陳 剛 趙銀軍 胡寶清 楊金美 黃玉瑩

(1.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范學(xué)院)，廣西 南寧 530001； 2.濰坊學(xué)院化學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濰坊 261061)

河岸帶重金屬時(shí)空變化與土壤環(huán)境質(zhì)量分析*

陳 剛1,2趙銀軍1#胡寶清1楊金美2黃玉瑩1

(1.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范學(xué)院)，廣西 南寧 530001； 2.濰坊學(xué)院化學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濰坊 261061)

分析了南流江河岸帶土壤重金屬元素的時(shí)空變化規(guī)律、累積性變化特征。結(jié)合污染指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，評(píng)估了河岸帶重金屬污染狀況、污染等級(jí)，以及土壤環(huán)境潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明：各位點(diǎn)重金屬元素濃度，在空間上沿江水流向大體呈下降趨勢(shì)，大部分位點(diǎn)在年際變化上則呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中以Cd、Zn最為典型；土壤中各重金屬元素均有不同程度的超出《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T332—2006)現(xiàn)象。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，全流域土壤污染處于重度污染水平；對(duì)單一元素而言，除Cd為重度污染外，Pb、Cu、Zn均處于輕度污染及以下水平。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，南流江河岸帶土壤環(huán)境整體上存在極強(qiáng)等級(jí)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而單一元素的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平為Cd>Pb>Cu>Zn。

河岸帶 重金屬 時(shí)空分布 土壤環(huán)境

Abstract: The present work explored spatiotemporal distribution and accumulations of heavy metals concentrations in riparian zone of Nanliujiang river. The pollution situation,pollution grade and potential ecological risk of heavy metals in soil was assessed by calculating pollution index and potential ecological risk index. The results showed that the concentrations of heavy metals of each sampling site gradually decreased along the flow direction of Nanliujiang river,while those of most sampling sites increased significantly with inter-annual variation,especially for Cd and Zn. Compared with “Farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products”(HJ/T 332-2006),the concentrations of heavy metals had higher values in various degree. The Nemerow index indicated the soil environment was heavily polluted. Cd was at heavy pollution grade,while others were at or below light pollution grade. The potential ecological risk of riparian zone soil in Nanliujiang river was severe,with corresponding ecological risk rank as Cd>Pb>Cu>Zn,which was based on the results of potential ecological risk index.

Keywords: riparian zone; heavy metals; spatial and temporal variation; soil environment

河岸帶是河流生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的交界，是生態(tài)系統(tǒng)的重要過渡地帶，具有河流和陸地雙重系統(tǒng)功能[1-2]。河岸帶作為一個(gè)特殊的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，承擔(dān)著河流上、下游之間，地表上、下層之間等多維度的物質(zhì)與能量遷移、轉(zhuǎn)換功能；同時(shí)能夠阻擋、隔離污染物，轉(zhuǎn)化污染形態(tài)、降低污染風(fēng)險(xiǎn)，是保護(hù)河流生態(tài)安全的天然屏障[3-5]。但是，隨著人類活動(dòng)加劇，社會(huì)土地需求的快速增長(zhǎng)，造成河流周邊土地用途異化，重金屬等污染物大量累積，影響土壤環(huán)境質(zhì)量、河流生態(tài)健康，并通過遷移、轉(zhuǎn)化危及食品安全與人體健康[6-8]。南流江作為北部灣區(qū)域最大的入海河流，流經(jīng)區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)要素高度密集，入海年徑流量大，對(duì)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)，以及北部灣近海生態(tài)環(huán)境具有重大影響。本研究分析了南流江河岸帶土壤重金屬含量及相應(yīng)規(guī)律趨勢(shì)，結(jié)合各元素累積程度綜合考察了河岸帶重金屬時(shí)空分布變化；在此基礎(chǔ)上，一方面分析了重金屬污染狀況及等級(jí)，另一方面分析了河岸帶土壤環(huán)境潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

實(shí)驗(yàn)土樣采自南流江干流沿岸，包括上游的六洋水庫(kù)至雍菜壩等8處位點(diǎn)，以及下游的江口大橋至入?？诘?處位點(diǎn)(見圖1)，采樣時(shí)間為2015年8月。樣品采集地表5～20 cm土壤，各樣品由相鄰的3處土壤混合而成，封口袋中保存，登記編號(hào)、記錄位點(diǎn)信息。樣品送實(shí)驗(yàn)室經(jīng)冷凍干燥機(jī)(Scientz-10N)低溫凍干，破碎，揀除植物碎屑、砂石，研磨過100目篩、封裝，4 ℃下避光保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 南流江河岸帶土壤采樣位點(diǎn)示意圖Fig.1 Soil sampling sites in riparian zone of Nanliujiang river

