潮白河流域土壤重金属生态风险评价方法研究

刘文清，甘 柯，邢宇鑫，黄鹏辉



潮白河流域土壤重金属生态风险评价方法研究

刘文清，甘 柯，邢宇鑫，黄鹏辉

（北京市地质工程设计研究院，北京 101500）

为了研究潮白河流域某段土壤重金属环境质量现状及潜在生态风险评价，系统采集了42件土壤样品，对其7种重金属（Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd和As）进行了测试分析，利用《土壤环境质量标准》评价土壤重金属污染现状，并参考北京市土壤重金属背景值，采用环境质量指数与环境潜在生态危害指数、内梅罗综合指数法相结合的方法，探讨土壤中7 种重金属的累积污染现状及潜在生态风险。研究表明，土壤样品中Cu、 Zn、Cr含量超标分别为97.62%、100%、100%；Cu、 Zn、Cr含量重度污染等级以上的分别占2.38%、2.38%、4.76%；潜在生态危害指数法评价表明，Cu、Zn、Cr含量处于轻微生态危害等级分别占97.62%、100%、100%，Cu 含量2.38%处于强生态危害等级。内梅罗综合指数法评判表明，所有样点均已污染，其中达到轻度污染、中度污染、重度污染的样点分别占28.57%、42.86%、28.57%；而潜在生态危害指数法评价显示土壤样品点中97.62%处于轻微生态风险等级，根据悲观原则可以判断该段流域重金属污染均处于轻度污染以上。

生态风险评价；土壤重金属；地累积指数法；潜在生态危害指数法

0　前言

潮白河流域矿产资源长期开采，导致土壤重金属富集。重金属进入土壤后具有滞留时间长、移动性差、不被微生物降解且可通过介质最终影响人类健康，土壤重金属污染已经成为严峻的环境问题，具有隐蔽性和长期性（孙贤斌等，2013；孙贤斌等，2015）。因此，对矿区周边土壤受重金属污染现状进行调查十分有必要（李榜江等，2014）。

单因子指数法、综合污染指数法和生态风险评价法是目前应用较为广泛的评价土壤重金属污染的方法，不同评价方法各有其局限性（徐玉霞等，2014；王斐等，2014）。本文通过采集土壤样品，分析样品重金属元素含量，利用单因子指数法、内梅罗综合指数法、地累积污染指数法以及潜在生态危害指数法对土壤重金属的污染状况和生态风险情况进行评价，比较不同评价方法的优缺点，为防治周围环境的污染提供科学依据（刘勇等，2015）。

1　样品采集与研究方法

1.1样品采集

在潮白河流域周边进行土壤采集（白河流域石城乡至潮河高岭镇），该区域主要矿区有太师庄铁矿、芦头铁矿、前宝岭铁矿、冯家峪铁矿等（黄兴星等，2012；廖海军，2007；石国峰等，2015）。采集土壤样品共计42个（图1），对样品中Cu、Pb、Zn、 Cr、Ni、Cd和As进行分析测试。

图1　采样点分布图Fig.1 Spatial distribution of sampling points in the study area

1.2评价方法及原理

（1）单因子指数法

单因子指数法是污染物实测值与评价标准的比值，只考虑单因素污染的结果，是多因子综合评价的基础。公式如下：

式中：Pi为土壤污染物i的环境质量指数；Ci为土壤污染物i的实测值；Si为土壤污染物i的评价标准，本研究选择本地背景值作为评价标准。

指数值越大，表示污染越严重。表1为土壤环境质量分级划定。

表1　土壤环境质量分级标准Tab.1 Soil environmental quality grading standards

（2）内梅罗综合指数法

土壤污染不仅仅是由某个元素造成的，往往是多种因素综合作用的结果。内梅罗综合污染指数法考虑了各种金属的生态风险和环境中生态风险最大的重金属，反映了各种污染物对土壤环境的综合作用，但难以反映污染的质变特征，对污染程度的界定不足。其公式如下：

表2 内梅罗综合指数法土壤重金属污染分级标准Tab.2 Nemerow index of environmental quality grading standards

P值越大表示污染越严重。其土壤污染分级标准见表2。

(3)地累积指数法

地累积指数法由德国科学家于1969年提出的用于评价沉积物以及其他物质中重金属污染程度的方法，以重金属总量为基础进行评价，只能反映单个重金属分别作用于土壤环境的大小，而不能反映土壤环境受污染因子综合作用的效果。其计算公式如下：

式中：Igeo为地累积指数；Cn为元素n在沉积物中的含量；Bn为普通页岩中元素n的地球化学背景；K为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变而取的系数，用于表征沉积特征、岩石地质和其影响，一般取K=1.5。

