山东省东部地区土壤重金属污染及其生态环境效应

代杰瑞，王 学，董 建，张祖路

（1．山东省地质调查院，山东 济南 250013；2．山东师范大学 人口资源与环境学院，山东 济南 250014）

0 引 言

山东省东部地区是山东半岛蓝色经济区的主体部分，包括青岛、烟台、威海、潍坊、日照、临沂等6个地级市的46个县，面积5．4×104km2，也是山东省经济发达地区。城市化、工业化和农业现代化的快速推进是该地区经济发展的重要标志。然而，伴随着经济的快速发展，土壤与水环境污染、土壤盐渍化、海水入侵、农产品农药残留和重金属含量超标等生态问题相继出现，并日趋严峻［1］。这不仅威胁当地人居环境、生态安全，也严重影响了当地经济的快速、持续、健康发展。因此，在山东省东部地区进行生态环境质量研究和生态风险评价具有重要的现实意义。

土壤重金属污染作为土壤环境健康质量恶化重要标志之一，受到国内外学者的普遍关注。前人在山东省东部地区作了大量有关土壤重金属污染方面的研究［2－6］。这些研究大多是从土壤重金属元素的绝对含量为切入点，研究土壤重金属污染的形成机理，评价区域环境污染特点，而从宏观角度研究较大尺度土壤重金属污染和从重金属毒性系数为出发点研究重金属危害的报道甚少。基于此，笔者以山东省东部地区土壤为研究对象，分析土壤重金属的污染特征，采用重金属潜在生态危害指数法［7］对土壤重金属的生态危害效应进行评价，探讨优势农作物的重金属富集特性，旨在对山东省东部地区土壤污染防治和保障农产品安全提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 土壤样品采集与分析

表层土壤样品采用网格布样法采集，采样密度为1件·km－2，在采样点周围50m范围内等量采集3～5点土壤组成1件样品。采样时，除去表面杂物，垂直采集地表至20cm深的土壤，保证上下均匀采集，并弃去动植物残留体、砾石、肥料团块等，装入干净布袋，样品原始质量大于1kg；同时采集深层土壤样品，采样密度为每4km2采集1件，平原区采样深度1．5～2．0m，山地丘陵区采集的是1．2m以下30cm的土柱，以不采集半风化层物质为原则。在烟台市小麦种植区采集小麦籽实样品84件，用聚乙烯塑料袋封装后运回实验室。

样品测试工作由武汉综合岩矿测试中心承担。土壤样品风干、敲碎、过孔径为0．900mm的尼龙筛，并按4个相邻网格（表层土壤样品为4km2，深层土壤样品为16km2）的样品组合为1个样品，样品经混合酸（HC1（浓）＋HNO3（浓）＋HF＋HClO4）消解后测定。植物样品用去离子水洗净，置于烘箱中105℃杀青30min，在70℃下烘24h左右，碾碎，过孔径为0．154mm的尼龙筛，然后用浓HNO3加热消解。采用电感耦合等离子体质谱法（ICP－MS）分析Cd、Cu、Pb、Zn含量；采用 X射线荧光光谱法（XRF）分析Cr含量；采用原子荧光光谱法（AFS）分析Hg、As含量；采用标准样、密码样、监控样等多种监控手段进行质量控制，以保证数据的准确度和精度。

1．2 评价方法

不同重金属元素对农作物及人体健康的毒性不同［8－10］，即使土壤中具有相同含量（质量分数，后文同）的 Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn，对农作物及人体健康的危害也有差别。因此，研究土壤重金属元素污染的潜在环境生态风险，要比直接评价土壤重金属元素超标倍数能更好地说明不同重金属元素的危害。瑞典科学家Hankanson正是基于这一观点，从沉积学角度提出土壤或沉积物中重金属污染评价的方法，将重金属生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，更好地反映了重金属元素的潜在危害［7］。其计算公式为

