改进的地累积指数法在重金属生态风险评价中的应用

王倩倩，王祖伟，侯迎迎，王子璐

（天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

土壤或沉积物中的重金属元素含量超过自然地质过程造成的背景值且过量沉积时，即产生重金属污染.随着社会发展，人类活动尤其是化学农药的使用、污水灌溉及工业废弃物的排放等使重金属污染程度日益加深[1]，最终会通过食物链危害生物和人体健康[2].因此，加强土壤和沉积物中重金属污染的监测与评价对于探明重金属生态风险具有重要意义.重金属生态风险的评价方法主要有单因子指数法和综合指数法[3]：单因子指数法包括地累积指数法、潜在生态风险指数法、污染负荷指数法等；综合指数法中最常见的是内梅罗指数法[4-6].另外，生物效应浓度法、次生相与原生相分布比值法、富集系数法、风险代码法、TCLP法等也常应用于土壤和沉积物的重金属生态风险评价[7-8].地累积指数法由德国科学家Muller首次提出，被广泛应用于研究沉积物或其他物质中的某一种重金属的污染程度[4，9]，在一定程度上反映了重金属的自然分布特征，并能够评价人类活动对环境变化的影响[8].如刘敬勇等[10]采用地累积指数法评价了硫酸废渣堆渣场周围土壤的铊污染；胡绵好[11]采用地累积指数法评价了南昌市城市污泥的Pb、Cr、Cd、Hg等重金属污染的风险；钟红梅等[12]采用地累积指数法评价了四川省江油市响岩镇的Pb、Cr、Cd的重金属污染风险.也有研究者将地累积指数法与其他评价方法相结合用于评价重金属污染风险：如涂剑成等[13]使用地累积指数法和内梅罗指数法评价东北地区部分城市的Cu、Zn、Cr、Ni、Mn 污染；刘衍君等[14]使用地累积指数法和内梅罗指数法评价了山东省聊城地区耕地中As、Pb、Hg、Cd等8种重金属的污染风险.

为了能够将地累积指数法用于综合评价区域重金属污染风险，本研究对其进行了改进.以天津于桥水库沉积物为研究对象，测量沉积物中Pb、Zn、Cr等6种重金属的含量，应用改进的地累积指数法综合评价于桥水库沉积物的重金属污染风险，并且与潜在生态风险指数法和污染负荷指数法进行比较，判断改进的地累积指数法在综合评价区域重金属污染风险时的可靠性.

1 研究区域概况

于桥水库地处燕山山脉南麓，是海河流域的重要水系之一，所属地区为温带大陆性季风型半湿润气候.流域内年平均降水量多数在700 mm以上.于桥水库作为天津唯一的大型供水水源地，是一座平原与山谷的过渡型盆地水库，也是引滦入津工程的调蓄水库.近年来，工业和农业等人为活动对流域环境造成一定影响，流域内可能会受到一定程度的重金属污染，因此以于桥水库主要河流沉积物作为研究对象具有一定的实际意义.

在于桥水库上游主要入库河流处选取15个样点，分别在入口、中段、出口采样布点.采用电感耦合等离子体质谱仪（美国Agilent公司）对沉积物中的Pb、Zn、Cr、As、Cu、Cd 等 6 种重金属进行含量测定.

2 地累积指数法在重金属生态风险评价中的原理与改进方法

2.1 地累积指数法原理

1969年，Muller在研究水环境沉积物中重金属的污染程度时，为了对其进行量化，提出了地累积指数法.Muller在利用该方法分析重金属元素的污染程度时，选择了全球页岩的平均值作为元素的地球化学背景值.在考虑实际问题时也可选择当地无污染区域中该元素的含量作为背景值[15]，并以1.5的修正系数作为考虑人为及沉积作用对重金属污染程度的影响.地累积指数法表达式：

式中：Cn为某一重金属元素的实测含量；Bn为该元素的地球化学背景值或其在当地无污染区域的含量；常量1.5是为了消除各地差异可能引起的背景值而设置的变动转换系数.

地累积指数法的分级标准如表1所示.

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

2.2 地累积指数法的应用局限和改进方法

地累积指数法是对区域内各样点的重金属生态风险状况进行单一评价，虽然可以探明土壤或沉积物中不同重金属的污染程度，但该方法无法对某一样点或区域内多种重金属的综合污染程度作出合理判断和评价.因此，基于实际情况需要对地累积指数法进行一定程度的改进：维持地累积指数法分级标准不变，在原有Muller所提出的地累积指数计算公式的基础上进行细化，考虑重金属含量的平均值和最大值，计算样点的重金属综合地累积指数和区域内的重金属综合地累积指数.

单一样点重金属综合地累积指数：

式中：（Cn/1.5n）ave1为某一样点所有重金属含量的平均值；（Cn/1.5n）max1为某一样点所有重金属中含量最大的值.

