重慶長壽湖周邊地區土壤重金屬污染評價

摘要：對重慶長壽湖周邊地區土壤中重金屬元素的含量進行了調查，分析了重金屬的空間結構特征，探討了其主要來源，采用Ｈａｋａｎｓｏｎ潛在生態風險指數法評價了各種重金屬的潛在生態風險。結果表明，①土壤中重金屬Ｈｇ、Ｃｄ和Ａｓ的富集較為嚴重，超過了土壤質量一級標準。②Ｎｉ和Ｃｕ的含量主要受土壤形成因子，如地形、土壤類型等的控制；Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ很大程度來源于人類活動產生的污染；其他重金屬元素的含量受內在和外在因子的共同影響。③長壽湖周邊地區重金屬污染是輕度和中等生態危害，中等生態危害面積４ ８２１．６６ ｈｍ２，占總面積的４３．２３％，主要生態風險因子是Ｈｇ和Ｃｄ，分別達到了較強生態危害和中等生態危害。

關鍵詞：長壽湖；土壤；重金屬；空間結構特征；潛在風險評價；

中圖分類號：Ｘ５０２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）01－0030-05

Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈａｎｇｓｈｏｕ Ｌａｋｅ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ａｒｅａ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

ＬＵＯ Ｚｈｅｎ－ｆｕ１，ＴＡＮ Ｄｅ－ｊｕｎ１，２，ＸＩＥ Ｈｏｎｇ－ｂｉｎ１，ＣＨＥＮ Ｆｅｎｇ－ｙｉｎｇ１，ＬＩ Ｑｉ１

（１． Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｏｇｅｎｉｃ Ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ

Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ） Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｍｉｎｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４２，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏ－ｈａｚａｒｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｅｏ－ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ａｒｅａ ｏｆ Ｃｈａｎｇｓｈｏｕ Ｌａｋｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ； ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｉｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ； ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ Ｈａｋａｎａｓｏｎ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｉｎｄｅｘ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ． ①Ｈｇ， Ｃｄ ａｎｄ Ａｓ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｅａ ａｓ ｔｈｅｉｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｅｅｄｅｄ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｓｏｉｌ ｑｕａｌｉｔｙ． ②Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ Ｎｉ ａｎｄ Ｃｕ ｗａｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｏｉｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｔｙｐｅ； ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｐｂ， Ｃｄ ａｎｄ Ｚｎ ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｈｕｍａｎ ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｉｓ ａｒｅａ； ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔａｌｓ ｗａｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｂｏｔｈ ｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒｓ． ③Ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ａｒｅａ ｏｆ Ｃｈａｎｇｓｈｏｕ Ｌａｋｅ ｂｅｌｏｎｇｅｄ ｔｏ ｓｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ． Ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｓｕｆｆｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｗａｓ ４ ８２１．６６ ｈｍ２， ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ ｔｏ ４３．２３％ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ａｒｅａ． Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ Ｈｇ ａｎｄ Ｃｄ， ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｓｔｒｏｎｇ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｃｈａｎｇｓｈｏｕ Ｌａｋｅ； ｓｏｉｌ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ； ｓｐａｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅ； ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｉｓｋ

土壤重金屬元素含量是反映特定地區環境狀況的重要指標，對研究土壤環境質量演變、人為活動對土壤質量的影響以及合理開發和利用土地資源具有重要意義［１－４］。已有的土壤重金屬研究工作主要以采樣點研究為主，很少對整個研究區土壤重金屬的空間分布及污染特征進行研究［５，６］。

“重慶一小時經濟圈”是指以重慶主城為核心，在交通１ ｈ內可通達的范圍，共涵蓋２３個區（縣）經濟圈。２００７年重慶市提出“一圈兩翼”的發展戰略，要求讓一小時經濟圈率先實現城鄉一體化，從而帶動兩翼的發展。把握發展機遇，使土地資源能得到持續利用和合理規劃非常重要。本研究借助ＧＩＳ技術，充分利用遙感、地質、地球化學等數據資料，分析了長壽湖周邊地區土壤重金屬的空間結構特征及主要污染來源，并對重金屬的生態風險狀況進行了評估，為重慶一小時經濟圈土地環境質量評價、土地資源的持續利用和合理管理規劃及污染治理提供科學依據。

１ 區域概況與研究方法

１．１ 區域概況

研究區為重慶市長壽湖及周邊地區，地處東經１０７°１５′０１″－１０７°２２′３１″，北緯２９°５５′０１″－３０°００′０１″，總面積１１ １５３．４６ ｈｍ２，區內有湖泊、丘陵、低山，為典型的丘陵地貌（圖１）。區內海拔最高為６７５ ｍ，最低約為３３０ ｍ。氣候屬亞熱帶濕潤氣候區，四季分明、氣候溫和、冬暖春早、熱量豐富、降水充沛，常年平均氣溫１７．７ ℃。年均降雨量１ １６５．２ ｍｍ，年日照時數１ ２４５．１ ｈ。

