饮马河中游不同土地类型重金属分布特征及风险评价

李甜田 ，邹继颖 ，武双双 ，边红枫 ，王汉席

（1.东北师范大学环境学院，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林长春 130117；2.吉林化工学院资源与环境学院，吉林吉林 132022）

近些年，由于长期采用污水浇灌，施用农药化肥以及工矿业和城镇生活、交通污染物的排放，已造成国内各流域土壤重金属污染等问题日渐突出[1-2]。重金属污染是危害程度最高、污染面积最广的环境问题之一，具有生物毒性强、生物富集性强、污染持久且频率高等特点[3]，其含量主要受土壤有机质、pH等理化因素的影响。在不同的土壤环境中其理化性质存在着明显差异，由于湿地具有特殊的水文条件和植被条件，其理化性质和生态功能与一般陆地土壤有所不同，湿地土壤中含有嫌气微生物和丰富的有机质，且湿地土壤可以减轻或消除环境中的某些有毒物质[4]。而不同土地利用方式由于化肥农药的使用以及设施管理的差异，造成土壤结构及理化性质发生变化[3]。

岳霞等[5]研究结果表明，松花江水域不同河段出现不同程度的污染，并且重金属含量呈现出逐渐增加的趋势。韩平等[6]对北京顺义区不同利用方式土壤进行研究表明，苗圃、菜地、林地风险最高，潜在生态风险指数均大于100。FERRONATOC等[7]研究表明，土壤沉积物中重金属含量沟渠高于自然水体。于云江等[8]运用不同评价方法研究发现，农田土壤存在较高的潜在生态风险。但到目前为止，还没有系统的、综合的研究对湿地与陆地中不同土地利用类型的土壤重金属进行生态风险评价。流域可以将城镇区、农业区、工业区以及工矿业区紧密联系起来，并且流域是生态关联性极高的一个有机整体[9]。所以，将流域作为研究单位，研究陆地和湿地不同土地利用类型中土壤重金属污染特征及风险分析，将会使对重金属污染影响机制的研究更加系统[10]。

本研究以饮马河中游为研究区，测定湿地与陆地9种不同土地利用方式下4种常见重金属（Cu，Zn，Pb，Cr）的含量，并分析评价土壤及沉积物中重金属污染水平与风险状况，旨在为区域生态环境的管理提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

饮马河流域是松花江水系的主要支流（125°22′～126°31′E，42°59′～ 44°3′N），有第二松花江之称，是流域内工业区、居民区以及畜牧和农用地等用水的主要源头。研究区域位于饮马河中游，在石头口门水库集水区的3个集水区即石头口门水库、双阳水库、星星哨水库[8]，水库主要是以城市生活用水、农田灌溉、防洪除涝为主，同时具有发电、养鱼等功能[11]。主要土地利用类型有林地、疏林地、旱田、水田、水域、河泽和城乡居民地等[12]。

1.2 样品采集

2016年4月以石头口门水库3个集水区为研究区域，每个水库各布设了2个采样点，在每个采样点分别对陆地和湿地2类土壤及沉积物中9种土地利用方式进行分类采样，陆地土壤类型包括林地、草地、旱田、农村居民地，湿地沉积物类型包括水田、沟渠、鱼塘、沼泽、水域等采样点。考虑周围环境问题，采集0～20 cm的表层土壤，由半径10 cm范围内采集的3～5个等量土壤平行样品混合而成，其中，双阳河区域无草地，石头口门水库区域无鱼塘、沼泽和水域，考虑鱼塘、沼泽在研究区域分布情况，在星星哨水库区域增加一个采样点，共收集了51个土壤样品。利用GPS定位，将每个样品编号记录后装于可封口的聚乙烯密封袋中，待测。

1.3 样品预处理及分析方法

1.3.1 样品预处理 将采集的土壤及沉积物样品放在实验室内自然风干，剔除土壤中杂物，碾碎、研磨后过2 mm尼龙筛。用四分法取适量土样，研磨后过0.149 mm尼龙筛，装入聚乙烯密封袋中待测。

