延河沿岸土壤重金属空间分布与生态风险评价

梁丽娥，苟祎卓

（延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000）

土壤作为重要的生态因子，承担着生态系统很多重要的生物和非生物过程。随着人口的迅速增长和城市化进程的加快，工业［1-2］、矿产开采［3］、农业［4-5］和交通［6］等产生的重金属污染物不断进入土壤环境系统。重金属因其具有毒性、富集性和潜伏性等特点，一旦进入土壤系统，不仅影响土壤微生物菌群和酶活性，进而影响动植物生长发育，而且会通过食物链危害人体健康［7-9］，因此土壤重金属污染越来越受到广泛关注。延河作为黄河的一级支流，为延安市经济发展做出了巨大贡献。延河流域水资源丰富，但水质较差，2019年水质为Ⅴ类水质，主要污染物为氨氮、总磷，2020年为Ⅲ类水质，水质有所提升。目前针对延河流域的研究主要集中在水土保持［10-11］、生态水文［12-13］、水污染评价［14-15］等方面，对于流域内土壤环境质量尚未展开调查研究。随着人类活动强度和范围的不断扩大，污染物排放不断增加，河流沿岸土壤中重金属污染物不断积累，对河流水体及周边环境产生严重威胁。因此研究延河沿岸重金属含量、空间分布特征及生态风险特征具有重要意义，能够明晰延河沿岸土壤重金属的污染现状，为延河流域重金属污染研究提供一定的数据支撑，同时为延河流域水环境保护及生态环境修复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

延河地处延安市腹地，属于黄河一级支流，延安市第二大河流，发源于榆林市靖边县天赐湾镇，经安塞区镰刀湾乡杨石寺村附近入境，流经安塞城西，南下入延安，流贯延安城区，转向入延长县，在延长县南河沟乡凉水岸附近注入黄河。全长286.9 km，流域面积7 725 km2，入河河流主要有坪桥川、杏子河、西川河、蟠龙川、南川河等14条。延河年平均降水量520 mm，多年平均径流量为2.74亿m3，多年平均含沙量244~311 kg/m3，多年平均输沙量为8 756万t。延河流域属暖温带与中温带过渡区型大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季气候温热，秋季凉爽多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温8.8℃~10.2℃，由东向西递减。

1.2 样品采集与分析

2020年9月笔者对延河进行全面考察，根据《土壤质量、土壤采样技术指南》（GB/T 36197—2018）及延河沿岸实际情况，在延河沿岸布置12个采样点（从上游至下游分别为采样点YH1~YH12），如图1所示。样品采集时利用GPS定位，采样点位于河岸两侧0.5~2 m范围内，具体根据河流两侧情况确定。每个采样点采集表层土壤（0~10 cm）500 g，将两岸样品混合，四分法去除多余样品，最终保留500 g作为该采样点的土壤样品。样品带回实验室自然风干，剔除砂砾石等大杂质后备用。

重金属的测定∶将风干的样品放入烘箱烘干至质量恒定后研磨至粉末状，准确称取50 mg样品至聚四氟乙烯杯中，加入3 mL HNO3、2 mL HF、6 mL HCl，然后放入微波消解仪中进行消解，消解后在电热板上赶酸，然后加入1 mL HClO4加热蒸干，冷却后再加入HNO3、0.1 mL H2O2及少量超纯水，加热使残渣溶解，冷却后定容上机测试。砷（As）元素采用原子荧光光谱法［16］进行分析，其余重金属元素（Cd、Ni、Pb、Cu、Cr、Zn）采用电感耦合等离子体质谱法［17］（ICP-MAS）进行分析，每个样品设置平行组，测试误差小于5%。

图1 采样点位置分布图

1.3 数据分析与处理

1.3.1 地累积指数法

地累积指数法广泛应用于土壤、沉积物等重金属污染评价中，能定量反映土壤中重金属的污染程度［18-20］，同时也能反映自然过程及人为活动对重金属含量的影响［21］。其表达式为∶

其中，Cn为元素n的实测含量（mg/kg）；Bn为所测元素的环境背景值，本文采用陕西省土壤元素背景值（Cd∶0.09，Ni∶28.80，Pb∶21.40，Cu∶21.40，Cr∶62.50，Zn∶69.40，As∶11.10）；K为校正系数，一般取1.5［22］；Igeo为地累积指数，其分级标准与污染程度划分如表1所示［23］。

表1 地累积指数Igeo分级标准与污染程度划分

1.3.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法综合考虑了重金属性质、迁移规律及研究区域等对重金属污染的影响，同时结合生物毒性和生态学方法，对单项重金属的生态风险和多种重金属的综合效应进行评价［24-25］，计算公式如下∶

其中，Cfi为某污染因子；Ci为某金属的实测值；Cni为计算所需的参比值；Tri为某污染物的毒性响应系数，Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和As的毒性响应系数分别为2、5、1、5、5、30和10；Er i为某单个污染物的潜在生态风险指数，对应的污染级别如表2所示；RI为多种重金属综合潜在生态风险指数，对应的污染级别如表2所示［26］。

