黔东南山区土壤重金属分布特征

瞿飞范成五 刘桂华 秦松

摘 要：为研究砂页岩土壤重金属分布特征，评价土壤污染状况，以贵州省黔东南典型砂页岩地区浪洞乡为研究对象，采用网格布点的方法采集20个土壤样品，分析了（Cr、Pb、As、Cd、Hg）5种重金属的含量及分布特征，并采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和Hakanson潜在生态风险指数法对该地区土壤重金属环境质量状况进行评价。结果表明，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全国背景值；Hg的平均含量高出全省背景值和全国背景值的3.25倍和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，高于全国背景值，且为全国背景值的4.04倍。表明区域存在一定程度的Hg污染，其他4种重金属主要受区域背景值影响较大。5种重金屬的单项污染指数大小顺序为Cd 研究区域土壤环境内梅罗综合污染指数的均值为0.519，表示该区域土壤处于清洁状态。研究区域5种重金属的潜在生态风险指数大小顺序为Cd Cr，平均潜在生态风险指数均值为49.8，处在低风险生态等级，部分点位生态风险指数接近中度风险，从整体上看，研究区域土壤受重金属污染较轻，可安全进行农业生产，但仍需加强对重金属污染防治工作，避免重金属造成危害。

关键词：砂页岩；土壤重金属；风险评价；浪洞乡

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2018）03-00 -0 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.03.001

Distribution Characteristics and Potential Risk Assessment of Heavy Metals in Soil of Typical Sand Shale Areas in Southeastern Guizhou

——A case study of Lang Dong village

QU Fei1，Fan Chen-wu2，3，Liu Gui-hua2，3 ，Qin Song2，3*

（1. Agricultural College， Guizhou University， Guiyang 550025 China； 2. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer （Agricultural Resources and Environment）， Guiyang 550006 China； 3. Guizhou Agricultural Resources and Environmental Engineering Technology Research Center， Guiyang 550006 China）

Abstract：In order to study the distribution characteristics of heavy metals in sand shale soils and evaluate soil pollution status， Lang Dong village， a typical sand shale region in Qiandongnan， Guizhou Province， was selected as the research area. Twenty soil samples were collected using the method of grid placement. The content and distribution of the five heavy metals （Cr， Pb， As， Cd， Hg） were analysed. The soil environment quality of the heavy metals was evaluated using the single-factor pollution index method， the Nemero pollution index method and Hakanson potential ecological risk index method. The results showed that the average content of Cr， Pb and As in the study area was lower than that of the entire province value and the national background value. The content of Hg was 3.25 times higher than the province value and 5.51 times the national value. The average content of Cd was lower than the province value but was 4.04 times higher than the national value. This indicated that this area has some degree of Hg pollution， while content of the other four heavy metals was mainly influenced by the regional background value. The sequence of single-factor pollution index of the five heavy metals was Cd>Hg>As>Cr>Pb. The environment Nemero comprehensive pollution index of all five heavy metals was 0.519， indicating that the soil of this area was in a clean state. The sequence of the potential ecological risk index of five heavy metals in the study area was Cd>Hg>As>Pb>Cr and the average potential ecological risk index was 49.8， indicating that this area was at a low level of ecological risk. However， the ecological risk index for some parts of the area was at moderate level. On the whole， soil contamination by heavy metals in the study area is relatively light， which is safe for agricultural production. However， work on prevention and control of pollution still needs to be strengthened to avoid the harm of heavy metals.

Key words：sandy shale； soil heavy metals； risk assessment； Langdong village

土壤重金属污染具有隐蔽性，持久性和难降解的特性，对动植物都会带来危害[1]。一些可溶性的重金属能够被植物吸收富集、迁移转化，再通过食物链进入人体，危害人体健康[2-4]。随着矿产资源等工业开发，农药、化肥等农业投入品的广泛使用，含重金属类物质大量进入土壤中，造成土壤环境重金属污染问题日益严峻。土壤重金属污染已成为人类面临的重要问题之一[5-7]。