地累积指数法评价土壤重金属污染时除考虑人为因素、环境地球化学背景值外，还考虑了由于自成岩作用可能引起的背景值变动的因素，其污染级分级见表3

表3　地累积指数法分级标准Tab 3Grading standards for Geoaccuation

(4)潜在生态危害指数法潜在

生态危害指数法结合环境化学、生态学和生物毒理学等方面的内容综合考虑了重金属元素含量以及重金属的生态及环境效应，以定量的方法划分出重金属潜在的危害程度，是一种既可以了解单个重金属对土壤的生态风险又可以综合的了解重金属对土壤生态风险的评价方法，其计算公式如下：

表4　重金属毒性相应系数Tab.4 Toxicity coefficients of heavy metals

表5 重金属潜在生态危害单项系数

2　评价结果与分析

2.1土壤重金属元素统计特征

对采集的42份土样土壤重金属含量进行数理统计，由统计可知，Cu含量在19.3～490mg/kg之间，样品中超出背景值的占97.62%，其中23个样品含量为其1～2倍，16个样品含量为其2～3倍，1个样品含量为其5倍，1个样品含量为其25倍；Pb含量在13.9～47.1mg/kg之间，样品中超出背景值的占40.48%，17个样品含量为其1～2倍；Zn含量在68～411mg/kg之间，样品均超出背景值，34个样品为背景值的1～2倍，7个样品含量为其2～3倍，1个样品含量为其7倍；Cr含量在47.4～240mg/kg之间，样品均超出背景值，9个样品为背景值的1～2倍，20个样品含量为其2～3倍，13个样品含量为其3～8倍；Ni含量在21.2～79.2mg/kg之间，样品中超出背景值的占80.95%，31个样品为其1～2倍，3个样品含量为其2～3倍；Cd含量在0.08～0.47mg/kg之间，样品中超出背景值的占57.14%，16个样品含量为其1～2倍左右，8个样品含量为其2～4倍；As含量在2.3～19.2mg/kg之间，样品中超出背景值的占42.86%，14个样品含量为其1～2倍，4个样品含量为其2～3倍。

2.2单因子指数法评价

单因子指数法只考虑单因素污染的结果，其评价结果见图2。依据评价标准，土壤样品中Zn和Cr超标的样品占100%，Cu超标的样品占97.62%， Ni超标的样品占80.95%，Cd超标的样品占57.14%，As超标的样品占42.86%，Pb超标的样品占40.48%。可以看到，所采集的土壤样品中受到Zn、Cr和Cu的污染最严重。

2.3内梅罗综合指数法评价

采用内梅罗综合指数法评价不同取样点中重金属污染综合情况，评价结果见图3。结果显示各取样点的内梅罗综合污染指数均大于1，依据内梅罗综合指数法的评判标准，所有点均已污染，其中28.57%达到轻度污染，42.86%达到中度污染，28.57%达到重度污染，其中15号土壤样品点的污染最为严重。

2.4地累积指数法评价

与单因子指数法和内梅罗综合评价法相比，地累积指数法考虑到了由于自然成岩作用可能会引起的背景值变动，广泛应用于土壤环境评价中。采用此种评价方法评价结果见图4，依据地累积指数评价标准，受到Cu轻度污染的样品占71.43%，受到Cu偏中度污染的样品占2.38%，受到Cu重度污染的样品占2.38%，其余均未受到污染；受到Pb轻度污染的样品占4.76%，其余均未受到污染；受到Zn轻度污染的样品占50.00%，受到Zn中度污染的样品占2.38%，其余均未受到污染受；受到Cr轻度污染的样品占69.05%，受到Cr偏中度污染的样品占26.19%，受到Cr中度污染的样品占4.76%；受到Ni轻度污染的样品占64.29%，其余均未受到污染；受到Cd轻度污染的样品占21.43%，受到Cd偏中度污染的样品占4.76%，其余均未受到污染；受到As轻度污染的样品占11.9%，其余均未受到污染。

图2　单因子指数法评价结果Fig.2 The results of single factor index

图3　内梅罗综合指数法评价结果Fig.3 The results of Nemerow index

图4　地累积指数法评价结果Fig.4 The results of geoaccumulation

2.5潜在生态危害指数法评价

依据潜在生态危害指数评价标准，评价结果见图5。由图5a评价结果可知， 所有土壤样品中Pb、Zn、Cr、Ni、和As的含量均处于轻微生态危害等级；土壤样品中Cu的含量97.62%处于轻微生态危害等级，其余2.38%则处于强生态危害等级；对于Cd而言，土壤样品中66.67%处于轻微生态危害等级，28.57%处于中等生态危害等级，其余4.76%处于强生态危害等级。图5b的评价结果可知，只有15号土壤样品点的RI值在150到300之间其余均小于150，即只有15号土壤生态风险等级为中等危害，其余土壤样品点均处于轻微生态风险等级。

