典型流域农田土壤重金属污染特征及生态风险评价

于云江，胡林凯，，杨 彦，车 飞，孙 朋，邓 飞，

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164

典型流域农田土壤重金属污染特征及生态风险评价

于云江1，胡林凯1，2，杨 彦2，车 飞1，孙 朋1，邓 飞1，2

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164

采用野外采样和室内分析相结合的方法，以原有工业污染较严重的某流域农田表层土壤为研究对象，分析了土壤中重金属Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn和 Mn的含量及污染特征，并采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对农田土壤重金属污染进行了生态风险评价.结果表明：研究区农田土壤中各元素的含量均高于背景值，仍存在一定程度的污染，其污染程度由强至弱依次为Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn;研究区农田土壤存在较高的潜在生态风险，在8种重金属中镉的风险指数最高.表明流域内历史工业污染对农田土壤环境仍具有一定的生态危害性.

农田土壤;重金属;生态风险评价;地累积指数

随着工业发展和农用化学物质种类及数量的增加，农田土壤环境污染日益严重，污染面积逐年扩大.由于重金属具有不易降解、易富集等特征［1］，土壤重金属污染所带来的环境问题日益受到人们的重视，已经成为国际环境土壤学研究的热点［2］.

目前，国内对于土壤重金属污染的研究主要集中于资源开发、城市化进程加速和规模化养殖等导致的污染及其带来的环境及人体健康风险方面［3-7］，大多局限于对现存污染源的研究.历史污染源由于被闲置或搬迁易于被忽视和遗忘，因此，国内对由历史污染源污染引起的生态风险及人群健康风险研究较少，少量研究主要集中在污灌区［8-10］.为此，笔者以原有工业污染较严重的某流域为研究区，分析了研究区土壤中各重金属元素的含量及分布特征，并利用地累积指数法和潜在生态危害指数法对当地土壤污染状况和潜在生态风险值进行评价，以了解历史工业污染与农田土壤潜在生态风险之间的相关性，为人类的生产和生活安全提供保障.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于我国中部，地理位置优越，区内物产资源丰富.20世纪90年代初期，研究区印染和造纸等重污染工业企业发展迅速，由于企业规模小，相应的“三废”处理配套设施不完善，区内环境受到严重污染，过境河流一度鱼虾绝迹.近年来，当地政府逐步加大了对区内企业的环境督查力度，对区内污染严重的印染和造纸等企业陆续实施关闭或搬迁措施，目前研究区内无重金属污染企业.

1.2 样品的采集

于2009年7月在位于研究区内6个自然村的农田土壤中采样，各采样点的位置如图1所示.根据《土壤环境监测技术规范》的相关要求，采用对角线布点法采取0～20 cm的表层土壤，去除土壤中的砾石和根系等杂物后，混合均匀，采用四分法取1 kg装入样品袋，运回实验室进行检测.

图1 各采样点位置Fig.1 Sketch map showing the location of sampling points

1.3 样品的处理与分析

根据《土壤环境监测技术规范》要求，将运回的土壤样品风干、过筛成制备样.分别采用高压密封罐消解法和微波消解法对土壤制备样进行消解，消解液中各重金属元素的含量采用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱仪)进行检测.

1.4 生态风险评价方法

生态风险评价是指确定人为活动或不利事情对生态环境产生危害或对生物个体、种群及生态系统产生不利影响的可能性分析过程［11］.常用的重金属污染生态风险评价方法主要有地累积指数法和潜在生态风险指数法.地累积指数法在评价过程中主要考虑元素的富集作用，适用于评价单一元素的污染状况;而潜在生态风险指数法更侧重于多元素的协同作用，同时考虑了各重金属元素的毒性，适用于评价区域环境的潜在生态风险.

1.4.1 地累积指数法

地积累指数(Index of Geo-accumulation，Igeo)又称 Mull指数，是20世纪60年代晚期在欧洲发展起来的广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染程度的定量指标［12-17］.计算公式如下：

式中，Cn为实测重金属含量，mg/kg;Bn为当地沉积物重金属含量背景值，mg/kg;K为考虑到成岩作用可能引起背景值波动而设定的常数，K=1.5.地累积指数的分级标准与污染程度的划分见表1.

表1 地累积指数法分级标准Table 1 Classification criteria of index of geo-accumulation

1.4.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法(The Potential Ecological Risk Index)是瑞典科学家HAKANSON于1980年提出的，评价重金属潜在生态风险的一种相对快速、简便和标准的方法.由于综合考虑了多元素的协同作用、毒性水平、污染浓度及生态对重金属的敏感性等方面的因素［18-22］，潜在生态风险指数法得到了较为广泛的应用.计算公式如下：

式中，RI为多种重金属的潜在生态风险指数;Ei为

r第i种重金属的潜在生态风险指数;Cfi为第 i种重金属的污染系数;Ci为样品中第i种重金属质量分数的实测值，mg/kg;Cni为第i种重金属的质量分数背景值，mg/kg;Tri为第i种重金属的毒性响应参数;元素 Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn 和 Mn 的毒性系数分别为 40，2，30，10，5，5，1 和 1［17］. 潜在生态风险指数法评价结果分级见表2.

表2 潜在生态风险指数法分级标准Table 2 Classification criteria of the potential ecological risk index

2 结果与讨论

2.1 土壤中重金属的污染特征分析

查阅《中国土壤元素背景值》可知［23］，研究区土 壤 中 w(Hg)，w(Cr)，w(Cd)，w(As)，w(Pb)，w(Cu)，w(Zn)和w(Mn)的背景值分别为 0.034，63.8，0.074，11.4，19.6，19.7，60.1 和 579 mg/kg，表3为研究区土壤中8种重金属元素的质量分数及富集倍数(F).