土壤是由成土母质风化而来，成土母质决定了土壤中重金属的最初含量，影响着土壤环境中的重金属背景值。黔东南地区自然资源丰富，成土母质多样，其中砂页岩分布最广泛，砂页岩是由砂岩和页岩相间组成的特殊岩石，可以形成丰富的金属矿。据相关文献报道，黔东南地区金矿点较多，研究历史悠久，是贵州省十分重要的产金区；金矿矿物质和流体均来自于地层围岩[8-9]。万斌[10]对蚀变岩型金矿地球化学特征分析中指出黔东南地区的金矿中在石英脉中及硅化的破碎的粉砂岩中的含量最高。了解砂页岩地区重金属的分布特征及潜在生态风险，对防治土壤环境重金属污染，指导农业安全生产具有十分重要的意义。

本研究以黔东南典型砂页岩地区的浪洞乡为研究对象，运用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和Hakanson潜在生态风险指数法对浪洞乡土壤重金属进行污染特征分析及风险评价，探讨该地区土壤重金属环境质量状况及潜在生态风险，以期为典型砂页岩地区的重金属污染防治和农业安全生产提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品采集时间为2016年8月，采自黔东南州黄平县。采集方法为网格法，按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166—2004）要求，并通过GPS定位，确定采样点，共采集了112个土壤样品（图1），采样深度为0～20 cm。每个样品由5个子样品混合后，再通过四分法取1 kg组成。样品自然风干，磨细过100目尼龙筛，密封装袋保存待测。

1.2 样品分析

精确称取风干样品0.2 g，用少许水润湿，加入消解液（V硝酸∶V高氯酸=4∶1）15 mL，湿法消解，用0.5%的HNO3定容至50 mL测定，采用火焰原子吸收法测定Cr、Cd、Pb（原子吸收光谱仪AA-800）。准确称取风干样品0.2 g，用少许去离子水润湿，加消解液（V王水∶V水=1∶1）10 mL，微波消解，冷却后用5%的HCl定容至50 mL[11-12]，采用原子荧光法测定Hg、As（原子荧光光谱仪AF-640）。

1.3 评价方法

1.3.1 污染现状评价

参照《土壤环境质量标准》（GB15618-1995），采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法对研究区进行风险评价。单因子污染指数式为：

Pi=Ci/Si（公式一）

式中：Pi为土壤污染物i的环境质量污染指数；Ci为污染物i的实测值，mg/kg；Si为污染物i的评价标准，污染评价分级标准见表1。

1.3.2 生态风险评价

研究区土壤重金属生态风险评价采用Hakanson潜在生态风险指数法。该方法引入了重金属毒性响应系数，将重金属含量折算为生物毒性风险，各单项污染物潜在生态风险指数经相加可得此区域多种污染物的综合潜在生态风险指数，削弱了区域差异和不同源污染情况的影响[13]。其计算公式为：

RI=∑ni=1TirCir=∑ni=1TirCi实测/Cin（公式三）

式中：RI为采样点多种重金属综合潜在生态风险指数；Tri为Hakanson制定的标准化重金属毒性系数；Cri为该元素的污染系数；C实测i为该元素的实测含量；Cni为该元素的国家土壤环境标准值。

1.4 数据处理

采用Microsoft excel 2003进行数据统计，采用SPSS 20进行数据分析，使用Arc GIS 9.2和Origin 8.6软件进行图件制作。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分析

研究区土壤重金属含量分布如表3所示，Cr、Pb、Cd、As、Hg5种重金属的平均含量分别为41.2、25.9、0.392、8.35和0.358 mg/kg，与贵州省背景值[14]和全国背景值[15]相比，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全國背景值；仅有Hg的平均含量高于全省背景值和全国背景值，且分别高出3.25和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，但高于全国背景值；且为全国背景值的4.04倍。从变异系数上看，5种重金属的变异系数分别为40.7%、29.9%、66.3%、54.5%和82.4%，可以看出，Cr、Cd、As和Hg的变异系数较大，说明受人为因素影响大；Pb的变异系数较小，说明在分布特征上具有较大相似性[16]。

2.2 土壤重金属的污染评价

2.2.1 单因子污染指数评价

根据单因子污染指数评价等级，5种重金属中所有点位中Cr、As和Pb的Pi均小于1，污染等级为1，属于无污染。点位3#、6#、7#、9#、12#、17#的Cd中1

2.2.2 内梅罗污染指数评价

国家土壤环境质量标准（GB15618-1995）分为3个等级[17]。研究区土壤pH值的范围在6.5～7.5之间，因此采用土壤质量二级标准的中间指标分析（表4）。

