基于潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)農(nóng)用地土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

楊仲瑋,王劍峰

（蘭州新區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,甘肅 蘭州 730300）

土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本環(huán)境要素，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤環(huán)境尤其是農(nóng)用地土壤環(huán)境的質(zhì)量狀況關(guān)系人民群眾身體健康，保護(hù)好土壤環(huán)境是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全的重要內(nèi)容[1,2]。重金屬污染物具有潛在性危害，分布在土壤中的重金屬元素不僅不能被土壤微生物分解，而且容易在生物體中富集，使得重金屬元素在土壤環(huán)境中逐漸積累，通過(guò)食物鏈在植物、動(dòng)物及人體內(nèi)蓄積，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人體健康[3-5]，因此研究土壤重金屬污染特征，評(píng)價(jià)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)十分必要。蘭州新區(qū)位于黃土高原的西北部，擁有大量土地資源，作為典型黃土高原城市，已有研究對(duì)毗鄰的蘭州市、金昌市、白銀市、張掖市等地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了調(diào)查研究[6-9]，然而關(guān)于蘭州新區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量的研究較少，因此本文利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)蘭州新區(qū)范圍內(nèi)的部分區(qū)域農(nóng)用地土壤中重金屬的污染特征和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估研究，為當(dāng)?shù)氐耐寥乐亟饘傥廴痉乐翁峁┛茖W(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法簡(jiǎn)介

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[10]是由瑞典科學(xué)家Hakanson于1980年提出的一種從沉積學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，對(duì)土壤中重金屬潛在污染風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。該方法不僅考慮土壤重金屬含量，而且綜合考慮了多種金屬元素協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度以及環(huán)境對(duì)重金屬污染敏感性等因素[11-14]，是目前國(guó)內(nèi)外研究土壤和沉積物中重金屬污染情況的主要方法[15,16]。

1.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的計(jì)算

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中不僅將土壤重金屬的含量考慮在內(nèi)，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，定量地劃分出重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度，其計(jì)算公式為：

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)

表1 重金屬污染物潛在風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)與分級(jí)

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

在研究區(qū)內(nèi)選取10個(gè)農(nóng)用地地塊，地塊分布詳見(jiàn)圖1，按照《農(nóng)用地土壤樣品采集流轉(zhuǎn)制備和保存技術(shù)規(guī)定》 的相關(guān)要求隨機(jī)選擇27個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，按照對(duì)角線布點(diǎn)法采集0～20cm的表層土壤樣品，剔除所采集樣品中的礫石、根系等雜物，經(jīng)充分混合均勻后，按照四分法取大約2kg土壤樣品裝入樣品袋中，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品制備。

2.2 樣品制備

采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室置于通風(fēng)良好、無(wú)易揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)并避免陽(yáng)光直射的場(chǎng)地，經(jīng)自然風(fēng)干后，用木錘碾壓、揀出碎石以及細(xì)小的植物根莖等雜質(zhì)，然后將全部土壤樣品手工研磨后混勻，過(guò)孔徑2mm尼龍篩，去除2mm以上的砂粒，過(guò)篩后的土壤樣品充分?jǐn)嚢琛⒒旌现敝辆鶆颉；靹蚝蟮臉悠酚盟姆址s分至約100g，再用瑪瑙球磨機(jī)進(jìn)行細(xì)磨，過(guò)100目尼龍篩，混合均勻后進(jìn)行重金屬含量的分析測(cè)定。

2.3 樣品分析

制備好的土壤樣品按《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2018）中規(guī)定的方法對(duì)銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳、汞、砷8種金屬元素的含量進(jìn)行測(cè)定，并同時(shí)測(cè)定土壤pH值，如圖1所示。

