应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价_赵庆令.pdf

2015 年 1 月 January 2015 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 34，No． 1 129 ～137 收稿日期 2014 －03 －05; 修回日期 2014 －07 －07; 接受日期 2014 －08 －09 基金项目 山东省济宁市南部农业地质调查项目 鲁国土资［ 2005］ 753 作者简介 赵庆令， 工程师，从事环境影响评价及仪器分析研究工作。E- mail zqlzb126． com。 文章编号 02545357 2015 01012909 DOI 10． 15898/j． cnki． 11 －2131/td． 2015． 01． 017 应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤 重金属污染特征及生态风险评价 赵庆令1， 2，李清彩1， 2，谢江坤3，李元仲1，姬永红1，庞成宝1，万淼4 1． 山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州 272100; 2． 中国地质大学 武汉 环境学院，湖北 武汉 430074; 3． 中建中环工程有限公司，江苏 南京 210008;4． 山东省物化探勘察院，山东 济南 250013 摘要 评价土壤中重金属污染的方法有单因子指数法、 内梅罗综合指数法、 地累积指数法、 潜在生态危害指数法 等， 但迄今尚没有成熟的、 统一的标准。本文以济宁城区南部农田为研究区域， 采集 77 件土壤样品进行调查， 光谱、 质谱等技术分析结果表明土壤环境中 8 种重金属 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn 平均含量分别为 16． 7、 0．270、 88．4、 33．0、 0．050、 40．4、 29．3、 89．1 mg/kg， 与黄淮海平原土壤生态地球化学基准值相比， Hg、 Cd 分别高于 基准值的1．50 倍、 1．39 倍， 其他重金属高于基准值的0．26 ～0．52 倍。Hg 与 As、 Cr、 F、 pH、 Cu、 Ni、 TFe2O3呈显著 负相关， 表明土壤受到了 Hg 的不同程度人为污染。用富集系数法和地累积指数法分析区内 8 种重金属元素的 污染 富集 程度， 均表明土壤环境中 Hg、 Cd 为轻微污染 富集 程度， 其他 6 种元素均为无污染。将该区域重 金属含量与其生物毒性系数、 生态效应、 环境效应相结合， 运用潜在生态危害指数法对重金属污染进行生态风 险评价。结果显示， 8 种重金属的潜在生态危害由强至弱依次为 Hg ＞ Cd ＞ As ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn， 与污染 富集 程度排序差异明显; 尽管 Hg、 Cd 在研究区内仅仅为轻微 富集 程度， 但都具有较高的毒性响应系数， 两 元素对土壤综合潜在生态危害的贡献率之和达到了81．26。借助 MapGIS 绘制研究区潜在生态风险程度评价 图， 表明区内土壤环境总体上处于 “中度” 潜在生态风险， 约6．83的面积呈 “强” 和 “很强” 潜在生态风险， 其中 复兴河、 姚楼河、 京杭运河3 条河流交汇处的局部区域 占研究区面积的 0．50 达到了 “很强” 潜在生态风险。 通过调查可疑人为污染源发现 ， “强” 和 “很强” 潜在生态风险区域的布局恰好与区内煤矿生产开采活动相关。 本文提出， 应当注重对煤矿开采矿井周边区域土地复垦及污染防治工作， 尤其是加强土壤中 Cd、 Hg 的物理化学 改良及生物治理修复工作， 防止 Hg、 Cd 进一步污染扩散。 关键词 土壤; 重金属污染特征; 富集系数; 地累积指数; 生态风险评价; 济宁 中图分类号 S151． 93文献标识码 A 土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的 重要资源， 随着国民经济的迅速发展， 土壤污染尤其 是重金属污染越来越突出。重金属是典型的土壤污 染物， 具有隐蔽性、 难降解、 移动性差和易被富集等 特点， 可影响土壤微生物区系、 生态物种和微生物过 程， 进而影响生态系统的结构与功能， 并通过食物链 在人体内蓄积构成潜在危害 ［1 ］。