根据土壤内梅罗污染指数判断研究区污染状况，结果表明（见表5），该5种重金属的单项污染指数大小顺序为CdPb，均值分别为1.31、0.716、0.278、0.206和0.0862。5种重金属Cr、Pb、As、Hg和Cd的综合污染指数分别为0.291、0.116、0.541、1.99和2.56，Cr、Pb和As的污染等级为清洁（安全）；Hg的污染等级为轻度污染；Cd的污染等级为中度污染。

从各点位内梅罗污染指数上看（图3），得出采样点位16#和20#的重金属综合污染指数分别为2.47和2.25，污染等级为等级4，属于中度污染；采样点位1#、2#、3#、7#、9#和17#的重金属综合污染指数分别为1.87、1.64、1.30、1.45、1.12和1.38，污染等级为等级3，属于轻度污染；采样点位4#、5#、6#、8#、10#、11#、12#、13#、14#、15#、18#和19#的重金属综合污染指数分别为0.502、0.631、0.848、0.305、0.577、0.453、0.988、0.349、0.469、0.681、0.475和0.606，污染等级为1，属于清洁（安全）。

2.2.3 土壤重金属污染空间分布情况

采用ArcGIS对单因子污染指数和内梅罗综合污染指数空间分布情况作分析，模拟出研究区5种重金属污染空间分布图（图4～9）。结果显示，研究区未受到Cr、As、Pb污染，均为安全水平；Hg存在低风险和中度风险污染，中度风险污染主要集中在浪洞乡东部地区；Cd存在低风险和中度风险污染，中度风险污染主要集中在浪洞乡西南地区和中部勤龙村、浪洞村等部分地区；综合污染分布与Cd空间污染分布一致，说明整个研究区域的土壤重金属主要受Cd污染的影响较大，其他重金属污染影响较小。

2.3 土壤重金属的潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态指数法分析研究区5种土壤重金属，根据土壤重金属污染潜在生态危害指标与分级（表6），对其进行生态风险评价。

结果显示（表7），20个采样点位的生态风险指数（RI）均小于150，根据风险等级划分，风险等级均为低风险；Cd的潜在生态风险指数范围在7.53～67.3，Hg的风险指数范围在2.58～76.2之间，As的风险指数范围在0.937～7.12之间，Pb的风险指数范围在0.225～0.697之间，Cr的风险指数范围在0.144～0.712之间，5种重金属的潜在综合指数范围在18.9～130之间；5种重金属的潜在生态风险指数大小顺序为Cd

Cr；样点20#的潜在综合风险指数为138，最接近中等风险，应及时预防；样点1、16、17的综合风险指数分别为80.0、88.8、82.4，相对其他点位较高。整体上看，研究區域的5种土壤重金属都处于清洁状态。

3 结论与讨论

有研究表明土壤中的重金属污染的原因主要有：矿石开采、城市化建设、固体废弃物堆积、施用化肥、污水灌溉等原因[18]。浪洞乡位于黔东南苗族侗族自治州黄平县境内，自然环境优良旅游资源丰富；全乡境内主要以传统农业生产为主，几乎无农药、化肥、污水等污染；大型工矿业较少，主要以家庭作坊为主；而该区域属于黔东南州典型的砂页岩地区，境内有铅锌矿、粘土、铁、煤等矿产资源，粘土矿资源尤其丰富。相关研究表明，成土母质决定了土壤中最初的重金属含量，不同母质类型，重金属元素含量差异较大[19]。何腾兵等[20]在不同母质发育的土壤重金属差异性研究中指出，钙质紫色砂页岩、石灰岩和河流冲积物发育的土壤中镉、铬、汞的含量较其他母质发育的土壤高。

本文分析了5种重金属在黔东南浪洞乡的分布特征，结果显示其中Hg和Cd两种重金属在研究区存在中度污染风险，区域主要集中在浪洞乡东部地区、西南地区和中部勤龙村、浪洞村等部分地区；其中Hg高于全国和全省背景值，分别高出3.25和5.51倍；Cd仅在全国背景值下有污染表现，高出4.04倍；而综合污染分布显示指出该区域土壤重金属主要受Cd污染的影响较大；而对于Cr、As、Pb的分析结果未存在污染风险，均处于安全水平。该区域的土壤重金属污染排除农业废弃物、城市化建设等因素，很可能与主要成土母质砂页岩相关。而研究区采样点大部处于污染低风险，说明土壤重金属有一定量积累，周边环境污染较少，土壤5种重金属含量总体符合相关限量标准，对于农业产区，优化农艺生产措施可确保农产品质量安全。

