宇星辰, 張家浩, 王慶同, 王海根, 楊 鵬, 毛方松, 翟如甲

(中國地質(zhì)調(diào)查局煙臺海岸帶地質(zhì)調(diào)查中心,山東 煙臺 264000)

0 引言

重金屬污染會在土壤中不斷累積,對生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展和人體健康造成嚴(yán)重威脅,已成為一個嚴(yán)峻的問題[1-2]。海岸帶地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與人類的生存發(fā)展息息相關(guān)[3-4],同時海岸帶地區(qū)是海域沉積物的重要源區(qū)。近海海域表層沉積物中重金屬污染很大程度上來源于海岸帶、河口等地區(qū)的人類活動[5-6]。隨著萊州灣沿岸地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類對土地資源加劇開發(fā),土壤質(zhì)量和環(huán)境地質(zhì)問題日趨嚴(yán)峻[7]。沿岸部分地區(qū)重金屬元素總潛在生態(tài)危害程度相對較高,萊州灣周邊陸地及海域生態(tài)環(huán)境均受到不同程度重金屬污染威脅,沉積物重金屬來源、空間分布及其風(fēng)險評價的研究受到相關(guān)學(xué)者廣泛關(guān)注[8-11]。目前針對萊州灣南岸表層土壤污染已有不少相關(guān)研究[12-13],查明了土壤全鹽量的含量和分布規(guī)律,對防治提出理論支撐,但是缺乏對重金屬分布及污染情況的研究。

本文通過105件土壤樣品,測定其Cu、Cr、Zn、Ni、As、Pb、Cd 和 Hg 8 種重金屬元素的含量,研究重金屬空間分布特征和污染情況,采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法對重金屬元素污染及潛在生態(tài)危害進(jìn)行評估?？茖W(xué)評估土壤重金屬污染分布和生態(tài)風(fēng)險狀況,可以為生態(tài)環(huán)境保護(hù)、土壤質(zhì)量風(fēng)險防控和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

萊州灣南岸濱海濕地西靠黃河三角洲,為白浪河、虞河、堤河、濰河和膠萊河等河流形成的河口三角洲,主要沉積物為粉砂、砂土,而且廣泛分布于萊州灣南部廣闊海域,該區(qū)的沉積物分選性較好。研究區(qū)位于萊州灣南岸濱海濕地,主要位于昌邑市境內(nèi),采樣區(qū)域面積約900 km2,采樣點位置見圖1。研究區(qū)雨季主要是夏季,其余季節(jié)降水較少[14]。研究區(qū)咸淡水分界限主要在西辛村—永興莊村—徐家莊村—溝南崖村—西逢澤村—長埠村—中候富莊村—北張家埠村沿線,南部區(qū)域礦化度小于1 g/L為淡水,北部礦化度界于1～3 g/L為咸水。

圖1 研究區(qū)采樣點位置Fig.1 The location of sampling points in the study area

(e) Hg空間分布 (f) Ni空間分布

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究于2021年對萊州灣南岸濱海濕地表層土壤樣品進(jìn)行采集,共采集樣品105件,采樣間隔為2 km×2 km,采集深度為0～20 cm?；S、河流沿岸及預(yù)計的咸淡水分界限等重點部位加密布設(shè),同時布點具有代表性,并避開明顯的局部人為污染。在每個采樣點周圍100 m范圍內(nèi)采集4個子樣組合成一件樣品,每點位原始樣品重量不低于1.5 kg。

2.2 測試方法

樣品的分析測試工作由中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心完成。Zn、Cr的檢測方法為X射線熒光光譜法,Ni、Cu、Pb、Cd的檢測方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法,As、Hg的檢測儀器為原子熒光光譜法。電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定金屬濃度內(nèi)標(biāo)法所使用的同位素為103Rh,使用GSS-33、GSS-2a和GSS-20作為質(zhì)控樣。

2.3 分析方法

2.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

使用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[15]評價污染物對土壤的影響,以及高濃度的污染物對土壤質(zhì)量的影響,計算公式為

(1)

(2)

Pi≤1為無污染區(qū),13為重度污染區(qū)。Pn與Pi參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)相同。