圖1 農(nóng)用地土壤調(diào)查監(jiān)測(cè)地塊分布圖

3 結(jié)果與討論

3.1 農(nóng)用地土壤重金屬含量

蘭州新區(qū)地處秦王川盆地，土壤類型為干旱氣候條件下黃土母質(zhì)，經(jīng)自然植被和人為活動(dòng)過(guò)程中形成的自然土壤、淡灰鈣土、農(nóng)業(yè)土壤、黃綿土，因此此次評(píng)價(jià)以蘭州地區(qū)重金屬元素的背景水平作為該地區(qū)土壤重金屬元素的背景參考值。被調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊的土壤重金屬含量分析結(jié)果見(jiàn)表2，所有點(diǎn)位pH值測(cè)試結(jié)果范圍為7.82～8.92。由表2可知，被調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊土壤中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳、汞和砷的平均含量均低于 《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

表2 被調(diào)查農(nóng)用地塊土壤重金屬含量 （mg·kg-1）

3.2 農(nóng)用地土壤重金屬的綜合污染指數(shù)

利用單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)10個(gè)農(nóng)用地地塊的土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，結(jié)果見(jiàn)表3，由表可知，各被調(diào)查地塊土壤中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳、汞和砷8種金屬元素的單項(xiàng)污染指數(shù)Pi均小于1，按照單項(xiàng)污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，其污染程度屬于無(wú)染物，其中單項(xiàng)污染指數(shù)從大到小依次為鎘、砷、銅、鉻、鋅、鎳、鉛、汞。各地塊的污染綜合指數(shù)PN分別為0.352、0.381、0.357、0.371、0.458、0.466、0.400、0.381、0.339、0.352，均小于0.7，按照內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，其污染等級(jí)均為清潔。

表3 被調(diào)查農(nóng)用地塊土壤重金屬的綜合污染指數(shù)

3.3 農(nóng)用地土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊中土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4。從計(jì)算結(jié)果可以得出，8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子從高到低依次為汞＞鎘＞砷＞銅＞鎳＞鉛＞鉻＞鋅，其中所有被調(diào)查地塊土壤中銅、鉛、鋅、鉻、鎳、砷6種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子均小于40，按照潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；鎘和汞元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子分別為67.0和46.4，介于40與80之間，按照潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表4 被調(diào)查農(nóng)用地塊土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

農(nóng)用地土壤調(diào)查監(jiān)測(cè)地塊的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)如圖2所示，調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地塊中有6個(gè)地塊的RI值小于150，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余4個(gè)地塊的RI值介于150～300之間，屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。其中，4個(gè)中等風(fēng)險(xiǎn)的地塊中，土壤中汞元素的貢獻(xiàn)率分別為54.1%、48.7%、49.1%和53.7%，為主要污染元素。

圖2 被調(diào)查農(nóng)用地塊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)圖

總體來(lái)看，被調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)平均值為145.4，總體呈現(xiàn)輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但是以各元素的貢獻(xiàn)率來(lái)看，汞元素的貢獻(xiàn)率達(dá)到46.1%，為最高；鎘元素的貢獻(xiàn)率為31.9%，次之；其余6種金屬元素的貢獻(xiàn)率均不足10%。因此，本次調(diào)查地塊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以汞和鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主，需要引起管理部門(mén)的關(guān)注。

4 結(jié)論

1）被調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊土壤中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳、汞和砷的平均含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

2）采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果均表明，被調(diào)查的各地塊土壤中銅、鉛、鋅、鎘、鉻、鎳、汞和砷8種重金屬污染程度屬于無(wú)染物，污染等級(jí)為清潔。

3）被調(diào)查地塊土壤中8種金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)依次為汞＞鎘＞砷＞銅＞鎳＞鉛＞鉻＞鋅，其中銅、鉛、鋅、鉻、鎳、砷6種元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子均小于40，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；鎘和汞元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子介于40與80之間，屬于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4）被調(diào)查的10個(gè)農(nóng)用地地塊土壤中重金屬污染總體呈現(xiàn)輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其中汞和鎘元素的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到46.1%和31.9%，需要引起管理部門(mén)的關(guān)注。