陕西省泾惠渠灌区土壤重金属污染潜在生态风险评价

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【摘要】：本文在调查研究泾惠渠灌区土壤重金属污染现状的基础上，以Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn 7种重金属元素为指标，利用土壤重金属污染潜在生态风险指数法对土壤进行了评价。重金属潜在生态危害指数RI平均值为133，土壤重金属潜在生态危害为轻度。但随着经济的发展，灌区也出现了一系列土壤重金属污染等土壤质量退化问题。目前在土壤/水域沉积物中，重金属环境风险评价主要采用瑞典科学家Lars Hakanson的研究成果即“生态风险指数法”［

易秀^[1]

作者简介:易秀（1965－），汉，青海西宁人，长安大学环境科学与工程学院教授，博士；水与发展研究院副院长，主要从事土壤与水资源环境污染防治的教学与科研工作。E－mail:yixiu@chd.edu.cn。

（长安大学环境科学与工程学院，陕西西安，710054；）

【摘　要】本文在调查研究泾惠渠灌区土壤重金属污染现状的基础上，以Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn 7种重金属元素为指标，利用土壤重金属污染潜在生态风险指数法对土壤进行了评价。结果表明，灌区部分土壤重金属生态危害程度都为轻度，个别采样点为中等；从重金属的种类看，只有Cd和Hg的Eⁱ_r值大于40，生态危害程度为中度，其余元素都为轻度；7种重金属潜在生态危害依次为HgCdAsPbCuZnCr。重金属潜在生态危害指数RI平均值为133，土壤重金属潜在生态危害为轻度。从不同的土壤重金属综合污染评价方法看，内梅罗综合污染指数（P）和潜在生态风险指数（RI）的评价结果具有很高的一致性，达到极显著的相关关系（R²＝09313，P＜001）。

【关键词】土壤重金属，潜在生态风险评价，泾惠渠灌区

Evaluation on potential ecological risk of heavy metals in soils of Jinghuiqu

irrigation district of Shaanxi

YI Xiu

（College of Environmental Science and Engineering，Chang’an University，Xi’an，China 710054）

【Abstract】On the base of investigating current situation of soil heavy metals pollution in Jing huiqu irrigation district of Shaanxi province，Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn are used as evaluation indicators，and soil quality of irrigation district is evaluated by potential ecological risk method The conclusions have been reached that the degree of ecological hazard of heavy metals in soil of Jingyang that is a part of irrigation district is ata light level.Besides a few of sampling sites，which the degree of ecological hazard of heavy metals is at a moderate level，a light level has been reached for the rest in Sanyuan.The degree of ecological hazard for Yanliang and Lintong has a big variation.Among the heavy metals，only Eⁱ_r of Cd and Hg ismore than40，the degree of ecological hazard is at a moderate level，and the rest is at a light level.Seven heavymetal in a pollution degree order is HgCdAs PbCuZnCr by comparing the potential ecological risk coefficient.The average potential ecological risk index for seven heavy metals is133，which showed the degree of ecological hazard is at light level in whole irrigation district.Comparing different comprehensive evaluation methods of soil quality，Nemerowintegrated polluted index and the potential ecological risk index has a high consistency，and the correlation reaches a highly significant level（R²＝09313，p＜001）.

【Key words】heavy metal；evaluation of potential ecological risk；Jinghuiqu irrigation district of Shaanxi

灌区是我国粮食安全的基础保障，未来几十年，面对日益加大的人口与资源压力，灌区的地位和作用愈显重要^［1］。但随着经济的发展，灌区也出现了一系列土壤重金属污染等土壤质量退化问题。泾惠渠灌区是陕西省主要的粮食、蔬菜生产基地，其在改善农田生态环境、增加农业产量方面发挥了巨大作用，但随着灌溉年限的增加，灌区工农业生产活动的加剧，特别是灌区农药化肥的大量施用，以及地膜等设施农业的大面积推广，灌区土壤中污染物的种类增多，尤其是重金属污染物有不同程度的累积^［2－6］，使得灌区土壤结构和功能恶化，质量下降，并直接影响到人类的健康生活和发展^［7－9］，因而加强灌区农田土壤环境质量的监测和科学评价，对于保护土壤环境质量和粮食安全以及灌区的可持续发展具有重要的意义。

