吉林省黑土區土壤重金屬污染特征及生態風險評價

李金鳳 劉寶林 鄭紫郡 路曉慧 杭璐 劉思序 羅馨雨 尹方圓

摘要 以吉林省黑土區作為研究區域，利用隨機布點的方法采集26個土壤樣品進行調查研究，采用單因子污染指數法、內梅羅污染指數法、地積累指數法和富集系數法分析研究區內土壤重金屬的污染特征。結果表明，土壤樣品中Cu、Mn、As、Zn、Cr、Ni、Pb這7種重金屬元素的平均含量均超過吉林省重金屬元素背景值，其中Pb的含量最高，高于背景值6.44倍。參照《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995），As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的平均單項污染指數分別為1.103、0.369、0.282、0.301、0.278、1.725，說明研究區土壤主要受到Ni和As污染。內梅羅綜合污染指數為1.298，表明研究區土壤總體達到輕度污染的程度。Ni的超標樣點共20個，超標率達76.9%;As的超標樣點2個，超標率為7.7%;Pb的超標樣點只有1個，超標率為3.8%，其余元素均未超標。地積累指數法和富集系數法的評價結果顯示研究區內土壤環境中Pb達到了顯著污染的程度，Ni、Cr、Cu、As為中度污染，Fe、Mn、Zn為輕微污染程度，并未造成污染。

關鍵詞 黑土區;重金屬;污染特征;生態風險;地積累指數法;富集系數法

中圖分類號 X 53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）04-0083-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.04.022

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metals in Black Soil Area of Jilin Province

LI Jin-feng，LIU Bao-lin，ZHENG Zi-jun et al （College of Chemistry，Changchun Normal University，Changchun，Jilin 130032）

Abstract Taking the black soil area of Jilin Province as the research area，26 soil samples were collected for investigation and research using the random distribution method，single-factor pollution index method，Nemerow pollution index method，geo-accumulation index method and enrichment coefficient method were used to analyze the pollution characteristics of soil heavy metals in the study area.The results showed that the average content of the seven heavy metal elements （Cu，Mn，As，Zn，Cr，Ni，Pb） in the soil samples exceeded the background value of heavy metal elements in Jilin Province，and the content of Pb was the highest，which was 6.44 times higher than the background value.According to "Soil Environmental Quality Standards" （GB 15618-1995），the average single pollution indexes of As，Cu，Pb，Cr，Zn and Ni were 1.103，0.369，0.282，0.301，0.278 and 1.725，respectively，indicating that the soil in the study area was mainly affected by Ni and As pollution.Nemoro pollution index was 1.298，indicating that the soil in the study area generally reached the level of mild pollution.Ni exceeded the standard in 20 samples，with exceeding rate of 76.9%.There were 2 over-standard samples of As，the over-standard rate was 7.7%;the concentration of Pb was found to be higher than the standard value in one soil sample，and the over-standard rate was 3.8%;the other elements were all within limits.The evaluation results of geo-accumulation index method and enrichment factor index method showed that Pb in soil in the study area was significantly polluted，Ni，Cr，Cu and As were moderately polluted，Fe，Mn and Zn were slightly polluted but not polluted.

Key words Black soil area;Heavy metals;Pollution characteristics;Ecological risk;Geo-accumulation index method;Enrichment coefficient method

基金項目 吉林省科技發展項目（20200403020SF）。

作者簡介 李金鳳 （2000—），女，四川雅安人，從事土壤重金屬污染研究。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事水污染調查與防治研究。

收稿日期 2021-06-03

土壤重金屬污染是指由一種或多種重金屬及其化合物對土壤造成的污染。土壤重金屬污染元素主要有汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鎳（Ni）等。隨著工業的迅速發展和我國城市化進程的加快，土壤污染日益嚴重，重金屬作為典型的土壤污染物，其易隱蔽、易富集、難降解、在水中的移動性差等特點使其在土壤環境中長期累積，不但會破壞土壤原來的結構、功能和生態平衡，也可以通過植物吸收在植物體內富集轉化，通過食物鏈對人類帶來潛在的危害[1-2]。