土壤重金属污染 问题 已 经 引 起 了 全 世 界 的 高 度 重 视 和 深 入 研究 ［2 －4 ］。 目前， 国内外评价土壤中重金属污染的方法较 多， 如单因子指数法、 内梅罗综合指数法、 污染负荷 指数法、 综合响应因子法、 生物效应浓度法、 次生相 与原生相分布比值法、 富集系数法、 地累积指数法、 潜在生态危害指数法等， 但迄今为止尚没有成熟的 方法和统一的标准 ［5 ］。例如， 涂常青等［6 ］利用地累 积指数法和潜在生态危害指数法研究了梅州市某硫 铜矿矿区周边农田土壤中重金属的污染特征及生态 危害， 发现硫铜矿矿区周边农田土壤中 Pb 的生态风 险占主导地位; Ogunkunle 等 ［7 ］利用单因子指数法、 内梅罗综合指数法及潜在生态危害指数法调查了尼 921 ChaoXing 日利亚西南部一个大型水泥厂周围土壤的重金属污 染状况及生态风险特征， 认为 Cd 在该区域土壤中 具有非常高的潜在生态风险， 应进行必要的生物修 复; Amuno［8 ］利用富集系数法和潜在生态危害指数 法研究了卢旺达万人坑公墓周围土壤中重金属的分 布特征及潜在生态危害， 认为土壤中累积的重金属 含量没有构成显著的生态风险; Mohsen 等 ［9 ］利用主 成分分析法、 富集系数法及潜在生态危害指数法研 究了德黑兰主要街区土壤中重金属污染特征、 污染 来源和生态风险状况， 发现高速公路附近土壤的生 态风险指数远大于伊朗科学技术大学校区的生态风 险指数; 卢岚岚等 ［10 ］利用内梅罗综合指数法、 地累 积指数法和潜在生态危害指数法研究了安徽淮南顾 桥煤矿矸石山附近表层土壤中重金属元素的富集特 征及生态风险状况， 结果表明土壤中 Zn、 Pb、 Cd、 Ni、 Cr、 Cu 的浓度随距矸石山距离增加而降低， 随土壤 深度变化趋势不显著， 除 Cd 外， 其余元素均未造成 潜在生态风险; 楠定其其格等 ［11 ］利用生物效应浓度 法和潜在生态危害指数法对内蒙古岱海湖沉积物中 重金属分布特征及生态风险进行了研究， 结果表明 岱海表层沉积物中重金属存在产生生物毒性的可能 性。由于每种方法都有其局限性， 因此有必要采用 多种方法进行综合评价， 以便相互补充和借鉴， 使评 价结果更符合实际情况。此外， 不同的评价体系基 于不同的理论基础和实验方法， 它们之间的相互联 系和对应关系仍值得探讨和研究 ［12 －13 ］。 济宁市南部区域经济主要以农业、 水产养殖业、 采矿为主， 这里土地肥沃， 水利设施齐全， 农业基础 较好， 是著名的国家商品粮、 优质大米和淡水鱼生产 基地， 有山东省 “鱼米之乡” 之美誉。土壤质量关系 到农业生产安全， 但目前对于当地土壤的重金属污 染状况研究甚少。本文以济宁城区南部农田为研究 区域， 对土壤进行调查采样， 利用电感耦合等离子体 质谱仪、 电感耦合等离子体发射光谱仪、 原子荧光光 谱仪、 红外硫碳测定仪等仪器分析其中重金属 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn 的含量， 采用富集系数法 和地累积指数法两种方法对土壤重金属污染 富 集 程度进行分析和评价; 并将该区域重金属含量 与重金属的生物毒性系数、 生态效应、 环境效应相结 合， 运用潜在生态危害指数法对重金属污染进行了 生态风险危害程度评价， 以期为济宁南部区域的土 壤质量评价及土地利用规划提供基础性指导。 1研究区域基本概况 研究区位于山东省济宁市南部洸府河与微山湖 以西的平原区， 包括鱼台县全部、 济宁市任城区的安 居、 许庄、 唐口、 喻屯等乡镇， 金乡县高河、 卜集、 胡集 和嘉祥县金屯等乡镇的部分区域。地理坐标为东经 116 22 00″ ～ 116 49 00″，北 纬 34 53 50″ ～ 352100″， 面积 1132 km2。本区属温带半湿润季风 气候， 四季分明， 多年 1958 ～ 2013 年 平均气温 13． 6℃， 平均降水量为 649． 4 mm， 平均水面蒸发量 为 1671 mm。工作区属淮河流域南四湖水系， 南阳 湖系众水汇集之中心， 境内河流较多， 较大的河流有 京杭运河、 洙水河、 万福河、 洙赵新河、 东鱼河等， 以 上河流呈放射状流入南四湖。区内矿产资源丰富， 主要矿种为煤， 总储量达 4． 5 亿吨， 主要煤矿有济宁 二号煤矿、 安居煤矿、 王楼煤矿、 湖西煤矿、 鹿洼煤矿 等。经济以农、 渔、 林、 采矿、 化工、 造纸为主。 