1.3.2 分析方法 土壤重金属元素的测定均采用硝酸-氢氟酸-高氯酸微波消解，然后采用火焰原子吸收分光光度法（GB/T 17138—1997）测定土壤样品中重金属离子的含量。试验中所有试验用水均为超纯水，酸均为优级纯。

1.4 沉积物污染的评估

1.4.1 地累积指数法 地累积指数法（Geoaccumulation Index，Igeo）在研究沉积物重金属污染的定量指标方面得到了广泛的应用。

式中，Igeo为地累积指数；Cn为重金属元素n在沉积物中的实测含量（mg/kg）；k值一般为1.5；Bn表示重金属元素n的地球化学背景值。土地评价参照MULLER等[13]的地累积指数污染程度的划分标准（表1）。

1.4.2 HAKANSON潜在生态风险指数法 潜在生态危害指数法（The Potential Ecological Risk Index，PERI）对多种重金属元素的协同作用、重金属的污染程度、重金属的毒性水平以及生态对于重金属的敏感性都进行了考虑[14-15]。

式中，Cfi表示重金属的污染系数；Cmi表示沉积物中的重金属i含量的实测值；Cni表示环境背景值。Eri表示该区域沉积物中的第i种重金属的潜在生态危害系数；Tfi表示重金属i的毒性系数，反映了它的毒性水平和生物对其污染的敏感程度；Ri表示沉积物中的多种重金属的潜在生态危害指数。

1.4.3 单因子污染指数法 其是土壤环境质量评价的一种方法，其值越小说明污染越轻，反之，越大说明污染越重。

式中，Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数；Ci为土壤中污染物i的实测浓度（mg/kg）；Si为污染物i的评价标准（其值参照国家土壤环境质量标准GB15618—2008）（mg/kg）。

1.4.4 内梅罗综合指数法 内梅罗指数反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响[14]。

式中，PN为内梅罗综合指数；PiAve为多个元素单因子污染指数平均值；PiMax为多个元素单因子污染综合指数最大值。根据P值大小，可将土壤污染程度划分为5个等级（表1）。

表1 土壤评价结果分级

2 结果与分析

2.1 重金属在不同土壤中的分布差异

由图1可知，在研究区域，不同重金属含量在同一土地利用方式下存在差异，同一重金属在不同土地利用方式下也存在差异。结果显示，不同土地利用类型中重金属元素差异显著性的F值大小表现为Zn＞Pb＞Cr＞Cu，其P值均小于0.05，表明不同土壤利用类型间差异性显著（表2）。

表2 土壤重金属元素含量方差分析

由图1可知，陆地土壤中，Cu含量在农村居民地最高，为20.68 mg/kg，草地最低，为17.42 mg/kg；在湿地土壤中，Cu在沟渠含量最高，为24.96 mg/kg，水域含量最低，为18.53 mg/kg；研究区域Cu含量在草地最低，为17.42 mg/kg，沟渠最高。其分布特征为草地＜林地＜水域＜水田＜沼泽＜旱田＜农村居民地＜鱼塘＜沟渠；与吉林省土壤环境背景值[16]相比，沟渠Cu含量最高，约是当地背景值的1.5倍，林地和草地略高于当地背景值。多重比较结果表明，土壤中Cu含量在草地和林地与沟渠存在显著性差异；除沟渠外，其他区域无显著性差异。

从图1还可以看出，陆地土壤中，Zn在农村居民地含量最高，为83.54 mg/kg；在湿地土壤中，Zn在沟渠含量最高，为96.56 mg/kg；研究区域Zn含量在水域最低，为56.43 mg/kg，在沟渠最高。除水域外，其他研究区域Zn含量均高于当地背景值，其中，农村居民地和沟渠的Zn含量较高，约是当地背景值的1.5倍；其分布特征为水域＜沼泽＜林地＜水田＜旱田＜草地＜鱼塘＜农村居民地＜沟渠。多重比较结果表明，Zn含量在水域、林地和沼泽分别与农村居民地和沟渠存在显著性差异，农村居民地与沟渠间也存在显著性差异，水域、林地、沼泽与水田、旱田、草地、鱼塘间无显著性差异，农村居民地与水田、旱田、草地、鱼塘间无显著性差异。