近年來，許多學者采用不同的方法對土壤重金屬污染進行了研究，并取得了一定成果。如何東明等[3]應用地積累指數法和潛在生態風險指數法對廣西某蔗田土壤中重金屬污染進行評價，結果發現Cd、Zn、Pb、Cu這4種重金屬對土壤有不同程度的污染，處于低度危害程度;趙秀峰等[4]對某化工園區周邊土壤中重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg和As的污染進行了分析與評價，結果發現土壤中Cd、Hg、Cu和Pb的平均含量超過自然背景值;趙慶令等[5]應用富集系數法和地積累指數法對濟寧城區南部農田進行研究，結果表明As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn在土壤中含量較高但污染程度低，Cd、Hg雖然是輕微富集程度，但都有較高的毒性響應系數。筆者以吉林省為研究區域，對其黑土區土壤進行調查采樣，利用便攜式土壤重金屬測定儀測定其中重金屬Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Pb的含量，采用地積累指數法和富集系數法分析研究區土壤重金屬的污染特征并對其進行生態風險評價。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與前處理

將整個吉林省作為一個采樣單元，共采集26個樣品，具體采樣點見圖1。樣品采集過程中，利用塑料鏟采集0～5 cm的土壤表層土。在風干室將潮濕土樣用玻璃棒間斷地壓碎、翻動，使其風干，并除去碎石、砂礫及植物殘體等雜質后，充分混勻，采用四分法將其縮分后，統一存放于樣品瓶中，填寫標簽，等待測定。

1.2 樣品采集與數據處理

利用型號為Genius XRF_1.3.0_160316 R的便攜式土壤重金屬測定儀測定土壤樣品中各重金屬元素的含量。記錄測定儀顯示界面中的相關數據，并利用SPSS 20.0軟件對土壤重金屬含量和各重金屬元素間的相關性進行分析。

1.3 重金屬分析與評價方法 該研究應用單因子污染指數法、內梅羅污染指數法、富集系數法和地積累指數法研究吉林省黑土區土壤重金屬的污染特征及生態風險評價。

（1）單因子污染指數法。單因子污染指數法用于評價單一重金屬的污染程度，其計算方法如下：

Pi=CiSi（1）

式中，Ci為土樣中重金屬元素i的實測含量（mg/kg）;Si為土壤背景值或標準限值（mg/kg）。

（2）綜合污染指數。采用內梅羅污染指數法對重金屬進行綜合評價，其計算公式如下：

P綜=P平均值2+P最大值22（2）

（3）地積累指數法。

地積累指數是用來研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的一個定量指標[6-7]，它可以判別人為活動對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數[8]。地積累指數法對土壤重金屬污染程度的評價標準一共分為7級[9]，見表1。其表達公式如下：

Igeo=log2（Ci1.5Bi）（3）

式中，Ci為土樣中重金屬元素i的實測含量;Bi為重金屬元素i的環境背景值;常量1.5是用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響的轉換系數。

（4）富集系數法。富集系數是用來評價人類活動對土壤及沉積物中重金屬富集程度影響的重要參數[10]。以性質穩定且不易受環境與過程影響的參比元素為參考標準，對土壤樣品中的元素進行歸一化處理，常用的參比元素有Li、Mn、Ti、Al、Fe、Ca等[11-12]。其計算公式如下：

EF=（Ci/Cn）soil（Ci/Cn）background（4）

式中，（Ci/Cn）soil是土壤重金屬i與參比元素n的測定含量比;（Ci/Cn）background是土壤重金屬i與參比元素n的背景值含量比。Sutherland[13]根據EF值也就是富集系數的大小，將污染程度劃分為6個級別，如表2所示。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量水平 對處理后的土壤樣品進行描述統計分析，得到8種重金屬元素在黑土區的含量統計分析數據（表3）。吉林省土壤重金屬Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Pb的背景值分別為18.7 mg/kg、527 mg/kg、2.18%、21.2 mg/kg、16.9 mg/kg、52 mg/kg、11.08 mg/kg、11.4 mg/kg[14]。吉林省黑土區Cu、Mn、As、Zn、Cr、Ni、Pb這7種重金屬元素的平均含量分別高于背景值1.19、0.04、1.99、0.33、2.22、3.07、6.44倍，均超過吉林省重金屬元素背景值，其中Pb、Ni、Cr含量較高，而Fe元素未超過其背景值。