区内土壤类型共有壤质潮土、 黏质潮土、 硫酸盐 盐化潮土、 潮土型幼年水稻土、 湿潮土型幼年水稻 土、 砂姜黑土型幼年水稻土、 盐化潮土型幼年水稻 土、 潜育型幼年水稻土 8 个土属， 各土属的土壤中绝 大多数元素的含量值总体相差不大， 这说明了本区 土壤地球化学元素特征值受土壤类型影响较小。 2样品分析与重金属污染和生态风险评价 方法 2． 1样品采集与指标分析 将研究区以4 km 4 km 划分为一个采样单元， 采用 “多坑点采集” 、 “多层样品组合” 的方法和“S” 形布点原则， 进行土壤样品采集工作。土壤样品的 采集深度为 0 ～20 cm， 采集工具为铁铲。样品采集 过程中， 将与金属器具接触的土壤剥去， 并去除杂 草、 草根、 砾石、 砖块、 肥料团块等杂物， 采集新鲜无 沾污的土壤样品， 将土壤样品充分混合， 采用四分法 将混合土壤缩分。采集约 1 kg 的样品统一用布袋 放存， 写好标鉴， 送检。 土壤样品由湖北省地质实验研究所采用各类仪 器分析重金属元素的含量 电感耦合等离子体质谱 法测定 As、 Cd; 电感耦合等离子体发射光谱法测定 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn、 S、 TFe2O3; 原子荧光光谱法测定 Hg; 离子选择性电极法测定 F; 玻璃电极法测定 pH; 燃烧氧化 － 非分散红外吸收法测定有机碳。分析过 程中均采用标准样、 密码样、 监控样等多种监控手 段， 保证了分析质量的可靠性， 测试质量已通过山东 国土资源厅专家组的验收。 2． 2重金属污染评价方法 2． 2． 1富集系数法 031 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2015 年 ChaoXing 富集系数 Enrichment Factor， EF 指数 ， 是评价 人类活动对土壤及沉积物中重金属富集程度影响的 重要参数。其基本含义， 是将样品中元素的浓度与 背景中元素的浓度进行对比， 以此判断表生环境介 质中元素的污染状况 ［14 ］。标准化元素常选择表生 过程中地球化学性质稳定的元素作为参比， 如 Al、 Ti、 Fe、 Sc 等 ［15 －16 ］。其计算公式如下 EF ［ Ci/Cn］ sediment ［ Ci/Cn］ background 式中 ［ Ci/Cn］ sediment是土壤中金属 i 与标准化元素 n 的测定含量比， ［ Ci/Cn］ background是土壤中金属 i 与标 准化元素 n 的背景值含量比。Sutherland［17 ］根据富 集系数 EF 值 的大小， 将污染程度划分为 6 个级 别， 如表 1 所示。 2． 2． 2地累积指数法 地累积指数法 Index of geoaccumulation， Igeo 是 德国科学家 Muller 在1969 年提出的， 它是一种研究 土壤、 沉积物中重金属污染程度的定量指标， 近年来 已被国内外学者 ［18 －20 ］广泛应用于人为活动产生的 重金属对土壤污染的评价。其公式为 Igeo log2 Ci 1． 5 B [] i 式中 Ci是样品中元素 i 的实测浓度; Bi是土壤中元 素 i 的地球化学背景值。重金属地累积指数 Igeo 分级与污染程度的关系 ［20 ］列于表 1。 表 1富集系数和地累积指数评价指标 Table 1Enrichment factor and geo- accumulation index 等级EF 值富集 污染 程度等级 Igeo值 富集 污染 程度 Ⅰ ≤1 无富集 无污染Ⅰ≤0 无富集 无污染 Ⅱ1 ～2轻微富集 轻微污染Ⅱ0 ～1轻微富集 轻微污染 Ⅲ2 ～5中度富集 中度污染Ⅲ1 ～2中度富集 中度污染 Ⅳ5 ～20显著富集 强污染Ⅳ2 ～3中强富集 中强污染 Ⅴ20 ～40 强烈富集 较强污染Ⅴ3 ～4强富集 强污染 Ⅵ＞40极强富集 极强污染Ⅵ4 ～5较强富集 较强污染 Ⅶ＞5极强富集 极强污染 2． 3重金属生态风险评价方法 潜在 生 态 危 害 指 数 法 是 由 瑞 典 科 学 家 Hakanson 于 20 世纪 80 年代创建的， 该方法主要以 土壤、 沉积物中重金属的元素背景值为基础， 并结合 重金属的生物毒性系数、 生态效应、 环境效应， 计算 出重金属生态危害指数 RI 值 ［21 －22 ］。