评价灌区土壤环境质量的方法很多，其中20世纪70年代兴起的环境风险评价就是一种，我国的风险评价研究起步于20世纪90年代。目前在土壤/水域沉积物中，重金属环境风险评价主要采用瑞典科学家Lars Hakanson的研究成果即“生态风险指数法”^{［10－13］}。

Hakanson提出的潜在生态危害指数法，是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度对土壤或沉积物中重金属污染进行评价的方法^［14］。该方法作为国际上土壤（沉积物）中重金属研究的先进方法之一^{［15，16］}，不仅考虑土壤重金属含量，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的、等价属性指数分级法进行评价。同时该方法不仅反映了某一特定环境各种污染物的影响，也反映了多种污染物的综合影响，并以定量的方法划分出潜在危害的程度，是目前重金属研究中应用最广的一种。

本文在调查研究陕西省泾惠渠灌区土壤重金属污染现状的基础上，以7种土壤重金属元素为指标，利用重金属污染潜在生态风险指数法评价灌区土壤质量及存在的潜在风险，从而为相关部门提供合理的土壤修复、管理依据，促进干旱半干旱地区灌区的健康发展。

1.研究方法

1.1　研究区概况

泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，东经108°34′34″～109°21′35″，北纬34°25′20″～34°41′40″，属泾河、渭河冲积平原区。灌区东西长约70km，南北宽约20km，耕地面积9.13万hm²，有效灌溉面积8.39万hm²，渠井双灌面积7.33 hm²。地势由西北向东南倾斜，海拔高程350～450m之间，地面坡降1/300～1/600，是典型的北方平原灌区。灌区的主要土壤以灌淤土和土为主。

1.2　采样点的布设及样品测定

据研究^［6，17］，重金属在土壤中的积累深度与种植的作物类型有关，因而在采样过程，对于农作物，土壤采样深度取0～20cm；果园土壤采样深度取0～40cm。由于灌区耕地地势平坦，土壤比较均匀，采用梅花布点法或蛇形布点法，每个采样点设5～20个分点，每个分点取土样1kg左右，然后将各分点的土样混合均匀，再用四分法保留混合土样约1kg，装入采样袋，贴好标签。采样点的位置见图1。将所采集的土壤样品自然风干，并剔除异物（植物根、石砾等），用玛瑙研钵研磨，过100目尼龙筛，保存待测。

图1　泾惠渠灌区土壤采样点分布示意图

Fig.1　Soil sampling sites in Jinghuiqu irrigation district

根据《土壤环境质量标准》（GB15618－1995）和《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166－2004），对土壤中Hg、Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn共7种元素进行了全量分析。

2.泾惠渠灌区土壤重金属的潜在生态危害指数评价

2.1　评价方法及过程

近些年来，众多的重金属污染评价方法问世，如指数法、动态评价法、生命周期评价法、基于GIS的土壤质量评价法、污染亏损率法、密切值法、模型法以及化学、生态学和毒理学的综合方法等^［18］。其中，指数法中的Hakanson的潜在生态风险指数法得到了广泛的应用［^{10，19－21］}。

根据Hakanson潜在生态危害指数法（The potential ecological risk index，RI），某一区域土壤中第i种重金属的潜在生态危害系数Eⁱ_r及土壤中多种重金属的综合潜在生态危害指数RI可分别表示为:

式中，Cⁱ为重金属的单项污染系数，且Cⁱ＝Cⁱ/Cⁱ，其中Cⁱ为表层土壤重金属i的实

_ffsn_s测含量；Cⁱ为计算所需的参比值；Tⁱ为重金属i的毒性系数。

_nr

在评价过程中，重金属单项污染系数分级标准参照有关学者的研究结果^［16］，见表1。

表1　重金属单项污染系数分级标准

Table 1　Pollution index and grade standard of heavy metals

对于参比值，各国学者的选择差别较大:有以全球沉积物重金属的平均背景值为参比值^{［15，22］}，或以当地土壤背景值为参比值^{［23－25］}，或以国家土壤质量标准为参比值^［16］。本研究以陕西省土壤类型的天然本底值为参比值（表2），该参比值能更确切地反映灌区土壤的实际污染程度。

重金属毒性系数代表重金属对人体和固体物质系统的危害。由于金属的沉积作用及对固体物质的亲和作用，使得毒性和稀少性之间存在着一种比例关系，根据Hakanson的“元素丰度原则”和“元素释放度”及参考其他学者的研究成果来确定重金属毒性系数^{［12，26］}（表2），它主要反映重金属的毒性水平和环境对重金属污染的敏感程度。

