徒駭河聊城城區段河岸帶土壤重金屬含量及污染評價

蔣磊++張菊++羅慶芳++楊光義++曲其飛++鄧煥廣

摘要：為了了解徒駭河聊城城區段河岸帶土壤重金屬的含量和污染水平，測定了沿程20個河岸帶土壤樣品中重金屬的總量和有效態含量，并采用富集因子法和潛在生態危害指數法對其污染狀況進行了評價。結果表明，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的平均含量分別為0.185、50.4、28.7、23.5、28.7、88.2 mg/kg；各重金屬有效態含量與其總量呈顯著正相關，其所占總量的平均比例由大到小依次為Pb（38.1%）、Cu（31.9%）、Cd（30.1%）、Zn（17.1%）、Ni（10.1%）、Cr（4.2%）；Cd、Zn、Cu和Pb表現為中等污染，Ni和Cr為輕微污染；總體表現為輕微的生態危害，其中Cd是主要污染因子和生態危害因子。采用相關分析和聚類分析法對污染源進行初步解析的結果表明，徒駭河岸帶土壤重金屬的人為污染源主要包括工業廢水、交通運輸、受污染的上游來水等。

關鍵詞：重金屬；土壤；有效態；污染評價；河岸帶；徒駭河

中圖分類號：X833；X825 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0441-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.011

Heavy Metal Content and Pollution Assessment of Riparian Soils in Liaocheng Urban Section of Tuhai River

JIANG Lei1，ZHANG Ju1，LUO Qing-fang1，YANG Guang-yi1，QU Qi-fei2，DENG Huan-guang1

（1.School of Environment and Planning，Liaocheng University，Liaocheng 252000，Shandong，China；

2.Liaocheng Branch，Shandong Special Equipment Inspection Institute，Liaocheng 252000，Shandong，China）

Abstract： To explore the characteristics of heavy metal content of riparian soil along the Liaocheng urban section of Tuhai river，total and available contents of heavy metal were determined in 20 riparian soil samples. Using the soil background content of heavy metal in Shandong province as standards， enrichment factors and the potential ecological risk indices were calculated to assess the degree and the ecological risk of heavy metal contamination. The results showed that the average content of Cd，Cr，Cu，Ni，Pb and Zn were 0.185，50.4，28.7，23.5，28.7 and 88.2 mg/kg， respectively. The available contents of each heavy metal were significantly and positively correlated with the total content，and the average percentages of available contents in a descending order were as：Pb（38.1%），Cu（31.9%），Cd（30.1%），Zn（17.1%），Ni（10.1%），Cr（4.2%）. The pollution of Cd，Zn，Cu and Pb was at middle level， and the pollution of Ni and Cr were at slight level. In general，heavy metal pollution in study area posed light potential ecological risk，and Cd was the main pollution and ecological risk factor. The source of heavy metal pollution was analyzed by person correlation analysis and hierarchical cluster analysis， and the results indicated that man-made pollution sources of study area included industrial waste water，traffic and transportation，contaminated water from the upper reaches and tributaries.

Key words： heavy metal； soil； available form； pollution assessment； riparian zone； Tuhai river

河岸帶是介于陸地與河流之間的過渡地帶，是重要的生態交互作用區[1]。作為連接水生生態系統和陸地生態系統的重要樞紐，河岸帶生態系統退化和環境污染已成為研究的熱點問題[2，3]。已有的研究表明[4-7]，重金屬是河岸帶土壤環境中的重要污染物，開展河岸帶土壤重金屬含量與污染評價研究對于河岸帶生態系統保護和生態重建具有重要的理論和實踐意義。徒駭河屬海河流域，長436 km，總流域面積13 902 km2[8]，其中聊城段干流長169 km，是山東省聊城市骨干行洪排澇河道，除主汛期有較大徑流外，大部分時間接納沿岸農田退水、城鎮工業和居民生活廢水，河流水體有機污染和水體富營養化較為嚴重[9，10]。本研究對徒駭河聊城城區段河岸帶土壤重金屬的賦存含量（總量和有效態含量）進行分析和評價，以了解其污染水平和來源，評估其潛在的生態風險，以期為徒駭河岸帶生態環境保護及其合理開發利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與預處理

在徒駭河聊城城區段自上游南環路西王大橋至下游繩張橋設置采樣點20個（圖1），于2012年12月在各采樣點距離水體0～3 m的近岸帶進行了樣品采集，采樣時采用多點（5～12點）混合取樣法，用有機玻璃鏟取0～20 cm表層土壤樣品，用四分法組成1個混合樣品。將土壤樣品帶回實驗室自然陰干，剔除植物根系后用木棍碾碎，用瑪瑙研缽研磨成粉末，取出部分樣品用以測定粒度，剩余部分過100目尼龍網篩測定重金屬和有機質含量。