从图1还可以看出，陆地土壤中，Cr在农村居民地含量最高，为98.34 mg/kg；在湿地土壤中，Cr在沟渠含量最低，为89.4 mg/kg。研究区域Cr含量在林地最低，为75.96 mg/kg，在鱼塘含量最高，为107.13 mg/kg。研究区域Cr含量相对较高，除农村居民地，其他陆地土壤Cr含量约为当地背景值的2倍，在湿地沉积物中Cr含量均超过当地背景值的2倍。其分布特征为林地＜旱田＜草地＜沟渠＜水田＜水域＜沼泽＜农村居民地＜鱼塘。多重比较结果表明，Cr含量在旱田、林地与鱼塘存在显著性差异，旱田、林地与草地、农村居民地、水田、沟渠、沼泽、水域间无显著性差异，鱼塘与草地、农村居民地、水田、沟渠、沼泽、水域间无显著性差异。

从图1可以看出，陆地土壤中，Pb在农村居民地含量最低，为27.55 mg/kg；在湿地土壤中，Pb在沟渠含量最高，为37.61 mg/kg。研究区域沼泽中Pb含量最低，为20.45 mg/kg，草地中最高。陆地土壤林地、草地、旱田Pb含量约是当地背景值的2倍，湿地土壤沼泽、鱼塘水域略低于当地背景值，其他研究区域均略高于当地背景值。其分布特征为沼泽＜鱼塘＜水域＜农村居民地＜水田＜沟渠＜旱田＜林地＜草地。多重比较结果表明，Pb含量在水域、鱼塘、沼泽与草地、林地存在显著性差异；水域、鱼塘、沼泽与农村居民地、水田、沟渠、旱田无显著性差异，草地、林地与农村居民地、水田、沟渠、旱田无显著性差异。

研究区域受人为干扰相对较小的区域是水域和沼泽，人为干扰最严重的是农村居民地，多重分析结果显示，各元素含量在水域和沼泽无显著性差异。除农村居民地外，重金属元素Pb在陆地土壤中富集量相对较大，Cr在湿地沉积物中富集量相对较大，Zn，Cu在不同土壤中分布无太大差异。农村居民地金属元素含量较高，可能与村落畜禽养殖所产生的粪尿以及居民生活污水的排放有关[17]。

研究表明，农业区土壤Cu，Pb，Zn主要来源于大气沉降、畜禽粪肥和化肥等人类活动；Cr的主要来源是成土母质[18]。城市土壤重金属Cr，Zn和Cu主要受地质背景和人类活动的共同控制；Pb主要受工农业及交通源因子影响[19-20]。湿地土壤重金属Cu的来源受到周边工业活动和农业活动的影响；Pb和Zn的来源与工农业活动、道路交通有关；Cr的来源主要与土壤母质和农业活动有关[21-22]。结合研究区域的环境状况可推断出，陆地土壤中林地、草地、旱田Pb含量较高，可能是受农业、畜禽粪肥和化肥等人类活动的影响，农村居民地Pb含量较高，可能是受农业活动和道路交通因素的影响；Zn含量在农村居民地和沟渠较高，除了受地质因素的影响外，还可能与工业活动、生活废弃物排放以及道路交通等因素密切相关；湿地土壤中Cr含量明显较高，其主要与土壤母质和农业活动有关，而农村居民地Cr含量高于其他陆地土壤，可能是与道路交通、生活垃圾以及畜禽粪便排放等人为因素有关。

2.2 与国内外不同地类土壤重金属比较

从表3可以看出，国内养殖池塘底泥重金属含量均低于我国自然背景值，其他典型流域沉积物以及居民区土壤重金属含量约是我国自然背景值的1.0～1.8倍，其中，居民区Cr含量是我国自然背景值43.87倍，而南海湿地土壤Cu含量约为背景值的5倍，且南海湿地土壤中Pb，Zn和林地土壤中Pb，Cr为背景值的2～3倍。国内外土壤重金属含量相比，国外农田土壤中Cu，Zn含量较高，国内土壤中Pb，Cr累积含量较高。研究结果显示，研究区域内4种重金属元素含量为背景值的0.5～1.8倍。其中，Cu含量仅沟渠略超出背景值；Zn含量在农村居民地和沟渠超出背景值；Cr含量均超出背景值，为背景值的1.3～1.8倍；Pb仅在沼泽、鱼塘、水域未超出背景值；其余区域均超出背景值。与背景值相比，研究区域Cr，Pb超标率较高，可能存在污染。此结果与我国流域内土壤主要重金属污染类型相同，说明其重金属的来源可能相似。

