關(guān)鍵詞：重金屬污染；生態(tài)修復(fù)環(huán)境；定量評(píng)估；毒性淋溶提取法；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

中圖分類號(hào)：X826 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

重金屬污染生態(tài)環(huán)境的途徑主要包括廢水中的重金屬排放、廢氣中的重金屬釋放和固體廢棄物中的重金屬沉積等。這些途徑是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)受到重金屬污染的主要來源。重金屬污染對(duì)土壤、人類和動(dòng)物的健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過監(jiān)測(cè)土壤中重金屬含量并采取有效的治理措施，可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性，切實(shí)維護(hù)人類和動(dòng)物健康，并為未來的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

對(duì)此，有學(xué)者提出了一系列土壤重金屬監(jiān)測(cè)方法。例如，周偉等人曾采用地理探測(cè)器，定量評(píng)估土壤重金屬影響因子的分布狀態(tài)與影響，此方法可分析土壤重金屬的空間變異性和影響因素的復(fù)雜性，以及土壤重金屬的分布和來源，但是地理探測(cè)器價(jià)格昂貴，運(yùn)行和維護(hù)成本較高，不能作為大眾化分析工具。熊鴻斌等人使用MonteCarlo模擬技術(shù)，模擬分析重金屬元素質(zhì)量比的分布特征，評(píng)估土壤重金屬健康風(fēng)險(xiǎn)。但該技術(shù)需要假設(shè)條件，如均勻分布、獨(dú)立抽樣等，這些假設(shè)可能不完全符合實(shí)際情況，對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，文章研究新的定量評(píng)估方法，通過融合毒性淋溶提取法和改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，實(shí)現(xiàn)了多種重金屬元素的綜合評(píng)估，定量評(píng)估土壤重金屬污染對(duì)生態(tài)修復(fù)環(huán)境影響，為生態(tài)修復(fù)環(huán)境保護(hù)問題提供參考。

1材料方法

1.1研究區(qū)域土壤概況

研究區(qū)域地勢(shì)較為平坦，當(dāng)?shù)赝寥缹儆诘湫偷酿ば酝寥李愋停粌H養(yǎng)分含量顯著，而且具有大量小孔隙。該地土壤通透性較差，土壤溫度變化速度不快。結(jié)合地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)赝翆訌纳系较路謩e是人工填土層、粉狀黏土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

取樣器：JC-802A型心形土壤取樣器；

尼龍篩；

瑪瑙棒；

CYWB-6微波消解儀；

多孔趕酸電熱板；

HY -4往復(fù)式振蕩器；

EXPEC7000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；

MARS消解管；

硝酸：分析純；

氫氟酸：分析純；

無水乙酸：分析純；

氫氧化鈉：分析純。

1.3土壤樣品采集

使用加密布點(diǎn)采樣模式采集土壤樣品，標(biāo)記采樣點(diǎn)位置的經(jīng)緯信息。土壤樣品采集時(shí)，主要使用取樣器完成，把取樣器垂直放在地面伸入土層，使用取土鏟子先對(duì)土壤刨除一個(gè)斷面，然后在與斷面平行的位置鏟取0.55kg土壤樣品，放在樣品袋中，并使用記號(hào)筆對(duì)其標(biāo)記標(biāo)簽信息。

1.4土壤樣品預(yù)處理與消解

去除土壤樣品中石塊等無效雜物，放在通風(fēng)條件較好的位置進(jìn)行風(fēng)干。在對(duì)土壤樣品進(jìn)行篩選和處理的過程中，使用瑪瑙棒對(duì)土壤樣品進(jìn)行碾壓，以破碎土壤團(tuán)聚體，使樣品更易通過篩孔。選擇2 mm的尼龍篩作為篩選工具，以確保較大顆粒和雜質(zhì)被濾除。當(dāng)土壤樣品能夠通過100目尼龍篩后，表示較細(xì)小顆粒已經(jīng)被有效分離。

