基于地積累指數法和生態危害指數法對黃河灘地土壤重金屬污染的研究

李剛+蔡苗+魏樣

摘要：為了全面了解韓城市下峪口黃河灘地土壤重金屬的污染狀況，通過布點采樣，檢測了該地區土壤中重金屬的含量，并采用地積累指數法和生態危害指數法對該地區黃河灘區河道和沙洲中7種土壤重金屬（鎘、鉻、鎳、銅、鋅、砷、鉛）的污染狀況和潛在生態危害進行了分析。結果表明：兩種評價方法所得結果基本一致，韓城下峪口地區黃河灘地重金屬含量符合國家土壤質量標準二級標準，其風險水平較低，不會對該地區土地整治和水田耕作造成影響，雖然黃河灘地土壤中鋅含量略高，但是通過土體有機重構方法能夠使得鋅的影響降到最低。

關鍵詞：黃河灘地；土壤重金屬污染；地積累指數法；生態危害指數法

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）24-0005-05

1 引言

近年來，黃河河道河勢嚴重西移致使韓城市下峪口下延段部分高岸及灘地持續坍塌，頻繁出險，造成大片灘地塌入河中，村莊后靠，防汛壓力逐年加大，嚴重危及沿岸人民群眾生命財產安全。根據韓城市市政府統計，近年來黃淤66～63斷面間每年塌灘平均長度約7 m，

每年坍塌土地面積約100 hm2，橋南、下峪口、李村、林皋、潘莊等10 余村1.5 萬人先后被迫搬遷3～4次，特別是2006年桃汛以來，河勢西移態勢進一步加劇，高岸持續坍塌后退約50 m，塌岸毀地萬余畝。沿黃群眾多次上訪，強烈要求控制韓城段河勢，筑堤修壩，防止高岸灘地坍塌，恢復治理所失耕地及荒蕪灘地，進一步保護當地群眾生命財產安全。因此，通過對韓城下峪口地區黃河灘地的綜合整治，對促進地方經濟和社會發展具有十分重要的意義。

韓城市下峪口地區存在較多煤礦企業及熱電廠，可能會對黃河灘地土壤中重金屬含量產生影響，這主要因為土壤中的重金屬能從土壤遷移到其它生態系統中，如地下水、植物等，并通過飲用水和食物鏈影響人類健康[1]。因此，對土壤中重金屬含量及其潛在危害性進行合理的評價尤為重要。為了探明該項目區土壤重金屬含量及其污染現狀，本研究通過普探調查，采用地積累指數法和生態危害指數法對該地區土壤重金屬的含量進行評價分析，為土地整治項目的施工提供決策依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

韓城市下峪口土地整治項目東靠黃河河道，涉及薛村、昝村、番莊村、謝村、三林村、林皋村等6個村。地理位置介于東經110°30′34″～110°33′36″，北緯35°31′02″～35°34′01″，距離縣城10 km。項目區為河道灘地和沙洲兩部分組成，地面開闊、平坦，地下水位較高，多為沙質淤土，大部分老灘位置較高，常年水淹不到，歷史上就已開發耕種，是適宜開發的土地資源。樣品采集區地處我國內陸，屬于暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足。多年平均降水量555.2 mm，年內分配不均，年內降水主要集中在夏秋兩季，7～9三個月平均降水量達306 mm，占全年降水量的一半以上。多年平均氣溫13.7 ℃，其中春季14.6 ℃，夏季25 ℃，秋季13.4 ℃，冬季0.2 ℃。最熱月為7月，多年平均26.6 ℃；最冷月為1月，平均-1.5 ℃，氣溫年較差28.1 ℃。年極端最高溫度達42.6 ℃，年極端最低溫為-16.7 ℃。全年氣溫日較差平均10.3 ℃，其中6月份最大為12.7 ℃，11月份最小為8.8 ℃，日較差較大，有利于各種植物干物質的積累。