1.2 分析方法

樣品粒度采用LS13 320型激光粒度儀測定，有機質的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法[11]。土壤樣品經過HNO3-HClO4-HF密閉微波消解后，用ICP-OES測定重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Fe和Al的含量（Fe和Al的測定主要是為了對其他6種重金屬進行富集因子評價，不參與結果的分析和討論）。分析過程中利用國家土壤標準物質GBW 07406（GSS-6）、平行樣和空白樣品進行質量控制。標準物質各元素的分析結果最大誤差均小于5%，樣品平行樣的相對標準偏差均小于10%。有效態重金屬采用0.1 mol/L HCl進行提取[12]，提取液中有效態Cd、Cr、Ni和Pb含量采用原子吸收光譜儀石墨爐法測定，有效態Cu和Zn含量采用ICP-OES測定。

1.3 評價方法

徒駭河岸帶土壤重金屬的污染水平及其潛在生態危害分別采用富集因子法和潛在生態危害指數法進行評價，評價的標準采用山東省土壤元素背景值[13]。富集因子法的計算公式為[14]：

EF=[（M/Fe）sediment/（M/Fe）ref +（M/Al）sediment /（M/Al）ref）]/2

式中，EF（Enrichment Factor）為單一重金屬元素的富集系數，（M/Fe）sediment是土壤中某重金屬元素濃度與鐵濃度之比，（M/Al）sediment是土壤中某重金屬與鋁濃度之比，（M/Fe）ref是某重金屬元素與鐵元素的地球化學背景值之比，（M/Al）ref是某重金屬元素與鋁元素的地球化學背景值之比。

潛在生態危害指數法的計算公式為：RI=■E ■■=■（Ti×■），式中，n為重金屬的個數；RI為潛在生態危害指數；E ■■為第i種重金屬的潛在生態危害系數；Ti為第i種重金屬的毒性響應系數，在實際計算中，一般直接采用毒性系數替代毒性響應系數，具體為Zn=1

富集系數和潛在生態危害指數的分級及其與污染程度和生態風險程度的關系如表1所示[16]。

2 結果與分析

2.1 徒駭河岸帶土壤重金屬的含量水平及其理化性質

表2為徒駭河聊城城區段河岸帶土壤重金屬、有機質和平均粒徑的參數統計。與土壤環境質量標準（GB 15618-1995）一級標準值相比，Cr和Ni的含量均小于一級標準值，其他4種重金屬的超標率表現為Cd（35.0%）>Zn（25.0%）>Cu（20.0%）>Pb（10.0%）；與二級標準值相比，則全部達標。與山東省土壤背景值相比，Cr和Ni的平均含量均小于背景值，其他4種重金屬的平均含量均高于背景值，Cd、Zn、Cu和Pb的平均含量分別為背景值的2.2、1.4、1.2和1.1倍。河岸帶土壤有機質的平均含量為14.5 g/kg，為背景值的1.3倍；平均粒徑為38.6 μm。根據Wilding[17]對變異程度的分類，Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和平均粒徑均為中等變異（15%36%）。

2.2 徒駭河岸帶土壤重金屬總量和有效態含量的沿程變化

由圖2可見，徒駭河岸帶土壤各重金屬含量具有較為一致的沿程變化，Cd、Cu和Pb在1號樣點的含量均較高；各重金屬元素含量在16號點位后均較上游點位有不同程度的升高，最大增幅分別可達241.1%（Zn）、135.2%（Cu）、81.0%（Cd）、66.3%（Ni）、64.0%（Cr）和33.2%（Pb）。各重金屬的有效態含量與其總量呈顯著正相關，相關系數在0.56～0.83之間。Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的有效態含量分別占總量的16.1%～50.1%、1.5%～17.8%、18.8%～54.4%、4.6%～30.8%、20.4%～61.0%和4.3%～62.9%，各重金屬的有效態含量占總量的比例在16號點位后也有顯著升高，其最大值（除Pb外）均位于19號點位，而該點位位于聊城市開發區排污口出口處。研究[18]表明，外源重金屬易于轉化為具有活性的形態，因此受到開發區污水排放的影響，徒駭河聊城城區段下游河岸帶土壤重金屬的總量和有效態含量均有顯著上升，且有效態含量占總量的比例也顯著增加。各重金屬有效態占總量的平均比例為Pb（38.1%）>Cu（31.9%）>Cd（30.1%）>Zn（17.1%）>Ni（10.1%）>Cr（4.2%），該結果與其他研究中采用分級提取法所提取的有效態重金屬的分布較為一致[6，19]。由此可見，徒駭河岸帶土壤中Pb、Cu和Cd的遷移性較強，對環境造成“二次污染”的風險較大，而Zn、Ni和Cr則主要以殘渣態為主，不易遷移釋放，對環境的影響較小。

