松嫩平原黑龙江省南部土壤重金属背景值及污染程度分析

张 慧，马鑫鹏，苏 航，隋虹均，史晓磊，李昕阳，杨 欢，郑志志

(东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030)

土壤背景值通常是指在未受或者很少受到人类活动影响的条件下土壤本身的物质组成及含量，是反映土壤属性的重要参考依据[1]。土壤重金属作为土壤环境的组成部分，其含量状况能够直接影响农作物的产量和质量，并且能够通过食物链进入人体，影响人体健康[2]。因此合理确定土壤背景值并以此评估土壤中重金属的含量状况具有重要的现实意义[3]。

当前对土壤重金属含量状况或污染评价研究采用的评价标准包括国家土壤环境质量一级标准[4]、省市土壤背景值[5]、区域土壤背景值[6]、深层土壤重金属含量均值[7]等等，大部分研究选取土壤背景值作为评价标准。不同的学者从各自的角度对土壤背景值进行了研究，主要集中在土壤重金属背景值空间分布状况，不同城市、地质条件、地貌类型等条件下的背景值含量状况，土壤重金属背景值的确定方法等方面[8-12]，但是对于土壤重金属背景值进行系统、全面的研究还相对较少，并且对背景值确定方法的研究通常是以一种重金属作为研究对象，研究结果的可靠性以及对不同重金属的适用性有待进一步考究。

本文以松嫩平原位于黑龙江省南部的区域作为研究区，以多目标区域地球化学调查成果作为数据基础，采用置信区间法、累积频率法、迭代剔除法[13]对生物毒性明显的5种重金属(As、Hg、Cd、Cr、Pb)以及具有一定毒性的3种重金属(Cu、Ni、Zn)的背景值进行研究，确定8种重金属的背景值。在此基础上采用地统计学、普通克里金插值法等对土壤重金属的空间分布进行探究[14]，并根据确定的重金属背景值，采用地累积指数法对研究区土壤重金属累积、污染程度进行评价，以期为土壤重金属背景值研究提供参考，为松嫩平原土壤重金属累积特征、污染评价等提供理论指导，同时也为松嫩平原农业生产、粮食安全、土壤保护等提供实践基础。

1 研究区概况

研究区主要是松嫩平原位于黑龙江省南部的区域，地理坐标为122°20′E～128°00′E，44°40′N～48°00′N，包括齐齐哈尔市南部、大庆市、绥化市南部、哈尔滨市西部等28个市(县)，覆盖区域面积约为8.15万km2，占黑龙江省总面积的17.23%(见图1)。地貌景观以平原为主，地势平坦开阔，嫩江、松花江、拉林河、呼兰河等水系及其支流穿过。地貌类型主要包括褶断剥蚀低山、侵蚀-冰水台地、冲积湖积低平原、剥蚀冲积湖积平原、冲积平原、冲积-洪积平原、风蚀风积沙地等。研究区地处中温带，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长。土壤以黑土、黑钙土、草甸土为主，土壤肥力较高，主要以农业为主，是我国重要的商品粮生产基地。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

研究数据以多目标区域地球化学调查成果为基础，样本采集按照多目标区域地球化学调查技术规范要求进行。采用双层网格化采样方法，使用GPS并结合地形图定点采集表层和深层土壤样品，并记录采样点的经纬度、海拔高度等信息，在研究区表层(0～20 cm)按照2 km×2 km的格网采集四个土样混合成一个土壤样本，共采集20923个土壤样本；在研究区深层(180～200 cm)按照4 km×4 km的格网采集四个土样混合成一个土壤样本，共采集5295个土壤样本。

采集的土壤样本进行自然风干，剔除植物根系、砂砾、动物残体等杂质，经研磨后过20目尼龙筛，然后对土样进行消解，重金属As采用硝酸-盐酸-高氯酸消解，重金属Hg采用硝酸-硫酸-五氧化二钒消解，重金属Cr采用硫酸-硝酸-氢氟酸消解，重金属Pb采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，重金属Cd、Cu、Ni、Zn采用盐酸-硝酸-高氯酸消解。重金属土样进行消解后，在实验室测定元素含量。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Map of study area

Cr、Cu、Ni、Pb、Zn元素含量采用原子吸收光谱法测定；Cd元素含量采用石墨炉原子吸收光谱法测定；Hg元素含量采用冷原子吸收光谱法测定；As元素含量采用硼氢化钾-硝酸银分光光度法测定，同时采用插入国家标准物质和加标回收两种方式来保证测试的准确度。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤重金属背景值确定方法