1.2 土壤分析

土壤樣品中Pb、Cd的提取按照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)進(jìn)行；Cu、Zn的提取按照 《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[9-10]，結(jié)合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11](見表1)判斷土壤受污染程度。通過潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[12]計(jì)算相關(guān)指數(shù)，根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[13](見表2)，表征土壤環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。 單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

表1 污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬時(shí)空變化

圖2 不同年份河岸帶土壤重金屬質(zhì)量濃度Fig.2 Concentrations of heavy metals in riparian zone soil of different years

2.1.1 時(shí)空分布

對(duì)比采集所得河岸帶土樣重金屬分析結(jié)果與資料收集整理所得結(jié)果[18-19]可知，重金屬分布呈現(xiàn)出兩方面特征：空間上，隨著水流向，沿程位點(diǎn)土壤中Cd(見圖2(a))、Zn(見圖2(b))、Pb(見圖2(c))、Cu(見圖2(d))4種元素濃度，大體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其中Cd、Zn最為明顯，Cu次之。2015年，各位點(diǎn)重金屬極大值(Cd為12.571 mg/kg，Pb為83.757 mg/kg，Cu為59.403 mg/kg，Zn為279.801 mg/kg)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在六洋水庫(kù)至雍菜壩間上游段的旺瑤社區(qū)和船埠村。重金屬在船埠村、常樂大橋、馬鞍沙3處位點(diǎn)或鄰近存在明顯的峰值，其中以2015年的表現(xiàn)最為明顯。時(shí)間上，3個(gè)年份間，河岸帶土壤重金屬濃度差異較大，而且伴隨著年份的推移，大部分位點(diǎn)濃度明顯上升。

各位點(diǎn)土壤中重金屬濃度隨著年份變化波動(dòng)性大體增加；4種元素濃度曲線中對(duì)應(yīng)的波動(dòng)位點(diǎn)數(shù)也隨之明顯增加。這可能與船埠村、常樂大橋、馬鞍沙位點(diǎn)地理形貌有關(guān)，樣品采集過程中考察發(fā)現(xiàn)，這3處地點(diǎn)均開闊、坡緩、水量大且水位變化痕跡明顯，地勢(shì)、水文的變化可能會(huì)影響重金屬的遷移、轉(zhuǎn)運(yùn)及沉積。另外，六洋水庫(kù)至旺瑤社區(qū)，Pb的濃度1992年高于2007年。六洋水庫(kù)至叉江段，Cu的濃度大體表現(xiàn)為1992年>2015年>2007年；而在船埠村至沙河大橋段，Cu濃度則呈現(xiàn)為2015年>1992年>2007年的規(guī)律，且3個(gè)不同的年份均在此段呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.1.2 積累性變化

由表3可知，南流江河岸帶土壤Cd、Pb、Cu、Zn濃度，2015年總體均值較2007年增長(zhǎng)明顯(因1992年數(shù)值作為地區(qū)性背景調(diào)查值與1990年相近，個(gè)別元素較后者微高，故此不考察積累程度)。通過積累倍數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，截止2015年，4種元素均有不同程度的富集狀況發(fā)生，積累倍數(shù)為Cd>Pb>Zn>Cu。

4種元素除Cd外，積累倍數(shù)均在3倍以下；但是，從重金屬超過背景值的位點(diǎn)數(shù)比例來看，2015年超背景值位點(diǎn)數(shù)比例在40.0%到100.0%不等，而且較2007年均有所增長(zhǎng)。超背景值位點(diǎn)數(shù)比例的變化表明，南流江河岸帶重金屬污染位點(diǎn)數(shù)量有所增多，污染趨于普遍性。除了全部位點(diǎn)超背景值外，Cd在積累程度上亦發(fā)生了從無到有的質(zhì)變，意味著2007年以來全流域Cd濃度增長(zhǎng)普遍，增長(zhǎng)比例高，這種污染態(tài)勢(shì)應(yīng)當(dāng)引起重視。

2.2 土壤環(huán)境質(zhì)量分析

2.2.1 重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)2015年的實(shí)際采樣檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算可知(見表4)，南流江全流域河岸帶土壤Cd污染均處于重度污染水平，表明土壤環(huán)境污染已相當(dāng)嚴(yán)重，且有很大可能已延及地面作物。各位點(diǎn)土壤中Pb、Cu、Zn的污染等級(jí)均處于3級(jí)(輕度污染)水平及以下，說明其所處污染程度尚輕、土壤環(huán)境還相對(duì)清潔。雖然4種元素中的3種單獨(dú)對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)都不高，但是由于Cd污染嚴(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)居高不下，這也是除漢水村外幾乎所有位點(diǎn)綜合污染程度都處在5級(jí)(重度)污染水平的主要原因。由此也可以看出，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)突出地反映了重金屬極值濃度對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響。