2.2 元素間的相關性分析

對重金屬元素之間進行雙變量相關分析，結果發現（表4），Mn、Fe、As、Zn之間表現出顯著正相關，這可能與地殼中的巖石和礦物風化過程有關。Ni與Mn、Fe呈極顯著負相關，說明Ni與Mn、Fe的來源不同，前者主要來自工業廢水排放等人為活動，后者主要來自地殼變遷、巖石風化等天然過程。As與Pb表現為極顯著正相關，這可能與兩者的主要來源都是人為污染源有關。Cu與Zn表現為顯著負相關，可能是與土壤對鋅的吸附作用和土壤中有機質對銅的絡合作用有關。

2.3 土壤重金屬污染評價 根據土壤環境質量標準值（GB 15618—1995）[15]Ⅱ類土壤As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni濃度限值分別為30、100、300、200、250、50 mg/kg。對重金屬元素的污染程度進行評價，結果發現（表5），Ni的單項污染指數最大，達1.725;As的單項污染指數為1.103，僅次于Ni，兩者達到輕污染程度;Cu、Pb、Cr、Zn的單項污染指數均小于1，均屬于清潔。

根據公式（2）計算得出吉林省土壤重金屬的內梅羅綜合污染指數（P綜）為1.298，總體達到輕度污染程度。從各采樣點重金屬的組成和平均含量分布（圖2）可以看出，各采樣點重金屬含量變化較大。Ni的分布范圍較廣，超標率也是最大，共20個超標樣點，超標率為76.9%;As的超標樣點2個，超標率為7.7%;Pb僅1個超標樣點，超標率為3.8%;Cr的分布范圍也較廣，但沒有超標樣點;其余重金屬元素分布范圍一般，均沒有超標樣點。由元素間的相關性和單因子評價結果可知，吉林省土壤主要受到Ni、As污染，Ni的主要來源可能是巖石風化、大氣降塵、含鎳廢水的排放、鎳肥的使用等，As的主要來源可能是砷礦的開采、含砷礦石的冶煉和硫酸、醫藥等行業所排放的工業“三廢”以及含砷農藥的不合理使用等。

由圖2可知，長春市雙陽區土壤重金屬的Pb含量和Zn含量都高于其他地區，這可能與雙陽種畜場中含Pb農藥和含Zn農藥的大量使用有關;吉林省幾乎每個地區的土壤Ni含量都比較高，這可能是因為Ni有巖石風化、大氣降塵、含Ni廢水的排放和Ni肥使用等多種來源途徑，導致Ni的分布范圍較廣，含量較高。

利用吉林省土壤重金屬元素背景值計算出Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、As、Zn這8種元素的地積累指數（Igeo），從表6可以看出，Fe、Mn、Zn的Igeo均為負數，未造成污染;Cu和As的污染程度為無污染—中度污染;Cr和Ni受到中度污染;Pb最為嚴重，為中度污染—強污染。

該研究選擇Fe作為參比元素，計算各重金屬元素的富集系數，結果見表7。從表7可以看出，Pb為顯著污染，Cr、Cu、As、Ni為中度污染，其余重金屬均為輕微污染。

比較這4種評價方法的分析結果可以得到，研究區內主要受到Pb、Ni、Cr這3種土壤重金屬污染，尤其以Pb、Ni最為嚴重。Ni、Cr的主要來源是冶煉、印染等行業排放的工業“三廢”，Pb的主要來源有燃煤排放、含鉛農藥、汽車尾氣和一些工業“三廢”。這些分析結果表明吉林省土壤主要受到人類生產和生活活動的影響。

3 結論

（1）從研究結果來看，土壤樣品中As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni的平均含量均高于背景值，其中Pb的含量最高，高于背景值6.44倍;內梅羅綜合污染指數為1.298，土壤達到輕度污染的程度。Ni的超標樣點共20個，超標率達76.9%;As超標樣點2個，超標率為7.7%;Pb僅1個超標樣點，超標率為3.8%，其余元素均未超標。這可能與人類活動有關。

（2）地積累指數法和富集系數法的評價結果表明吉林省黑土區Pb污染較為嚴重，受到了人為活動排放的影響。Ni、Cr、Cu、As為中度污染，Fe、Mn、Zn為輕微污染程度，并未造成污染。

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