徒骇河聊城城区段河岸带土壤重金属含量及污染评价

蒋磊++张菊++罗庆芳++杨光义++曲其飞++邓焕广

摘要：为了了解徒骇河聊城城区段河岸带土壤重金属的含量和污染水平，测定了沿程20个河岸带土壤样品中重金属的总量和有效态含量，并采用富集因子法和潜在生态危害指数法对其污染状况进行了评价。结果表明，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分别为0.185、50.4、28.7、23.5、28.7、88.2 mg/kg；各重金属有效态含量与其总量呈显著正相关，其所占总量的平均比例由大到小依次为Pb（38.1%）、Cu（31.9%）、Cd（30.1%）、Zn（17.1%）、Ni（10.1%）、Cr（4.2%）；Cd、Zn、Cu和Pb表现为中等污染，Ni和Cr为轻微污染；总体表现为轻微的生态危害，其中Cd是主要污染因子和生态危害因子。采用相关分析和聚类分析法对污染源进行初步解析的结果表明，徒骇河岸带土壤重金属的人为污染源主要包括工业废水、交通运输、受污染的上游来水等。

关键词：重金属；土壤；有效态；污染评价；河岸带；徒骇河

中图分类号：X833；X825 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0441-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.011

Heavy Metal Content and Pollution Assessment of Riparian Soils in Liaocheng Urban Section of Tuhai River

JIANG Lei1，ZHANG Ju1，LUO Qing-fang1，YANG Guang-yi1，QU Qi-fei2，DENG Huan-guang1

（1.School of Environment and Planning，Liaocheng University，Liaocheng 252000，Shandong，China；

2.Liaocheng Branch，Shandong Special Equipment Inspection Institute，Liaocheng 252000，Shandong，China）

Abstract： To explore the characteristics of heavy metal content of riparian soil along the Liaocheng urban section of Tuhai river，total and available contents of heavy metal were determined in 20 riparian soil samples. Using the soil background content of heavy metal in Shandong province as standards， enrichment factors and the potential ecological risk indices were calculated to assess the degree and the ecological risk of heavy metal contamination. The results showed that the average content of Cd，Cr，Cu，Ni，Pb and Zn were 0.185，50.4，28.7，23.5，28.7 and 88.2 mg/kg， respectively. The available contents of each heavy metal were significantly and positively correlated with the total content，and the average percentages of available contents in a descending order were as：Pb（38.1%），Cu（31.9%），Cd（30.1%），Zn（17.1%），Ni（10.1%），Cr（4.2%）. The pollution of Cd，Zn，Cu and Pb was at middle level， and the pollution of Ni and Cr were at slight level. In general，heavy metal pollution in study area posed light potential ecological risk，and Cd was the main pollution and ecological risk factor. The source of heavy metal pollution was analyzed by person correlation analysis and hierarchical cluster analysis， and the results indicated that man-made pollution sources of study area included industrial waste water，traffic and transportation，contaminated water from the upper reaches and tributaries.

Key words： heavy metal； soil； available form； pollution assessment； riparian zone； Tuhai river

河岸帶是介于陆地与河流之间的过渡地带，是重要的生态交互作用区[1]。作为连接水生生态系统和陆地生态系统的重要枢纽，河岸带生态系统退化和环境污染已成为研究的热点问题[2，3]。已有的研究表明[4-7]，重金属是河岸带土壤环境中的重要污染物，开展河岸带土壤重金属含量与污染评价研究对于河岸带生态系统保护和生态重建具有重要的理论和实践意义。徒骇河属海河流域，长436 km，总流域面积13 902 km2[8]，其中聊城段干流长169 km，是山东省聊城市骨干行洪排涝河道，除主汛期有较大径流外，大部分时间接纳沿岸农田退水、城镇工业和居民生活废水，河流水体有机污染和水体富营养化较为严重[9，10]。本研究对徒骇河聊城城区段河岸带土壤重金属的赋存含量（总量和有效态含量）进行分析和评价，以了解其污染水平和来源，评估其潜在的生态风险，以期为徒骇河岸带生态环境保护及其合理开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与预处理

在徒骇河聊城城区段自上游南环路西王大桥至下游绳张桥设置采样点20个（图1），于2012年12月在各采样点距离水体0～3 m的近岸带进行了样品采集，采样时采用多点（5～12点）混合取样法，用有机玻璃铲取0～20 cm表层土壤样品，用四分法组成1个混合样品。将土壤样品带回实验室自然阴干，剔除植物根系后用木棍碾碎，用玛瑙研钵研磨成粉末，取出部分样品用以测定粒度，剩余部分过100目尼龙网筛测定重金属和有机质含量。