表2 单个污染物潜在生态风险指数Eri和多种重金属综合潜在生态风险指数RI

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量

延河沿岸表层土壤重金属含量如表3所示，重金属Cd、Pb、Cu、Cr平均含量分别为0.15、100.95、66.76、121.42 mg/kg，与陕西省土壤重金属背景值比较，分别超标1.67倍、4.72倍、3.12倍、1.94倍；与土壤环境一级标准相比较，Pb、Cu、Cr分别超标2.88倍、1.91倍、1.35倍。重金属Ni、Zn、As平均含量分别为21.8、44.51、4.47 mg/kg，均未超过陕西土壤重金属背景值。从变异系数看，各重金属空间分布差异不大，其中As的变异系数达到34.80%，其余均小于30%。

表3 延河延安土壤重金属含量

2.2 土壤重金属空间分布特征

延河沿岸表层土壤重金属空间分布如图2所示。从图中可以看出，沿程上各重金属总体呈现中游高于上游和下游的规律，其中重金属Cu、Pb、Cr和Ni在YH6点含量最高、As在YH7点含量最高，Cd和Zn在YH5点含量最高。研究认为，环境中的Pb、Zn和Cd主要来源于交通运输的影响［27-28］，同时Cu、Zn、Ni作为汽车轮胎的添加剂，来源于汽车轮胎与地面磨损产生的颗粒物［29］。YH5、YH6、YH7这3个点位于市内主要交通要道附近，人们活动频繁，交通运输活动密集，导致各金属含量相对较高，应引起重视。

图2 延河沿岸土壤重金属含量空间分布

2.3 土壤重金属生态风险评价

2.3.1 地累积指数法评价

对延河沿岸表层土壤重金属进行地累积指数计算（表4），结果显示，重金属Pb的Igeo最大，As的Igeo最小，7种重金属Igeo大小顺序为Pb>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As。地累积法评价结果显示，Pb和Cu处于中度污染水平，Cd和Cr处于轻度污染水平，Ni、Zn和As无污染。

表4 延河沿岸土壤重金属污染Igeo评价结果

2.3.2 潜在生态风险评价

延河沿岸各采样点重金属潜在生态风险评价结果如表5和图3所示。由此可知，自上游到下游单项重金属风险指数Er从高到低依次为∶Cd>Pb>Cu>As>Cr>Ni>Zn，其中Cd的风险指数Er为47.40，高于40，处于中等风险等级，其余各重金属Er值均低于40，处于低风险等级。在沿程上，各重金属风险等级总体呈现中游高于上游和下游，其中Cd在YH5点风险指数Er最高，为56.68，Pb和Cu在YH6点风险指数Er最高，分别为31.34和22.14。

延河沿岸土壤重金属综合潜在生态风险指数RI如图4所示，由此可知，各采样点RI值介于79.06~119.26之间，均值为98.94，均小于150，属于轻度污染水平。从沿程来看，RI值呈现先减小，再增大，再减小的趋势。最小值分布在YH4点，该点位于安塞区郝家窑村，最大值位于YH6点，该点位于延安市宝塔区城中心位置，河道兼有景观休闲作用，人们活动频繁，导致重金属污染程度较高。

表5 延河沿岸土壤重金属污染潜在生态风险因子Er

图3 潜在生态风险因子Er

图4 综合潜在生态风险指数RI

3 结论

1）研究区重金属Cd、Pb、Cu、Cr、Ni、Zn、As平均含 量 分 别 为0.15、100.95、66.76、121.42、21.85、44.51、4.47 mg/kg，其中Cd、Pb、Cu、Cr分别超过陕西省土壤重金属背景值1.67倍、4.72倍、3.12倍、1.94倍，分别超过土壤环境一级标准0.75倍、2.88倍、1.91倍、1.35倍。

2）研究区重金属空间分布特征不显著，沿程上各重金属总体呈现中游高于上游和下游的规律，重金属Cu、Pb、Cr和Ni在YH6点含量最高，As在YH7点含量最高，Cd和Zn在YH5点含量最高。

3）地累积指数Igeo大小顺序为Pb>Cu>Cr>Cd>Ni>Zn>As，Pb和Cu处于中度污染水平，Cd和Cr处于轻度污染水平，Ni、Zn和As无污染，说明延河沿岸重金属污染以Pb为主。

4）研究区单项重金属风险指数Er从高到低依次为∶Cd>Pb>Cu>As>Cr>Ni>Zn，其中Cd为中等风险等级，其余重金属处于低风险等级。综合潜在生态风险指数RI值介于79.06~119.26之间，均值为98.94，属于轻度污染水平，表明延河沿岸土壤重金属存在污染风险，应引起重视，加强污染源控制。