表3 国内外不同地类土壤重金属含量对比

2.3 生态风险评价

2.3.1 地累积指数法评价 从地累积指数的分级标准（表1）和土壤污染指数（表4）可以看出，研究区域重金属元素的风险级别依次为Pb＞Cr＞Zn＞Cu，在湿地类型沟渠以及陆地类型农村居民地、草地、旱田研究区域Pb的Igeo值整体在0～1波动，其风险顺序为草地＞林地＞沟渠＞旱田，属于1级污染，在无污染到轻度污染之间波动，除部分采样点外，其他土地利用类型均未出现污染现象；重金属元素Cu，Zn，Cr的Igeo值均小于0，未出现污染现象。在陆地土壤中重金属元素Pb较湿地土壤污染范围广，污染相对较严重。

表4 土壤污染指数

2.3.2 潜在生态风险指数法评价 依据地累积指数的分级标准（表1）和土壤污染指数（表4），分析整个研究区域不同土地利用类型下重金属潜在生态危害系数，其大小为Pb＞Cu＞Cr＞Zn，研究区域4种重金属潜在生态危害系数（Eri）均远小于40，其中，草地研究区Pb的潜在生态危害系数最大，说明研究区域重金属单独作用时污染现象不明显，有轻微潜在危害。考虑多因子综合作用结果，潜在生态风险指数计算结果显示，研究区域潜在风险水平依次为沟渠＞农村居民地＞旱田＞草地＞林地＞水田＞鱼塘＞沼泽＞水域，沟渠研究区域潜在风险指数最大，潜在生态风险指数均远小于150，具有轻微的潜在生态风险。

2.3.3 单因子污染指数法和内梅罗综合指数法从表4可以看出，Pi≤1，PN≤0.7，依据评价分级标准，研究区域无污染，处于清洁水平。2种评价方法结果显示，研究区域Cr元素污染风险相对较高，Zn元素在旱田、林地、农村居民地、草地污染风险相对较高。

2.3.4 4种评价方法的比较 地累积指数评价结果显示，在草地、林地、沟渠、旱田具有1级污染风险，其他3种评价结果显示，研究区域无污染风险，属于清洁土壤，但单因子污染指数法和内梅罗综合指数法2种评价方法计算结果差值较小，Pb元素在林地、草地、旱田计算结果相差较大，PN约为Pi的2倍。

3 结论与讨论

单因子指数法和地累积指数法能够直接反映土壤中每一种污染物的超标情况，但各参数之间互不联系，只适用于分析土壤样品的污染状况，无法全面反映土壤环境要素的综合污染情况。依据评价结果，地累积指数法能较好地反映单因子对土壤的作用大小[28]。综合污染指数法和潜在生态危害指数法综合考虑了土壤元素背景值、土壤元素标准、价态效应等因素，可以表征土壤复合污染[22]。潜在生态危害指数法既反映了各污染因子对环境的影响，又定量划分了生态风险的程度，其评价结果显示，研究区域无生态风险，但Cu，Pb元素在土壤复合污染所占比例较大。因此，可以采用地累积指数法和潜在生态危害指数法结合评价土壤污染水平，既可以反映出单因子作用的大小以及危害程度，又能分析出土壤的综合污染情况，以便能及时发现主要污染元素，采取相应的防护治理措施。

本研究结果表明，研究区域重金属元素Pb在陆地土壤中含量相对较高，元素Cr在湿地土壤中含量相对较高，Cu，Zn在不同土壤中分布无太大差异。4种评价方法均有优缺点，对比分析得出，地累积指数与潜在生态风险评价法相结合更能反映土壤的污染状况。评价结果显示，研究区域具有轻微的潜在风险，其中，Pb贡献率最高，在林地、草地、旱田具有轻微污染，其次是Cu，Cr，Zn。由于重金属污染有持久性和滞后性，因此，在生产生活中应严格控制Pb的来源。