2.3.2 Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法

上面的分析得知，SNHB物流中心存在一個人員配置不齊全，責(zé)任分工不明確的問題。針對這兩個問題我們選擇下面的兩個方案。第一個方案，進(jìn)行人員招聘，將足夠的分撥自有員工招入，提高待遇，留住人才，使分撥的作業(yè)正常進(jìn)行；第二個方案，制定明確的規(guī)章責(zé)任制度，保證責(zé)任落實個人，無法逃避責(zé)任。每個小組每個員工背負(fù)考核指標(biāo)，進(jìn)行績效考核，提高人員的整體素質(zhì)。

使用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法[16]評價重金屬潛在生態(tài)危害,計算公式為

(3)

(4)

(5)

表1 重金屬污染評價指標(biāo)及程度劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard for assessment indexes and degrees of heavy metal pollution

表2 毒性系數(shù)和重金屬的背景值Tab.2 Toxicity coefficient and background values for the heavy metal

3 結(jié)果

3.1 含量統(tǒng)計

萊州灣南岸濱海濕地表層土壤重金屬元素統(tǒng)計分析結(jié)果(表3)表明,所有采樣點中,除了Cr與昌邑市土壤背景值相近外,Cu、Pb、Zn、Ni、As、Cd和Hg的平均值分別是背景值的1.29倍、1.27倍、1.17倍、1.06倍、1.13倍、1.66倍、2.14倍。Cu、Cd、Hg、Pb變異系數(shù)較大,說明含量分布不均勻,局部受外部污染可能性較大,Zn、Ni、Cr、As變異系數(shù)小于0.5,重金屬含量受外部影響較小。

表3 萊州灣南岸濱海濕地表層土壤重金屬元素含量統(tǒng)計及背景值Tab.3 Statistics and background values of heavy metal concentration in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

3.2 含量分布

萊州灣南岸表層土壤中重金屬元素含量分布見圖2。As的高值區(qū)主要呈似環(huán)狀分布于昌邑市的周邊,低值區(qū)主要呈片狀分布于昌邑市北部,總體來說城市及城鎮(zhèn)周邊相對含量低,城鎮(zhèn)之間含量高(圖2(a))。

Cd的高值區(qū)在研究區(qū)中部和南部區(qū)域大面積分布,低值區(qū)主要呈片狀分布于研究區(qū)北部沿海地區(qū),或零星狀分布在研究區(qū)南部及中部地區(qū)(圖2(b))。

Cr的高值區(qū)呈片狀分布于研究區(qū)北部、東部和西南部地區(qū),低值區(qū)呈斑塊狀或零星狀分布在研究區(qū)的西北部、西南部和東部地區(qū)(圖2(c))。

Hg的高值區(qū)大面積分布于研究區(qū)中部和南部地區(qū),低值區(qū)在北部呈片狀分布(圖2(e))。

Ni的高值區(qū)主要以片狀分布于研究區(qū)中部、東南部和西部地區(qū),低值區(qū)主要呈片狀分布于研究區(qū)東北部和西北部地區(qū),其余零星或斑塊狀分布于研究區(qū)南部、西南部(圖2(f))。

Pb的高值區(qū)主要呈片狀分布于研究區(qū)中部、東南部和西南部地區(qū),低值區(qū)主要呈片狀分布于研究區(qū)東北部和西北部地區(qū),其余以零星狀或斑塊狀分布于研究區(qū)西南部地區(qū)(圖2(g))。

Zn的高值區(qū)主要以片狀分布于研究區(qū)的北部、東南和西部地區(qū),其余以零星狀分布于研究區(qū)西北部和西南部地區(qū),低值區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部和西北部地區(qū),其余呈零星狀或斑塊狀分布于西南部及中部地區(qū)(圖2(h))。

3.3 相關(guān)性分析

對研究區(qū)表層土壤中重金屬元素進(jìn)行Person相關(guān)性分析(表4),初步了解重金屬來源[22]。Pb與Cd、Zn、As,Zn與Cd、Cu,Cr與Ni以及Cd與As之間的相關(guān)性為極顯著水平(P<0.01),表現(xiàn)出極強的正相關(guān)性。Cd與Ni、Cu,Cr與As、Ni、Zn,Ni與Pb、Hg、Cu則表現(xiàn)出正相關(guān)性關(guān)系,相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。Hg與其他元素之間未表現(xiàn)出相關(guān)性,來源可能不相同。通過相關(guān)性分析,Cu、Zn、Pb、Cd的來源條件可能相同,Ni與Cr、Cd與As的來源途徑近似,Pb、Zn、Cd與其他元素具有較高的相關(guān)性,Hg的來源與其他元素不同。

