莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素分布与生态风险评价

宇星辰, 张家浩, 王庆同, 王海根, 杨 鹏, 毛方松, 翟如甲

(中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心,山东 烟台 264000)

0 引言

重金属污染会在土壤中不断累积,对生态环境、经济发展和人体健康造成严重威胁,已成为一个严峻的问题[1-2]。海岸带地区生态环境质量与人类的生存发展息息相关[3-4],同时海岸带地区是海域沉积物的重要源区。近海海域表层沉积物中重金属污染很大程度上来源于海岸带、河口等地区的人类活动[5-6]。随着莱州湾沿岸地区经济的快速发展和人类对土地资源加剧开发,土壤质量和环境地质问题日趋严峻[7]。沿岸部分地区重金属元素总潜在生态危害程度相对较高,莱州湾周边陆地及海域生态环境均受到不同程度重金属污染威胁,沉积物重金属来源、空间分布及其风险评价的研究受到相关学者广泛关注[8-11]。目前针对莱州湾南岸表层土壤污染已有不少相关研究[12-13],查明了土壤全盐量的含量和分布规律,对防治提出理论支撑,但是缺乏对重金属分布及污染情况的研究。

本文通过105件土壤样品,测定其Cu、Cr、Zn、Ni、As、Pb、Cd 和 Hg 8 种重金属元素的含量,研究重金属空间分布特征和污染情况,采用内梅罗综合污染指数法和Hakanson潜在生态危害指数法对重金属元素污染及潜在生态危害进行评估。科学评估土壤重金属污染分布和生态风险状况,可以为生态环境保护、土壤质量风险防控和修复提供科学依据。

1 区域概况

莱州湾南岸滨海湿地西靠黄河三角洲,为白浪河、虞河、堤河、潍河和胶莱河等河流形成的河口三角洲,主要沉积物为粉砂、砂土,而且广泛分布于莱州湾南部广阔海域,该区的沉积物分选性较好。研究区位于莱州湾南岸滨海湿地,主要位于昌邑市境内,采样区域面积约900 km2,采样点位置见图1。研究区雨季主要是夏季,其余季节降水较少[14]。研究区咸淡水分界限主要在西辛村—永兴庄村—徐家庄村—沟南崖村—西逢泽村—长埠村—中候富庄村—北张家埠村沿线,南部区域矿化度小于1 g/L为淡水,北部矿化度界于1～3 g/L为咸水。

图1 研究区采样点位置Fig.1 The location of sampling points in the study area

(e) Hg空间分布 (f) Ni空间分布

2 材料与方法

2.1 样品采集

本研究于2021年对莱州湾南岸滨海湿地表层土壤样品进行采集,共采集样品105件,采样间隔为2 km×2 km,采集深度为0～20 cm。化工厂、河流沿岸及预计的咸淡水分界限等重点部位加密布设,同时布点具有代表性,并避开明显的局部人为污染。在每个采样点周围100 m范围内采集4个子样组合成一件样品,每点位原始样品重量不低于1.5 kg。

2.2 测试方法

样品的分析测试工作由中国冶金地质总局山东局测试中心完成。Zn、Cr的检测方法为X射线荧光光谱法,Ni、Cu、Pb、Cd的检测方法为电感耦合等离子体质谱法,As、Hg的检测仪器为原子荧光光谱法。电感耦合等离子体质谱法测定金属浓度内标法所使用的同位素为103Rh,使用GSS-33、GSS-2a和GSS-20作为质控样。

2.3 分析方法

2.3.1 内梅罗综合污染指数法

使用内梅罗综合指数法[15]评价污染物对土壤的影响,以及高浓度的污染物对土壤质量的影响,计算公式为

(1)

(2)

Pi≤1为无污染区,13为重度污染区。Pn与Pi参数标准相同。

2.3.2 Hakanson潜在生态危害指数法

上面的分析得知，SNHB物流中心存在一个人员配置不齐全，责任分工不明确的问题。针对这两个问题我们选择下面的两个方案。第一个方案，进行人员招聘，将足够的分拨自有员工招入，提高待遇，留住人才，使分拨的作业正常进行；第二个方案，制定明确的规章责任制度，保证责任落实个人，无法逃避责任。每个小组每个员工背负考核指标，进行绩效考核，提高人员的整体素质。

使用Hakanson潜在生态危害指数法[16]评价重金属潜在生态危害,计算公式为

(3)

(4)

(5)

表1 重金属污染评价指标及程度划分标准Tab.1 Classification standard for assessment indexes and degrees of heavy metal pollution

表2 毒性系数和重金属的背景值Tab.2 Toxicity coefficient and background values for the heavy metal