其计算公式 如下 RI ΣEir Tir Cif Tir Cis Cin 式中 Cis为土壤第 i 种重金属实测值 mg/kg ; Cin为土壤背景值， 本文取黄淮海平原土壤［23 ］重金 属含量 mg/kg ; Cif为第 i 种重金属的污染系数， Ti r 第 i 种重金属的毒性系数， 反映重金属的毒性强度 及水体对重金属的敏感程度， 有关重金属元素毒性 系数为 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn 分别为 10、 30、 2、 5、 40、 5、 5、 1［21 ］; Eir为土壤中某一重金属的潜在生 态危害系数; RI 值为某一点土壤多种重金属综合潜 在生态风险指数。重金属生态风险系数 Eir与其潜 在生态风险程度 RI 值关系 ［6 －13， 21 ］如表 2 所示。 表 2生态危害程度及生态风险程度评价指标 Table 2Ecological risk level and its assessment index Eir潜在生态危害程度RI潜在生态风险程度 ＜40轻度＜150轻度 40 ～80中度150 ～300中度 80 ～160强300 ～600强 160 ～320很强＞600很强 ＞320极强 3研究区重金属含量水平和污染特征 3． 1重金属元素含量水平 济宁南部区域 77 件土壤样品中重金属含量的 变化及平均值见表 3。由表 3 可见， 研究区重金属 元素含量范围 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 变化幅度不大， 变 异系数均低于 19; As、 Cd、 Hg 含量变化幅度较大， Hg 的含量为 0． 022 ～ 0． 335 μg/g， 变异系数达 91， Cd 的含量为 0． 11 ～ 0． 68 μg/g， 变异系数达 35， As 的含量为 5． 9 ～ 22． 9 μg/g， 变异系数达 28， 在单个样点数值上也表现出 Hg 元素有极个 别样点含量偏高， 这表明表层土壤中的 As、 Cd、 Hg 元素受后期人为活动的干扰影响较大。就平均值而 言， As、 Cd、 Cr、 Cu、 Hg、 Ni、 Pb、 Zn 均高于黄淮海平原 土壤生态地球化学基准值， 其中 Hg、 Cd 最为严重， 分别高于基准值的 1． 50 倍、 1． 39 倍， 其他重金属高 于基准值的 0． 26 ～0． 52 倍。从各元素的采样点超 标率比例也可以看出， Hg 最为严重， 采样点超标率 达到 100， Cd、 Zn、 Cr、 Cu、 Pb 略次之， 均有 90 以 上的样点超标; As、 Ni 最轻， 但也均有 82的采样点 超过背景值。 131 第 1 期赵庆令， 等 应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价第 34 卷 ChaoXing 表 3土壤重金属元素含量分析统计 Table 3Statistics of heavy metal concentration in soils 项目AsCdCrCuHgNiPbZn 含量最小值 μg/g5．90．1161．7 18．30．02224． 618．257．5 含量最大值 μg/g22．90．68102．4 51．20．33549． 334．1112． 5 含量平均值 μg/g16．70．27088．4 33．00．05040． 429．389．1 含量背景值 μg/g110． 113 66230．02322262 标准偏差 μg/g4． 600．10 11．525．970．056． 893．7812． 75 变异系数 2835 131891171314 超标率 81．82 98．7092．2192．21100．0081．8290．9194．81 采用 SPSS 21 软件对 77 件土壤样品的相关指 标进行双变量相关分析， 不同元素间相关关系如表 4 所示。