山东烟台养马岛南部地区土壤重金属污染风险及生态风险评价

汤世凯 扈胜涛 黎奕宏 强萌麟 于林弘 张祥恒 王璨

收稿日期：20231205；修订日期：20240117；编辑：陶卫卫

基金项目：山东省自然资源厅部省协议地质勘查项目“山东省烟台市养马岛及邻近海域综合地质调查”（鲁勘字〔2023〕38号）；山东省第三地质矿产勘查院科技创新项目“海湾沉积物粒度差异性分析研究——以丁字湾、芝罘湾为例”鲁三地勘发〔2022〕45号

作者简介：汤世凯（1988—），男，山东东明人，高级工程师，主要从事海洋地质调查研究；Email：tsktop@163.com  *通讯作者：黎奕宏（1991—），女，山东海阳人，工程师，主要从事海洋地质调查研究；Email：553963083@qq.com

摘要：通过对烟台养马岛南部第四系分布区土壤样品中的重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg）含量测试分析，运用统计分析、地质累积指数法和潜在生态风险指数法对元素的相关性、污染程度以及生态风险进行研究评价。结果显示，受一定程度的人类活动影响，除Ni外，高值区主要分布在第四系中—西南部；除Cr和Cu外，元素含量平均值均超过背景值。相关性分析表明，Zn与Hg，Zn与Cu以及Cu、Cr、As相互间具较高正相关性。Hg在TR2点位具有异常高值，属于中度污染和风险程度重。评价各元素污染程度Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr，风险程度Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，综合潜在生态风险程度评价TR2点位为极重程度，其余为中等程度—低程度。

关键词：土壤重金属；相关性分析；生态风险评价；养马岛南部；山东烟台

中图分类号：X53    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.002

引文格式：汤世凯，扈胜涛，黎奕宏，等.山东烟台养马岛南部地区土壤重金属污染风险及生态风险评价［J］.山东国土资源，2024，40（6）：1117. TANG Shikai， HU Shengtao， LI Yihong， et al. Evaluation of Heavy Metal Contamination and Ecological Risk of Soil in Southern Yangmadao in Yantai City in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：1117.

0  引言

海岛因其狭小的面积，单一的地域结构，突显出鲜明的生态脆弱性，极易遭受外界干扰破坏生态环境［12］。海岛土壤作为生物生存的载体，在元素循环交换、维持生态环境平衡方面具有重要作用［34］。

随着人类对海岛的开发利用，海岛土壤物理、化学等性质不可避免地受到影响。其中的土壤元素尤其是重金属元素含量会持续积累，因其毒性较强、不易分解、沿食物链传递等特点，一定程度上损害人类的身体健康［58］。

养马岛作为旅游度假区，以往对该岛的研究工作偏重于旅游资源的开发、评价等方面［910］，对海岛生态环境影响因素及变化规律等研究较少。本次工作通过对养马岛第四系分布区进行系统采样，分析土壤中的重金属含量，运用数据统计分析、地累积指数法和潜在生态风险指数法等方法，研究养马岛土壤重金属的分布特征和污染情况，以期为养马岛土壤污染治理、合理利用与保护土地资源，营造良好海岛生态环境提供重要的地质参考依据。

1  研究区概况

养马岛位于山东省烟台市牟平区北部的黄海之中，距离牟平城区9km，面积约13km2，地形北高南低，地貌类型以低丘陵为主，属于北温带季风型大陆气候［11］。人类开发利用活动主要在第四系分布区最为剧烈，交通运输频繁，城镇化建设程度较高。

养马岛中-北部为基岩发育区，面积约9km2，岩性为荆山群斜长片麻岩、斜长角闪岩、大理岩等；南部为第四系发育区，面积约4km2，岩性为旭口组中细砂，本次研究对象为南部第四系分布区。

2  工作方法

2.1  样品采集与分析

为了查清养马岛南部第四系分布区土壤地质环境质量，按照大致均匀布设点位的原则，2023年7月在养马岛采集表层土壤样品10件，采样点位见图1。采样过程中首先除去表层浮土，然后将约20cm深度内的土壤混合后装入聚乙烯袋中密封，送往实验室测试分析，每件土壤样品重量约1.5kg。

土壤化验分析由山东省第三地质矿产勘查院承担，样品自然风干后，进行研磨筛分，然后对土壤中的Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg等8种重金属元素进行分析。Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb等7种重金属元素的操作分析方法、质量控制按照《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》（HJ803—2016）的要求进行，元素检出限分别为2mg/kg、2mg/kg、0.5mg/kg、7mg/kg、0.6mg/kg、0.07mg/kg、2mg/kg。Hg的操作分析方法及质量控制按照《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》（HJ680—2013）的要求进行，检出限为0.002mg/kg。为保证土壤样品分析数据的准确性，按照《中国地质调查局地质调查技术标准·多目标区域地球化学调查规范》的要求采取重复样品分析、对异常点重复性检验等方法进行严格的质量监控。