区域内所有样点重金属综合地累积指数：

式中：（Cn/1.5n）ave2为所有样点中（Cn/1.5n）ave1的平均值；（Cn/1.5n）max2为所有样点中（Cn/1.5n）ave1的最大值.

通过改进的地累积指数法可综合评价单一样点的重金属污染水平和区域内所有样点的综合重金属污染水平.

2.3 改进的地累积指数法与潜在生态风险指数法和污染负荷指数法的比较

潜在生态风险指数法（Potentialecologicalriskindex）和污染负荷指数法（Pollution load index）是重金属生态风险评价中2种可靠且常用的方法：潜在生态风险指数法是Hakanson从沉积学角度出发并根据重金属的性质及环境行为特点建立的一套完整的评价重金属潜在生态风险的方法[5，16]，计算方法参照文献[17]；污染负荷指数法是Tomlinson提出的对重金属污染状况进行评价的方法，能够直观反映多种重金属对环境污染程度的贡献[6]，计算方法参照文献[7].为验证改进的地累积指数法的科学性与可行性，将3种方法的评价结果进行比较.

由于3种方法所用的评价标准不同，需要统一标准才能更精确地探讨改进地累积指数法的评价结果.因此，本研究引入了中等污染距的概念.中等污染距是样点评价指数值与无污染到中等污染区域的比值，数值越大，说明接近中等污染水平的程度越高，进而说明评价方法的标准越严格.

3 结果与分析

3.1 于桥水库采样点的重金属含量

于桥水库15个采样点的重金属含量测量结果如表2所示.由表2可以看出：于桥水库沉积物中Cr和Zn的含量最大；其次是Cu、Pb；再次是As；Cd的含量最低.15个样点的重金属含量差异较大，最大值与最小值之间相差2～6倍.

表2 样点主要重金属含量的统计结果Tab.2 Statistical results of heavy metal contents at sample sites mg/kg

3.2 3种方法对重金属生态风险的评价结果

3种方法的评价结果如表3所示.由表3可以看出：改进的地累积指数法对15个样点的污染等级评价中，除了样点2和样点7为中等污染水平外，其他样点均为无污染～中等污染水平；潜在生态风险指数法的评价结果中，有14个样点的污染等级与改进地累积指数法相同，多数为轻度风险水平；污染负荷指数法的评价结果中，有13个样点的污染等级为中等风险水平，2个是高风险水平.由此可见，对单一样点进行重金属污染生态污染评价时，改进的地累积指数法和潜在生态风险指数法的评价结果相近；污染负荷指数法评定的污染等级高于前两者.区域内全部样点的综合重金属评价结果显示，改进的地累积指数法与污染负荷指数法的污染等级相同，均属于中等污染水平.

各样点平均中等污染距与所有样点的综合中等污染距计算结果如表4所示.由表4可以看出，考查各样点的平均中等污染距时，改进的地累积指数法与潜在生态风险指数法的数值相近，小于污染负荷指数法的数值，即污染负荷指数法的评价标准最严格，最接近中等污染水平.在区域内所有样点的综合中等污染距中，改进的地累积指数法与污染负荷指数法的数值相近，接近中等污染水平，说明改进的地累积指数法在综合评价区域的重金属污染水平时，评价标准也非常严格.这些结果与根据3种评价方法计算得到的结果完全一致.

表3 不同方法对于桥水库重金属生态风险的评价结果Tab.3 Evaluation results of heavy metal ecological risk of Yuqiao Reservoir by different methods

表4 不同评价方法的中等污染距Tab.4 Medium pollution distances of different methods

4 讨论与结论

为了扩大评价单一重金属污染生态风险的地累积指数法的应用范围，使其能够对区域的综合重金属污染风险进行预测，本研究在考虑最大污染量和平均污染量的基础上对地累积指数法进行改进.为了考查改进地累积指数法的科学性和可靠性，以天津于桥水库流域15个样点沉积物的重金属为研究对象，运用改进地累积指数法对该区域的重金属生态风险进行综合评价；同时，与潜在生态风险指数法和污染负荷指数法的评价结果进行比较.改进的地累积指数法与潜在生态风险指数法在评价某一样点重金属污染水平时结果一致，与污染负荷指数法相比其评价结果显示的污染水平略低，但在评价采样点综合重金属污染风险时与污染负荷指数法的结果一致.进一步将平均污染距的概念引入到3种方法中，计算结果与单纯依据3种方法得到的评价结果相同.由此可见，利用改进的地累积指数法评价单一样点的重金属生态风险时，结果与潜在生态风险指数法相近，评价标准略低于污染负荷指数法；在评价区域综合重金属生态风险时，结果与污染负荷指数法相近.因此认为，利用改进的地累积指数法对某区域的重金属生态风险进行综合评价时，结果具有可靠性和合理性.