式中：为第i种重金属的潜在生态危害指数；IR为多种重金属潜在生态危害指数；为第i种污染物毒性响应系数（表1）［7］；为第i种重金属污染指数；Ci为第i种重金属的实测含量；为评价重金属元素污染的参比值；n为重金属种数。

表1 重金属元素毒性响应系数Tab．1 Response Coefficients to Toxicity of Heavy Metal Element

取值应为工业化以前未受污染的背景值，但如今几乎很难找到不受污染的土壤，研究表明本区深层土壤地球化学含量在一定程度上可以代表表层土壤的原始沉积地球化学元素含量［3］，笔者采用不同地质单元深层土壤平均值代表相应表层土壤未受污染的参比值，既排除了不同区域土壤元素初始含量差异的干扰，又保证了评价的合理性。

Hakanson提出的潜在生态危害指数法涉及多氯联苯（PCBs）、Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn等8种污染物，其污染危害程度划分标准的设立也是基于此8种物质。本调查未对PCBs进行测试，因此进行综合生态危害评价的指标为7项。笔者结合山东省东 部 地 区 重 金 属 污 染 特 征 及 相 关 研 究［2－3］，对Hakanson提出的重金属生态危害程度的划分标准进行了适当调整（表2）。

表2 潜在生态危害评价标准Tab．2 Criteria for Potential Ecological Risk Evaluation

2 结果和讨论

2．1 单指标潜在生态危害评价结果

对研究区13 674件表层土壤样品重金属元素的含量范围、均值、污染指数（Cif）等特征参数进行统计（表3）。由表3可知，污染指数均值从大到小依次为 Hg、Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As，且均大于1，说明研究区表层土壤中这7种重金属元素均出现一定程度的累积；就土壤平均含量而言，污染最严重的重金属元素为Hg，其次是Cd，而As、Cr污染程度最轻。

表3 土壤重金属元素含量统计特征Tab．3 Statistics for Contents of Soil Heavy Metal Elements

土壤重金属单元素及综合潜在生态危害指数计算结果（表4）表明，元素Hg、Cd对土壤综合潜在生态危害的总贡献率达到87．95%，仅元素Hg的贡献率就达到61．96%，Hg对土壤的潜在生态危害最严重（图1）；潜在生态危害综合指数为28．7～77 241．8，最大值是很强危害标准限值（IR＝525）的147倍，说明局部地区已出现很强的生态危害，平均值为218．3，危害程度中等。分析单个重金属元素潜在生态危害程度等级及均值（表5）可以发现，元素Cr、Zn潜在生态危害指数全部小于40，对土壤生态环境的危害轻微，Cd、Hg在各等级危害中均有分布。土壤中Hg的生态危害最大，危害为强、很强和极强的样品数占总数的54．82%，其中生态危害级别为强的样品数占总数的40．85%，其指数均值高达107．31，元素Cd生态危害级别为强及以上的土壤样品占总数的10．36%，As、Pb为0．05%，Cu为0．02%。可见，就单元素而言，研究区土壤潜在生态环境危害最大的元素是Hg，而Cr、Zn危害轻微，危害程度从大到小依次为 Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn。

表4 土壤重金属元素潜在生态危害指数统计特征Tab．4 Statistics for Potential Ecological Risk Indexes of Soil Heavy Metal Elements

2．2 综合潜在生态危害评价结果

评价结果（图2）显示，本区土壤重金属元素综合潜在生态危害指数的空间分布规律明显，烟台采金区、牟乳断裂金成矿带以及青岛北石墨矿区是土壤重金属元素潜在生态危害很强的分布区，除Cr、Zn外，其余重金属元素均具有较强的生态危害，是在金矿体伴生重金属元素高背景下叠加矿山开采、选冶活动等导致的，面积1 378．40km2，占2．60%；上述生态危害很强的分布区外围以及临朐、潍坊、胶州、高密、日照、青岛、蓬莱市区及多数乡镇周边地带是生态危害强的分布区，从分布态势来看，主要与人类日常生活活动、“工业三废”排放含Hg、Cd等污染物有关，面积5 912．28km2，占11．15%；研究区中部、南部大部分地区以及威海东部是土壤重金属元素生态危害中等分布区，面积39 498．86km2，占74．50%；潍坊市北部沿海、研究区南部和东部、沂水—安丘以及青岛市局部地段是土壤重金属元素生态危害轻微分布区，面积6 230．03km2，占11．75%。

