評價方法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson于20世紀80年代創(chuàng)建的，該方法主要以土壤、沉積物中重金屬的元素背景值為基礎(chǔ)，并結(jié)合重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)，計算出重金屬生態(tài)危害指數(shù)(RI值)[21-22]。其計算公式如下：

表 2生態(tài)危害程度及生態(tài)風(fēng)險程度評價指標(biāo)

Table 2Ecological risk level and its assessment index

Eir潛在生態(tài)危害程度RI潛在生態(tài)風(fēng)險程度<40輕度<150輕度40～80中度150～300中度80～160強300～600強160～320很強>600很強>320極強

3研究區(qū)重金屬含量水平和污染特征

3.1重金屬元素含量水平

濟寧南部區(qū)域77件土壤樣品中重金屬含量的變化及平均值見表3。由表3可見，研究區(qū)重金屬元素含量范圍Cr、Cu、Ni、Pb、Zn變化幅度不大，變異系數(shù)均低于19%；As、Cd、Hg含量變化幅度較大，Hg的含量為0.022～0.335 μg/g，變異系數(shù)達91%，Cd的含量為0.11～0.68 μg/g，變異系數(shù)達35%，As的含量為5.9～22.9 μg/g，變異系數(shù)達28%，在單個樣點數(shù)值上也表現(xiàn)出Hg元素有極個別樣點含量偏高，這表明表層土壤中的As、Cd、Hg元素受后期人為活動的干擾影響較大。就平均值而言，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn均高于黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準值，其中Hg、Cd最為嚴重，分別高于基準值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準值的0.26～0.52倍。從各元素的采樣點超標(biāo)率比例也可以看出，Hg最為嚴重，采樣點超標(biāo)率達到100%，Cd、Zn、Cr、Cu、Pb略次之，均有90%以上的樣點超標(biāo)；As、Ni最輕，但也均有82%的采樣點超過背景值。

表 3土壤重金屬元素含量分析統(tǒng)計

Table 3Statistics of heavy metal concentration in soils

項目AsCdCrCuHgNiPbZn含量最小值(μg/g)5.90.1161.718.30.02224.618.257.5含量最大值(μg/g)22.90.68102.451.20.33549.334.1112.5含量平均值(μg/g)16.70.27088.433.00.05040.429.389.1含量背景值(μg/g)110.11366230.02322262標(biāo)準偏差(μg/g)4.600.1011.525.970.056.893.7812.75變異系數(shù)(%)2835131891171314超標(biāo)率(%)81.8298.7092.2192.21100.0081.8290.9194.81

采用SPSS 21軟件對77件土壤樣品的相關(guān)指標(biāo)進行雙變量相關(guān)分析，不同元素間相關(guān)關(guān)系如表4所示。有機碳與Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn六種元素表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與As呈顯著正相關(guān)，這可能是因為沉積物的有機質(zhì)可提高截留可交換態(tài)重金屬的能力[24]；S、TFe2O3與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，這可能與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素較高的親鐵親硫特性有關(guān)[25]；F與As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn七種元素均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，這可能是因為F能與許多金屬形成易揮發(fā)、易溶解的絡(luò)合物，對這些金屬元素的遷移、富集起著極其重要的作用[25]；而pH僅與As、Ni表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與Hg、有機碳呈極顯著的負相關(guān)性，與Cr呈顯著正相關(guān)，由于pH與重金屬的作用機制較為復(fù)雜，pH的影響機理目前尚不明確[24]，有待于進一步研究。

As-Cd-Cr-Cu-Ni-Pb-Zn之間、表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，存在共同變化的趨勢，說明了這些重金屬有著共同的自然源或人為污染源[26]。另外，Hg與As、Cr、F、pH呈極顯著的負相關(guān)，與Cu、Ni、TFe2O3呈顯著負相關(guān)，不難看出，Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3不存在共同的來源，這種現(xiàn)象可能是濟寧南部區(qū)域土壤中受到了Hg的不同程度人為污染所致，本研究將采用富集系數(shù)法和地累積指數(shù)法進行證實。

3.2重金屬污染(富集)特征分析

3.2.1富集系數(shù)分析重金屬污染特征

以黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準值數(shù)據(jù)作為背景值[23]，采用Fe元素作為校準元素進行對比計算富集系數(shù)。對8種重金屬的富集系數(shù)(EF)進行分析比較(表5)，可以得出8種元素富集(污染)程度排列為：Hg (1.99)>Cd (1.77)>As (1.10)>Zn (1.07)>Cu (1.06)>Pb (1.00)>Cr (0.99)>Ni (0.93)。Hg、Cd、As、Zn、Cu區(qū)域富集污染級別為Ⅱ級，屬輕微污染；Pb、Cr、Ni為Ⅰ級，無污染，其中，超過94%采樣點的Ni、超過70%采樣點的Cr、超過66%采樣點的Pb為無富集；Hg、Cd、As、Zn、Cu存在76%～84%的采樣點為元素輕微富集；Hg和Cd均存在15.58%的采樣點為中度富集。