在2.1.1部分分析可知，重金屬在空間變化上隨著水流向大體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)合表5各重金屬污染土壤位點(diǎn)的污染等級(jí)數(shù)量占比可以看出，雖然上游(六洋水庫(kù)—雍菜壩)、下游(江口大橋—入?？?間不同污染等級(jí)位點(diǎn)數(shù)量較相近，但2級(jí)(警戒)水平及以上等級(jí)在上游段出現(xiàn)的比例相對(duì)多一點(diǎn)；下游段則多為2級(jí)以下等級(jí)。由此說明污染相對(duì)較重的位點(diǎn)多集中在上游，下游位點(diǎn)土壤環(huán)境相對(duì)更清潔。

表3 河岸帶重金屬均值與積累倍數(shù)1)

注：1)“/”表示檢測(cè)值未超過對(duì)應(yīng)的背景值。

表4 HJ/T 332—2006限值為標(biāo)準(zhǔn)的各位點(diǎn)污染等級(jí)

表5 各污染等級(jí)位點(diǎn)數(shù)量比例1)

注：1)*為上游(六洋水庫(kù)—雍菜壩)位點(diǎn)污染等級(jí)比例，**為下游(江口大橋—入海口)位點(diǎn)污染等級(jí)數(shù)量比例， 未標(biāo)注*或**的數(shù)值為上下游相應(yīng)等級(jí)超標(biāo)比例總和。

表6 河岸帶土壤環(huán)境潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

2.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由各位點(diǎn)重金屬元素單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果(見表6)可知，重金屬Cd對(duì)全流域位點(diǎn)土壤環(huán)境均具有極強(qiáng)的潛在危害性，而Pb、Cu、Zn則相對(duì)輕微；各元素對(duì)河岸帶土壤環(huán)境的潛在危害作用為Cd>Pb>Cu>Zn；從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來看，流域土壤環(huán)境整體上存在極強(qiáng)等級(jí)的重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

Cd的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)遠(yuǎn)高于其他幾種元素，說明南流江河岸帶土壤環(huán)境的潛在生態(tài)危害作用絕大程度上是由Cd污染造成。這說明：一方面，相對(duì)于其他元素，Cd的高濃度、高毒性響應(yīng)系數(shù)是造成嚴(yán)重污染并導(dǎo)致高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵；另一方面，雖然Pb、Cu、Zn等元素也顯示出一定的生態(tài)危害性，但是很容易被Cd掩蔽，從而導(dǎo)致土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與Cd的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等同或近似。綜上可知，南流江河岸帶重金屬污染治理研究和風(fēng)險(xiǎn)管控工作應(yīng)將Cd作為重點(diǎn)，同時(shí)關(guān)注Pb、Cu、Zn等元素的污染狀況。

3 結(jié) 論

(1) 各位點(diǎn)重金屬元素濃度，在空間上沿水流向順序大致呈下降趨勢(shì)，在年際變化上則大部分位點(diǎn)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其中以Cd、Zn最為典型。各元素均有不同程度的超出HJ/T 332—2006限值情況，積累程度為Cd>Pb>Zn>Cu。

(2) 整體上，全流域河岸帶土壤處于重度污染水平。單一元素而言，Pb、Cu、Zn在各位點(diǎn)均處于輕度污染水平及以下，Cd卻呈現(xiàn)重度污染；較重污染多集中在六洋水庫(kù)至雍菜壩段。

(3) 南流江河岸帶土壤環(huán)境整體上存在極強(qiáng)等級(jí)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其中，Cd對(duì)全流域位點(diǎn)土壤環(huán)境均具有極強(qiáng)的潛在危害性，而Pb、Cu、Zn潛在危害輕微；各元素對(duì)土壤環(huán)境的潛在危害作用程度為Cd>Pb>Cu>Zn。

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SpatialandtemporaldistributionofheavymetalsinriparianzoneandsoilenvironmentalqualityanalysisCHENGang1,2，ZHAOYinjun1,HUBaoqing1,YANGJinmei2,HUANGYuying1.

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandResourcesUseinBeibuGulf

(GuangxiTeachersEducationUniversity),MinistryofEducation,NanningGuangxi530001;2.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,WeifangUniversity,WeifangShandong261061)

陳 剛，男，1981年生，博士，講師，主要從事土壤污染控制研究。#

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41661085)；北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)開放基金資助(No.2014BGERLKF03)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2016GXNSFAA380011)；濰坊市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015GX004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.011

2016-12-01)