１．２ 樣品的采集與處理

１．２．１ 樣品采集 以網格法在長壽湖周邊范圍均勻布點，網格大小為２ ｋｍ×２ ｋｍ，基本網格為４ ｋｍ２，并用ＧＰＳ定位，采樣點位置見圖２。野外調查時在基本網格內采集０～２０ ｃｍ表層土壤，多點采集，混勻后制樣。樣品置于布袋中運回實驗室風干、磨碎、過１００目篩進一步制備后待分析測試。

１．２．２ 樣品分析與測定方法 土壤重金屬元素Ｃｒ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｐｂ全量測定采用硝酸—高氯酸—氫氟酸消化，并用原子吸收分光光度計測定；土壤中Ｈｇ、Ａｓ用硝酸—硫酸—五氧化二釩消解，并用原子熒光光譜儀測定含量。所用試劑均為優級純，所用的水均為超純水，分析過程均加入國家標準土壤參比物質（Ｇｓｓ－１）進行質量控制，其結果符合質控要求。

２ 結果與討論

２．１ 重金屬含量特征分析

ＡｃｒＧＩＳ軟件地學統計分析中Ｎｏｒｍａｌ ＱＱｐｌｏｔ檢驗表明Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｃｕ和Ｚｎ含量呈正態分布，Ｐｂ和Ｈｇ的含量呈對數正態分布（表１）；Ｈｇ、Ｃｄ和Ａｓ的變異系數最大，分別為０．４０、０．３７和０．３４，說明這３種元素空間分異較大，受外界干擾比較顯著；Ｃｒ、Ｎｉ和Ｃｕ變異系數較小，在０．１２～０．１５之間，說明這３種元素空間分異不顯著，受外界影響較小，在該區可能具有相同的來源。８種重金屬元素中，Ｐｂ、Ａｓ、Ｈｇ和Ｃｄ含量超過土壤背景值，分別為背景值的１．２３、１．１０、２．１６和１．４６倍；含量最低的是Ｃｕ，為背景值的６６％；與國家土壤質量標準相比，Ａｓ、Ｈｇ、Ｃｄ ３種元素超標，尤其是Ｈｇ和Ｃｄ的含量為一級標準的３倍多，其他元素含量均低于一級標準。

２．２ 重金屬空間結構及來源探析

２．２．１ 半方差分析 半方差分析可以揭示環境介質中污染物的空間變異結構與特征。半方差函數要求數據符合正態分布或近似正態分布［８］，由于土壤中Ｐｂ和Ｈｇ含量不符合正態分布，所以需在對數轉換后再進行半方差分析。利用半變異函數的計算公式，分別用不同模型，得到模型的相關參數值（表２），選取均方根預測誤差最小的模型作為分析重金屬變異的最佳理論模型［９，１０］。土壤重金屬的空間變異性可根據塊金系數［即塊金值與基臺值的比值Ｃ０／（Ｃ０＋Ｃ）］大小進行劃分，塊金系數表示由隨機部分引起的空間變異性占總體變異的比例。表２顯示，Ｎｉ含量的塊金系數＜２５％，具有強烈的空間相關性，說明其分布主要受內在因子（土壤形成因子，如地形、土壤類型等）控制；Ｃｕ和Ｈｇ含量的塊金系數在２５％～５０％之間，具有顯著的空間相關性，Ｃｒ、Ａｓ和Ｃｄ含量的塊金系數在５０％～７５％之間，具有中等的相關性，這些重金屬的分布除了受內在因子控制外，同時也受到外在因子（施肥、耕作措施、種植制度等）的影響。Ｐｂ和Ｚｎ含量的塊金系數＞７５％，這２種重金屬的空間相關性較弱，基本受外在因子控制，受人類活動影響較大。

２．２．２ 主成分分析 為進一步探討重金屬的來源，對重金屬含量作了主成分分析。從圖３可以看出，前３個主成分累計貢獻率達８７．９５％，除Ｎｉ外，其他元素在ＰＣ１上表現出極高的正載荷，結合半方差分析結果，其他元素都受到外在因子的影響，因此ＰＣ１基本代表了人類活動對土壤的干擾作用［１１］，如施肥、耕作措施及污染［１２，１３］。在ＰＣ２上，Ｎｉ和Ｃｕ表現出較高的正載荷，尤其是Ｎｉ最為顯著，而且兩者含量均低于土壤元素背景值，結合半方差分析結果，ＰＣ２基本反映了土壤母質及其風化產物而累積的重金屬。