表2　重金属的参比值和毒性系数

Table 2　Reference value and toxicity coefficient of heavy metals

重金属生态危害程度的划分依据Hakanson提出的分级标准^［14］（表3）。

表3　Hakanson潜在生态危害分级表

Table 3　The classification of potential ecological risk by Hakanson

2.2　评价结果及讨论

根据泾惠渠灌区各元素的实测含量，计算出各元素在不同采样点的平均污染系数及标准差，按表1规定的分级标准进行污染特征评价。结果表明（表4）灌区土壤Pb和As为轻微污染；Cr、Hg、Cu在各采样点的污染程度有所变化，从未污染到轻微污染；Zn的污染程度最严重，由轻微污染到重度污染；灌区土壤中Cd的变异性最大，有的采样点所代表土壤属轻微污染，但另外一些点污染达到了重度污染。

表4　灌区土壤中不同重金属污染系数表

Table 4　Pollution index of different heavy metals in irrigation district soil

利用Hakanson指数法及其划分标准，对泾惠渠灌区土壤重金属潜在生态危害系数和综合潜在生态危害指数进行了计算（表5）。结果表明，泾阳县所属的灌区部分土壤重金属生态危害程度都为轻度；三原所属的城南采样点和高陵所属的张卜乡个别采样点生态危害程度为中等，其余点皆为轻度；阎良区和临潼区所属的采样点污染程度较严重，尤其是阎良区的箭王村点生态危害程度达到了强度，这与采样点周边的企业分布有关系。而阎良区槐树村点和临潼区南窑村点生态危害程度为中度，这与采样点土壤利用方式有关系，前者为桃园，后者为蔬菜地，由于果园和蔬菜地农药、化肥的施用量和频次远远高于农作物用地，土壤中重金属元素除Cr之外其他元素含量都远远超出背景值，污染物外界输入量大，导致土壤污染加重。从重金属的种类看，只有Cd和Hg的Eⁱ_r值大于40，生态危害程度为中度，其余元素都为轻度；经比较，7种重金属潜在生态危害依次为HgCdAsPbCuZnCr。此方法中，由于Zn作为植物的必须营养元素，其对生物的毒性响应因子较小，因而Zn的生态风险指数低，而Hg的毒性响应因子最大，生态危害程度最大。以上不同评价方法的比较结果与其他学者^{［13，27－29］}的研究结果基本一致；从潜在生态危害指数RI看，所有重金属平均值为133，灌区土壤重金属潜在生态危害为轻度。

表5　泾惠渠灌区土壤重金属潜在生态危害评价结果

Table 5　Evaluation on potential ecological risk of heavy metals in Jinghuiqu irrigation district

续表

从以上研究结果中，作者发现Hakanson提出的潜在生态危害指数法虽然有其显著的优越性，为国际上广泛应用，但也有它的不足之处，在此提出，仅供参考。其一，Hakanson将潜在生态危害分为五级，规定当Eⁱ_r40或RI150为轻度生态危害，而没有规定其下限。然而土壤中重金属是含有一定背景值的，且有些重金属是生物的必需元素，即Hakanson忽略了土壤中重金属元素的正常含量水平，不加区别地都定为轻度生态危害是不确切的。其二，该方法没有限定参加评价的因子数，随着评价因子数的增加，RI值增大，生态危害程度也增大。对于同一种土壤，只要评价因子数目发生变化，评价结果也会随之改变^［29］，因而对该方法存在的缺陷如何修正，是下一步研究的方向。

在土壤重金属综合污染评价方面，内梅罗综合污染指数（P）和潜在生态风险指数（RI）的评价结果具有很高的一致性^［18］。对这两个综合指数进行线性相关分析表明，两者具有极显著的相关关系（R²＝09313，P＜001）。就单一重金属的污染指数和潜在生态风险指数来看，两者评价结果有所差异，如土壤中Zn单项污染指数（P_i）最高，但其潜在生态风险指数在7种元素中接近最低，略高于Cr。单一重金属潜在生态风险指数更能突出Cd和Hg等这些毒性危害较大的元素对人体及生态系统的风险。采用多重标准进行土壤环境污染状况的评价，可以为相关管理部门提供更多的决策信息，从而针对不同的土壤重金属超标情况采取相应的控制和修复措施。

（中译英:易秀，王金凤检）

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