(1)置信区间法。置信区间法在土壤背景值确定的应用中通常是按照数据正态分布类型的不同，采用符合数据特征的计算方法确定区域土壤元素背景值的上限。此方法对元素含量数据的要求较高，数据需要服从正态分布或者对数正态分布，一般情况下采用95%置信上限来代表区域土壤元素背景值。

(2)累积频率法。累积频率法是在相对累积频率和元素含量分布图中，曲线拐点所对应的元素含量通常是该元素背景含量和异常值的分界点，高于拐点的样点代表了异常值，低于拐点对应含量的样本才能反映出区域土壤重金属背景值状况，元素含量低于拐点的样本含量均值可代表该元素的土壤背景值，同时该方法对数据也有要求，低于拐点的样本含量数据应该属于正态分布或者近似正态分布。

(3)迭代剔除法。迭代剔除法基于数据均值和标准差将异常值剔除，对剩余的数据进行计算以求取土壤重金属背景值[15]。

2.2.2 土壤重金属空间分布研究方法 采用普通克里金插值法。普通克里金插值法从变量自身特点出发，考虑观测点的整体空间分布情况，考虑样本点的空间相互位置关系与待估计点的空间位置关系，对待估点进行一种无偏最优估计，并且能给出估计精度[16]。在ArcGIS 10.2软件的支撑下，运用普通克里金插值法对样点进行空间插值，进而研究重金属在空间上的分布特征。

2.2.3 土壤重金属污染评价方法 采用地累积指数法。地累积指数法通常称为Muller指数，由德国海德堡大学沉积物研究所的科学家Muller在1969年提出，最初广泛应用于定量研究水环境沉积物中重金属污染程度，近年来逐渐引入到土壤重金属污染评价中[17]，其表达式为：

Igeo=log2[Cn(k×Bn)]

其中：Igeo为地累积指数，Cn为样品中元素n含量的实测值(mg·kg-1)；Bn为元素n的化学背景值(mg·kg-1)；k为修正系数，一般取1.5。

地累积指数一般分为7个等级(0～6级)，污染程度从无污染到极强污染，具体等级划分见表1。

3 结果与分析

3.1 土壤重金属背景值

研究区表、深层8种土壤重金属元素含量描述性统计分析结果见表2和表3。采用置信区间法、累积频率法、迭代剔除法三种方法，应用SPSS 19.0软件对深层土壤(180～200 cm)重金属样本数据进行统计，结果见表4。从表中可以看出，采用置信区间法和累积频率法计算出的土壤重金属背景值基本上相一致，而采用迭代剔除法计算出的背景值含量相对于前两种方法偏差较大，主要是由于在进行迭代剔除时去除了个别元素大量的样本数据，致使个别元素样本数据量下降，在一定程度上不能很好地反映区域背景值整体情况，而置信区间法采用95%的置信区间，累积频率法通过分布曲线将自然背景值分离出来，两种方法测定的背景值相一致，因此采用置信区间法和累积频率法计算求得的土壤重金属元素背景值求均值的结果作为松嫩平原黑龙江省南部土壤重金属背景值(见表5)。

与国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)一级标准相比，8种重金属元素背景值都远低于国家土壤环境质量一级标准，与黑龙江省土壤背景值相比，除了重金属As、Ni的背景值略高于黑龙江省土壤背景值外，其余重金属元素背景值均低于黑龙江省土壤背景值，与1986年测得的松嫩平原土壤背景值相比，除了重金属Hg的背景值略低于1986年松嫩平原背景值外，其余重金属背景值均高于1986年测得的松嫩平原土壤重金属背景值。

表1 地累积指数分级标准

表2 表层土壤重金属描述性统计

表3 深层土壤重金属描述性统计

表4 不同方法计算的土壤重金属元素背景值

表5 土壤重金属背景值比较

注: A,松嫩平原黑龙江省南部土壤背景值； B,国家土壤环境质量一级标准； C,黑龙江省土壤背景值； D,1986年松嫩平原土壤背景值。

Note: A,Soil background level in southern Songnen Plain of Heilongjiang Province; B,National soil environmental quality standards; C,Soil background level in Heilongjiang Province; D,Soil background level of Songnen Plain in 1986.