表4 萊州灣南岸濱海濕地表層土壤重金屬元素相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou bay

主成分分析結(jié)果可以表明各重金屬元素之間的來源關(guān)系(表5)。通過特征值大于1的條件,進(jìn)行主成分分析,累計方差貢獻(xiàn)的88.69%,結(jié)果與分析要求相符。PC1中Zn、Cd、Pb、As載荷較大,均大于0.65,PC2中Cr和Ni載荷較大, PC3中Cu載荷較大, PC4中Hg載荷較大。

表5 表層土壤主成分分析Tab.5 Principal component analysis of the surface soil

3.4 單因子及綜合污染指數(shù)評價

研究區(qū)表層土壤8種重金屬元素的單因子污染指數(shù)各項指標(biāo)見表6。Hg、Cd、Cu為研究區(qū)主要重金屬污染元素,其中Hg的污染程度較高。土壤Cd污染面積最大,無污染區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部,或呈斑塊狀分布于北部、西北部地區(qū),中度—重度污染呈兩大塊面狀區(qū)域分布于研究區(qū)中北部、東南和西南部地區(qū)(圖3(a))。土壤Cu中度—重度污染區(qū)域集中,位于下營鎮(zhèn)(圖3(b))。土壤Hg污染程度較高,中度—重度污染區(qū)域主要分布于研究區(qū)中部和西南、東南部地區(qū),未污染以帶狀分布于研究區(qū)北部(圖3(c))。105個采樣點中,11.43%的采樣點屬于無污染區(qū),61.9%的樣點屬于輕度污染區(qū),10.48% 的采樣點屬于中度污染區(qū),16.19%的采樣點屬于重度污染區(qū)。綜合污染指數(shù)平均值為2.21,總體上土壤環(huán)境質(zhì)量屬于中度污染(圖3(d))。

表6 萊州灣南岸濱海濕地表層土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)Tab.6 Single factor pollution index of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

(a) Cd單因子污染指數(shù) (b) Cu單因子污染指數(shù)

3.5 潛在生態(tài)危害指數(shù)評價

潛在生態(tài)危害評價結(jié)果見表7,As、Cr、Ni、Zn 4種元素的單因子潛在生態(tài)危害程度最低。Cu、Pb各有104件樣品處于單因子低潛在生態(tài)危害程度,占比99.05%,各有1件樣品處于在子中等及較重潛在生態(tài)危害程度,占比0.95%; Cd單因子中等潛在危害樣品有58件,占比55.24%,單因子較重及以上潛在生態(tài)樣品6件,占比5.71%; Hg單因子中等潛在生態(tài)危害危害樣品20件,占比19.05%,單因子較重及以上潛在生態(tài)危害樣品46件,占比43.81%、因此Cd和Hg對潛在生態(tài)危害的評估結(jié)果有顯著影響。綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到低、中等潛在生態(tài)危害程度樣品分別為53、44件,占比分別為50.48%、41.90%,表明研究區(qū)潛在生態(tài)危害以低、中等潛在生態(tài)危害為主,重、嚴(yán)重潛在生態(tài)危害區(qū)以點狀分布于昌邑市、柳疃鎮(zhèn)區(qū)域(圖4)。

表7 重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)Tab.7 Potential ecological risk index for heavy metal elements

圖4 萊州灣南岸濱海濕地表層土壤重金屬元素綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)評價Fig.4 Comprehensive potential ecological risk index assessment of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

4 討論

土壤中重金屬元素的來源途徑和含量,主要包括自然條件和人類活動,自然條件主要是成土母質(zhì)和成土環(huán)境,人類活動主要是工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動和畜牧養(yǎng)殖等[23]。萊州灣南部濱海濕地表層土壤中8種重金屬元素含量高值均超過昌邑市土壤背景值(表3),Cr含量的平均值與昌邑市背景值接近,其余7種元素含量均高于背景值,說明研究區(qū)存在重金屬污染情況,需要盡快治理,防止污染繼續(xù)擴散。