有机碳与 Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 六种元素表 现出极显著的正相关性， 与 As 呈显著正相关， 这可 能是因为沉积物的有机质可提高截留可交换态重金 属的能力 ［24 ］; S、 TFe 2O3与 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 七种元素表现出极显著的正相关性， 这可能与 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 七种元素较高的亲铁亲硫特性 有关 ［25 ］; F 与 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn 七种元素均 表现出极显著的正相关性， 这可能是因为 F 能与许 多金属形成易挥发、 易溶解的络合物， 对这些金属元 素的迁移、 富集起着极其重要的作用 ［25 ］; 而 pH 仅 与 As、 Ni 表现出极显著的正相关性， 与 Hg、 有机碳 呈极显著的负相关性， 与 Cr 呈显著正相关， 由于 pH 与重金属的作用机制较为复杂， pH 的影响机理目前 尚不明确 ［24 ］， 有待于进一步研究。 As － Cd － Cr － Cu － Ni － Pb － Zn 之间、 表现出 极显著的正相关， 存在共同变化的趋势， 说明了这些 重金属有着共同的自然源或人为污染源 ［26 ］。另外， Hg 与 As、 Cr、 F、 pH 呈极显著的负相关， 与 Cu、 Ni、 TFe2O3呈显著负相关， 不难看出， Hg 与 As、 Cr、 F、 pH、 Cu、 Ni、 TFe2O3不存在共同的来源， 这种现象可 能是济宁南部区域土壤中受到了 Hg 的不同程度人 为污染所致， 本研究将采用富集系数法和地累积指 数法进行证实。 3． 2重金属污染 富集 特征分析 3． 2． 1富集系数分析重金属污染特征 以黄淮海平原土壤生态地球化学基准值数据作 为背景值 ［23 ］， 采用 Fe 元素作为校准元素进行对比 计算富集系数。对 8 种重金属的富集系数 EF 进 行分析比较 表 5 ， 可以得出 8 种元素富集 污染 程度排列为 Hg 1． 99 ＞ Cd 1． 77 ＞ As 1． 10 ＞ Zn 1． 07 ＞ Cu 1． 06 ＞ Pb 1． 00 ＞ Cr 0． 99 ＞ Ni 0． 93 。Hg、 Cd、 As、 Zn、 Cu 区域富集污染级 别为Ⅱ级， 属轻微污染; Pb、 Cr、 Ni 为Ⅰ级， 无污染， 其中， 超过94 采样点的Ni、 超过70 采样点的 表 4济宁南部区域土壤中不同元素间相关关系 Table 4Correlationship between different elements in soils of Southern Jining 元素AsCdCrCuHgNiPbZnFSOrgC TFe2O3 pH As10．501＊＊0．915＊＊0．722＊＊－0．312＊＊0．901＊＊0．677＊＊0．762＊＊0．887＊＊0．433＊＊0．290*0．851＊＊0．451＊＊ Cd10．561＊＊0．425＊＊－0．1300．527＊＊0．447＊＊0．515＊＊0．505＊＊0．350＊＊0．433＊＊0．491＊＊0．124 Cr10．778＊＊－0．307＊＊0．963＊＊0．827＊＊0．852＊＊0．891＊＊0．520＊＊0．502＊＊0．943＊＊0．266* Cu10．233*0．832＊＊0．766＊＊0．940＊＊0．681＊＊0．349＊＊0．489＊＊0．778＊＊0．107 Hg1－0．274*－0．0340．079－0．300＊＊－0．0880．132－0．252*－0．327＊＊ Ni10．813＊＊0．898＊＊0．871＊＊0．424＊＊0．441＊＊0．930＊＊0．293＊＊ Pb10．822＊＊0．644＊＊0．407＊＊0．591＊＊0．813＊＊－0．103 Zn10．740＊＊0．363＊＊0．531＊＊0．857＊＊0．117 F10．480＊＊0．373＊＊0．836＊＊0．408＊＊ S10．665＊＊0．480＊＊－0．104 OrgC10．490＊＊－0．350＊＊ TFe2O310．222 pH1 注 * 代表 P ＜0．05; ＊＊代表 P ＜0．01。 231 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2015 年 ChaoXing Cr、 超过 66 采样点的 Pb 为无富集; Hg、 Cd、 As、 Zn、 Cu 存在 76 ～84 的采样点为元素轻微富集; Hg 和 Cd 均存在 15． 58的采样点为中度富集。 3． 2． 2地累积指数分析重金属污染特征 仍以黄淮海平原土壤生态地球化学基准值数据 作为背景值 ［ 23 ］进行计算， 8 种重金属的地累积指数统 计结果如表 5 所示， 可以得出 8 种元素 Igeo排列为 Cd 0．