吉林省黑土区土壤重金属污染特征及生态风险评价

李金凤 刘宝林 郑紫郡 路晓慧 杭璐 刘思序 罗馨雨 尹方圆

摘要 以吉林省黑土區作为研究区域，利用随机布点的方法采集26个土壤样品进行调查研究，采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、地积累指数法和富集系数法分析研究区内土壤重金属的污染特征。结果表明，土壤样品中Cu、Mn、As、Zn、Cr、Ni、Pb这7种重金属元素的平均含量均超过吉林省重金属元素背景值，其中Pb的含量最高，高于背景值6.44倍。参照《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的平均单项污染指数分别为1.103、0.369、0.282、0.301、0.278、1.725，说明研究区土壤主要受到Ni和As污染。内梅罗综合污染指数为1.298，表明研究区土壤总体达到轻度污染的程度。Ni的超标样点共20个，超标率达76.9%;As的超标样点2个，超标率为7.7%;Pb的超标样点只有1个，超标率为3.8%，其余元素均未超标。地积累指数法和富集系数法的评价结果显示研究区内土壤环境中Pb达到了显著污染的程度，Ni、Cr、Cu、As为中度污染，Fe、Mn、Zn为轻微污染程度，并未造成污染。

关键词 黑土区;重金属;污染特征;生态风险;地积累指数法;富集系数法

中图分类号 X 53文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）04-0083-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metals in Black Soil Area of Jilin Province

LI Jin-feng，LIU Bao-lin，ZHENG Zi-jun et al （College of Chemistry，Changchun Normal University，Changchun，Jilin 130032）

Abstract Taking the black soil area of Jilin Province as the research area，26 soil samples were collected for investigation and research using the random distribution method，single-factor pollution index method，Nemerow pollution index method，geo-accumulation index method and enrichment coefficient method were used to analyze the pollution characteristics of soil heavy metals in the study area.The results showed that the average content of the seven heavy metal elements （Cu，Mn，As，Zn，Cr，Ni，Pb） in the soil samples exceeded the background value of heavy metal elements in Jilin Province，and the content of Pb was the highest，which was 6.44 times higher than the background value.According to "Soil Environmental Quality Standards" （GB 15618-1995），the average single pollution indexes of As，Cu，Pb，Cr，Zn and Ni were 1.103，0.369，0.282，0.301，0.278 and 1.725，respectively，indicating that the soil in the study area was mainly affected by Ni and As pollution.Nemoro pollution index was 1.298，indicating that the soil in the study area generally reached the level of mild pollution.Ni exceeded the standard in 20 samples，with exceeding rate of 76.9%.There were 2 over-standard samples of As，the over-standard rate was 7.7%;the concentration of Pb was found to be higher than the standard value in one soil sample，and the over-standard rate was 3.8%;the other elements were all within limits.The evaluation results of geo-accumulation index method and enrichment factor index method showed that Pb in soil in the study area was significantly polluted，Ni，Cr，Cu and As were moderately polluted，Fe，Mn and Zn were slightly polluted but not polluted.

Key words Black soil area;Heavy metals;Pollution characteristics;Ecological risk;Geo-accumulation index method;Enrichment coefficient method

基金项目 吉林省科技发展项目（20200403020SF）。

作者简介 李金凤 （2000—），女，四川雅安人，从事土壤重金属污染研究。*通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事水污染调查与防治研究。

收稿日期 2021-06-03

土壤重金属污染是指由一种或多种重金属及其化合物对土壤造成的污染。土壤重金属污染元素主要有汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）等。随着工业的迅速发展和我国城市化进程的加快，土壤污染日益严重，重金属作为典型的土壤污染物，其易隐蔽、易富集、难降解、在水中的移动性差等特点使其在土壤环境中长期累积，不但会破坏土壤原来的结构、功能和生态平衡，也可以通过植物吸收在植物体内富集转化，通过食物链对人类带来潜在的危害[1-2]。