1.2 分析方法

样品粒度采用LS13 320型激光粒度仪测定，有机质的测定采用重铬酸钾-外加热法[11]。土壤样品经过HNO3-HClO4-HF密闭微波消解后，用ICP-OES测定重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Fe和Al的含量（Fe和Al的测定主要是为了对其他6种重金属进行富集因子评价，不参与结果的分析和讨论）。分析过程中利用国家土壤标准物质GBW 07406（GSS-6）、平行样和空白样品进行质量控制。标准物质各元素的分析结果最大误差均小于5%，样品平行样的相对标准偏差均小于10%。有效态重金属采用0.1 mol/L HCl进行提取[12]，提取液中有效态Cd、Cr、Ni和Pb含量采用原子吸收光谱仪石墨炉法测定，有效态Cu和Zn含量采用ICP-OES测定。

1.3 评价方法

徒骇河岸带土壤重金属的污染水平及其潜在生态危害分别采用富集因子法和潜在生态危害指数法进行评价，评价的标准采用山东省土壤元素背景值[13]。富集因子法的计算公式为[14]：

EF=[（M/Fe）sediment/（M/Fe）ref +（M/Al）sediment /（M/Al）ref）]/2

式中，EF（Enrichment Factor）为单一重金属元素的富集系数，（M/Fe）sediment是土壤中某重金属元素浓度与铁浓度之比，（M/Al）sediment是土壤中某重金属与铝浓度之比，（M/Fe）ref是某重金属元素与铁元素的地球化学背景值之比，（M/Al）ref是某重金属元素与铝元素的地球化学背景值之比。

潜在生态危害指数法的计算公式为：RI=■E ■■=■（Ti×■），式中，n为重金属的个数；RI为潜在生态危害指数；E ■■为第i种重金属的潜在生态危害系数；Ti为第i种重金属的毒性响应系数，在实际计算中，一般直接采用毒性系数替代毒性响应系数，具体为Zn=1

富集系数和潜在生态危害指数的分级及其与污染程度和生态风险程度的关系如表1所示[16]。

2 结果与分析

2.1 徒骇河岸带土壤重金属的含量水平及其理化性质

表2为徒骇河聊城城区段河岸带土壤重金属、有机质和平均粒径的参数统计。与土壤环境质量标准（GB 15618-1995）一級标准值相比，Cr和Ni的含量均小于一级标准值，其他4种重金属的超标率表现为Cd（35.0%）>Zn（25.0%）>Cu（20.0%）>Pb（10.0%）；与二级标准值相比，则全部达标。与山东省土壤背景值相比，Cr和Ni的平均含量均小于背景值，其他4种重金属的平均含量均高于背景值，Cd、Zn、Cu和Pb的平均含量分别为背景值的2.2、1.4、1.2和1.1倍。河岸带土壤有机质的平均含量为14.5 g/kg，为背景值的1.3倍；平均粒径为38.6 μm。根据Wilding[17]对变异程度的分类，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和平均粒径均为中等变异（15%36%）。

2.2 徒骇河岸带土壤重金属总量和有效态含量的沿程变化

由图2可见，徒骇河岸带土壤各重金属含量具有较为一致的沿程变化，Cd、Cu和Pb在1号样点的含量均较高；各重金属元素含量在16号点位后均较上游点位有不同程度的升高，最大增幅分别可达241.1%（Zn）、135.2%（Cu）、81.0%（Cd）、66.3%（Ni）、64.0%（Cr）和33.2%（Pb）。各重金属的有效态含量与其总量呈显著正相关，相关系数在0.56～0.83之间。Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的有效态含量分别占总量的16.1%～50.1%、1.5%～17.8%、18.8%～54.4%、4.6%～30.8%、20.4%～61.0%和4.3%～62.9%，各重金属的有效态含量占总量的比例在16号点位后也有显著升高，其最大值（除Pb外）均位于19号点位，而该点位位于聊城市开发区排污口出口处。研究[18]表明，外源重金属易于转化为具有活性的形态，因此受到开发区污水排放的影响，徒骇河聊城城区段下游河岸带土壤重金属的总量和有效态含量均有显著上升，且有效态含量占总量的比例也显著增加。各重金属有效态占总量的平均比例为Pb（38.1%）>Cu（31.9%）>Cd（30.1%）>Zn（17.1%）>Ni（10.1%）>Cr（4.2%），该结果与其他研究中采用分级提取法所提取的有效态重金属的分布较为一致[6，19]。由此可见，徒骇河岸带土壤中Pb、Cu和Cd的迁移性较强，对环境造成“二次污染”的风险较大，而Zn、Ni和Cr则主要以残渣态为主，不易迁移释放，对环境的影响较小。

