濟南市洪范池地區土壤重金屬地球化學特征與潛在生態風險評價

摘要：為研究濟南市洪范池地區表層土壤重金屬地球化學特征，分析其影響因素，評價其潛在生態風險水平，在研究區進行了大比例尺土壤地球化學測量，分析了8種重金屬元素的含量，對其地球化學數據特征進行了多元統計分析，利用潛在生態風險指數法進行了風險評價。研究表明，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 7種元素含量與背景值接近，具有較小的變異系數和類似的空間分布特征，成土母質是控制其在表層土壤中分布的主要因素；Hg元素的平均含量明顯高于背景值，具有較大的變異系數和截然不同的空間分布特征，其在表層土壤中的分布人類活動的影響較為明顯。As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 6種重金屬均表現為輕微生態風險水平；Cd在大部分采樣點表現為輕微生態風險的水平；Hg表現了最高的潛在生態風險。研究區土壤總體狀況較好，主要污染因子為Cr和Hg。

關鍵詞：土壤；重金屬；生態風險；洪范池；濟南市

中圖分類號：X142；X825

文獻標識碼：A

0 引言

土壤是人類賴以生存和發展的重要物質基礎之一^［1-4］，近年來，隨著社會經濟水平不斷提升，諸多土壤環境污染問題也日益突出^［3-6］，特別是土壤重金屬污染越來越嚴重，而且由于重金屬不但具有高毒性，而且在土壤中具有遷移差、不降解、生物鏈累積顯著等特點^{［3-4，6-7］}，據《中國生態環境公報》（2019—2021），重金屬已經成為影響我國農用地土壤環境質量的主要污染物。諸多研究表明，生活垃圾、汽車尾氣以及工業生產等諸多因素都會引起重金屬在土壤中的富集^［8-9］。對土壤中重金屬元素的地球化學特征進行系統的研究，分析其來源及影響因素，科學評價土壤重金屬污染的潛在生態風險，有助于了解土壤環境質量狀況，為預防和應對土壤重金屬污染提供借鑒和參考^{［3，6，10-13］}。

近年來，許多學者對土壤中重金屬元素地球化學行為及其影響因素十分關注。對于土壤中重金屬的風險評價，很多學者從不同的出發點和側重角度，使用多種方法進行了分析研究^［14-17］，如單因子指數法、內梅羅綜合指數法、富集系數法、地累積指數法等。1980年，Hakanson^［18］在研究瑞典15個湖泊水系沉積物的污染水平時，引入污染物的毒性系數和毒性響應系數，首次提出潛在生態風險指數（potential ecological risk index）的概念，建立了環境污染生態風險評價體系，該方法將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，更注重重金屬元素對生態系統的危害性，可以為環境保護與治理提供較為科學的依據，后來被廣泛應用于水系沉積物、土壤、大氣沉降等諸多環境介質的生態風險評價。

洪范池鎮位于濟南市西南部，隸屬平陰縣管轄，全域土地為農用地，土壤環境對區域經濟的發展尤為重要，目前，尚無研究報道該地區土壤重金屬特征及生態風險水平。本次研究在系統性高密度采樣的基礎上，研究了洪范池地區土壤重金屬的地球化學特征，并對其主要物質來源和影響因素進行分析，對其潛在的生態風險水平進行了評價，旨在為地區土地規劃、整理和開發利用，推進土壤保護，制定經濟社會科學和可持續發展規劃提供相關依據。

1 研究區概況

研究區為洪范池鎮全域，總面積約96 km²，區內山巒縱橫交錯，遍布全鎮大部分地區，山地丘陵面積占總面積的70%，其余為溝谷坡地。區內社會經濟以農業生產為主，沒有工礦企業分布，耕地面積2 100余公頃。主要農作物有小麥、玉米、大豆、林果等。區內的土壤類型分為褐土、石灰性褐土、潮褐土、鈣質粗骨土4個亞類，以褐土和石灰性褐土分布最為普遍，研究區土壤類型分布情況見圖1。