將混勻后土壤樣品稱取0.06g，放在MARS消解管后，依次向管內(nèi)放入9mLH硝酸、3mL氫氟酸，再放在CYWB-6微波消解儀器中消解，消解主要分為三步驟，步驟的參數(shù)設(shè)置是：

步驟（1）：消解溫度的爬升時(shí)間與保持時(shí)間分別設(shè)成11min、5min，此步驟的最終溫度為125°，消解儀的功率為1605W。

步驟（2）：同上，時(shí)間分別設(shè)成0min、5min，此步驟的最終溫度為165°，消解儀的功率為1605W。

步驟（3）：同上，時(shí)間分別設(shè)成6min、26min，此步驟的最終溫度為190°，消解儀的功率為1605W。

消解完畢取出儀器中冷卻的消解管，將其放在電熱板中，通過高溫作用實(shí)現(xiàn)加熱趕酸。經(jīng)趕酸后，將管內(nèi)液體放在50mL的容量瓶中，用于后續(xù)定容。

1.5重金屬污染狀態(tài)分析生態(tài)環(huán)境污染級(jí)別評(píng)估方法

1.5.1基于毒性淋溶提取法的重金屬污染狀態(tài)分析

毒性淋溶提取法簡(jiǎn)稱TCLP法，使用此方法提取土壤重金屬有效態(tài)含量時(shí)，設(shè)定提取溶液和土壤樣品質(zhì)量比是20：1，混合放入HY-4往復(fù)式振蕩器在室溫條件中振蕩20h，由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢定土壤樣品的重金屬有效態(tài)。使用式（1）運(yùn)算中僅屬于有效態(tài)含量（mg/kg）。

其中，土壤重金屬有效態(tài)含量是A；提取液中重金屬含量、提取液體積分別是α、U；土壤樣品質(zhì)量是N。

此方法可提取土壤重金屬有效態(tài)，檢定重金屬含量。操作時(shí)，需要結(jié)合土壤酸堿度、緩沖量狀態(tài)的差異，使用2種緩沖溶液制備提取液：

（1）土壤pH值低于5時(shí)，將5.7mL無水乙酸放在容量瓶后，導(dǎo)進(jìn)64.3 mL 1mol/L氫氧化鈉定容，控制提取液的pH值處于區(qū)間[4. 88，4.99]。

（2）土壤pH值高于5時(shí)，將5.7mL無水乙酸放在容量瓶定容，控制提取液的pH值處于區(qū)間[2.83，2.93]。

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀運(yùn)行時(shí)，輸出功率與定向流量分別設(shè)成1555W、4.4 mL/min，質(zhì)譜計(jì)數(shù)模式與等離子氣流量分別設(shè)成脈沖／模擬模式、15.5L/min；載氣流速、采樣深度分別設(shè)成1.0L/min、8.5mm；霧化器流速、霧化室溫度分別設(shè)成0.98L/min、2.5℃；蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速、重復(fù)采樣次數(shù)分別設(shè)成0.15r/s、3次。

1.5.2基于改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的生態(tài)環(huán)境污染級(jí)別評(píng)估

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法可以全面定量評(píng)估土壤重金屬，對(duì)生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染度，計(jì)算出的綜合污染指數(shù)的值越大，表示生態(tài)修復(fù)環(huán)境所受污染越嚴(yán)重。運(yùn)算方法是：

其中，第j類重金屬污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)、污染物實(shí)測(cè)值分別是Q_j、D_j；第j類重金屬污染物的土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值是R_j，文章研究中R_j的設(shè)置，參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）中2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。重金屬元素背景值見表1。

（1）當(dāng)Q_o數(shù)值小于或等于0.7時(shí)，表示土壤重金屬污染影響下，生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染級(jí)別是1級(jí)，此時(shí)定量評(píng)估結(jié)果為無污染。

（2）當(dāng)Q_o數(shù)值大于0.7、小于或等于1時(shí)，表示土壤重金屬污染影響下，生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染級(jí)別是2級(jí)，此時(shí)定量評(píng)估結(jié)果認(rèn)為生態(tài)修復(fù)環(huán)境狀態(tài)處于即將污染的警戒范圍。