2.3 徒駭河岸帶土壤重金屬的污染評價

徒駭河岸帶土壤各重金屬的富集因子的范圍為1.13～6.41，其平均值表現為Cd（4.11）>Zn（2.53）>Cu（2.23）>Pb（2.10）>Ni（1.69）>Cr（1.42），Cd、Zn、Cu和Pb表現為中等污染，Ni和Cr表現為輕微污染。從各重金屬富集因子的分布來看（圖3），Cr和Ni主要表現為輕微污染，所占比例分別為95.0%和80.0%，其次為中等污染；而Cu和Pb表現為輕微污染和中等污染的比例各占50.0%；Zn也主要表現為中等污染（55.0%）和輕微污染（40.0%），僅有1個點位（采樣點20）的Zn表現為重污染；Cd主要表現為中等污染（75.0%），其次為重污染（25.0%），表現為重污染的樣點有1、4、7、11和15。由圖3可見，點位1、4、7、9和11中各重金屬的富集因子有明顯升高；另外，Zn在點位7、8以及點位17（橡膠壩下）以后均表現出較高的富集因子。樣點1中各重金屬具有較高的污染水平與徒駭河受到上游地區來水污染的影響有關[9]，而樣點4和11分別位于王光雨大橋和聊城二中大橋下游附近，臨近交通干道，河岸帶土壤極易受到汽車尾氣排放的影響，汽車輪胎與地面磨損也可產生含Cu、Pb和Zn較高的顆粒物[20]，經揚塵或降雨徑流沖刷進入土壤中；樣點7和9分別位于聊位涵洞和土城涵洞支流的匯入處，在采樣時發現，這兩條涵洞的水質均呈黑臭狀態，因此，樣點7和9河岸帶重金屬較高的含量極有可能與受污染的支流匯入有關。

徒駭河岸帶土壤各重金屬的潛在生態危害系數范圍為0.84～91.3，平均值表現為Cd（66.2）>Cu（5.98）>Pb（5.55）>Ni（4.55）>Cr（1.53）>Zn（1.39），Cd具有中等的生態危害，其他5種重金屬的生態危害則為輕微。從各重金屬潛在生態危害系數的分布來看，Cu、Pb、Ni、Cr和Zn的潛在生態危害系數范圍為0.84～10.44，均小于40，表現為輕微的生態危害；而Cd的潛在生態危害系數范圍為47.5～91.3，其中，85.0%的點位表現為中等生態危害，15.0%的點位表現為強生態危害。6種重金屬的潛在生態危害指數（RI）的范圍為62.0～114.9，平均值為85.2，均表現為輕微生態危害；其中，Cd對潛在生態危害的貢獻最大，平均貢獻率為77.6%，其他重金屬的平均貢獻率依次為Cu（7.0%）、Pb（6.6%）、Ni（5.4%）、Cr（1.8%）和Zn（1.6%）。

2.4 徒駭河岸帶土壤重金屬的來源分析

重金屬元素之間的相關性分析、聚類分析和因子分析被廣泛應用于土壤重金屬的來源解析[4，7]。由徒駭河岸帶土壤重金屬元素和理化指標的Pearson相關系數（表3）可知，Cd、Cr、Cu和Ni兩兩之間存在顯著的正相關性，Pb僅與Cd、Cu之間呈顯著正相關，Zn僅與Cr和Cu之間呈顯著正相關。除Pb與有機質含量呈顯著正相關外，其他各重金屬含量與土壤理化性質的相關性均不顯著。

根據重金屬之間的Pearson相關系數進行聚類分析，結果如圖4所示。6種重金屬可以聚為4類，分別為Cr和Ni；Zn；Cu和Pb；Cd。Cr和Ni之間存在極顯著相關性（表3），說明其伴生關系良好，且其平均含量均小于背景值，主要表現為輕微污染，因此可認為其代表自然來源即成土母質。Zn是較易受到人類活動影響的元素之一，因此具有較大的變異系數（表2）；從沿程分布來看，Zn的總量和有效態含量自17號樣點后均顯著上升，污染程度也逐漸加劇達到重污染水平，這很可能是受到聊城市開發區排污口污水排放的影響，因此可認為Zn代表的是工業廢水的污染。同時由圖4又可以看出，Cr、Ni與Zn又聚為1個大類，反映了Cr和Ni在一定程度上也受到工業污染源的影響。Cu和Pb間具有極顯著的相關性，常被作為交通污染源的標識元素；同時，Cu和Pb的含量和富集因子的沿程分布與Cd較為一致，且Cu、Pb和Cd兩兩之間也具有顯著的相關性（表3）；由圖4可知，Cu、Pb和Cd可以聚為1個大類，因此可認為Cu、Pb和Cd綜合代表了來自于交通、上游來水和支流的污染。

3 結論

1）徒駭河聊城城區段河岸帶土壤Cr和Ni主要表現為輕微污染，Cd、Zn、Cu和Pb為中等污染，總體生態危害輕微，其中Cd是主要的污染因子和生態危害因子。上游河段、交通干道附近、涵洞支流匯入處、排污口處各重金屬的污染程度明顯增加。

2）徒駭河岸帶土壤各重金屬含量具有較為一致的沿程變化，各重金屬的有效態含量與其總量變化具有顯著正相關關系，其占總量的平均比例表現為Pb>Cu>Cd>Zn>Ni>Cr，其中，Pb、Cu和Cd有效態含量占總量的平均比例均在30%以上，易發生遷移，對環境存在較大的風險。

3）污染源解析結果表明，徒駭河岸帶土壤重金屬除來自于自然源外，主要受到工業廢水、交通運輸、受污染的上游來水和支流的影響。

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