3.2 土壤重金属空间分布

3.2.1 变异函数拟合 地统计学是以区域化变量理论作为依据，能够反映区域化变量的许多特征[18]。采用GS+9.0软件对松嫩平原黑龙江省南部深层土壤(180～200 cm)样本含量数据进行拟合，确定拟合的最优模型，拟合结果及相关参数见表6。重金属As、Hg、Cd、Cr、Zn变异函数拟合的结果为指数模型，重金属Cu、Ni变异函数拟合的结果为球状模型，重金属Pb变异函数拟合的结果为高斯模型。块金值C0反映了区域化变量随机性大小；基台值(C0+C)反映了区域化变量变化的幅度；块金系数C0/(C0+C)通常能反映区域化变量的空间自相关性；变程反映了区域化变量的影响范围；拟合系数(r2)反映了模型拟合的精度[19]，拟合系数越接近1表示拟合的精度越高。

重金属As、Hg、Cr、Cu、Ni、Zn块金系数均小于0.25，具有强烈的空间自相关性，重金属Cd、Pb的块金系数介于0.25～0.75之间，具有中等程度的空间自相关性，表明8种重金属元素含量均主要受结构性因素(地质、地貌类型条件等)的影响。

3.2.2 普通克里金插值 在变异函数拟合的基础上，根据拟合确定的最优模型，应用ArcGIS 10.2软件对深层土壤(180～200 cm)重金属样本含量数据进行空间插值，插值的结果见图2。从图2中可以看出重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn在研究区的分布相对一致，呈现出东北高西南低的空间分布格局，特别是重金属Cr、Cu东北部和西南部差异更为明显；重金属Hg、Pb在研究区分布相对较为均匀，重金属Hg仅仅在研究区东部小范围内含量较高，重金属Pb在研究区西北部小范围内含量较高。

3.3 表层土壤重金属污染程度研究

采用地累积指数法对松嫩平原黑龙江省南部表层土壤(0～20 cm)重金属污染程度进行研究，以确定的松嫩平原黑龙江省南部土壤重金属背景值作为评价标准，8种重金属处于不同污染程度的样本数量见表7。重金属As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn处于无污染程度的样本数量分别占总样本数量的97.72%、59.92%、83.45%、97.63%、99.24%、98.86%、99.02%、99.26%，只有重金属Hg、Cd无污染的样本量占全部样本量的比例低于95%；重金属As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn处于无污染到中度污染的样本数量占全部样本量的比例分别为2.27%、36.00%、15.61%、2.37%、0.76%、1.14%、0.95%、0.73%，除重金属Hg、Cd污染样本占全部样本的比例较高之外，其余重金属所占比例都很低；重金属Hg、Cd处于中度污染的样本占全部样本量的比例分别为3.18%、0.77%，除此之外，重金属处于中度污染到强污染、强污染、强污染到极强污染、极强污染的样本量都很少，可以忽略不计。

表6 变异函数拟合结果及相关参数

图2 深层土壤重金属元素含量插值图Fig.2 Interpolation of heavy metal content in deep soil

污染程度 Pollution levelAsHgCdCrCuNiPbZn无污染Uncontaminated2044612537174612042720763206842071820769无污染到中度污染Uncontaminated to moderately contaminated47575323267496158239199153中度污染Moderately contaminated266516202061中度污染到强污染Moderately toseverly contaminated01272200000强污染Severelycontaminated040900000强污染到极强污染Severelyto extremely contaminated014000000极强污染Extremely contaminated08200000

总体而言，松嫩平原黑龙江省南部表层土壤重金属As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn处于无污染程度，是相对清洁的，但重金属Hg和Cd存在着一定程度的轻微污染，应当引起相关部门的注意，同时也需要加强对重金属Hg和Cd的污染控制与管理。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)采用置信区间法和累积频率法得到的松嫩平原黑龙江省南部8种土壤重金属元素As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的背景值分别为9.33、0.016、0.079、50.82、18.74、24.16、22.70、57.34(mg·kg-1)。

(2)普通克里金插值的结果表明，深层土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn在研究区的分布相对一致，呈现出东北高西南低的空间分布格局，重金属Hg、Pb在研究区分布相对较为均匀。

(3)地累积指数法评估的结果表明，松嫩平原黑龙江省南部表层土壤总体而言是相对清洁的，但重金属Hg、Cd出现了一定程度的轻微污染。

4.2 讨论

背景值作为土壤重金属污染评价的重要参考标准，其值的准确性决定了土壤污染状况判定的精度，尤其是对于较小范围区域内的土壤重金属污染状况进行研究时，更应该选取准确的背景值以刻画区域土壤重金属含量状况，在实际条件允许的前提下，应当采集深层土壤样本以确定区域背景值。同时应该在本研究的基础上考虑土壤重金属背景值的影响因素，探索不同地质、地貌等条件下的土壤重金属背景值，以实现从多角度、全面分析土壤重金属背景值特征，为土壤重金属背景值、污染评价等研究提供参考。