表5 不同生态危害级别的重金属元素分布及其潜在生态危害指数均值Tab．5 Distribution of Heavy Metal Elements in Different Levels of Ecological Risk and Their Mean Potential Ecological Risk Indexes

图1 不同重金属元素对综合潜在生态危害的贡献率Fig．1 Contribution Rates of Different Heavy Metal Elements to Integrated Potential Ecological Risk

图2 土壤重金属元素不同综合潜在生态危害程度分布Fig．2 Distribution of Different Levels of Potential Ecological Risks for Soil Heavy Metal Elements

2．3 生态环境效应评价

在烟台范围内共采集84件小麦籽实样品，其中有41件位于生态危害级别为中等的区域内，23件位于生态危害级别为强的区域内，20件位于生态危害级别为很强的区域内。小麦籽实样品在不同生态危害区平均含量见表6。由表6可见，受土壤重金属元素污染的生态危害级别为强的区域内，小麦籽实中Cd、Zn、As、Hg、Cu含量均值是生态危害级别为中等区域的1．11～1．67倍；生态危害级别为很强的区域内，小麦籽实中Cd含量均值是生态危害级别为中等区域的3．44倍，Pb、Zn、As、Cu平均含量也较高。

依据国家标准《食物中污染物限量》（GB 2762—2005）［11］，土壤重金属元素生态危害级别为很强的区域内20件小麦籽实样品中Cd、Pb、Zn的超标率分别为40%、10%和5%，而生态危害级别为强的区域41件小麦样品中，Cd超标率仅为4．35%，Pb、Zn未超标，小麦受重金属污染的程度较小。

综上所述，本区局部土壤重金属污染物已迁移到小麦籽实内，对人体健康产生影响；土壤污染严重的地区，小麦籽实重金属含量较其他地区高；生态危害级别为很强的区域内小麦籽实Cd、Pb等重金属超标率较其他级别生态危害区大。

3 结 语

（1）山东省东部地区土壤受到 Hg、Cd、Pb、Cu、Zn等重金属污染，且这些元素对土壤的污染程度不同，其中元素Hg对土壤的污染程度最严重，其次是Cd，而As、Cr污染程度最轻。

表6 生态危害级别不同的区域小麦重金属元素平均含量、超标数和超标率Tab．6 Average Content，Number and Rate of over Standard of Heavy Metal Elements in Winter Wheat from the Areas with Different Ecological Risk Grades

（2）采用不同地质单元深层土壤平均值来代替工业化以前未受污染的土壤背景值，并将其作为Hakanson提出的Cin，实践证明是可行的。具有潜在生态危害的重金属主要是Cd、Hg，已达到强—很强的生态危害水平，其余重金属（As、Cr、Cu、Pb、Zn）在大部分区域均显示为轻微—中等的生态危害水平，其中Cr、Zn在全区均为轻微生态危害。

（3）山东省东部地区土壤重金属潜在生态危害综合指数为28．7～77 241．8，说明局部地区已出现很强的生态危害，平均值为218．3，说明总体属中等的生态危害。潜在生态风险级别为强和很强的土壤占研究区总面积的13．75%，这种综合潜在生态危害主要受元素Hg和Cd制约，分布在莱州—招远—烟台和牟平—乳山金矿集中区以及人口密集的城镇地带，这种分布规律与目前金矿开采、选冶和工业生产、城市人类活动布局呈显著的相关关系。局部土壤重金属污染物（Cd、Cr、Pb、Zn等）已迁移到小麦籽实内，具有较强生态风险，有必要进一步对强—很强的生态危害区农作物进行抽样调查，或健全农产品污染物检测体系，以确保人民群众的身体健康。

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