研究区5种重金属的平均含量与贵州省背景值总站和全国背景值相比，Cr、Pb和As的平均含量均低于全省和全国背景值；仅有Hg的平均含量高于全省背景值和全国背景值，且分别高出3.25和5.51倍；Cd的平均含量低于全省背景值，但高于全国背景值；且为全国背景值的4.04倍。

研究区5种重金属的单项污染指数大小顺序为CdCr；Cd为最主要生态风险贡献因子。土壤平均潜在生态风险均值为49.8，处于低风险生态等级，点位20的潜在生态风险值接近中等风险。

参 考 文 献：

[1] 黄益宗，郝晓伟，雷 鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J]. 农业环境科学学报，2013，03（3）：409-417.

[2] Wenzel W W，UnterbrunnerR，Sommer P，et al.Chelate-assisted phytoextraction using canola （Brassica napus，L.） in outdoors pot and lysimeter experiments[J]. Plant & Soil，2003，249（1）：83-96.

[3] Rajkumar M，Vara Prasad M N，Freitas H，et al.Biotechnological applications of serpentine soil bacteria for phytoremediation of trace metals[J]. Critical Reviews in Biotechnology，2009，29（2）：120-122.

[4] CaiQ，Long M L，Zhu M，et al.Food chain transfer of cadmium and lead to cattle in a lead-zinc smelter in Guizhou，China.[J]. Environmental Pollution，2009，157（11）：3078-3082.

[5] 刘春早，黄益宗，雷 鸣，等.湘江流域土壤重金属污染及其生态环境风险评[J]. 环境科学，2012，33（1）：260-265.

[6] 李 强，郭 飞，莫测辉，等.贵州省环境中汞污染现状与分布特征[J]. 生态科学，2013，32（2）：235-240.

[7] 李瑞琴，于安芬，白 滨，等.甘肃中部高原露地菜田土壤重金属污染及潜在生态风险分析[J]. 农业环境科学学报，2013，32（1）：103-110.

[8] 郑旭波.黔东南金矿床成矿流体特征分析及找矿前景探讨[J]. 资源信息与工程，2016（1）：26-27.

[9] 牟雨亮，王甘露，付 勇，等.黔东南石英脉型金矿床中铁白云石流体包裹体研究[J].中国地质调查，2017，5（4），24-30.

[10] 万 斌.黔东南某破碎带蚀变岩型金矿地球化学特征分析[J]. 资源信息与工程，2016，31（3）：19-21.

[11] 任海仙，王迎进.微波消解-火焰原子吸收光谱法测定土壤中重金属元素的含量[J].分子科学学报，2009，25（3）：213-216.

[12] 中国环境监测总站.土壤元素的近代分析方法[M]. 北京：中国环境科学出版社，1992.

[13] 周笑白，梅鹏蔚，彭露露，等.渤海湾表层沉积物重金属含量及潜在生态风险评价[J]. 生态环境学报，2015，03（24）：452-456.

[14] 中国环境监测总站.中国土壤元素背景值[M].北京：中国环境科学出版社，1990.

[15] 魏復盛，杨国治，蒋德珍，等.中国土壤元素背景值基本统计量及其特征[J].中国环境监测，1991，07（1）：1-6.

[16] 王 济，张 浩，曾希柏，等.贵阳市城区土壤重金属分布特征及污染评价[J]. 环境科学研究，2009，42（8）：928-934.

[17] 叶 琛，李思悦，卜红梅，等.三峡水库消落区蓄水前土壤重金属含量及生态危害评价[J].土壤学报，2010，47（6）：1264-1269.

[18] Nicholson F A，Smith S R，Alloway B J，Carlton-Smith C，Chambers B J.An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales[J]. Science of the Total Environment，2003，311（1-3）：205-219.

[19] 何 群.红、黄壤中氧化铁结合态重金属与背景值的关系[J].中国环境监测，1992，8（3）：62-66.

[20] 何腾兵，董玲玲，李广枝，等.喀斯特山区不同母质（岩）发育的土壤主要重金属含量差异性研究[J]. 农业环境科学学报，2007，27（1）：188-193.