2 材料與方法

2.1 樣品布設與采集

本次研究以調查區范圍內的表層土壤（0～20 cm）為對象。根據不同的土地利用類型，采樣點相對均勻地布設在旱地、水澆地、園地等農用地中（圖1），共布設了303個采樣點。在采集表層土壤樣品時，以布設點位為中心，向四周輻射50～100 m確定3～5個分樣點，每個分樣點（包括中心點）采集等份的土壤樣品組合成一個混合樣，分樣點土壤樣品的原始重量大于300 g，混合樣重量大于1 000 g。采集好的土壤用專用棉布樣品袋收集，并在保存與運輸中避免樣品之間的相互接觸污染。為避免農業施肥及灌溉的影響，本次研究于2021年3月底至4月份集中采集了所有的土壤樣品。

2.2 分析測試

本次研究所有樣品送至具有相關資質及分析條件的山東省第一地質礦產勘查院試驗室，分析測試均按照相關行業標準及規范的要求完成。

土壤全量樣品，分析方法主要以電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）、電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）為主要檢測方法，輔以原子熒光光譜法（AFS）、X-射線熒光光譜法（XRF）、發射光譜法（ES）、離子電極法（ISE）、容量法（VOL）和分光光度法（COL）等分析配套方法。樣品分析方法及檢出限見表1。

在分析測試時，依據采樣地區土壤樣品的性質及主要分析元素的背景值、平均值情況，兼顧高、中、低含量原則，選取國家土壤一級標準物質控制本次元素的精密度和準確度，每4個標準樣品為一個分析單元，以密碼形式插入每個分析批次（50個樣品號碼）預留的標準樣品位置，每個分析批次完畢后，統計每個標準物質的測量值與標準值對數偏差（ΔlgC）和對數標準偏差（λ），以此來控制每個分析批次的準確度和精密度，保證分析質量。

3 結果與討論

3.1 重金屬元素含量特征

在土壤元素的地球化學研究中，基準值與背景值是兩個較為重要的參數，通過對比土壤中重金屬元素的含量水平及區域基準值和背景值，可以在一定程度上反映其變化規律^［19-21］。洪范池地區表層土壤中8種重金屬元素背景值、均值、變異系數見表2，其中背景值參照龐緒貴等^［20］對平陰縣區域土壤地球化學的研究成果。統計結果顯示，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量的平均值分別為11.61 mg/kg、0.15 mg/kg、60.11 mg/kg、23.83 mg/kg、

0.03 mg/kg、27.70 mg/kg、23.93 mg/kg、69.18 mg/kg。

可以看出，Cr、Ni這兩種重金屬在研究區表層土壤中平均含量略低于區域背景值。As、Cd、Cu、Pb、Zn這幾種元素在研究區表層土壤中含量略高于區域背景值，表明這幾種重金屬元素在表層土壤中可能受到了一定程度的人類活動的改變，外源物質有一定的影響，但成土母質控制仍占主要地位。Hg在研究區表層土壤中含量明顯高于區域背景值，表明此類元素在研究區表層土壤中可能存在后期累積和富集現象。與此同時，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn具有較小的變異系數（＜30%），而Hg具有明顯較高的變異系數（74%），也表明了與大部分重金屬元素相比，Hg在研究區表層土壤中的分布空間差異性非常大，這種現象大多是由人類活動引起的，比如污灌、施肥等農業生產活動及交通影響^［6］。

3.2 重金屬空間分布特征

繪制了研究區表層土壤8種重金屬元素的地球化學圖（圖2）。根據元素含量高低值區域的分布特征，將8種元素分為3類。第一類，包括Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn這幾種重金屬元素，這類元素空間展布規律具有高度的一致性，其高值區主要分布于研究區的中部和北部，此部分地區土壤類型主要為褐土、潮褐土及石灰性褐土，體現了成土母質等自然過程對土壤中重金屬含量的控制；第二類，包括As，呈現出了北部低，中部和南部高的空間展布特征，其高含量區域的土壤類型主要為石灰性褐土，體現了與其他重金屬元素顯著不同的地球化學行為和成土母質影響；第三類，包括Hg，其低值區主要在研究區中部零星分布，高值區的分布也比較分散，也涵蓋了研究區內所有的土壤類型，因此，難以通過成土母質判斷自然背景對Hg在研究區表層土壤中含量的控制，但值得注意的是，Hg含量的高值區均分布在研究區內人類活動較為強烈的村鎮附近，由此推斷，Hg在研究區表層土壤中的含量可能與人類活動的關系較為密切，其空間分布特征與其較高的變異系數呈現了較好的一致性。

