錢慶騰 方淑波 喬亞軍 成 海 印春生#

(1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院，上海 201306；3.南京大學生命科學學院濕地生態(tài)研究所，江蘇 南京 210093;4.江蘇鹽城國家級珍禽自然保護區(qū)管理處，江蘇 鹽城 224057)

鹽城海岸帶土壤重金屬污染風險評價比較研究*

錢慶騰1方淑波2喬亞軍3成 海4印春生1#

(1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院，上海 201306；3.南京大學生命科學學院濕地生態(tài)研究所，江蘇 南京 210093;4.江蘇鹽城國家級珍禽自然保護區(qū)管理處，江蘇 鹽城 224057)

以鹽城海岸帶為研究區(qū)，分別采用地質累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤重金屬污染進行風險評價，分析不同方法在評價同一研究區(qū)時結果的差異性。結果表明，研究區(qū)Cr、Ni、Zn、Cd質量濃度平均值超過鹽城海岸帶環(huán)境背景值。地質累積指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬在中度污染到強污染；內(nèi)梅羅指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬為重度污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬處于中度潛在生態(tài)危害程度。3種方法評價結果的嚴重程度為：內(nèi)梅羅指數(shù)法>地質累積指數(shù)法>潛在生態(tài)危害指數(shù)法。3種評價方法均有一定缺陷與局限性，相對于單一方法的污染評價，采用多種方法評價土壤重金屬污染可使評價結果更加客觀。

鹽城海岸帶 土壤重金屬 地質累積指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

土壤是重金屬長期累積和停留的場所，重金屬借由土壤介質進入生態(tài)系統(tǒng)，不僅危害整個區(qū)域的生態(tài)安全而且通過食物鏈影響動植物健康。因此，對土壤重金屬的危害性和污染程度進行科學合理評價對于保護生態(tài)系統(tǒng)和人類健康有著至關重要的意義[1-2]。目前土壤重金屬污染評價的方法有指數(shù)法、模型法、健康風險分析法等，方淑波等[3]運用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對鹽城海岸帶土壤重金屬污染情況進行評價，并對研究區(qū)域重金屬生態(tài)風險的有效管理提出建議。滕彥國等[4]應用地質累積指數(shù)法對攀枝花地區(qū)昔格達組黏土中的重金屬污染進行評價研究。王鐵宇等[5]運用內(nèi)梅羅指數(shù)法對北京官廳水庫周邊土壤重金屬污染進行環(huán)境風險評價，并指出該方法可用于評價多種重金屬的復合污染。此外，其他指數(shù)法還有污染負荷指數(shù)法[6]、回歸過量系數(shù)法[7]、單因子指數(shù)法[8]、臉譜圖集法[9]、生態(tài)風險指數(shù)法[10]等。目前用單一方法對土壤重金屬污染評價的研究有很多，采用多種方法對同一區(qū)域進行評價的研究較少。

隨著鹽城海岸帶的開發(fā)利用，港口建設、海水養(yǎng)殖、臨海工業(yè)等一系列開發(fā)計劃的實施，大量污染物排放，嚴重影響海岸帶的土壤質量，需要對該地區(qū)土壤重金屬的污染程度進行評價。然而每種重金屬污染評價方法都有其優(yōu)越性和局限性，為避免單一評價方法的不足，本研究分別采用地質累積指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究區(qū)土壤重金屬的整體累積特征、生態(tài)污染風險進行評價，其中地質累積指數(shù)法計算時考慮了成巖作用對土壤背景值的影響，內(nèi)梅羅指數(shù)法可以防止由于平均作用而削弱關鍵重金屬的權值，潛在生態(tài)危害指數(shù)法可將環(huán)境生態(tài)效應與毒理學聯(lián)系起來，對3種評價方法及評價結果進行對比分析，可為相關區(qū)域重金屬污染評價方法選擇及區(qū)域重金屬污染治理對策提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽城海岸帶位于中國海岸中部，屬典型的粉砂淤泥質平原海岸，地處北亞熱帶向暖溫帶氣候過渡地帶，氣候類型以季風氣候為主，受海洋性、大陸性氣候雙重影響，鹽城海岸帶是全球最大的海岸帶灘涂濕地。沿海大豐、射陽兩地分布著鹽城國家級丹頂鶴自然保護區(qū)，沿海灘涂總面積45.7×104hm2[11]。研究區(qū)地貌類型主要屬于海積平原類型，該區(qū)以斗龍港為界，南高北低，斗龍港以北的絕對高程在2 m左右，斗龍港以南的絕對高程在3 m以上，南部梁垛河閘附近多粉砂，向北泥質成分增加。

