張永帥,榮玉偉,李付全,劉孝峰,郭海鵬,于福興,段友春

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊,山水林田湖草修復(fù)和保護(hù)院士工作站,山東 臨沂 276006)

0 引言

土壤是地表生態(tài)系統(tǒng)中與人類生產(chǎn)生活直接相關(guān)的最重要的一種生態(tài)資源,其環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣可對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、人類健康造成直接影響[1-2]。近年來,受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活等因素的影響,土壤中重金屬累積趨勢日益嚴(yán)重,且具有持久性、隱蔽性和累積性的特點[3],可通過農(nóng)產(chǎn)品攝入等方式對人類身體健康造成影響,生態(tài)風(fēng)險危害極大[4-5]。

目前,國內(nèi)外對土壤中重金屬污染生態(tài)風(fēng)險評價的方法主要有地累積指數(shù)法、單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、綜合響應(yīng)因子法、富集系數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法、生物效應(yīng)濃度法等[6-10]。例如李瑞等[11]對東北及黃淮海平原土壤重金屬利用潛在生態(tài)指數(shù)法分析了其生態(tài)風(fēng)險,提出Cd、Hg兩種元素的污染高風(fēng)險較為突出;李秋燕等[12]運用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對錦州土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價,該地局部Cd含量過高導(dǎo)致土壤潛在生態(tài)風(fēng)險較高;孫志佳等[13]采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價了湛江東北部農(nóng)用地土壤重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險;劉瑞雪等[14]利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價了湘潭縣農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險,結(jié)果表明土壤中Cd污染較嚴(yán)重,導(dǎo)致該地土壤重金屬整體呈現(xiàn)出高生態(tài)風(fēng)險狀態(tài)。

本文以2020—2022年開展的山東省地質(zhì)勘查項目“山東省臨沭縣北部土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查評價”為依托,選取了山東省東南部臨沭縣北部5個街道鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)為研究范圍,對該區(qū)域土壤中的8種重金屬含量進(jìn)行調(diào)查研究,分析各元素空間分布特征,并采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對該區(qū)的土壤環(huán)境生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價,以期為該地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理和土壤污染防治提供一定的參考依據(jù)[15-16]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于山東省臨沂市的東南部,包括臨沭縣北部的5個鎮(zhèn)、街道,總面積600.29km2。區(qū)內(nèi)地勢東北部高,西部和南部低,境內(nèi)地貌以緩坡丘陵為主,大致分為低山、丘陵、平原3種類型。屬暖溫帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫在12.7℃,年日照時數(shù)為2459h,無霜期220d左右,多年平均降雨量為852mm。研究區(qū)土壤主要包括粗骨土、棕壤、褐土、潮土和砂姜黑土5個土類,農(nóng)用地面積耕地面積382.1km2,占土地面積的63.65%,主要為耕地,農(nóng)作物一般為一年兩熟或兩年三熟,主要農(nóng)作物為小麥、玉米、花生、地瓜等。研究區(qū)內(nèi)化肥化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),是全國優(yōu)質(zhì)復(fù)合肥生產(chǎn)基地。

1—采樣點位;2—居民區(qū);3—水域圖1 研究區(qū)土壤采樣點位圖

1.2 樣品采集與處理

本次工作于2020年在研究區(qū)農(nóng)用地內(nèi)采集了3669件0～20cm表層土壤樣品(圖1)。樣品點位根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖斑進(jìn)行布設(shè),野外樣品采集表層土壤,去除地表雜物,自地表垂直向下20cm連續(xù)均勻采集樣品,野外采樣以GPS定位點為中心,采用“X”形或“S”形向四周輻射15～50m確定4個分樣點,5點等份組合成一個混合樣。將土壤樣品自然風(fēng)干,掰碎,并去除雜質(zhì),經(jīng)研磨過2mm尼龍篩后裝密封袋備用。

1.3 樣品測定與分析

土壤樣品中的As、Hg采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(HG—AFS)測試,測試儀器為北京海光儀器有限公司生產(chǎn)的AFS—933型原子熒光光度計;Cr、Ni、Cu、Zn、Pb采用X-射線熒光光譜法(XRF)測試,測試儀器為荷蘭帕納克有限公司生產(chǎn)的Axios型X-射線熒光光譜儀;Cd采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定,測試儀器為美國themofisher公司生產(chǎn)的iCARQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀;pH采用離子選擇電極測試,測試儀器采用上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的PHS—3C型pH計。同時,樣品在測試過程中通過平行雙樣分析,空白樣品分析、加標(biāo)樣分析等方式進(jìn)行全程質(zhì)量控制。同時,樣品的全量分析檢測過程采用12個國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控,經(jīng)統(tǒng)計計算所采用分析方法的檢出限、準(zhǔn)確度、精密度均能達(dá)到規(guī)定的要求[17]。