3 结果

3.1 含量统计

莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素统计分析结果(表3)表明,所有采样点中,除了Cr与昌邑市土壤背景值相近外,Cu、Pb、Zn、Ni、As、Cd和Hg的平均值分别是背景值的1.29倍、1.27倍、1.17倍、1.06倍、1.13倍、1.66倍、2.14倍。Cu、Cd、Hg、Pb变异系数较大,说明含量分布不均匀,局部受外部污染可能性较大,Zn、Ni、Cr、As变异系数小于0.5,重金属含量受外部影响较小。

表3 莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素含量统计及背景值Tab.3 Statistics and background values of heavy metal concentration in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

3.2 含量分布

莱州湾南岸表层土壤中重金属元素含量分布见图2。As的高值区主要呈似环状分布于昌邑市的周边,低值区主要呈片状分布于昌邑市北部,总体来说城市及城镇周边相对含量低,城镇之间含量高(图2(a))。

Cd的高值区在研究区中部和南部区域大面积分布,低值区主要呈片状分布于研究区北部沿海地区,或零星状分布在研究区南部及中部地区(图2(b))。

Cr的高值区呈片状分布于研究区北部、东部和西南部地区,低值区呈斑块状或零星状分布在研究区的西北部、西南部和东部地区(图2(c))。

Hg的高值区大面积分布于研究区中部和南部地区,低值区在北部呈片状分布(图2(e))。

Ni的高值区主要以片状分布于研究区中部、东南部和西部地区,低值区主要呈片状分布于研究区东北部和西北部地区,其余零星或斑块状分布于研究区南部、西南部(图2(f))。

Pb的高值区主要呈片状分布于研究区中部、东南部和西南部地区,低值区主要呈片状分布于研究区东北部和西北部地区,其余以零星状或斑块状分布于研究区西南部地区(图2(g))。

Zn的高值区主要以片状分布于研究区的北部、东南和西部地区,其余以零星状分布于研究区西北部和西南部地区,低值区主要分布于研究区东北部和西北部地区,其余呈零星状或斑块状分布于西南部及中部地区(图2(h))。

3.3 相关性分析

对研究区表层土壤中重金属元素进行Person相关性分析(表4),初步了解重金属来源[22]。Pb与Cd、Zn、As,Zn与Cd、Cu,Cr与Ni以及Cd与As之间的相关性为极显著水平(P<0.01),表现出极强的正相关性。Cd与Ni、Cu,Cr与As、Ni、Zn,Ni与Pb、Hg、Cu则表现出正相关性关系,相关性达到显著水平(P<0.05)。Hg与其他元素之间未表现出相关性,来源可能不相同。通过相关性分析,Cu、Zn、Pb、Cd的来源条件可能相同,Ni与Cr、Cd与As的来源途径近似,Pb、Zn、Cd与其他元素具有较高的相关性,Hg的来源与其他元素不同。

表4 莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素相关性分析Tab.4 Correlation analysis of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou bay

主成分分析结果可以表明各重金属元素之间的来源关系(表5)。通过特征值大于1的条件,进行主成分分析,累计方差贡献的88.69%,结果与分析要求相符。PC1中Zn、Cd、Pb、As载荷较大,均大于0.65,PC2中Cr和Ni载荷较大, PC3中Cu载荷较大, PC4中Hg载荷较大。

表5 表层土壤主成分分析Tab.5 Principal component analysis of the surface soil

3.4 单因子及综合污染指数评价

研究区表层土壤8种重金属元素的单因子污染指数各项指标见表6。Hg、Cd、Cu为研究区主要重金属污染元素,其中Hg的污染程度较高。土壤Cd污染面积最大,无污染区主要分布于研究区东北部,或呈斑块状分布于北部、西北部地区,中度—重度污染呈两大块面状区域分布于研究区中北部、东南和西南部地区(图3(a))。土壤Cu中度—重度污染区域集中,位于下营镇(图3(b))。土壤Hg污染程度较高,中度—重度污染区域主要分布于研究区中部和西南、东南部地区,未污染以带状分布于研究区北部(图3(c))。105个采样点中,11.43%的采样点属于无污染区,61.9%的样点属于轻度污染区,10.48% 的采样点属于中度污染区,16.19%的采样点属于重度污染区。综合污染指数平均值为2.21,总体上土壤环境质量属于中度污染(图3(d))。

表6 莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素单因子污染指数Tab.6 Single factor pollution index of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

(a) Cd单因子污染指数 (b) Cu单因子污染指数

3.5 潜在生态危害指数评价

潜在生态危害评价结果见表7,As、Cr、Ni、Zn 4种元素的单因子潜在生态危害程度最低。Cu、Pb各有104件样品处于单因子低潜在生态危害程度,占比99.05%,各有1件样品处于在子中等及较重潜在生态危害程度,占比0.95%; Cd单因子中等潜在危害样品有58件,占比55.24%,单因子较重及以上潜在生态样品6件,占比5.71%; Hg单因子中等潜在生态危害危害样品20件,占比19.05%,单因子较重及以上潜在生态危害样品46件,占比43.81%、因此Cd和Hg对潜在生态危害的评估结果有显著影响。综合潜在生态危害指数达到低、中等潜在生态危害程度样品分别为53、44件,占比分别为50.48%、41.90%,表明研究区潜在生态危害以低、中等潜在生态危害为主,重、严重潜在生态危害区以点状分布于昌邑市、柳疃镇区域(图4)。