（3）當(dāng)Q_o數(shù)值大于1、小于或等于2時(shí)，表示土壤重金屬污染影響下，生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染級(jí)別是3級(jí)，此時(shí)定量評(píng)估結(jié)果認(rèn)為生態(tài)修復(fù)環(huán)境輕度污染。

（4）當(dāng)Q_o數(shù)值大于2、小于或等于3時(shí)，表示土壤重金屬污染影響下，生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染級(jí)別是4級(jí)，此時(shí)定量評(píng)估結(jié)果認(rèn)為生態(tài)修復(fù)環(huán)境中度污染。

（5）當(dāng)Q_o數(shù)值大于3時(shí)，表示土壤重金屬污染影響下，生態(tài)修復(fù)環(huán)境的污染級(jí)別是5級(jí)，此時(shí)定量評(píng)估結(jié)果認(rèn)為生態(tài)修復(fù)環(huán)境高度污染。

考慮傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法使用時(shí)，需要分析多種重金屬對(duì)土壤的毒性狀態(tài)，不同毒性指數(shù)，需要設(shè)定不同的權(quán)重系數(shù)，從而修正內(nèi)梅羅指數(shù)。為此，文章改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，把重金屬毒性系數(shù)設(shè)成權(quán)重的分析因素，權(quán)重的設(shè)置方法是：

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1重金屬全量與有效態(tài)含量檢定結(jié)果

在研究區(qū)域居民區(qū)、交通區(qū)分別設(shè)定10個(gè)采樣點(diǎn)，工業(yè)區(qū)設(shè)定5個(gè)采樣點(diǎn)，土壤重金屬全量與有效態(tài)含量檢定結(jié)果見表2。

分析表2，Zn的全量平均值最高（638 mg/kg），其次是Pb （90.3 mg/kg）和Cu（48.9 mg/kg），Cd的全量平均值最低（0.109mg/kg）。Hg、As、Ni、Cr的全量平均值分別處于較低到中等水平。Zn的有效態(tài)含量同樣最高（156 mg/kg），表明其生物可利用性較強(qiáng)。Pb的有效態(tài)含量也較高（15.8 mg/kg），而Cu、Cd的有效態(tài)含量相對(duì)較低。Hg、As、Ni、Cr的有效態(tài)含量均處于較低水平，尤其是Hg和Cd的有效態(tài)含量非常低。Zn的標(biāo)準(zhǔn)差最大（1456 mg/kg），表明其全量在不同采樣點(diǎn)之間的差異極大。Pb的標(biāo)準(zhǔn)差次之（214mg/kg），而Hg的標(biāo)準(zhǔn)差最?。?.06mg/kg），說明Hg在全量上的分布相對(duì)均勻。Pb、Zn、Cu的變異系數(shù)均超過200%，表明這些元素在土壤中的分布極不均勻，可能存在局部污染熱點(diǎn)。相比之下，Hg、As、Ni、Cr的變異系數(shù)較低，說明它們的分布相對(duì)較為均勻。大多數(shù)重金屬的偏度值均大于0，表明其分布向右偏斜，即存在少數(shù)極高值拉高了平均值。Zn的偏度值最大（5.02），說明其分布的不對(duì)稱性最為顯著。Zn、Pb、Cu的峰度值較高，說明這些元素的數(shù)據(jù)分布比正態(tài)分布更加尖銳，即存在更多的極端值。相比之下，Hg、As、Ni、Cr的峰度值較低，接近正態(tài)分布。Zn、Pb、Cu的最大值遠(yuǎn)高于其平均值，表明存在明顯的污染熱點(diǎn)。Cd雖然全量平均值較低，但其最大值也相對(duì)較高（0.591mg/kg），不容忽視。Hg、As、Ni、Cr的最小值和最大值范圍相對(duì)較小，但As和Cr的最大值也達(dá)到了較高水平，可能構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。