3.3 重金屬元素相關性分析

在土壤元素的地球化學行為研究中，主成分分析和聚類分析是較為常見的兩種分析方法，通過主成分分析和聚類分析，可以將多個研究目標或變量重新歸納或提取出相對較少的幾個新的組合變量，進而從相對繁雜的研究目標中提取主要的信息。在許多土壤重金屬元素的研究中，主成分分析和聚類分析被用來進行物源分析和影響因素的研究^［22-23］。

對洪范池地區表層土壤中8種重金屬元素進行了主成分分析，分析結果見圖3。

旋轉空間載荷圖顯示，8種元素可以獲取到2個主要成分（F1，F2）反映其大部分信息，絕大部分元素都具有兩個成分正值載荷，少量元素（Cu，Cd，Hg）則具有F1正值載荷和F2負值載荷，但Hg則具有明顯較高的F2負值載荷（＜-0.5），而Cu和Cd則具有較小的F2負值載荷（＞-0.1）。載荷圖也較為清晰的顯示了Hg明顯區別于其他幾種重金屬，而其他7中重金屬元素之間則沒有明顯的距離差，表明了在研究區表層土壤中，影響Hg分布的因素明顯區別于其他幾種重金屬，與人類活動關系較為密切。統計特征值也顯示了，Hg具有較大變異系數，顯示了Hg在研究區表層土壤中的分布經受了較為強烈的人類活動的影響和外源物質的改變。

以變量之間的皮爾森相關性作為參照，利用中位數聚類方法，對洪范池地區表層土壤中的8種重金屬元素進行了聚類分析，聚類分析樹狀圖（圖4）顯示，8種重金屬元素可以分成2組：第1組包括As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn，此類元素具有相近的物質來源及影響因素；第2組包括Hg。聚類樹狀圖顯示與重金屬含量特征值及因子分析結果表現出了高度的吻合性。

研究區表層土壤中重金屬元素的地球化學特征及多元統計分析結果表明：As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn這幾種重金屬元素在研究表層土壤中的含量主要受成土母質影響，而Hg在研究區表層土壤中的含量則與人類活動關系密切。

3.4 重金屬生態風險評價

利用Hakanson指數法評價研究區土壤中重金屬的潛在生態風險水平，其主要原理是先計算單項重金屬元素污染系數，然后引入毒性響應系數，得到重金屬潛在生態風險單項系數，最后加權得到綜合潛在生態風險指數。計算公式見式（1）、式（2）、式（3）：

C_f（i）=C_i/C₀（1）

E（i）=Ti×C_f（i）（2）

RI=∑n/i=1E（i）（3）

式中：E（i）—單項潛在生態風險指數；Ti—毒性響應系數；C_f（i）—污染系數；C₀—背景值水平；C_i—含量水平；RI—綜合生態風險指數。

不同污染物的毒性系數和生物生產力指數（bioproduction index，BPI）具有對應關系，輕微生態風險的BPI參考標準為5.0。由于土壤對不同重金屬的敏感性不同，所以不同重金屬的毒性系數與BPI的關系也有差別（表3）。

由于缺少相關數據，無法獲取BPI，本次研究用As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn重金屬的毒性系數代替其毒性響應系數，計算其單項風險指數，初步判斷研究區表層土壤絕大多數為輕微生態風險水平，再采用輕微生態風險的BPI值（5.0）計算Hg的單項風險指數及8種重金屬的綜合風險指數。

由于本次研究的8種污染物與Hankonson模型中污染物種類不同，需要對評價分級標準進行修正調整^［24］，修正調整后的單項與綜合潛在風險指數與風險程度的關系見表4。