2.2  重金属污染和生态风险评价方法

2.2.1  地质累积指数法

由德国科学家Muller在1969年提出［12］，后续被广泛应用［1314］，该方法主要是参考沉积物背景值对当前重金属含量进行污染评价。评价公式如下：Igeo=log2［Cn/（K×Bn）］，其中Cn为重金属n的实测含量；K为因地区岩性差异引起的背景值的波动，是人为取的一个相关系数，通常取K=1.5；Bn是沉积母质中该元素的地球化学背景值，本文采用牟平区土壤地球化学背景值［15］作为参照进行计算。

根据计算的地质累积指数（Igeo）数值大小，参考地质累积指数与污染程度分级对照表（表1），最终对土壤的重金属污染程度划分级别。

2.2.2  潜在生态风险指数

由瑞典科学家Hakanson在1980年提出［16］，该方法综合考虑了每一种重金属元素的污染指数、毒性响应系数，最终反映的是多种元素综合效应。因而是目前国内外最为常用的生态风险评价方法［1720］。评价公式如式（1）：

Cif=Ci/Cin；Ei r=Tir·Cif；RI=∑Eir（1）

式中：Ci为重金属元素i的实测含量;Cin是重金属元素i的地球化学背景值，本次评价仍采用烟台市该元素土壤地球化学背景值参与计算；Cif为重金属元素i的污染系数;Tir为重金属i的毒性响应系数，其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的毒性响应系数分别为2、5、5、1、10、30、5、40［15］；Eir为重金属i的潜在生态风险指数;RI为参与评价的所有重金属元素的综合潜在生态风险指数。单元素的潜在生态风险系数（Eir）和多元素的综合潜在生态风险指数（RI）分级标准见表2［21］。

3  结果与讨论

3.1  重金属含量及分布

养马岛南部第四系分布区土壤重金属含量统计结果（表3）表明，Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的含量平均值分别为23.54mg/kg、20.18mg/kg、16.28mg/kg、59.08mg/kg、8.14mg/kg、0.12mg/kg、32.96mg/kg和0.15mg/kg。经统计，Cr和Cu分别有10%和40%点位含量超过背景值，平均含量低于背景值；Ni、Zn、As、Cd、Pb和Hg分别有60%、50%、80%、50%、40%和70%点位含量超过背景值，平均含量超过背景值，其中Hg元素含量平均值超背景值倍数最高，为6倍。各重金属元素中，As元素变异系数最小，为44%，说明在各点位之间As含量差别相对较小，分布较为均匀，Hg变异系数最大，为209%，表明Hg元素分布非常不均匀。

对各重金属元素含量作等值线分布图（图2），可以看出，养马岛第四系土壤重金属Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的平面分布具有如下特征：

（1）土壤中Zn、Hg和Cd的分布规律较为相似（图2a、图2d和图2g），在养马岛大桥以西，即第四系西南分布区出现含量高值区，在大桥以东的第四系中、东北分布区为含量低值区。

（2）土壤中Pb、Cu、Cr和As的分布规律较为类似（图2b、图2e、图2f和图2h），在养马岛大桥两侧，即第四系中—西南分布区出现含量高值区，第四系中—东北分布区出现含量低值区。

（3）土壤中Ni的分布（图2c）与其余各元素均不同，Ni仅在第四系东北部附近出现一个高值区，其余地区为低值分布区。

这种重金属分布特征可能与人类生产活动有关。自1984年养马岛被列为山东省重点旅游开发区以来，人类活动主要集中在西南区域，岛上的旅游业、捕捞业、建筑业蓬勃发展，与之相关的建筑管线、养殖浮球、农业药剂、生活电池等工业制品逐渐被大规模使用，产品废弃后分解出来的重金属随着雨水、土壤孔隙扩散，从而影响土壤中重金属的背景含量。

3.2  相关性分析

定性方面，从图2养马岛土壤重金属含量分布图中可以大致看出各元素之间的相关性，Zn和Hg之间的相关性较高，Pb、Cu和Cr之间的相关性较高，Ni分布与其余各元素不同，与其余元素相关性最低。

定量方面，本次采用SPSS软件对养马岛土壤重金属含量进行Pearson相关分析，进一步分析各元素的同源性［2223］，分析结果见表4。

从表4中可以看出Cr分别与Cu、As之间相关系数在0.01水平上为0.842、0.930，为极高度相关；Cu与As、Zn的相关系数分别在0.01和0.05水平为0.884和0.818，为极高度相关；Zn与Hg相关系数在0.01水平上为0.901，为极高度相关。

上述分析表明，Cu和As以及Zn和Hg均为亲铜元素，在土壤中多具有较高的相关性，但Cr为亲铁元素和Cu也具有较高相关性，说明各元素之间除了受岩石风化、侵蚀及水动力作用等自然过程作用影响，还受到人为的影响（例如人为排放污水，固体垃圾等），相关性越高的各元素同源性可能性也越大。Ni与其余各金属元素之间相关性较低，同源可能性最低。