表 4濟寧南部區(qū)域土壤中不同元素間相關(guān)關(guān)系

Table 4Correlationship between different elements in soils of Southern Jining

元素AsCdCrCuHgNiPbZnFSOrgCTFe2O3pHAs10.501**0.915**0.722**-0.312**0.901**0.677**0.762**0.887**0.433**0.290* 0.851**0.451**Cd10.561**0.425**-0.130 0.527**0.447**0.515**0.505**0.350**0.433**0.491**0.124 Cr10.778**-0.307**0.963**0.827**0.852**0.891**0.520**0.502**0.943**0.266*Cu10.233*0.832**0.766**0.940**0.681**0.349**0.489**0.778**0.107 Hg1-0.274* -0.034 0.079 -0.300** -0.088 0.132 -0.252* -0.327** Ni10.813**0.898**0.871**0.424**0.441**0.930**0.293**Pb10.822**0.644**0.407**0.591**0.813**-0.103 Zn10.740**0.363**0.531**0.857**0.117 F10.480**0.373**0.836**0.408**S10.665**0.480**-0.104 OrgC10.490**-0.350**TFe2O310.222pH1

注：*代表P<0.05；**代表P<0.01。

3.2.2地累積指數(shù)分析重金屬污染特征

仍以黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準值數(shù)據(jù)作為背景值[23]進行計算，8種重金屬的地累積指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表5所示，可以得出8種元素Igeo排列為：Cd(0.60)>Hg(0.45)>As(-0.06)>Zn(-0.08)>Cu(-0.09)>Cr(-0.18)>Pb(-0.19)>Ni(-0.27)，Cd、Hg區(qū)域富集污染程度為輕微污染；其他元素均屬無污染。其中，超過93%采樣點的Ni、超過93%采樣點的Pb、超過84%采樣點的Cr為無富集；Hg、Cd、As、Zn、Cu存在48%～81%的采樣點為元素輕微富集；Cd和Hg均存在9.05%的采樣點為中度富集，這表明該地區(qū)Hg、Cd元素在人類生產(chǎn)、生活活動的影響下，積累明顯，尤其以Hg顯著，還有1.30%的采樣點存在Hg元素強污染。

結(jié)合富集系數(shù)及地累積指數(shù)的分析結(jié)果，可見EF與Igeo的評價結(jié)果基本一致，研究區(qū)內(nèi)Hg、Cd、As富集污染程度為輕微污染，尤其以Hg、Cd最為嚴重，這表明該研究區(qū)Hg、Cd元素在人類生產(chǎn)、生活活動的影響下積累明顯，個別區(qū)域甚至存在Hg元素強污染,而As、Zn、Cu、Cr、Pb、Ni元素富集污染程

度均為無污染，說明它們主要來自于巖石礦物的風(fēng)化、侵蝕及土壤母質(zhì)。

4研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

4.1重金屬潛在生態(tài)危害程度評價

土壤重金屬單元素及綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。分析單個重金屬元素潛在生態(tài)危害程度等級及均值可以發(fā)現(xiàn)，對該區(qū)土壤潛在生態(tài)環(huán)境危害最大的元素是Hg，潛在危害程度排序為Hg(99.30)>Cd(71.65)>As(15.16)>Cu(7.17)>Pb(6.65)>Ni(6.32)>Cr(2.68)>Zn(1.44)。元素As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn在研究區(qū)域的平均值均小于40，表明這些重金屬元素都處于輕度生態(tài)危害程度，并且各采樣點生態(tài)危害程度相差不大。Hg、Cd主要在“中度”、“強”、“很強”生態(tài)危害等級中分布，土壤中Hg的生態(tài)危害最大，“強”、“很強”和“極強”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的32.47%，“中度”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的67.53%，其指數(shù)均值高達99.30，為“強”潛在生態(tài)危害等級；Cd元素強潛在生態(tài)危害等級以上的土壤樣品占總數(shù)的18.18%，“中度”生態(tài)危害的樣品數(shù)占總數(shù)的75.33%，其指數(shù)均值為71.65，屬“中度”潛在生態(tài)危害等級。

表 5土壤重金屬元素富集系數(shù)和地累積指數(shù)評價特征值統(tǒng)計

Table 5Eigenvalue Statistics of enrichment factor and geo-accumulation index of heavy metals in soils

元素EF變化范圍平均值EF<1樣品數(shù)比率1

表 6土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害評價特征值統(tǒng)計

Table 6Eigenvalue Statistics of potential ecological risk of heavy metals in soils

元素Eir變化范圍平均值Eir≤40樣品數(shù)比率40320樣品數(shù)比率As5.36～20.8215.167710000000000Cd29.20～180.5371.6556.495875.331215.5822.6000Cr1.87～3.102.687710000000000Cu3.98～11.137.177710000000000Hg44～67099.30005267.531519.48810.3922.60Ni3.87～7.706.327710000000000Pb4.14～7.756.657710000000000Zn0.93～1.811.447710000000000

