白银市东大沟污灌区表层土壤重金属污染及潜在生态风险评价

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摘要 以白银市东大沟污灌区表层土壤为研究对象，分析污灌区表层土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、As和Hg等6种重金属的分布特征，并采用污染综合指数法和潜在生态危害指数法进行评价。结果表明，东大沟污灌区不同区域表层土壤中重金属含量分布差别较大，污灌区表层土壤中6种重金属平均含量均显著高于土壤背景值，污灌区表层土壤已经出现了严重的重金属累积。表层土壤重金属的平均单项污染指数从大到小依次为Cd>Cu>As>Zn>Pb>Hg，污灌区的综合污染指数范围为2.5～13.2，均值为7.9，污灌区土壤受到重污染，作物受到的污染已相当严重。潜在生态风险评价表明，污灌区表层土壤达到很强生态风险水平，Cu、Pb和Zn处于轻度的潜在生态风险，As和Hg处于中度潜在生态风险水平，而Cd则处于极强的潜在生态风险。

关键词 污灌区；重金属污染；潜在生态风险；评价；甘肃白银；东大沟

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）15-0215-03

污水灌溉曾被认为是缓解农业水资源紧张状况的重要途径，但长期使用未经处理的污水进行灌溉，可能会导致污水中的重金属等污染物在土壤中累积，并经过作物吸收进入食物链，或通过某些迁移进入地下水和大气，最终威胁其他动物甚至人类的健康[1]。由于长期污灌已经引起了一系列的环境问题，如小麦拔节后抽穗少、蔬菜易腐烂不耐贮藏等[2]。因此，污染土壤修复技术已成为全球的热点研究领域之一，通过土壤淋洗、加入土壤改良剂使重金属固化或改变重金属形态、微生物与植物的生物修复等措施，可以减轻或清除土壤的重金属污染[3]。但无论采取何种污染修复技术，都必须先了解土壤污染状况、污染类型和污染程度等，才能采取相应的措施。

白银市位于甘肃省中部，黄河上游，地下水资源丰富，黄河流经市辖区，水能资源充足。面积2.12万km2，人口180万人。白银地区矿产丰富，开采历史悠久，矿产资源有铜、铅、锌、金、银等金属矿产及硫磺、煤炭、石膏、石灰石、芒硝、氟石等非金属矿产。白银市几十年来粗放的有色金属采选和冶炼加工，致使境内东大沟流域农田及周围生态环境的重金属污染问题严重，直接影响黄河流域生态安全。东大沟是白银市东市区工业区的一条排污沟，起源于白银公司露天矿，由北向南穿过白银市东市区，流经38 km于四龙口汇入黄河。沿途主要接纳了白银公司、银光公司等工业企业排放的工业废水和东市区居民生活污水。作为农业灌溉用水的有效方式，东大沟沿线耕地用污水灌溉有很长的历史。因此，研究污灌区土壤重金属污染特征，对土壤环境质量进行评价，可为污灌区土壤重金属污染修复提供科学依据。

1 研究方法

1.1 样品采集

1.1.1 采样区域与采样点分布。本次研究基于2007年全国第二次土壤普查工作中在东大沟污灌6个不同区域（分别标记为A、B、C、D、E、F）采集的表层土壤，采样深度为0～20 cm，共计50个，其中区域A有4个，区域B有10个，区域C有23个，区域D有3个，区域E有6个，区域F有4个，代表白银市东大沟污灌区域土壤环境质量，采样定位见图1。

1.1.2 土样采集与处理方法。测量重金属的样品用竹片或竹刀去除与金属采样器接触的部分土壤，再用其取样。等重量混匀后用四分法弃取，保留相当于风干土3 kg的土样记录装袋。采样结束后，采样小组填好样品流转单，同样品一起交样品管理员。采集的土壤样品放置于风干室的风干盘中，除去土壤中混杂的砖瓦石块、石灰结核、根茎动植物残体等，摊成2～3 cm的薄层，经常翻动。半干状态时，用木棍压碎或用2个木铲搓碎土样，置阴凉处自然风干。风干后的样品倒在有机玻璃板上，用木锤敲打，用木棒再次压碎，细小已断的植物须根，采用静电吸附的方法清除。混匀土样，过孔径2 mm的尼龙筛，去除2 mm以上的砂粒，大于2 mm的土团继续研磨、过筛。过筛后的样品全部置于无色聚乙烯薄膜上，充分搅拌、混合直至均匀，用四分法弃取、称重，保留2份样品，一份装瓶备分析用，另一份继续进行细磨，过孔径0.15 mm的尼龙筛用于分析。