２．２．３ 相關性分析 長壽湖周邊土壤不同重金屬含量間相關性分析結果（表３）顯示，Ｎｉ—Ｃｕ、Ｐｂ—Ｃｄ、Ｃｄ—Ｚｎ、Ｚｎ—Ｐｂ間均有很高的相關性，表明它們的同源性很高。Ｎｉ與Ｃｕ之間呈極顯著相關，說明長壽湖周邊土壤這２種元素可能具有相似的來源，進一步證實了半方差分析和主成分分析的結果，即Ｎｉ、Ｃｕ來源于土壤母質；同時Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ之間也表現出較高的相關性，結合半方差分析結果，這３種元素主要受人類活動的影響，如長壽湖周邊果林施用化肥農藥產生的污染、沿長壽湖的城鎮排放的生活污水等。

２．３ 重金屬潛在生態風險評價

選用Ｈａｋａｎｓｏｎ的生態風險指數法對不同的重金屬進行評價，該方法的優勢在于從重金屬的生物毒性角度出發，反映了多種污染物的綜合影響，并定量地區分出潛在生態危害的程度［１４］，第ｉ種重金屬的潛在生態危害系數Ｅｉｒ及多種重金屬的潛在生態危害指數ＲＩ可分別表示為［１５］：

Ｅｉｒ＝Ｔｉｒ×Ｃｉｆ

ＲＩ＝■Ｅｉｒ=■Ｔｉｒ×Ｃｉｆ＝■Ｔｉｒ×Ｃｉｓ／Ｃｉｎ

其中Ｃｉｆ為重金屬富集系數（Ｃｉｆ＝Ｃｉｓ／Ｃｉｎ）；Ｃｉｓ為第ｉ種重金屬含量實測值；Ｃｉｎ為所需參比值，采用現代工業化前沉積物中重金屬的正常最高背景值［７］（表１）；Ｔｉｒ為第ｉ種重金屬的毒性系數（有關毒性系數為ＴＣｄ＝３０、ＴＰｂ＝５、ＴＣｕ＝５、ＴＮｉ＝５、ＴＣｒ＝２、ＴＺｎ＝ｌ、ＴＡｓ＝1０、ＴＨｇ＝４０），它主要反應重金屬的毒性水平和生物對重金屬污染的敏感程度，重金屬生態危害程度的劃分標準見表４［１５］。

利用ＡｃｒＧＩＳ軟件將重金屬含量數據進行普通克里格插值，使其數據布滿整個研究區，然后利用柵格計算器計算出Ｅｉｒ和ＲＩ，并統計其特征值（表５）。結果表明除Ｈｇ與Ｃｄ外，其他重金屬元素的Ｅｉｒ都小于４０，即生態危害程度為輕度；Ｈｇ的Ｅｉｒ為９４．２１，具有較強的潛在生態危害；Ｃｄ的Ｅｉｒ為４３．２１，屬于具有中等潛在生態危害的重金屬。圖４和圖５分別是Ｈｇ和Ｃｄ的潛在生態危害系數插值圖。

長壽湖周邊地區土壤重金屬潛在生態危害指數ＲＩ為１６７．５２，屬于中等危害。分析多種重金屬的潛在生態危害指數ＲＩ的空間分布（圖６、表６），可以看出長壽湖地區生態危害程度包括輕度和中等，其中生態危害程度為輕度的面積為６ ３３１．８ ｈｍ２，占總面積的５６．７７％，主要分布在長壽湖的北部和中部地區，如鶴游鎮；生態危害程度為中等的面積為４ ８２１．６６ ｈｍ２，占總面積的４３．２３％，主要分布在云集鎮、長壽湖鎮和雙龍鎮，尤其是在云集鎮的萬壽村和富勝村存在大片的中等危害區域。

３ 結論

１）對８種重金屬的空間結構及來源進行了探索。半方差分析、主成分分析和相關性分析結果表明Ｎｉ和Ｃｕ的含量具有強烈和顯著的空間自相關，主要受內在因子（土壤形成因子，如地形、土壤類型等）的控制；元素Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ的含量之間表現出較高的相關性，說明這３種元素具有同源性，很大程度來源于長壽湖周邊人類活動產生的污染。

２）由潛在生態風險評價結果可知，目前長壽湖重金屬污染包括輕度和中等生態危害，中等生態危害面積４ ８２１．６６ ｈｍ２，占總面積的４３．２３％，有５個中等污染區域，以云集鎮萬壽村和富勝村的中等污染區最為典型；長壽湖地區主要生態風險因子是元素Ｈｇ和Ｃｄ，分別達到了較強生態危害和中等生態危害。

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