Hg、Cd兩元素對土壤綜合潛在生態(tài)危害的貢獻率之和達到了81.26%(圖1)，僅Hg元素的貢獻率就達到了47.20%，說明Hg對土壤的潛在生態(tài)危害最嚴重，潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為44～670，說明局部地區(qū)已出現(xiàn)Hg“極強”潛在生態(tài)危害；Cd略次之(34.06%)，潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)為29.2～180.53，說明局部地區(qū)已出現(xiàn)Cd“很強”潛在生態(tài)危害。

圖 1　重金屬元素對潛在生態(tài)危害貢獻率示意圖 Fig.1　Contribution characteristics of heavy metals to potential ecological risk

4.2潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價

借助MapGIS對濟寧南部區(qū)域土壤中8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI評價結(jié)果繪制成重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價圖，如圖2所示，大部分研究區(qū)處于中度潛在生態(tài)風(fēng)險，面積占整個研究區(qū)面積的86.67%；安居鎮(zhèn)的后堰口村附近、唐口鎮(zhèn)的陳莊和李集附近、喻屯鎮(zhèn)的鄭莊和劉官屯附近、老寨鎮(zhèn)的東北角等區(qū)域處于強潛在生態(tài)風(fēng)險，占整個研究區(qū)面積的6.33%；復(fù)興河、姚樓河、京杭運河3條河流的交匯處處于很強潛在生態(tài)風(fēng)險，占整個研究區(qū)面積的0.50%。濟寧南部區(qū)域“強”潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)及“很強”風(fēng)險區(qū)的布局正好與濟寧南部區(qū)域中煤礦生產(chǎn)礦井相對應(yīng)，可見研究區(qū)內(nèi)的有關(guān)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)活動產(chǎn)生的廢水、粉塵、廢氣對周邊土壤污染比較嚴重，應(yīng)當(dāng)注重對煤礦周邊農(nóng)田的土地復(fù)墾與污染防治工作，尤其是針對土壤中Cd、Hg的治理工作。

5結(jié)語

(1)濟寧南部區(qū)域土壤環(huán)境中重金屬的含量與黃淮海平原土壤生態(tài)地球化學(xué)基準值相比，Hg、Cd分別高于基準值的1.50倍、1.39倍，其他重金屬高于基準值的0.26～0.52倍。經(jīng)雙變量相關(guān)分析，可明顯看出，Hg與As、Cr、F、pH、Cu、Ni、TFe2O3不存在共同的來源，是因Hg受到不同程度的人為污染所致。

(2)濟寧南部區(qū)域土壤環(huán)境總體處于“無～輕微”污染程度。采用EF和Igeo的評價結(jié)果均得出8種元素富集(污染)程度排列為：Hg>Cd>As>Zn>Cu>Pb>Cr>Ni,。研究區(qū)內(nèi)Hg、Cd、As富集污染程度為輕微污染，尤其以Hg、Cd最為明顯，個別區(qū)域甚至存在Hg元素強污染；其他5種元素富集污染程度均為無污染。

(3)濟寧南部區(qū)域土壤環(huán)境總體上處于“中度”潛在生態(tài)風(fēng)險程度。相對而言，8種重金屬的潛在生態(tài)危害由強至弱依次為：Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn。盡管Hg、Cd在整個研究區(qū)內(nèi)僅僅為“輕微”富集程度，但由于兩者具有較高的毒性響應(yīng)系數(shù)，致使研究區(qū)內(nèi)6.83%的面積呈“強”和“很強”潛在生態(tài)風(fēng)險。

(4)“強”和“很強”潛在生態(tài)風(fēng)險區(qū)域的形成主要由煤礦開采相關(guān)的生產(chǎn)活動所致。因此，應(yīng)當(dāng)注重對煤礦開采礦井周邊區(qū)域土地復(fù)墾及污染防治工作，尤其是加強針對土壤中Cd、Hg的物理化學(xué)改良及生物治理修復(fù)工作，以防止重金屬Hg、Cd進一步污染擴散。

圖 2濟寧南部區(qū)域重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險程度評價圖

Fig.2Map of potential risk distribution of heavy metals in Southern Jining

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Characteristics of Soil Heavy Metal Pollution and Its Ecological Risk Assessment in South Jining District

ZHAOQing-ling1,2,LIQing-cai1,2,XIEJiang-kun3,LIYuan-zhong1,JIYong-hong1,

PANGCheng-bao1,WANMiao4

(1.Lunan Geo-Engineering Exploration Institute of Shandong Province, Yanzhou 272100, China;

2.School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

3.China Construction Power and Environment Engineering Co. LTD., Nanjing 210008, China;

4.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Jinan 250013, China)

Key words: soil; pollution characteristics of heavy metal; enrichment factor; index of geoaccumulation; ecological risk assessment; Jining