表7 重金属元素潜在生态危害指数Tab.7 Potential ecological risk index for heavy metal elements

图4 莱州湾南岸滨海湿地表层土壤重金属元素综合潜在生态危害指数评价Fig.4 Comprehensive potential ecological risk index assessment of heavy metal elements in the surface soil of coastal wetland in Southern Laizhou Bay

4 讨论

土壤中重金属元素的来源途径和含量,主要包括自然条件和人类活动,自然条件主要是成土母质和成土环境,人类活动主要是工业生产、农业活动和畜牧养殖等[23]。莱州湾南部滨海湿地表层土壤中8种重金属元素含量高值均超过昌邑市土壤背景值(表3),Cr含量的平均值与昌邑市背景值接近,其余7种元素含量均高于背景值,说明研究区存在重金属污染情况,需要尽快治理,防止污染继续扩散。

除Cd和Hg外,其他元素含量均值比山东省和全国背景值低,表明重金属含量主要受区域地质背景控制。Cu、Hg、Cd和Pb呈现高—中等变异,表明其累积受人类活动影响较大。单因子潜在生态风险指数均值显示Hg和Cd存在重和严重潜在生态危害,需提高重视,加强针对治理。研究区大部分区域为低和中等潜在生态危害区,重和严重潜在生态危害区以点状分布在昌邑市、柳疃镇和围子镇周边。

主成分分析结果表明,Zn、Cd、Pb、As在第一主成分上载荷较大,均大于0.65。对照相关性分析结果,这4种元素之间的相关性也比较强(P<0.1)。As主要来源于杀虫剂、化肥等农业活动,杀虫剂等农药中含有Pb,湿地土壤对Pb具有一定的吸附能力。相关研究中,Cd广泛应用于化肥、农药和塑料地膜等农业活动,农药中也含有Zn[23]。通过观察重金属分布图(图2),Cd、Pb、Zn高值区分布在城镇市区周边,主要为农田或交通要道旁边,表明土壤中的Cd、Pb、Zn元素很可能来汽车尾气、大气中重金属沉降等,受人类活动影响较大。Cr和Ni在第二主成分上载荷较大,二者素相关性也极为显著(P<0.1),其浓度平均值与昌邑市土壤背景值接近。因此,研究区Cr和Ni的含量主要受地质背景和地球化学作用的影响,受人类活动影响较小。Cu在第三主成分上具有较高的载荷,Cu的含量与Zn具有很高的相关性,达到0.69,同时Cu达到背景值的1.29倍,构成一定程度的污染。Cu污染可能是来自农药、禽畜养殖排放废弃物以及化工企业排放污染,与As、Cd、Pb、Zn相近,认为Cu来自工业生产和农业种植共同作用。在第四主成分上,Hg具有较高载荷,其相关性和污染程度都与其他元素相差较大。研究表明,Hg元素潜在受废弃的电子产品、农药的使用、化工产业排放和大气自然沉降等[24]。前人研究中,大气中Hg自然沉降对土壤中Hg含量影响较大[25],考虑到Hg含量与其他元素相关性较差,且含量分布明显具有区域性特点,推测研究区Hg的来源主要为大气沉降。

虞河、堤河、潍河和胶莱河自西向东贯穿整个研究区,均受到重金属元素污染,其中Hg、Cd、Cu对河流污染较严重,也对周边土壤造成污染。土壤中的重金属通过大气降水与地表径流会污染地下水,并通过地下径流可能对周边地下水源地造成污染,影响城镇居民用水安全。

5 结论

(1)根据重金属元素的空间分布,Pb、Zn、Cd、Cu、As分布情况相似,高值区斑块状分布在南部和北部,Hg片状富集在中部,Cr、Ni在东部和西部富集。

(2)莱州湾南部滨海湿地表层土壤重金属元素含量相较于昌邑市背景值均有超标。重金属元素单因子污染指数的平均值大小排序为Hg>Cd>Cu>Pb>Zn>As>Ni>Cr,Hg、Cu、Pb为主要污染元素。综合污染指数平均值为2.21,总体上土壤环境质量属于中度污染。重金属元素单因子潜在生态危害程度为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Cr>Zn,研究区潜在生态危害以低、中等程度为主,重、严重潜在生态危害区以点状分布于昌邑市、柳疃镇区域。

(3)通过相关性分析表明,研究区各重金属元素含量之间具有明显的正相关性,其来源主要分为3类,Cu、Zn、Cd、Pb和As的来源与工农业生产和交通活动相关,Cr、Ni的来源主要受到地质背景和地球化学作用的影响,Hg的来源主要受到大气沉降的影响。