60 ＞ Hg 0． 45 ＞ As － 0． 06 ＞ Zn －0．08 ＞ Cu － 0． 09 ＞ Cr － 0． 18 ＞ Pb － 0． 19 ＞ Ni －0．27 ， Cd、 Hg 区域富集污染程度为轻微污染; 其他元素均属无污染。其中， 超过 93采样点的 Ni、 超过93采样点的 Pb、 超过84采样点的 Cr 为无富 集; Hg、 Cd、 As、 Zn、 Cu 存在 48 ～81的采样点为元 素轻微富集; Cd 和Hg 均存在9．05的采样点为中度 富集， 这表明该地区 Hg、 Cd 元素在人类生产、 生活活 动的影响下， 积累明显， 尤其以 Hg 显著， 还有1．30 的采样点存在 Hg 元素强污染。 结合富集系数及地累积指数的分析结果， 可见 EF 与 Igeo的评价结果基本一致， 研究区内 Hg、 Cd、 As 富集污染程度为轻微污染， 尤其以 Hg、 Cd 最为严 重， 这表明该研究区 Hg、 Cd 元素在人类生产、 生活 活动的影响下积累明显， 个别区域甚至存在 Hg 元 素强污染， 而 As、 Zn、 Cu、 Cr、 Pb、 Ni 元素富集污染程 度均为无污染， 说明它们主要来自于岩石矿物的风 化、 侵蚀及土壤母质。 4研究区生态风险评价 4． 1重金属潜在生态危害程度评价 土壤重金属单元素及综合潜在生态危害指数计 算数据统计结果如表 6 所示。分析单个重金属元素 潜在生态危害程度等级及均值可以发现， 对该区土 壤潜在生态环境危害最大的元素是 Hg， 潜在危害程 度排序为 Hg 99． 30 ＞ Cd 71． 65 ＞ As 15． 16 ＞ Cu 7． 17 ＞ Pb 6． 65 ＞ Ni 6． 32 ＞ Cr 2． 68 ＞ Zn 1． 44 。元素 As、 Cu、 Pb、 Ni、 Cr、 Zn 在研究区域的 平均值均小于 40， 表明这些重金属元素都处于轻度 生态危害程度， 并且各采样点生态危害程度相差不 大。Hg、 Cd 主要在 “中度” 、 “强” 、 “很强” 生态危害 等级中分布， 土壤中 Hg 的生态危害最大 ， “强” 、 “很 强” 和 “极强” 生态危害的样品数占总数的 32. 47， “中度” 生态危害的样品数占总数的 67. 53， 其指 数均值高达 99. 30， 为“强” 潜在生态危害等级; Cd 元素强潜在生态危害等级以上的土壤样品占总数的 18. 18， “中 度”生 态 危 害 的 样 品 数 占 总 数 的 75. 33， 其指数均值为 71. 65， 属“中度” 潜在生态 危害等级。 表 5土壤重金属元素富集系数和地累积指数评价特征值统计 Table 5Eigenvalue Statistics of enrichment factor and geo － accumulation index of heavy metals in soils 元素 EF 变化范围平均值 EF ＜1 样品数比率 1 ＜ EF ＜2 样品数比率 2 ＜ EF ＜5 样品数比率 5 ＜ EF ＜20 样品数比率 20 ＜ EF ＜40 样品数比率 As0．61 ～1． 391．101823． 385976．62000000 Cd0．94 ～3． 901．7711．306483．121215．580000 Cr0．68 ～1． 130．995470． 132329．87000000 Cu0．76 ～2． 061．061519． 486179．2211．300000 Hg0． 77 ～15．511．991722． 084457．141215．5845．1900 Ni0．68 ～1． 020．937394． 8145．19000000 Pb0．67 ～1． 571．005166． 232633．77000000 Zn0．79 ～1． 561．071316． 886483．12000000 元素 Igeo 变化范围平均值 Igeo＜0 样品数比率 0 ＜ Igeo＜1 样品数比率 1 ＜ Igeo＜2 样品数比率 2 ＜ Igeo＜3 样品数比率 3 ＜ Igeo＜4 样品数比率 As－1． 48 ～0．47－0． 062735． 065064．9400－0－0 Cd－0． 62 ～2．000． 6079．096280．5279．0911．30－0 Cr－0． 68 ～0．05－0． 186584． 421215．5800－0－0 Cu－0． 91 ～0．57－0． 094051． 953748．