1.2 样品分析

采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解的方法，彻底破坏土壤中的矿物晶格，使试样中的待测元素全部进入试液，使用Zeenit-700原子吸收分光光度计测定Cu、Pb、Zn、Cd，使用AFS-930原子荧光光度计测定As、Hg。所有测定均有空白样和质控样进行质量控制。

1.3 评价方法

污染评价的方法很多，目前使用较多的是指数法，不同的评价方法侧重点不同。本次研究采用污染综合指数法、污染分担率对污灌区土壤重金属污染特征进行评价，采用Hakanson潜在生态危害指数法对污灌区土壤生态风险进行评价。

1.3.1 土壤重金属污染质量评价。土壤按照应用功能、保护目标和土壤主要性质划分为3类，Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤。土壤质量基本对植物和环境不造成危害和污染。本次评价区域执行《土壤环境质量标准》（GB15618―1995）Ⅱ类土壤标准[4]，采用单项污染指数和综合污染指数，对污灌区土壤重金属污染进行评估。具体的数学模型如下。

单项污染指数：Pi=Ci/Si

污染分担率：Ki（%）=（Pi/P）×100

式中，Pi为第i种污染物单项污染指数，Ci为第i种污染物的实测值，Si为第i种污染物的评价标准，P为污染综合指数，Ki为第i项污染物所占的分担率（%）。

土壤质量分级标准见表1。综合污染指数全面反映了各污染物对土壤污染的不同程度，同时充分考虑了高浓度物质对土壤环境质量的影响。

根据国家土壤环境质量标准的定义，本文将土壤环境质量分为5个级别，具体分级见表2。

1.3.2 潜在生态风险评价。瑞典著名地球化学家Hakanson在1980年提出的潜在生态指数法（The Potential Ecological Risk Index）（RI）是一套应用沉积学原理评价重金属污染和生态危害的方法。该方法作为国际上土壤（沉积物）中重金属研究的先进方法之一，不仅反映了某一特定环境中不同污染物的影响，同时也反映了多种污染物的综合影响，并定量划分出潜在危害程度，是目前应用很广的一种方法。我国著名学者陈静生曾于1989年根据Hakanson的关于潜在生态危害指数评价方法介绍了6个重金属元素的毒性系数的计算方法，并给出了毒性系数。随后，我国众多学者在研究土壤（沉积物）重金属污染评价中也大量使用了潜在生态危害指数法。

单个元素污染系数：Cir=Ci实测/Cin

式中，Cir为某一种金属的污染系数，Ci实测为土壤（沉积物）重金属元素的实测含量，Cin为该元素的评价标准，某一重金属的潜在生态危害系数Eir=Tir×Cir

某一点土壤（沉积物）多种重金属综合潜在生态危害指数：

Hakanson提出的重金属毒性水平顺序：Hg（40）>Cd（30）>As（10）>Pb（5）=Cu（5）>Zn（1），潜在生态风险指数可以定量评价单一元素的风险等级，也可以评价多个元素的总体风险等级。重金属的潜在生态风险指标与分级关系见表3。

2 结果与分析

2.1 东大沟污灌区土壤重金属污染特征

对白银市东大沟污灌区50个点位表层采集的土壤样品，使用原子吸收光度法和原子荧光光度法完成了6种元素（Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg）的测试。同时，选取全国第二次土壤普查中本地区环境土壤背景点的土壤样品，并将此作为本地的背景值。监测分析结果可知，东大沟污灌区不同区域表层土壤中重金属含量分布差别较大（表4）。由表4可知，6种重金属含量均值大小在区域A、E、F中依次为Zn>Pb>Cu>As>Cd>Hg，区域B依次为Cu>Zn>Pb>As>Cd>Hg，区域C、D则为Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg。重金属污染程度沿程分布呈现逐渐降低的趋势。

以相关元素背景值为评价标准是土壤环境质量评价的最基本的依据之一，也是判别土壤污染程度与否的重要标准之一[5]。通过与白银市土壤背景值比较，污灌区表层土壤中6种重金属平均含量均显著高于土壤背景值。其中，Cu的最高平均值达到土壤背景值的39倍（区域B），Pb为24倍（区域A），Zn为23倍（区域A），Cd为475倍（区域A），As为15倍（区域F），Hg为48倍（区域F）。除As和Hg外，其他重金属元素的超标率为100%。因此，由于历史原因和现实条件限值，常年使用处理未达标的污水灌溉，白银市东大沟污灌区表层土壤已经出现了严重的重金属累积现象，应引起农业环境部门的重视。