3.3  地质累积指数评价

养马岛土壤各重金属的地质累积指数（Igeo）计算结果见表5。从表中可以看出TR2点位Zn、As、Cd为偏中度污染，Hg为严重污染；TR3点位As、Cd、Hg为偏中度污染；TR4点位As、Pb为偏中度污染；TR5点位As为偏中度污染，Hg为中度污染；TR7点位Hg为偏中度污染；TR9点位Ni为偏中度污染；其余点位及元素为轻度或无污染。第四系分布区污染程度综合来看，Hg均值为1.09，属于偏中度污染，As和Zn均值分别为0.60、0.02，属于轻度污染，其余元素为无污染，重金属元素污染程度依次为Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr。

3.4  潜在生态风险评价

养马岛土壤中重金属单元素及综合潜在生态风险指数的计算结果见表6，从计算结果来看，单元素潜在生态风险指数（Eir），Cd在TR2、TR3、TR6和TR7点位风险程度中等，Hg在TR2、TR3、TR4、TR5、TR7和TR9点位风险程度依次为严重、较重、中等、重、较重和中等，其余点位元素风险程度低；受Cd和Hg潜在生态风险指数高值影响，TR2点位综合潜在生态风险指数（RI）最高，风险程度极重；TR3、TR4、TR5和TR7点位综合潜在生态风险指数（RI）较小，风险程度中等；其余点位综合潜在生态风险指数（RI）小，风险程度低。

对各元素风险程度大小进行比较，依次为Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，这与上述用地质累积指数法得出的排列顺序有所不同，主要原因是潜在生态风险计算考虑了各重金属的毒性响应系数（Tir），结果更能反映重金属元素的潜在生态危害。

对各点位重金属风险程度大小进行比较，依次为TR2>TR5>TR3>TR7>TR4>TR9>TR6>TR1>TR10>TR8，综合潜在生态风险指数除TR2点位偏高外，其余点位均小于300，综合来看，养马岛土壤重金属潜在生态风险程度整体属于中等程度—低程度。

4  结论

本次通过对养马岛第四系土壤的重金属含量分析研究，得出如下结论：

（1）Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的含量平均值分别为23.54mg/kg、20.18mg/kg、16.28mg/kg、59.08mg/kg、8.14mg/kg、0.12mg/kg、32.96mg/kg和0.15mg/kg。除Cr和Cu外，其余元素含量受一定程度的人类活动影响，均超过了该元素牟平地区背景值。

（2）空间分布上，Ni元素与其余元素不同，高值区分布在第四系的东北部，其余元素高值区均分布在第四系的中—西南部；相关性方面，Ni与其余元素相关性均较低，Zn和Hg以及Zn和Cu之间相关性较高，Cu、Cr、As互相之间相关性较高。

（3）TR2点位Hg异常高值，Hg元素为偏中度污染，元素风险程度重。地质累积指数法评价各元素污染程度为Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr，潜在生态风险法评价各元素风险程度为Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn，综合潜在生态风险程度除TR2点位为极重外，其余点位为中等程度—低程度。

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Evaluation of Heavy Metal Contamination and Ecological Risk of Soil in Southern Yangmadao in Yantai City in Shandong Province

TANG Shikai1，2，HU Shengtao1，2，LI Yihong1，2，QIANG Menglin1，2，YU Linhong1，2，ZHANG Xiangheng3，WANG Can4

（1.Shandong Marine Geological Exploration Institute， Shandong Yantai 264004，China;2.No.3 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Yantai 264004，China;3.Yantai Ludong Surveying and Mappinging Limited Corporation，Shandong Yantai 264004，China;4.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstracr：Based on content testing analysis of heavy metal（Cr， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Pb and Hg） of soil in Quaternary distribution area in southern Yangmadao in Yantai city， by using statistical analysis， geological accumulation index method and potential ecological risk index method， the correlation， pollution level and ecological risk of elements have been studied and evaluated. It is showed that influenced by human activities to a certain extent， except for Ni， high value areas are mainly distributed in the middle to southwest of the Quaternary system. Except for Cr and Cu， the average element content exceeds the background value. Correlation analysis shows that there is a high positive correlation between Zn and Hg， Zn and Cu， as well as between Cu， Cr and As. Hg has an abnormally high value at TR2 point， indicating moderate pollution and a high level of risk. The pollution level of each element is evaluated as Hg>As>Zn>Cd>Ni>Pb>Cu>Cr， with a risk level of Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cu>Cr>Zn. Based on comprehensive evaluation of the potential ecological risk level， TR2 points are classified as extremely severe， while the rest are classified as moderate to low.

Key words：Heavy metals in soil; correlation analysis; ecological risk assessment; southern Yangmadao; Yantai city in Shandong province