由表3可知，研究区农田受到一定程度的重金属污染，除采样点4和6的土壤样品中w(Hg)较低外，其余土壤中8种重金属的质量分数均高于背景值，存在不同程度的富集和污染.元素Cd的富集系数最高，各采样点土壤中w(Cd)为0.982～1.668 mg/kg，研究区平均富集系数为16.00;其次为 As，Zn和Cu，平均富集系数分别为3.01，1.73和1.71.研究区8种元素的富集程度排序为Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

通过实地考察，结合研究区2009年污染源普查更新数据资料，区内目前暂无重金属污染企业，可以判定研究区农田土壤重金属含量超过当地背景值是由于历史污染源造成的.

2.2 地累积指数法评价

研究区农田表层土壤中各元素的地累积指数计算结果如表4所示.

表3 研究区土壤中各重金属元素的质量分数及富集系数Table 3 The concentrations and enrichment coefficients of farmland soils in research area

表4 研究区农田土壤重金属污染地累积指数及风险级别Table 4 The index of geo-accumulation and risk level of heavy metals in farmland soils of research area

分析表4，结合地累积指数法污染程度及风险分级标准可知：①对元素 Hg，Mn，Cr和 Pb：除采样点1的农田土壤中Cr和Pb存在轻度污染外，其余各采样点土壤环境中四元素均未形成污染，其生态风险级别为0级.②对元素 Cd，As，Cu和 Zn：各采样点农田土壤中均存在一定程度的污染.其中，元素Cd污染最严重，污染程度为强污染;研究区平均地累积指数为3.42，风险级别为4级;其次是As，Cu和Zn，平均污染程度分别为中等污染，轻度污染，轻度-中等污染，风险级别分别2级，1级，1级.采样区8种重金属元素的风险级别依次为 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

2.3 潜在生态风险指数法评价

研究区农田表层土壤中各元素的单项潜在生态风险指数(Eri)和总潜在生态风险指数(RI)见表5.

表5 农田土壤重金属污染潜在生态风险指数及风险级别Table 5 The potential ecological risk index and risk level of heavy metals in farmland soils of research area

由表5可知，研究区重金属污染的潜在生态风险级别为C级(危害程度强)，各元素的生态危害程度依次为Cd＞Hg＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞Mn.

从单元素角度分析可知：Cd的潜在生态危害最强，6个采样点的风险级别均达到D级，生态危害程度极强;其次是 Hg，其在采样点1，2，3和4的生态危害为中等程度，在采样点5和6为程度轻微.其余6种重金属元素的生态危害程度均为轻微.

从多元素角度综合分析可知：研究区重金属污染的潜在生态风险值很高，采样点1和2的生态危害程度均达到极强，其余采样村的生态危害程度均为强.

2.4 评价结果的比较和讨论

潜在生态风险指数法评价结果为：研究区生态风险级别为C级，生态危害程度为强，各元素的风险级别依次为 Cd＞Hg＞As＞Cu＞Pb＞Cr＞Zn＞Mn;地累积指数法评价结果为 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.

比较分析可知，2种评价方法均认为研究区农田土壤中元素Cd污染的生态风险值最高，Mn的生态风险值最低，对其他6种元素的生态风险评价结果不同，可能是由评价方法的自身特点决定.潜在生态风险指数法在评价过程中由于考虑了各重金属元素的毒性，更侧重于从生物和人的角度进行评价;而地累积指数法在评价过程中主要考虑元素相对于自然本底值的富集性，更侧重于从自然角度评价;因此在评价过程中，应根据评价目的的差异选择不同的评价方法.

农田土壤是各类农作物的生长基质，是生物和人类生存的重要载体;由于其特殊性，在进行生态风险评价时应充分考虑重金属污染物的毒性效应，因而潜在生态风险指数法更适合该研究.

3 结论

a.除采样点4和6的w(Hg)较低外，研究区农田土壤中8种重金属元素均存在一定程度的富集和污染，污染强度为 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.初步分析表明是由于历史污染源造成的.

b.研究区农田土壤重金属污染的潜在生态风险级别为C级，表现为强生态风险程度，其中Cd的贡献率最高，其次为 Hg，As，Cu，Pb，Cr，Zn 和 Mn.由此可见，因历史污染源造成的生态风险仍应引起相关部门的高度重视.

c.重金属污染具有持久性和滞后性等特征，因此，在今后的研究中应加强对旧重金属污染场地的风险评价研究.

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils of a Typical Basin

YU Yun-jiang1，HU Lin-kai1，2，YANG Yan2，CHE Fei1，SUN Peng1，DENG Fei1，2
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.School of Environmental＆ Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China

By means of field investigation and laboratory analysis，the concentrations and pollution characteristics of Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn and Mn in farmland surface soil from a valley which suffered serious industrial historical pollution were analyzed.The ecological risk assessment of heavy metal pollution in the farmland soil wais discussed with the methods of geoaccumulation index and potential ecological risk index.The results showed that the farmland soils in the research area were polluted by heavy metals，and their concentrations were all above the background values.The enrichment degree of heavy metals ranked as follows：Cd＞As＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Hg＞Mn.The potential ecological risk level in the farmland soils in the research area was relatively high.The potential ecological risk of Cd was highest among the eight studied heavy metals，which showed that industrial historical pollutants in the valley were harmful to the ecological environment of farmland soils in the research area.

farmland soil;heavy metals;ecological risk assessment;geoaccumulation index

X53

A

1001-6929(2010)12-1523-05

2010-06-21

2010-09-29

国家“十一五”科技支撑计划重点项目(2007BAC16B07);国家环保公益性行业科研专项(200909101)

于云江(1964-)，男，内蒙古乌拉特前旗人，研究员，博士后，博导，主要从事环境风险评价研究，yuyj@craes.org.cn.