2.2 樣品采集和處理

2.2.1 樣品分布

采樣點主要分布在沙洲和河道灘地（圖1），沙洲和河道灘地每100畝設定一個采樣單元，共采集表層0～30 cm土樣108個，其中沙洲土60個，河道灘地土48個。

2.2.2 樣品采集與處理

土樣采集取自沙洲和河道，每個樣點處5個點制成一個混合樣，用四分法取大約1 kg的樣品，保存在自封袋帶回實驗室。在實驗室內自然風干，后取50 g，用木質工具碾碎并在瑪瑙研缽上研磨，混勻后通過0.149 mm的尼龍篩過篩，保存在自封袋內，用于土壤重金屬的檢測。

2.2.3 樣品分析

土壤樣品重金屬的測定：首先對樣品進行消解[2]，然后利用ICP-MS測定土壤中鎘、鉻、鎳、銅、鋅、砷、鉛等元素，測定過程中，所有樣品均由空白樣、二次平行樣加標回收率進行質量控制。實驗室所用玻璃器皿均在10%的HNO3或HCl中浸泡24 h，然后分別用自來水、蒸餾水各洗滌3次。實驗所用酸均為優級純，其他試劑均為分析純。

2.3 研究方法

2.3.1 地積累指數法

地積累污染指數法（Mull指數）是德國海德堡的地學沉積物研究所Muller于1969年提出，是一種用于研究水體沉積物中重金屬污染的定量指標[2]，被廣泛的應用于土壤重金屬污染評價，其計算公式為：

式中，IGeo為地積累污染指數；Ci為重金屬i的實測濃度，Bi為所測元素的環境背景值（本研究選取陜西土壤背景值，見表1）[3，4]；k為常數，是對成巖作用可能引起背景值變動的修正，一般k=1.5。根據IGeo數值的大小，可以將重金屬污染程度分為7個等級，見表2[5]。

2.3.2 潛在生態危害指數法

潛在生態危害指數法是由瑞典科學家Hakanson提出[6，7]，主要是根據重金屬性質及環境行為特點進行評價的方法。該方法除了考慮土壤重金屬含量外，還將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學研究聯系在一起，采用具有可比的、等價屬性指數分級法進行評價。其公式如下：

式中，Eir為潛在生態危害單項系數，Tir為某一種金屬的毒性響應系數，評價依據采用徐爭啟等人[8]結合Hankanson制定的標準化重金屬毒性系數所計算的毒性系數（表3）。Cif為單項污染系數，Ci為土壤重金屬濃度實測值，Cin為參比值，本研究采用陜西省土壤中重金屬元素背景值作為參比值。生態風險程度劃分[9]（表4）。

3 結果分析

3.1 重金屬元素含量分析

韓城下峪口黃河灘地中河道灘地和沙洲中鎘、鉻、鎳、銅、鋅、砷、鉛這7種重金屬元素含量的描述性統計表明（表1）：就平均值而言，在河道灘地和沙洲中鋅含量的平均值最高，其次為鉻、鎳，鎘含量的平均值最小。除沙洲中銅的變異系數較大外，其余各重金屬元素的變異系數都較小，說明該地區黃河灘地土壤重金屬污染狀況類似，這可能與黃河灘地土壤形成和淤積年代有關[10]。此外，河道灘地和沙洲中鋅含量平均值分別為252.59 mg/kg和278.22 mg/kg，略高于陜西省土壤元素背景值，這可能與該地區長期燃煤有關。但是由表5可知，該區域黃河灘地土壤重金屬含量均符合國家土壤環境質量標準二級標準[11]，可用于土地整治及水田耕作。

3.2 地積累指數評價結果

由表6可知，該地區鋅含量略高，其次銅和鎳有輕微污染，這主要是由于韓城市龍門地區有大量煤礦及熱電廠存在，通過大氣沉降等方式對該地區黃河灘地土壤產生一定的污染，但污染狀況不嚴重，通過對黃河灘地河道和沙洲的土地整治及水田耕作，能夠顯著降低該地區鋅、銅等土壤污染[12]。其余重金屬鎘、鉻、砷、鉛等含量很低，基本對該地區土壤無污染。