1.4 土壤重金屬評價方法

1.4.1 地積累指數(shù)法

地積累指數(shù)法主要利用土壤中重金屬含量與其土壤背景值的相對關(guān)系來定量確定土壤重金屬污染富集情況[18]。該方法于1969年由Muller[19]提出,以往評價方法未考慮到地質(zhì)背景成土母巖成土作用可能導(dǎo)致的背景值變動,而地積累指數(shù)法加入了對該因素的修正參數(shù),因此是對以往評價方法的一種改進(jìn),被廣泛應(yīng)用于對沉積物中重金屬污染的評價中。其計算公式(1)：

Igeo=log2[Ci/(m×Bi)]

(1)

式中：Igeo為地積累指數(shù);Ci是土壤樣品中重金屬元素i的實測值(mg·kg-1);Bi是該重金屬元素的土壤背景值(mg·kg-1),本文取值山東省臨沂市表層土壤地球化學(xué)背景值[20];m為修正系數(shù),即考慮到自然成巖作用可能引起的地球化學(xué)背景值的變動,主要用來表示成巖作用、沉積特征等對其影響程度[21],本文取值1.5。地累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度的劃分見表1[22]。

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法于20世紀(jì)80年代由瑞典學(xué)者Hakanson提出[23],該方法以重金屬的土壤背景值為基礎(chǔ),結(jié)合重金屬的生物毒理性水平、污染濃度、生態(tài)環(huán)境敏感性及多元素協(xié)同效應(yīng)通過定量計算得出重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI值),該方法被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染評價[24]。其計算公式(2)：

表1 地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價指標(biāo)及分級

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

運用Excel 2010和SPSS 22.0,對土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計和相關(guān)性分析,利用ArcGIS10.6中Geostatistical Analyst模塊,通過普通克里格插值,對重金屬空間分布特征進(jìn)行地統(tǒng)計分析并制圖。

2 測試結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)用地表層土壤重金屬含量特征分析

研究區(qū)表層土壤pH在4.14～8.84,均值為5.55,整體處于中酸性土壤環(huán)境,少部分為弱堿性。8種重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的平均含量分別為5.32mg·kg-1、0.09mg·kg-1、45.46mg·kg-1、16.61mg·kg-1、0.021mg·kg-1、18.62mg·kg-1、26.70mg·kg-1、52.70mg·kg-1,其中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Zn的平均含量低于山東省臨沂市表層土壤地球化學(xué)背景值,Pb的平均含量略高于臨沂市土壤背景值,表現(xiàn)出一定程度的富集效應(yīng)。就樣品個數(shù)而言,As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn元素分別有841、505、314、385、615、302、1642、774件樣品超過臨沂市表層土壤背景值,占全部3369件樣品的比例分別為24.96%、14.99%、9.32%、11.43%、18.25%、8.96%、48.74%、22.97%,其中Pb超背景值的樣品數(shù)量最多,有近一半樣品超過背景值。各重金屬元素中Hg元素含量最大值超背景值倍數(shù)最多,為背景值的23倍,其次為Cd,含量最大值為背景值的10.5倍,而Pb元素含量最大值超背景值倍數(shù)最少,僅為背景值的2.8倍。

變異系數(shù)常用來反映土壤重金屬含量的空間分布均勻變化程度,一般將變異系數(shù)>30%劃為強變異,將10%～30%劃為中等變異[28]。8種重金屬的變異系數(shù)從大到小排序依次為：Hg(98.80%)>Cr(62.83%)>Cu(49.67%)>Ni(48.42%)>As(47.94%)>Zn(47.68%)>Cd(35.35%)>Pb(17.72%)。變異系數(shù)最小的元素為Pb,屬于中等變異程度,且明顯低于其他元素,說明研究區(qū)農(nóng)用地土壤中Pb元素含量變化較小,空間分布較為均勻,另外7種元素變異系數(shù)都超過了30%,屬于強變異程度,尤其是Hg和Cr元素,變異系數(shù)超過60%,說明這2種元素含量變化極大,且空間分布極不均勻,這種現(xiàn)象一般是受外界因素如人類的生產(chǎn)生活活動干擾造成的(表2)。