2.2 东大沟污灌区土壤重金属污染质量评价

由于该地区的土壤pH均值为7.58，属微碱性环境，故选择国家土壤环境质量标准pH>7.5的二级限量值作为污染评价值，计算污灌区土壤中6种重金属的单项污染指数值和综合污染指数值，分析结果见表5。

从表5可以看出，根据单项污染指数法和综合污染指数法的评价结果，污灌区表层土壤已经受到重金属污染。在研究区中的重金属，Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg的单项污染指数的变化范围分别为1.06～7.57、0.50～1.99、0.73～4.46、10.7～62.0、1.68～6.92、0.14～1.89；单项污染指数均值分别为3.91、1.34、2.50、35.2、3.32、1.06，均大于1。在研究的污灌区中，Cd的污染指数最高，对环境的污染也最大。表层土壤重金属的平均单项污染指数从大到小依次为Cd>Cu>As>Zn>Pb>Hg。

污灌区的综合污染指数范围为2.5～13.2，均值为7.9，污灌区土壤受到重污染，作物受到的污染已相当严重。由综合污染指数看以看出，各个污灌区表层土壤重金属污染程度为区域C>区域A>区域B>区域D>区域F>区域E。从分布的区域来看，重金属污染程度呈现污灌土地沿流域自上而下，由近岸到远离逐渐降低的趋势。

污染物分担率反映了各污染物在污染过程中所占的比率。从表6看以看出，污灌区表层土壤中6项污染物平均分担率的顺序为Cd>As>Cu>Zn>Pb>Hg，但不同区域中污染物分担率有差别。在污灌区表层土壤中，Cd污染物分担率明显高于其他污染物，平均值达到了72.51%，因此东大沟污灌区表层土壤重金属的污染程度主要由该地区Cd的污染程度来判定。从污染因子结构来看，与东大沟纳入废水企业明显相关。

2.3 东大沟污灌区表层土壤潜在生态风险评价

根据东大沟流域特点，综合本地区背景土壤不会对东大沟污灌区土壤中重金属含量造成影响情况，本次研究确定以《土壤环境质量标准》（GB15618―1995）Ⅱ类标准进行生态风险评价。

表7列出了白银市东大沟污灌区表层土壤单个重金属潜在生态风险系数和综合生态风险指数。通过计算结果可以看出，污灌区表层土壤重金属综合潜在生态危害指数为352～2 009，平均达1 159，生态风险达到很强生态风险，只在区域E（RI=352）为较强生态风险，表明白银市东大沟污灌区表层土壤受到严重污染，应引起充分的关注。污灌区表层土壤6种重金属的潜在生态风险系数Eir范围：Cu为5～38，Pb为3～10，Zn为1～4，Cd为321～1 860，As为17～69，Hg为6～76。从6种重金属的潜在生态风险系数的均值来看，其潜在生态风险程度为Eir（Cd）>Eir（Hg）>Eir（As）>Eir（Cu）>Eir（Pb）>Eir（Zn）。在整个污灌区表层土壤中，Cu、Pb、Zn处于轻度的潜在生态风险，而Cd则处于极强的潜在生态风险。As在区域F中处于中等的潜在生态风险，在其他区域则处于轻度的潜在生态风险。Hg在区域B、C、F中处于中等的潜在生态风险，而在其他区域处于轻度的潜在生态风险。由此可见重金属Cd为东大沟污灌区表层土壤重金属污染首要污染物。表7分析结果表明，污灌区表层土壤中处于很强的潜在生态风险水平，则主要是由Cd所引起的。Cd的潜在生态风险系数均值为1 055，远高于极强生态风险值，在6个区域50个点位中，仅有1个点位为中等生态风险水平，占所监测点位的2%；3个点位处于较强生态风险水平，占所监测点位的6%；7个点位为很强生态风险水平，占所监测点位的14%；其余的39个点位达到极强生态风险水平，占所监测点位的78%[6]。

3 结论

利用综合污染指数和潜在生态风险指数法对白银市东大沟污灌区表层土壤重金属进行了分析，得出污灌区表层土壤重金属的污染程度和潜在生态风险。