除Cd和Hg外,其他元素含量均值比山東省和全國背景值低,表明重金屬含量主要受區(qū)域地質(zhì)背景控制。Cu、Hg、Cd和Pb呈現(xiàn)高—中等變異,表明其累積受人類活動影響較大。單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均值顯示Hg和Cd存在重和嚴(yán)重潛在生態(tài)危害,需提高重視,加強針對治理。研究區(qū)大部分區(qū)域為低和中等潛在生態(tài)危害區(qū),重和嚴(yán)重潛在生態(tài)危害區(qū)以點狀分布在昌邑市、柳疃鎮(zhèn)和圍子鎮(zhèn)周邊。

主成分分析結(jié)果表明,Zn、Cd、Pb、As在第一主成分上載荷較大,均大于0.65。對照相關(guān)性分析結(jié)果,這4種元素之間的相關(guān)性也比較強(P<0.1)。As主要來源于殺蟲劑、化肥等農(nóng)業(yè)活動,殺蟲劑等農(nóng)藥中含有Pb,濕地土壤對Pb具有一定的吸附能力。相關(guān)研究中,Cd廣泛應(yīng)用于化肥、農(nóng)藥和塑料地膜等農(nóng)業(yè)活動,農(nóng)藥中也含有Zn[23]。通過觀察重金屬分布圖(圖2),Cd、Pb、Zn高值區(qū)分布在城鎮(zhèn)市區(qū)周邊,主要為農(nóng)田或交通要道旁邊,表明土壤中的Cd、Pb、Zn元素很可能來汽車尾氣、大氣中重金屬沉降等,受人類活動影響較大。Cr和Ni在第二主成分上載荷較大,二者素相關(guān)性也極為顯著(P<0.1),其濃度平均值與昌邑市土壤背景值接近。因此,研究區(qū)Cr和Ni的含量主要受地質(zhì)背景和地球化學(xué)作用的影響,受人類活動影響較小。Cu在第三主成分上具有較高的載荷,Cu的含量與Zn具有很高的相關(guān)性,達(dá)到0.69,同時Cu達(dá)到背景值的1.29倍,構(gòu)成一定程度的污染。Cu污染可能是來自農(nóng)藥、禽畜養(yǎng)殖排放廢棄物以及化工企業(yè)排放污染,與As、Cd、Pb、Zn相近,認(rèn)為Cu來自工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)種植共同作用。在第四主成分上,Hg具有較高載荷,其相關(guān)性和污染程度都與其他元素相差較大。研究表明,Hg元素潛在受廢棄的電子產(chǎn)品、農(nóng)藥的使用、化工產(chǎn)業(yè)排放和大氣自然沉降等[24]。前人研究中,大氣中Hg自然沉降對土壤中Hg含量影響較大[25],考慮到Hg含量與其他元素相關(guān)性較差,且含量分布明顯具有區(qū)域性特點,推測研究區(qū)Hg的來源主要為大氣沉降。

虞河、堤河、濰河和膠萊河自西向東貫穿整個研究區(qū),均受到重金屬元素污染,其中Hg、Cd、Cu對河流污染較嚴(yán)重,也對周邊土壤造成污染。土壤中的重金屬通過大氣降水與地表徑流會污染地下水,并通過地下徑流可能對周邊地下水源地造成污染,影響城鎮(zhèn)居民用水安全。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)重金屬元素的空間分布,Pb、Zn、Cd、Cu、As分布情況相似,高值區(qū)斑塊狀分布在南部和北部,Hg片狀富集在中部,Cr、Ni在東部和西部富集。

(2)萊州灣南部濱海濕地表層土壤重金屬元素含量相較于昌邑市背景值均有超標(biāo)。重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值大小排序為Hg>Cd>Cu>Pb>Zn>As>Ni>Cr,Hg、Cu、Pb為主要污染元素。綜合污染指數(shù)平均值為2.21,總體上土壤環(huán)境質(zhì)量屬于中度污染。重金屬元素單因子潛在生態(tài)危害程度為Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn,研究區(qū)潛在生態(tài)危害以低、中等程度為主,重、嚴(yán)重潛在生態(tài)危害區(qū)以點狀分布于昌邑市、柳疃鎮(zhèn)區(qū)域。

(3)通過相關(guān)性分析表明,研究區(qū)各重金屬元素含量之間具有明顯的正相關(guān)性,其來源主要分為3類,Cu、Zn、Cd、Pb和As的來源與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通活動相關(guān),Cr、Ni的來源主要受到地質(zhì)背景和地球化學(xué)作用的影響,Hg的來源主要受到大氣沉降的影響。