近年来，许多学者采用不同的方法对土壤重金属污染进行了研究，并取得了一定成果。如何东明等[3]应用地积累指数法和潜在生态风险指数法对广西某蔗田土壤中重金属污染进行评价，结果发现Cd、Zn、Pb、Cu这4种重金属对土壤有不同程度的污染，处于低度危害程度;赵秀峰等[4]对某化工园区周边土壤中重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg和As的污染进行了分析与评价，结果发现土壤中Cd、Hg、Cu和Pb的平均含量超过自然背景值;赵庆令等[5]应用富集系数法和地积累指数法对济宁城区南部农田进行研究，结果表明As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在土壤中含量较高但污染程度低，Cd、Hg虽然是轻微富集程度，但都有较高的毒性响应系数。笔者以吉林省为研究区域，对其黑土区土壤进行调查采样，利用便携式土壤重金属测定仪测定其中重金属Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Pb的含量，采用地积累指数法和富集系数法分析研究区土壤重金属的污染特征并对其进行生态风险评价。

1 材料与方法

1.1 样品采集与前处理

将整个吉林省作为一个采样单元，共采集26个样品，具体采样点见图1。样品采集过程中，利用塑料铲采集0～5 cm的土壤表層土。在风干室将潮湿土样用玻璃棒间断地压碎、翻动，使其风干，并除去碎石、砂砾及植物残体等杂质后，充分混匀，采用四分法将其缩分后，统一存放于样品瓶中，填写标签，等待测定。

1.2 样品采集与数据处理

利用型号为Genius XRF_1.3.0_160316 R的便携式土壤重金属测定仪测定土壤样品中各重金属元素的含量。记录测定仪显示界面中的相关数据，并利用SPSS 20.0软件对土壤重金属含量和各重金属元素间的相关性进行分析。

1.3 重金属分析与评价方法 该研究应用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、富集系数法和地积累指数法研究吉林省黑土区土壤重金属的污染特征及生态风险评价。

（1）单因子污染指数法。单因子污染指数法用于评价单一重金属的污染程度，其计算方法如下：

Pi=CiSi（1）

式中，Ci为土样中重金属元素i的实测含量（mg/kg）;Si为土壤背景值或标准限值（mg/kg）。

（2）综合污染指数。采用内梅罗污染指数法对重金属进行综合评价，其计算公式如下：

P综=P平均值2+P最大值22（2）

（3）地积累指数法。

地积累指数是用来研究土壤、沉积物中重金属污染程度的一个定量指标[6-7]，它可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数[8]。地积累指数法对土壤重金属污染程度的评价标准一共分为7级[9]，见表1。其表达公式如下：

Igeo=log2（Ci1.5Bi）（3）

式中，Ci为土样中重金属元素i的实测含量;Bi为重金属元素i的环境背景值;常量1.5是用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响的转换系数。

（4）富集系数法。富集系数是用来评价人类活动对土壤及沉积物中重金属富集程度影响的重要参数[10]。以性质稳定且不易受环境与过程影响的参比元素为参考标准，对土壤样品中的元素进行归一化处理，常用的参比元素有Li、Mn、Ti、Al、Fe、Ca等[11-12]。其计算公式如下：

EF=（Ci/Cn）soil（Ci/Cn）background（4）

式中，（Ci/Cn）soil是土壤重金属i与参比元素n的测定含量比;（Ci/Cn）background是土壤重金属i与参比元素n的背景值含量比。Sutherland[13]根据EF值也就是富集系数的大小，将污染程度划分为6个级别，如表2所示。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量水平 对处理后的土壤样品进行描述统计分析，得到8种重金属元素在黑土区的含量统计分析数据（表3）。吉林省土壤重金属Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Pb的背景值分别为18.7 mg/kg、527 mg/kg、2.18%、21.2 mg/kg、16.9 mg/kg、52 mg/kg、11.08 mg/kg、11.4 mg/kg[14]。吉林省黑土区Cu、Mn、As、Zn、Cr、Ni、Pb这7种重金属元素的平均含量分别高于背景值1.19、0.04、1.99、0.33、2.22、3.07、6.44倍，均超过吉林省重金属元素背景值，其中Pb、Ni、Cr含量较高，而Fe元素未超过其背景值。