2.3 徒骇河岸带土壤重金属的污染评价

徒骇河岸带土壤各重金属的富集因子的范围为1.13～6.41，其平均值表现为Cd（4.11）>Zn（2.53）>Cu（2.23）>Pb（2.10）>Ni（1.69）>Cr（1.42），Cd、Zn、Cu和Pb表现为中等污染，Ni和Cr表现为轻微污染。从各重金属富集因子的分布来看（图3），Cr和Ni主要表现为轻微污染，所占比例分别为95.0%和80.0%，其次为中等污染；而Cu和Pb表现为轻微污染和中等污染的比例各占50.0%；Zn也主要表现为中等污染（55.0%）和轻微污染（40.0%），仅有1个点位（采样点20）的Zn表现为重污染；Cd主要表现为中等污染（75.0%），其次为重污染（25.0%），表现为重污染的样点有1、4、7、11和15。由图3可见，点位1、4、7、9和11中各重金属的富集因子有明显升高；另外，Zn在点位7、8以及点位17（橡胶坝下）以后均表现出较高的富集因子。样点1中各重金属具有较高的污染水平与徒骇河受到上游地区来水污染的影响有关[9]，而样点4和11分别位于王光雨大桥和聊城二中大桥下游附近，临近交通干道，河岸带土壤极易受到汽车尾气排放的影响，汽车轮胎与地面磨损也可产生含Cu、Pb和Zn较高的颗粒物[20]，经扬尘或降雨径流冲刷进入土壤中；样点7和9分别位于聊位涵洞和土城涵洞支流的汇入处，在采样时发现，这两条涵洞的水质均呈黑臭状态，因此，样点7和9河岸带重金属较高的含量极有可能与受污染的支流汇入有关。

徒骇河岸带土壤各重金属的潜在生态危害系数范围为0.84～91.3，平均值表现为Cd（66.2）>Cu（5.98）>Pb（5.55）>Ni（4.55）>Cr（1.53）>Zn（1.39），Cd具有中等的生态危害，其他5种重金属的生态危害则为轻微。从各重金属潜在生态危害系数的分布来看，Cu、Pb、Ni、Cr和Zn的潜在生态危害系数范围为0.84～10.44，均小于40，表现为轻微的生态危害；而Cd的潜在生态危害系数范围为47.5～91.3，其中，85.0%的点位表现为中等生态危害，15.0%的点位表现为强生態危害。6种重金属的潜在生态危害指数（RI）的范围为62.0～114.9，平均值为85.2，均表现为轻微生态危害；其中，Cd对潜在生态危害的贡献最大，平均贡献率为77.6%，其他重金属的平均贡献率依次为Cu（7.0%）、Pb（6.6%）、Ni（5.4%）、Cr（1.8%）和Zn（1.6%）。

2.4 徒骇河岸带土壤重金属的来源分析

重金属元素之间的相关性分析、聚类分析和因子分析被广泛应用于土壤重金属的来源解析[4，7]。由徒骇河岸带土壤重金属元素和理化指标的Pearson相关系数（表3）可知，Cd、Cr、Cu和Ni两两之间存在显著的正相关性，Pb仅与Cd、Cu之间呈显著正相关，Zn仅与Cr和Cu之间呈显著正相关。除Pb与有机质含量呈显著正相关外，其他各重金属含量与土壤理化性质的相关性均不显著。

根据重金属之间的Pearson相关系数进行聚类分析，结果如图4所示。6种重金属可以聚为4类，分别为Cr和Ni；Zn；Cu和Pb；Cd。Cr和Ni之间存在极显著相关性（表3），说明其伴生关系良好，且其平均含量均小于背景值，主要表现为轻微污染，因此可认为其代表自然来源即成土母质。Zn是较易受到人类活动影响的元素之一，因此具有较大的变异系数（表2）；从沿程分布来看，Zn的总量和有效态含量自17号样点后均显著上升，污染程度也逐渐加剧达到重污染水平，这很可能是受到聊城市开发区排污口污水排放的影响，因此可认为Zn代表的是工业废水的污染。同时由图4又可以看出，Cr、Ni与Zn又聚为1个大类，反映了Cr和Ni在一定程度上也受到工业污染源的影响。Cu和Pb间具有极显著的相关性，常被作为交通污染源的标识元素；同时，Cu和Pb的含量和富集因子的沿程分布与Cd较为一致，且Cu、Pb和Cd两两之间也具有显著的相关性（表3）；由图4可知，Cu、Pb和Cd可以聚为1个大类，因此可认为Cu、Pb和Cd综合代表了来自于交通、上游来水和支流的污染。

3 结论

1）徒骇河聊城城区段河岸带土壤Cr和Ni主要表现为轻微污染，Cd、Zn、Cu和Pb为中等污染，总体生态危害轻微，其中Cd是主要的污染因子和生态危害因子。上游河段、交通干道附近、涵洞支流汇入处、排污口处各重金属的污染程度明显增加。

2）徒骇河岸带土壤各重金属含量具有较为一致的沿程变化，各重金属的有效态含量与其总量变化具有显著正相关关系，其占总量的平均比例表现为Pb>Cu>Cd>Zn>Ni>Cr，其中，Pb、Cu和Cd有效态含量占总量的平均比例均在30%以上，易发生迁移，对环境存在较大的风险。

3）污染源解析结果表明，徒骇河岸带土壤重金属除来自于自然源外，主要受到工业废水、交通运输、受污染的上游来水和支流的影响。

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