1.2 樣品采集

鹽城海岸帶土壤采樣點分布見圖1。自射陽港起，沿著海岸帶每隔3 km左右設置一個斷面，斷面附近布置樣方點，每個土壤樣方點采集5個重復樣，每個重復樣之間相隔50 m左右。對土壤樣品進行編號后裝入聚乙烯塑料袋以防止樣品的污染和損失，本次研究共采集83個土壤樣品。

1.3 樣品處理與測試

土壤樣品自然風干后，揀出砂礫、動植物殘體，研磨過100目篩。過篩后稱取0.125 g進行預處理。向土壤樣品中添加少量水潤濕后加入2 mL鹽酸與1 mL硝酸，于60 ℃下加熱30 min，加入6 mL氫氟酸以及0.5 mL高氯酸，于120 ℃下加熱180 min，冷卻后加1 mL硝酸溶解殘渣并定容至25 mL。采用Optima 5300DV型等離子光譜質譜儀測試Cr、Cu、Ni、Zn、Cd、Pb共6種重金屬元素含量，測量精密度：相對標準偏差(RSD)<2.0%，回收率95%～104%。由于土壤中Hg和As的含量較低，達不到檢出限的精度要求，故本研究不對Hg和As的污染風險進行評價。

1.4 土壤重金屬背景值選取

目前國內(nèi)外對于土壤重金屬背景值的選取還沒有統(tǒng)一指標，通常選取頁巖內(nèi)各重金屬的平均值作為背景值，但對于經(jīng)歷復雜風化沉積作用后所形成的土壤，以頁巖重金屬含量作為地球化學背景值得到的重金屬污染信息難以反映真實的污染情況[12]。因此，在研究不同地區(qū)的重金屬污染狀況時應采取不同的參考標準。本研究采用王計平[13]測定的鹽城海岸帶柱狀樣地球化學元素含量作為背景值。鹽城海岸帶和其他地區(qū)表層沉積物及土壤、頁巖中重金屬元素的比較見表1。

2 結果與討論

2.1 研究區(qū)土壤重金屬含量特征分析

研究區(qū)土壤重金屬質量濃度統(tǒng)計結果如表2所示?？梢姡}城海岸帶土壤重金屬質量濃度有較大差異，Cr、Ni、Zn、Cd的平均值分別為54.52、26.49、62.95、4.33 mg/kg，均高于研究區(qū)土壤背景值，Pb的平均值低于背景值；6種重金屬中，除Pb、Cd的平均值與背景值相差較大，其他4種重金屬的平均值均在背景值附近。計算各重金屬的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)Cr、Ni、Zn變異系數(shù)較低，其余重金屬的變異系數(shù)均高于30%。其中Cd變異系數(shù)最大，為108.07%?？傮w看來，研究區(qū)土壤Cd污染最嚴重，其來源可能是工廠排放的粉塵、廢渣、汽車排放的尾氣和日常生產(chǎn)、生活垃圾污染[18]。

表1 鹽城海岸帶和其他地區(qū)表層沉積物及土壤、頁巖中重金屬質量濃度比較

表2 土壤重金屬質量濃度統(tǒng)計信息

2.2 地質累積指數(shù)法評價

地質累積指數(shù)(Igeo)是區(qū)分人為活動影響的重要參數(shù)，能夠反映各項重金屬分布的變化特征和鑒別人為活動對環(huán)境的影響。根據(jù)Igeo可將土壤污染程度劃分為7級，Igeo分級標準見表3。采用該方法對研究區(qū)土壤重金屬環(huán)境質量進行評價，評價結果如表4所示。Igeo表達式如下：

(1)

表3 Igeo分級標準

式中：ci為土壤樣品重金屬i的實測值，mg/kg；K為修正指數(shù)，是由于巖石差異、成巖作用等因素引起的背景值波動而設定的常數(shù)，一般取值為1.5；ci0為重金屬i的背景值，mg/kg。