图5　a潜在生态危害单项评价结果Fig.5a The results of potential ecological risk index Eri

图5　b潜在生态危害指数RI评价结果Fig.5b The results of potential ecological risk index RI

2.6几种评价方法的比较

比较单项指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法（图2、图3、图5a）可以看出，单项指数法评价土壤样品时，Cu含量超标达97.62%，Zn、Cr含量100%超标；地累积指数法评价土壤样品时，Cu、Zn、Cr含量轻度污染等级以上的样品分别占76.19%、52.38%、100%，而重度污染等级以上的分别占2.38%、2.38%、4.76%；而潜在生态危害指数法评价时，Cu含量轻微污染等级占97.62%，Zn、Cr含量100%为处于轻微生态危害等级。内梅罗综合指数法与潜在生态危害指数法相比较（图3、图5b），内梅罗综合指数法评判时，所有样点均已污染，其中28.57%达到轻度污染，42.86%达到中度污染，28.57%达到重度污染，其中15号土壤样品点的污染最为严重；而潜在生态危害指数法评价时只有15号土壤生态风险等级为中等危害，其余土壤样品点均处于轻微生态风险等级。

3　结论

（1）当采用不同的评价方法对潮白河流域周边土壤进行评价时，结果有明显差异。单项指数法评价结果表明，土壤样品中Cu、 Zn、Cr含量超标分别为97.62%、100%、100%；地累积指数法评价结果中，Cu、 Zn、Cr含量重度污染等级以上的分别占2.38%、2.38%、4.76%；而潜在生态危害指数法评价时，Cu、Zn、Cr含量处于轻微生态危害等级分别占97.62%、100%、100%，Cu 含量2.38%处于强生态危害等级。内梅罗综合指数法评判时，所有样点均已污染，其中达到轻度污染、中度污染、重度污染的样点分别占28.57%、42.86%、28.57%；而潜在生态危害指数法评价时，土壤样品点中97.62%处于轻微生态风险等级。

（2）针对本研究，单项指数法与内梅罗综合指数法评价结果要严重于地累积指数法和潜在生态危害指数法。在对土壤进行评价时，应根据评价目的选取合适的评价方法。

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Ecological Risk Assessment on Heavy Metals in Surrounding Soils of the
Chaobai River Drainage Area

LIU Wenqing ， GAN Ke， XING Yuxin， HUANG Penghui
（Beijing Geo-engineering Design & Research Institute， Beijing 101500）

In order to study the environmental quality of some heavy metals in soil of the Chaobai River basin and potential ecological risk assessment， according to "Soil Environmental Quality Standards" and soil background values of heavy metals in Beijing， seven kinds of heavy metals （Cu， Pb， Zn， Cr， Ni， Cd and As） from soil samples were tested to evaluate of soil heavy metal pollution. Using environmental quality and environmental potential ecological risk index， and combining Nemerow index method， this paper analyzed cumulative pollution situation and potential ecological risks about seven heavy metals. The research results have shown that Cu， Zn， Cr contents exceeds the standards of 97.62%， 100%； Cu， Zn， Cr accounting for 2.38%， 2.38%， 4.76% at the heavy polluted level or more respectively. Potential ecological risk index evaluation shows that Cu， Zn， Cr contents account for 97.62%， 100%， 100% at slight polluted level， Cu content of 2.38% belongs to the strong polluted level. Nemerow index evaluation shows that all samples have been contaminated， which reached slightly polluted， moderately polluted， heavily polluted levels accounting for 28.57%， 42.86%， 28.57%. The potential ecological risk index shows that 97.62% samples are polluted at slight level. So we consider pessimistically that the heavy metal pollution in the Chaobai River basin is at least light pollution.

Ecological risk assessment； Heavy metals in soil； Accumulation index； Potential ecological risk index

X820.4

A

1007-1903（2016）02-0014-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.004

北京市优秀人才资助项目（2013D002011000002）；中国地质调查局大型矿产资源基地地质环境调查与影响评价项目《潮白河流域矿产资源开发水土环境影响调查评价》［2015］05-02-02-012。

刘文清（1979- ），女，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作。E-mail：17219437@qq.com