綜合分析上述重金屬的地積累指數等級，可以看出，韓城下峪口黃河灘地中7種重金屬元素污染程度由強至弱的順序為：鋅>銅>鎳>鉛>砷>鎘>鉻。

3.3 生態危害指數法評價結果

由表7可以看出，韓城下峪口黃河灘地河道和沙洲中土壤均受到不同程度的重金屬污染和潛在生態危害，但污染和潛在生態危害程度都較低。從單項污染系數來看，黃河灘地中鎘、鉻、鎳、銅、鋅、砷、鉛這7種重金屬均為輕微污染，其中，鎳、銅、鎘等重金屬污染程度略高；由潛在生態危害綜合指數可以看出，河道灘地中7種重金屬污染程度均為輕微，沙洲中鎳、銅等重金屬污染程度為中等，這可能是當地長期采煤、燃煤后，大氣沉降產生的結果。

根據Hankanson的潛在生態危害系數，韓城下峪口黃河灘地河道中7種重金屬潛在危害由強至弱順序為：鎳>銅>鎘>鋅>砷>鉛>鉻；黃河灘地沙洲中7種重金屬潛在危害由強至弱的順序為：銅>鎘>鎳>砷>鉛>鋅>鉻。其中，銅、鎳、鎘對RI值的貢獻較大。

3.4 兩種評價方法結果比較

地積累指數法側重于對底泥沉積物中重金屬含量與背景值的對比評價，主要反映外源重金屬的富集程度，而Hankanson潛在生態風險指數法不僅考慮了重金屬的含量，更側重于反映不同金屬的生物毒性影響，以定量的方法劃分重金屬的潛在危害程度[13]。

對比兩種不同的評價方法，就污染元素來說，結果都表明其中重金屬鎳、銅、鋅對土壤具有中等污染程度，其余重金屬污染程度較小。在評價中，二者評價結果基本一致，相比較而言，生態危害指數法較為保守，主要是針對鋅的污染評級有差異，這與徐玉霞等人的研究結果一致[4]。通過比較可知，應用生態危害指數評價時會考慮到整個生態系統中重金屬對環境的毒性因素，所以更符合實際狀況。

兩種評價方法結果都顯示重金屬鎳、銅、鋅對黃河灘地有一定的污染，其余重金屬污染程度較?。ū?）。該地區黃河灘地重金屬元素來源主要是當地煤礦開采和熱電燃煤后的大氣沉降，但是在整體上重金屬污染水平均比較低。

通過綜合分析，結果還表明，黃河灘地沙洲土壤重金屬的風險影響略高于河道，這主要是因為沙洲是沖擊河道泥沙長期淤積的產物[14]，經過長期的淤積過程，沙洲內重金屬含量逐漸增加。此外，由于沙洲具有天然的過濾作用，通過黃河灘地的河水經過沙洲時，沙洲內部通過物理、化學以及生物等方式能夠截留河水中大量雜質及重金屬有害物質。因此在工程實施的過程中，通過水的滲透壓原理，將黃河水通過沙洲過濾，最終達到人畜飲用水標準，徹底解決項目區周邊群眾用水水源問題。對于沙洲重金屬殘余問題，通過韓城市下峪口黃河灘區土體有機重構工程的開展，一系列物理、化學以及生物等有機重構方法的應用，例如在水田耕作過程中施用有機肥和磷肥[15]等措施，可以使得該地區土壤重金屬風險降到最低，保障周邊地區人民的安全生產及健康生活。

4 結論

（1）地積累指數法和生態危害指數評價法是區分自然與人類活動引起重金屬對環境影響評價的重要方法，通過這兩種方法均可以區分自然異常對土壤帶來的富集以及環境引發的元素污染和損耗，較為準確地判斷人類對土壤污染的貢獻，最終為污染治理以及工程進度提供一定的理論依據。

（2）本研究采用陜西省土壤元素背景值計算地積累指數和生態危害指數，最終所獲得的結果基本一致，說明評價結果可靠，所獲得的結果可以作為該區域的土體有機重構和土地工程開發的參考依據。

（3）兩種研究結果均表明沙洲土壤重金屬的風險影響略高于河道。

（4）通過評價比較，結果顯示：韓城下峪口地區黃河灘地重金屬含量均符合國家土壤質量標準二級標準，其風險水平較低，不會對該地區土地整治和水田耕作造成影響。

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