由表4可見，根據(jù)重金屬Igeo平均值，研究區(qū)土壤6種重金屬污染程度和危害等級依次為：Cd>Ni>Cr>Zn>Cu>Pb，Cr、Cu、Ni、Zn、Pb屬于無污染，Cd達到中度污染到強污染。對83個土壤樣品進行統(tǒng)計分析，Cr、Cu、Ni、Zn多為無污染(1級)，少數(shù)為輕度污染到中度污染(2級)；Pb全部為無污染；土壤樣品中Cd有66.2%為中度污染到強污染(4級)，13.2%為強污染(5級)。整體看來，研究區(qū)土壤重金屬污染屬于中度污染到強污染[19]。

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當前計算綜合污染指數(shù)常用的方法之一，該方法不僅考慮了各種影響因子的平均污染水平，又反映了最嚴重污染元素的重要性，從而在加權過程中避免了權重確定時主觀因素的影響[20]。內(nèi)梅羅指數(shù)計算式如下：

Pi=ci/Si

(2)

(3)

式中：Pi為重金屬i的單項污染指數(shù)；Si為重金屬i的質量標準，mg/kg，本研究以《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—2008)中的二級標準值作為評價標準；Pn為綜合污染指數(shù)；Pave為重金屬的單項污染指數(shù)的平均值；Pmax為重金屬單項污染指數(shù)的最大值。

表4 Igeo對研究區(qū)土壤重金屬污染的評價結果

表5 內(nèi)梅羅指數(shù)法分級評價指標

表6 Pi對研究區(qū)土壤重金屬污染的評價結果

內(nèi)梅羅指數(shù)法的分級評價指標見表5，研究區(qū)土壤重金屬單項污染指數(shù)評價結果見表6，綜合污染指數(shù)評價結果見圖2。

圖2 Pn對研究區(qū)土壤樣品重金屬綜合污染評價結果Fig.2 Comprehensive pollution of heavy metals in soil of study area base on Pn

由表6可見，研究區(qū)土壤中6種重金屬的Pi平均值為Cd>Ni>Cr>Zn>Cu>Pb，其中Cr、Ni、Zn達到輕微污染，Cd達到重度污染，Cu、Pb無污染。對各重金屬的污染統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，83個土壤樣品中，Cr有91.6%達到輕微污染；Cu有34.9%達到輕微污染，1.2%達到輕度污染；Ni有87.9%達到輕微污染；Zn有41.0%達到輕微污染，1.2%達到輕度污染；Cd有66.3%達到重度污染。由圖2可見，75.9%的土壤樣品受到重金屬污染，其中66.3%的土壤樣品達到重度污染。研究區(qū)土壤的Pn值為48.49，說明重金屬污染程度達到重度污染，土壤Cd污染較其他元素嚴重。

2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價

潛在生態(tài)危害指數(shù)是用于對重金屬進行潛在生態(tài)危害評價的方法[21]。該方法結合了生態(tài)學、環(huán)境化學、病理學、生物毒理學等方面的內(nèi)容，利用土壤中重金屬相對于環(huán)境本底值的富集程度及相應的重金屬生態(tài)毒性系數(shù)進行加權求和得到潛在生態(tài)危害指數(shù)[22-23]。潛在生態(tài)危害指數(shù)計算方法如下：

(4)

(5)

表7 潛在生態(tài)危害評價標準

表8 研究區(qū)土壤樣品重金屬統(tǒng)計分析

圖3 RI對研究區(qū)土壤重金屬污染的評價結果Fig.3 Evaluation results of heavy metals pollution in soil of study area base on RI

3 討 論

區(qū)域土壤背景值反映了未受人類活動干擾的土壤本身的化學元素組成和含量，本研究采用了其他學者在鹽城海岸帶測得的重金屬基線含量作為背景參考值，為相同研究區(qū)域，使本研究重金屬污染狀況的評價結果更客觀、科學。

以土壤背景值作為評價基準值，分析研究區(qū)土壤單個重金屬污染狀況，地質累積指數(shù)法顯示整體上研究區(qū)土壤重金屬污染達到中度污染到強污染；內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬污染達到重度污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法顯示土壤重金屬污染屬于中度潛在生態(tài)危害。3種污染評價方法所得結果的嚴重程度為：內(nèi)梅羅指數(shù)法>地質累積指數(shù)法>潛在生態(tài)危害指數(shù)法。