2.2 元素间的相关性分析

对重金属元素之间进行双变量相关分析，结果发现（表4），Mn、Fe、As、Zn之间表现出显著正相关，这可能与地壳中的岩石和矿物风化过程有关。Ni与Mn、Fe呈极显著负相关，说明Ni与Mn、Fe的来源不同，前者主要来自工业废水排放等人为活动，后者主要来自地壳变迁、岩石风化等天然过程。As与Pb表现为极显著正相关，这可能与两者的主要来源都是人为污染源有关。Cu与Zn表现为显著负相关，可能是与土壤对锌的吸附作用和土壤中有机质对铜的络合作用有关。

2.3 土壤重金属污染评价 根据土壤环境质量标准值（GB 15618—1995）[15]Ⅱ类土壤As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni浓度限值分别为30、100、300、200、250、50 mg/kg。对重金属元素的污染程度进行评价，结果发现（表5），Ni的单项污染指数最大，达1.725;As的单项污染指数为1.103，仅次于Ni，两者达到轻污染程度;Cu、Pb、Cr、Zn的单项污染指数均小于1，均属于清洁。

根据公式（2）计算得出吉林省土壤重金属的内梅罗综合污染指数（P综）为1.298，总体达到轻度污染程度。从各采样点重金属的组成和平均含量分布（图2）可以看出，各采样点重金属含量变化较大。Ni的分布范围较广，超标率也是最大，共20个超标样点，超标率为76.9%;As的超标样点2个，超标率为7.7%;Pb仅1个超标样点，超标率为3.8%;Cr的分布范围也较广，但没有超标样点;其余重金属元素分布范围一般，均没有超标样点。由元素间的相關性和单因子评价结果可知，吉林省土壤主要受到Ni、As污染，Ni的主要来源可能是岩石风化、大气降尘、含镍废水的排放、镍肥的使用等，As的主要来源可能是砷矿的开采、含砷矿石的冶炼和硫酸、医药等行业所排放的工业“三废”以及含砷农药的不合理使用等。

由图2可知，长春市双阳区土壤重金属的Pb含量和Zn含量都高于其他地区，这可能与双阳种畜场中含Pb农药和含Zn农药的大量使用有关;吉林省几乎每个地区的土壤Ni含量都比较高，这可能是因为Ni有岩石风化、大气降尘、含Ni废水的排放和Ni肥使用等多种来源途径，导致Ni的分布范围较广，含量较高。

利用吉林省土壤重金属元素背景值计算出Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、As、Zn这8种元素的地积累指数（Igeo），从表6可以看出，Fe、Mn、Zn的Igeo均为负数，未造成污染;Cu和As的污染程度为无污染—中度污染;Cr和Ni受到中度污染;Pb最为严重，为中度污染—强污染。

该研究选择Fe作为参比元素，计算各重金属元素的富集系数，结果见表7。从表7可以看出，Pb为显著污染，Cr、Cu、As、Ni为中度污染，其余重金属均为轻微污染。

比较这4种评价方法的分析结果可以得到，研究区内主要受到Pb、Ni、Cr这3种土壤重金属污染，尤其以Pb、Ni最为严重。Ni、Cr的主要来源是冶炼、印染等行业排放的工业“三废”，Pb的主要来源有燃煤排放、含铅农药、汽车尾气和一些工业“三废”。这些分析结果表明吉林省土壤主要受到人类生产和生活活动的影响。

3 结论

（1）从研究结果来看，土壤样品中As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的平均含量均高于背景值，其中Pb的含量最高，高于背景值6.44倍;内梅罗综合污染指数为1.298，土壤达到轻度污染的程度。Ni的超标样点共20个，超标率达76.9%;As超标样点2个，超标率为7.7%;Pb仅1个超标样点，超标率为3.8%，其余元素均未超标。这可能与人类活动有关。

（2）地积累指数法和富集系数法的评价结果表明吉林省黑土区Pb污染较为严重，受到了人为活动排放的影响。Ni、Cr、Cu、As为中度污染，Fe、Mn、Zn为轻微污染程度，并未造成污染。

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