0500－0－0 Hg－0． 45 ～3．480． 452329． 874153．2579．0956． 4911．30 Ni－0． 96 ～0．04－0． 277293． 5156．49－0－0－0 Pb－0． 86 ～0．05－0． 197293． 5156．49－0－0－0 Zn－0． 69 ～0．27－0． 083950． 653849．35－0－0－0 331 第 1 期赵庆令， 等 应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价第 34 卷 ChaoXing 表 6土壤重金属元素潜在生态危害评价特征值统计 Table 6Eigenvalue Statistics of potential ecological risk of heavy metals in soils 元素 Eir 变化范围平均值 Eir≤40 样品数比率 40 ＜ Eir≤80 样品数比率 80 ＜ Eir≤160 样品数比率 160 ＜ Eir≤320 样品数比率 Eir＞320 样品数比率 As5． 36 ～20．8215．167710000000000 Cd29． 20 ～180． 5371．6556．495875．331215．5822．6000 Cr1．87 ～3． 102．687710000000000 Cu3． 98 ～11．137．177710000000000 Hg44 ～67099．30005267．531519．48810．3922． 60 Ni3．87 ～7． 706．327710000000000 Pb4．14 ～7． 756．657710000000000 Zn0．93 ～1． 811．447710000000000 Hg、 Cd 两元素对土壤综合潜在生态危害的贡献 率之和达到了81．26 图1 ， 仅 Hg 元素的贡献率就 达到了47．20， 说明 Hg 对土壤的潜在生态危害最 严重， 潜在生态危害综合指数为44 ～670， 说明局部地 区已出现 Hg“极强” 潜在生态危害; Cd 略次之 34．06 ， 潜在生态危害综合指数为29．2 ～180．53， 说明局部地区已出现 Cd “很强” 潜在生态危害。 图 1重金属元素对潜在生态危害贡献率示意图 Fig． 1Contribution characteristics of heavy metals to potential ecological risk 4． 2潜在生态风险程度评价 借助 MapGIS 对济宁南部区域土壤中 8 种重金 属潜在生态风险指数 RI 评价结果绘制成重金属潜在 生态风险程度评价图， 如图 2 所示， 大部分研究区处 于中度潜在生态风险， 面积占整个研究区面积的 86．67; 安居镇的后堰口村附近、 唐口镇的陈庄和李 集附近、 喻屯镇的郑庄和刘官屯附近、 老寨镇的东北 角等区域处于强潜在生态风险， 占整个研究区面积的 6．33; 复兴河、 姚楼河、 京杭运河 3 条河流的交汇处 处于很强潜在生态风险， 占整个研究区面积的 0．50。济宁南部区域“强” 潜在生态风险区及“很 强” 风险区的布局正好与济宁南部区域中煤矿生产矿 井相对应， 可见研究区内的有关煤矿企业的生产活动 产生的废水、 粉尘、 废气对周边土壤污染比较严重， 应 当注重对煤矿周边农田的土地复垦与污染防治工作， 尤其是针对土壤中 Cd、 Hg 的治理工作。 5结语 1 济宁南部区域土壤环境中重金属的含量与 黄淮海平原土壤生态地球化学基准值相比， Hg、 Cd 分 别高于基准值的1．50 倍、 1．39 倍， 其他重金属高于基 准值的0． 26 ～0． 52 倍。经双变量相关分析， 可明显 看出， Hg 与 As、 Cr、 F、 pH、 Cu、 Ni、 TFe2O3不存在共同 的来源， 是因 Hg 受到不同程度的人为污染所致。 2 济宁南部区域土壤环境总体处于“无 ～ 轻 微” 污染程度。采用 EF 和 Igeo的评价结果均得出 8 种元素富集 污染 程度排列为 Hg ＞ Cd ＞ As ＞ Zn ＞ Cu ＞ Pb ＞ Cr ＞ Ni， 。研究区内 Hg、 Cd、 As 富集污 染程度为轻微污染， 尤其以 Hg、 Cd 最为明显， 个别 区域甚至存在 Hg 元素强污染; 其他 5 种元素富集 污染程度均为无污染。 3 济宁南部区域土壤环境总体上处于“中度” 潜在生态风险程度。