表2 農(nóng)用地土壤重金屬含量統(tǒng)計

2.2 土壤重金屬含量空間分布

利用ARCGIS地統(tǒng)計模塊中的普通克里金插值法對樣本進(jìn)行插值,得到8種土壤重金屬含量的空間分布情況(圖2)。由圖2中可知,Cr、Ni有相似的空間分布,Cr和Ni含量高的區(qū)域均出現(xiàn)在中北部,表明Cr、Ni的來源有相同的地方。一般認(rèn)為土壤中Cr、Ni含量與成土母巖有關(guān)[29],研究區(qū)中北部地質(zhì)背景主要為中性的巖漿巖,土壤中Cr、Ni高值應(yīng)是繼承自母巖的風(fēng)化沉積富集作用;As、Pb的空間分布也是相似的,高含量區(qū)域主要出現(xiàn)在中部,其分布規(guī)律都呈現(xiàn)出從南北到中間逐漸增大的趨勢,研究表明,土壤中Pb、As元素含量異常與人類生產(chǎn)活動有關(guān),研究區(qū)中部為主要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū),且分布有一定數(shù)量的養(yǎng)殖場,不當(dāng)?shù)姆仕幨┯?、動物飼料和廣泛用煤應(yīng)是造成研究區(qū)表層土壤中Pb、As元素局部異常富集的主要原因;Hg的高含量區(qū)域主要在中部地區(qū),呈散點狀,土壤中Hg元素異常高值集聚主要來自于燃料燃燒、垃圾焚燒等途徑;Cu元素含量空間分布較為散亂,高值異常主要分布在中南部地區(qū),與該區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較多有關(guān);Cd元素含量高值主要分布于中部區(qū)域,該區(qū)域為主要工業(yè)生產(chǎn)區(qū),其中化肥化工、機械制造等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的工業(yè)三廢會導(dǎo)致土壤中Cd異常集聚;Zn元素空間分布呈現(xiàn)出北部低中南部高的趨勢,主要與中南工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關(guān)。

圖2 研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤重金屬含量分布圖

2.3 土壤重金屬含量相關(guān)性分析

利用SPSS 22.0軟件對土壤中8種重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表3所示。從表3可知,研究區(qū)表層土壤中Ni與Cr的相關(guān)系數(shù)為0.8907,為極顯著相關(guān),則可以推斷這兩種重金屬有相同的背景來源,與2種元素含量空間分布的結(jié)果一致,主要為地質(zhì)背景母巖來源;As與Pb之間呈顯著性相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.3385,說明兩者有一定的同源性;而Cd、Cu、Zn三種元素兩兩之間都表現(xiàn)出了顯著性的相關(guān)關(guān)系,表明三者應(yīng)該有共同的背景來源,也解釋了三者高值異常都處于研究區(qū)中南部工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)的空間分布特征;Hg與其他7種金屬元素的相關(guān)性都較低,說明研究區(qū)土壤中Hg來源背景較為單一,與其他元素關(guān)聯(lián)性不大。

表3 研究區(qū)農(nóng)用地土壤重金屬元素相關(guān)性分析

2.4 土壤重金屬地累積指數(shù)評價

根據(jù)公式(1)計算研究區(qū)農(nóng)用地表層土壤重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)Igeo。Igeo的樣品點數(shù)分布和數(shù)值分布分別表示在圖3、表4中。

圖3 重金屬地質(zhì)累積指數(shù)Igeo值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計箱線圖