3種方法評價的污染程度不同，分析原因，內(nèi)梅羅指數(shù)法在計算公式中含有最大的單項污染分指數(shù)，這是造成內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結果比地質累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法更嚴重的原因。其次，較低的毒性響應系數(shù)是潛在生態(tài)危害等級比地質累積指數(shù)法評價結果低的另一個原因。內(nèi)梅羅指數(shù)法通過突出各個研究斷面(區(qū)域)污染最嚴重的元素對環(huán)境質量的作用進而避免平均作用減弱權重現(xiàn)象的發(fā)生，但過度強調(diào)最大單項污染指數(shù)的重要性在評價時會人為夸大高濃度元素對土壤環(huán)境質量的影響作用。而地質累積指數(shù)法的修正指數(shù)通常選取1.5，由于缺乏對實際研究區(qū)域巖石土壤的調(diào)查，該值的選擇帶有很強的主觀經(jīng)驗性。

分析3種評價方法的差異，地質累積指數(shù)法更傾向于單項重金屬的污染評價，該方法能很好的評價單元素的污染狀況，但欠缺對綜合污染貢獻度的分析。同時，由于不同研究區(qū)域巖石土壤的差異性，修正系數(shù)的選取對于土壤污染評價結果的科學性具有很大的影響，因此，在運用地質累積指數(shù)法進行土壤重金屬污染評價時，應根據(jù)研究區(qū)域的具體情況選定修正系數(shù)；潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了單項重金屬的污染狀況以及各個重金屬的生物毒性響應系數(shù)。但在確定重金屬毒性響應系數(shù)時帶有很強的主觀經(jīng)驗性，而且也未考慮多種重金屬元素之間可能存在的聯(lián)合作用致使重金屬毒性的大小發(fā)生變化；內(nèi)梅羅指數(shù)法過度突顯污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質量的影響，同時沒有考慮土壤中各個污染元素對生物病理性毒害性的作用，當樣品中出現(xiàn)異常值時會對土壤重金屬污染評價結果造成較大影響，從而難以反映研究區(qū)域真實的污染狀況。通過3種方法對鹽城海岸帶土壤重金屬污染進行評價，可使評價結果更加真實、客觀。

4 結 論

(1) 采用3種重金屬污染評價方法對鹽城海岸帶表層土壤重金屬污染狀況進行評價。地質累積指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬污染達到中度污染到強污染；內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法顯示研究區(qū)土壤重金屬污染達到重度污染；潛在生態(tài)危害指數(shù)法顯示土壤重金屬污染屬于中度潛在生態(tài)危害。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價結果最嚴重，地質累積指數(shù)法的評價結果次之，潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結果最輕。

(2) 3種土壤重金屬污染評價方法各有優(yōu)越性和局限性，采用一種方法對研究區(qū)域的重金屬污染進行評價不能準確說明研究區(qū)土壤重金屬污染的程度和污染范圍，利用多種方法對研究區(qū)進行評價可使評價結果更加真實、客觀。

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ComparisonofsoilheavymetalspollutionassessmentresultofYanchengcoastalzone

QIANQingteng1，F(xiàn)ANGShubo2，QIAOYajun3,CHENGHai4,YINChunsheng1.

(1.CollegeofMarineScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306;2.CollegeofFisheriesandLifeScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306;3.TheInstituteofWetlandEcology,SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,NanjingJiangsu210093;4.AdministrativeAgencyforJiangsuYanchengNationalNaturalReserve,YanchengJiangsu224057)

The potential risks of soil heavy metals in Yancheng coastal zone was evaluated by geoaccumulation index,Nemerow index,and potential ecological risk index separately. The difference of evaluation results of 3 methods was analyzed. The results showed that the average concentration of Cr,Ni,Zn and Cd exceeded background value of Yancheng coastal zone. The geoaccumulation index indicating the moderate or strong heavy metals pollution in soil of Yancheng coastal zone,Nemerow index showed that the soil heavy metals in Yancheng coastal zone was severely polluted,and the potential ecological risk index showed soil in study area was in the moderate degree of potential ecological risk. The evaluation results of Nemerow index was more severely than geoaccumulation index and potential ecological risk index. Each method had its limitations in actual application,while integrating various evaluation methods could help researcher got more objective results of the heavy mentals potential risks.

Yancheng coastal zone; soil heavy metals; geoaccumulation index; Nemerow index; potential ecological risk index

錢慶騰，男，1990年生，碩士研究生，主要從事海陸交錯帶研究。#

。

*國家重點基礎研究發(fā)展(“973計劃”)項目(No.2013CB430405);國家科技支撐計劃子課題(No.2012BAC07B03)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.009

編輯:丁 懷 (

2016-06-25)