對研究區表層土壤中8種重金屬元素進行了潛在生態風險評價（表5）。結果顯示：As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 6種重金屬在研究區所有表層土壤采樣點種均表現為輕微生態風險水平；Cd在大部分采樣點表現為輕微生態風險的水平，僅有5.28%的點位表現為中度生態風險水平，沒有更高級別的生態風險水平；Hg在所有8種重金屬元素中表現了最高的潛在生態風險，有33.66%的采樣點表現為中度生態風險水平，8.58%的采樣點表現為較強生態風險水平，0.66%的采樣點表現為強生態風險的水平。綜合潛在生態評價結果顯示，研究區土壤總體狀況較好，絕大多數采樣點位表現為輕或中度潛在生態風險，僅有少數點位（0.66%）表現為較強潛在生態風險的水平，沒有強或很強潛在生態風險。前文已提到，Hg在研究區表層土壤中的分布受到了較為強烈的人類活動的影響，有研究表明，工業生產和交通尾氣被認為是造成附近土壤中Hg污染的主要原因^［25］，而附近平陰縣城區附近有較多化工廠及熱電廠分布，因此，其他附近地區煤炭等化石燃料的燃燒產生的煙塵隨氣流沉降以及居民生活和汽車尾氣是影響研究區表層土壤重金屬污染的主要因素。

（1）對研究區土壤中8種重金屬元素進行分析測試，其中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 7種元素含量的平均值與區域背景值接近，這幾種元素空間分布特征具有一定的相似性；Hg元素含量平均值明顯高于區域背景值，空間分布特征與其他重金屬元素顯著不同。

（2）重金屬影響因素分析研究表明：As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn這幾種元素具有較高的相關性，其變異系數均較小，影響這幾種重金屬元素在表層土壤分布的主要因素是成土母質；Hg與其他幾種元素相關性較低，具有明顯較大的變異系數，其在表層土壤中的分布受到了較為強烈的人類活動的影響。

（3）潛在生態風險評價結果表明：As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 6種重金屬在研究區所有表層土壤采樣點種均表現為輕微生態風險水平；Cd有5.28%的點位表現為中度生態風險水平，沒有更高級別的生態風險水平；Hg在所有8種重金屬元素中表現了最高的潛在生態風險，有33.66%的采樣點表現為中度生態風險水平，8.58%的采樣點表現為較強生態風險水平，0.66%的采樣點表現為強生態風險的水平。

（4）綜合潛在生態評價結果顯示，研究區土壤總體狀況較好，絕大多數采樣點位表現為輕或中度潛在生態風險，僅有少數點位（0.66%）表現為較強潛在生態風險的水平，沒有強或很強潛在生態風險。

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Geochemical Characteristics and Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Topsoil of Hongfanchi Area in Ji'nan City

SUN Tianhe， GUO Zhong， SUN Peng， LI Zhiqiang， ZHANG Pan， ZHAO Xingqi， LI Shida

（No. 1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：In order to study geochemical characteristics of heavy metals in topsoil of Hongfanchi area in Ji'nan city， analyze their influencing factors， evaluate their potential ecological risk level， large-scale soil geochemical measurements have been conducted in the study area. The contents of 8 heavy metal elements have been analyzed. Multivariate statistical analysis on characteristics of geochemical data have been conducted. The potential ecological risk index method has been used for risk assessment. It is showed that the contents of seven elements， such as As， Cd， Cr， Cu， Ni， Pb and Zn are close to the background values， with small coefficients of variation and similar spatial distribution characteristics. The parent material of the soil is main factor controlling their distribution in the surface soil. The average content of Hg element is significantly higher than the background value， with a large coefficient of variation and distinct spatial distribution characteristics. Its distribution in the surface soil has been significantly influenced by human activities. The six heavy metals of As， Cr， Cu， Ni， Pb and Zn in the surface soil show a slight ecological risk level， Cd shows a slight ecological risk level in most sampling points， and Hg exhibits the highest potential ecological risk. The overall soil condition in the study area is good， and main pollutants are Cr and Hg.

Key words：Soil; Heavy metals; Ecological risk; Hongfanchi; Ji'nan city