如表3所示Cu、Pb、Zn、Cd重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)估結(jié)果。

分析表3數(shù)據(jù)，Zn的污染指數(shù)超標(biāo)率最高，Zn全量污染指數(shù)達(dá)34.6%，Zn有效態(tài)含量污染指數(shù)達(dá)38.3%，Pb、Cu的污染指數(shù)超標(biāo)率分別位居第二名、第三名，Cd不存在污染狀態(tài)。

2.2不同功能區(qū)土壤重金屬污染對(duì)生態(tài)修復(fù)環(huán)境的影響定量評(píng)估結(jié)果

取研究區(qū)域不同功能區(qū)土壤樣品，使用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，定量評(píng)估不同功能區(qū)土壤重金屬污染，對(duì)生態(tài)修復(fù)環(huán)境的影響。為此在研究區(qū)域居民區(qū)、交通區(qū)分別設(shè)定10個(gè)采樣點(diǎn)，工業(yè)區(qū)設(shè)定5個(gè)采樣點(diǎn)。如表4所示不同功能區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)檢定結(jié)果。如表5所示研究區(qū)域生態(tài)修復(fù)環(huán)境受到的重金屬污染評(píng)估結(jié)果。

分析表4、表5數(shù)據(jù)，在多個(gè)土壤采樣樣品匯總，內(nèi)梅羅指數(shù)不超過0.7的樣品數(shù)量?jī)H有1個(gè)，此采樣點(diǎn)的生態(tài)修復(fù)環(huán)境，沒有出現(xiàn)明顯的重金屬污染，處于1級(jí)污染狀態(tài)。處于2級(jí)污染狀態(tài)的土壤采樣點(diǎn)數(shù)量是3個(gè)；處于3級(jí)污染狀態(tài)的土壤采樣點(diǎn)數(shù)量是11個(gè)；處于4級(jí)、5級(jí)污染狀態(tài)的土壤采樣點(diǎn)數(shù)量分別是6個(gè)、4個(gè)。內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)估此區(qū)域，生態(tài)修復(fù)環(huán)境受土壤重金屬污染，總體屬于3級(jí)與4級(jí)污染之間。

按照功能區(qū)的差異，工業(yè)區(qū)、居民區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)平均值分別是2.92、1.34，表示兩種功能區(qū)土壤的生態(tài)修復(fù)環(huán)境狀態(tài)處于4級(jí)、3級(jí)重金屬污染；交通區(qū)的內(nèi)梅羅指數(shù)平均值是2.2，該區(qū)域土壤的生態(tài)修復(fù)環(huán)境狀態(tài)處于4級(jí)。按照土壤重金屬污染級(jí)別從重到輕排名，工業(yè)區(qū)≈交通區(qū)gt;居民區(qū)。此評(píng)估結(jié)果與前文毒性淋溶提取法檢定的重金屬Zn含量超標(biāo)率最高相對(duì)應(yīng)，說明該區(qū)域工業(yè)區(qū)土壤重金屬Zn污染，是影響生態(tài)修復(fù)環(huán)境效果的核心因素。

3結(jié)束語

此研究旨在深入剖析土壤重金屬污染對(duì)生態(tài)修復(fù)環(huán)境的具體影響，通過采用毒性淋溶提取法，提取并精確測(cè)定了研究區(qū)域內(nèi)土壤中關(guān)鍵重金屬元素Zn、Pb、Cu等的有效態(tài)含量。這一步驟的精確性對(duì)于后續(xù)污染評(píng)估至關(guān)重要，能夠直接反映重金屬對(duì)生物體及生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害。隨后，運(yùn)用經(jīng)過優(yōu)化與改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，對(duì)提取的重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，旨在全面、科學(xué)地揭示土壤重金屬污染的整體狀況及其對(duì)生態(tài)修復(fù)工程的潛在影響。評(píng)估結(jié)果顯示，Zn元素在研究區(qū)域內(nèi)的污染程度最為嚴(yán)重，其含量遠(yuǎn)超環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域的土壤重金屬污染狀態(tài)總體處于三級(jí)與四級(jí)之間，這一結(jié)論揭示了污染問題的嚴(yán)峻性，必須采取更加積極、有效的措施來應(yīng)對(duì)。