相对而言， 8 种重金属的潜在 生态危害由强至弱依次为 Hg ＞ Cd ＞ As ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni ＞ Cr ＞ Zn。尽管 Hg、 Cd 在整个研究区内仅仅为 “轻微” 富集程度， 但由于两者具有较高的毒性响应 系数， 致使研究区内 6． 83 的面积呈“强” 和“很 强” 潜在生态风险。 4 “强” 和“很强” 潜在生态风险区域的形成 主要由煤矿开采相关的生产活动所致。因此， 应当 注重对煤矿开采矿井周边区域土地复垦及污染防治 工作， 尤其是加强针对土壤中 Cd、 Hg 的物理化学改 良及生物治理修复工作， 以防止重金属 Hg、 Cd 进一 步污染扩散。 431 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2015 年 ChaoXing 图 2济宁南部区域重金属潜在生态风险程度评价图 Fig． 2Map of potential risk distribution of heavy metals in Southern Jining 531 第 1 期赵庆令， 等 应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价第 34 卷 ChaoXing 6参考文献 ［ 1］唐发静， 祖艳群． 土壤重金属空间变异的研究方法 ［ J］ ． 云南农业大学学报， 2008， 23 4 558 －561． Tang F J， Zu Y Q． Research s of Spatial Variability of Heavy Metals in Soil［ J］ ． Journal of Yunnan Agricultural University， 2008， 23 4 558 －561． ［ 2］Li X D，Lee S L，Wong S C，et al． The Study of Metal Contamination in Urban Soil of Hong Kong Using a GIS- based Approach［J］ ． Environmental Pollution， 2004， 129 113 －124． ［ 3］Chao S Z． Using Multivariate Analyses and GIS to Identify Pollutants and Their Spatial Patterns in Urban Soils in Galway，Ireland［J］ ． Environmental Pollution， 2006， 142 501 －511． ［ 4］Katrin I，Wolfgang W，Grigorij S． Heavy Metal Ddistri- bution in Soil Aggregates A Comparison of Recent and Archived Aggregates from Russia［J］ ． Geoderma， 2004， 123 153 －162． ［ 5］王宏． 东洞庭湖湿地土壤重金属的分布特征及风险评 价［ D］ ． 长沙 湖南师范大学， 2012 53 －62． Wang H． Spatial Distribution and Risk Assessment of Heavy Metals in Eastern Dongting Lake Wetland［D］ ． Changsha Hunan Normal University， 2012 53 －62． ［ 6］涂常青， 温欣荣， 张镜， 等． 硫化铜矿区周边农田土壤 重金属污染及其生态危害评价［J］ ． 土壤通报， 2013， 44 4 987 －992． Tu C Q，Wen X R，Zhang J，et al． uation of the Heavy Metals Pollution and Its Ecological Risks of the Farmland Soil around the Cupric Sulfide Ore District［ J］ ． Chinese Journal of Soil Science， 2013， 44 4 987 －992． ［ 7］Ogunkunle C O，Fatoba P O． Pollution Loads and the Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metals