8種重金屬地累處于清潔級別的樣品個數(shù)占全部樣品個數(shù)的比例都在94%以上,說明研究區(qū)表層土壤中金屬累積程度整體上相對較輕,但所有重金屬元素都有一定數(shù)量的樣品至少在輕度累積級別,研究區(qū)土壤各種重金屬元素出現(xiàn)輕度累積級別及以上級別的點位占比分別為Hg 5.58%>As 5.02%>Zn 4.39%>Cd 3.53%>Cu 2.40%>Ni 1.63%>Cr 1.42%>Pb 1.34%,說明這幾種重金屬在土壤中累積程度由強到弱順序為Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb,各元素出現(xiàn)累積的點位大多都處于輕度累積和偏中度積累級別,Cd、Cu、Hg、Ni、Zn這5種元素有少量點位在中度累積級別以上,其中Cd元素相比其他4種元素,其偏中度累積和中度累積的比重要比輕度累積大的多,說明Cd元素雖然清潔等級樣品占比較大,但非清潔等級樣品有更為嚴(yán)重的累積程度。8種重金屬元素中Hg的平均地累積指數(shù)(-1.258)最小,范圍處于-5.129～3.937之間,但分別有4.63%、0.65%、0.24%、0.06%的樣品依次屬于輕度累積、偏中度累積、中度累積、偏重度累積,是唯一一種有偏重度累積級別樣品的重金屬,說明Hg元素累積程度最為嚴(yán)重,在局部可能存在一定程度的嚴(yán)重污染狀況。Pb元素的Igeo均值(-0.57)最大,但其變化幅度(-1.61～0.93)是最小的,且僅出現(xiàn)少量樣品的輕度累積,說明土壤中Pb元素雖然地累積指數(shù)均值較高,在整體變化幅度較小,且累積程度最低,相對較為穩(wěn)定。

表4 研究區(qū)域農(nóng)用地土壤重金屬污染地積累指數(shù)樣點等級分布統(tǒng)計

3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

表5 土壤重金屬單因子潛在生態(tài)風(fēng)險及綜合潛在風(fēng)險指數(shù)結(jié)果統(tǒng)計

表6 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)樣品等級分布頻數(shù)統(tǒng)計

1—輕度生態(tài)風(fēng)險(RI≤150);2—中度生態(tài)風(fēng)險(150

綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的平均值為75.17,整體處于輕度風(fēng)險級別,但分別有60件、11件、1件樣品的RI值依次達(dá)到了中度、強、很強風(fēng)險等級,占全部樣品的比例分別為1.78%、0.33%、0.03%,這說明研究區(qū)表層土壤中仍存在局部的點狀的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險,從前文可知,這主要是受Hg和Cd這2種元素的影響。從空間分布狀況(圖4)來看,中度生態(tài)風(fēng)險呈散點狀分布于研究區(qū)中部、西部和東北部,強生態(tài)風(fēng)險區(qū)分布范圍較小,呈零星狀分布于研究區(qū)西部,該區(qū)域鄰近臨沭縣鄭山街道工業(yè)生產(chǎn)區(qū),主要是受工業(yè)生產(chǎn)活動影響導(dǎo)致土壤出現(xiàn)強生態(tài)風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)臨沭縣北部地區(qū)農(nóng)用地表層土壤中8種重金屬中除Pb元素略高于臨沂市土壤背景值,其余7種元素都低于背景值,重金屬含量的變異系數(shù)大小依次為Hg>Cr>Cu>Ni>As>Zn>Cd>Pb,Hg和Cr元素的變異系數(shù)都超過60%,其含量受人類活動干擾較大,空間分布極不均勻。

(2)Cr、Ni元素含量的空間分布格局較為相似,兩者為極顯著相關(guān),其空間分布主要受成土母質(zhì)的地質(zhì)背景控制;As、Pb元素高值區(qū)域出現(xiàn)在中部,主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動影響;Hg元素高值分布呈散點狀;Cu、Cd、Zn這3種元素之間相關(guān)性較強,高值都分布于中南部,主要與該區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關(guān)。

(3)對研究區(qū)農(nóng)用地累積評價結(jié)果可知,研究區(qū)表層土壤中金屬累積程度整體上相對較輕。幾種重金屬在土壤中累積程度由強到弱順序為Hg>As>Zn>Cd>Cu>Ni>Cr>Pb,Hg元素有0.30%的樣品屬于中度累積以上級別,是累積程度最嚴(yán)重的元素,在局部可能存在一定程度的嚴(yán)重污染狀況。

(4)單因子潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明,Cr、Cu、Ni、Pb、Zn這5種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險較小,Hg和Cd元素為單因子潛在生態(tài)風(fēng)險評價重危害程度最嚴(yán)重的2種元素,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果表明,研究區(qū)整體處于輕度風(fēng)險級別,但有72件樣品達(dá)到了中度風(fēng)險等級以上,表明研究區(qū)內(nèi)仍存在局部的點狀的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險,應(yīng)是受Hg和Cd這2種元素的影響,因此該區(qū)應(yīng)對土壤中Hg、Cd污染來源進(jìn)行嚴(yán)格控制,防止局部的過度累積對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成危害。