基于生物可利用性与宽浓度范围的Hakanson潜在生态风险指数法的创建——以小秦岭金矿区农田土壤为例
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瑞典著名地球化学家 Lars Hakanson 针对河流 湖泊底层沉积物和土壤中有毒物潜在生态风险的 评价，于 1980 年提出了 Hakanson 指数法 。 [21] 该方 法是目前最为常用的重金属元素生态风险评价的 方 法 之 一 。 有 学 者 统 计 发 现 ，对 于 污 染 土 壤 重 金 属潜在生态风险评价的研究，近 90%都采用了该方
土壤样品采自矿区耕作层土壤（0~20cm），共 5 个采样点，每个采样点随机采集 5 个样品，并于原地 充分混合均匀后，用四分法保留 1kg 土样。为避免 土壤样品与金属物质接触，使用塑料铲进行采集， 并将土壤样品装入聚乙烯袋中带回实验室。土样 于室温下自然风干，研磨后过 20 目尼龙筛备用。
土壤重金属形态分析采用 Tessier 五步连续提 取法 。针 [20] 对土壤中重金属的 5 种形态，依次用不 同的提取剂逐步提取，以达到区分各形态的目的。 具体操作步骤见表 1。
土壤中的重金属元素是具有潜在危害的有毒 物质 。 [1] 自工业化以来，人类活动不断地向自然界 排放各种重金属，造成土壤中重金属元素的累积， 严重威胁生态系统平衡[2]。因此，选择一种全面、客 观评价土壤重金属元素潜在生态风险的方法，对土 壤重金属污染预防与治理，乃至生态系统保护等具 有重要意义。
土壤重金属元素的潜在生态风险评价目前已 受到了广泛的重视[3]。该评价的研究与实践起始于 20 世纪 80 年代，发展至今已经形成了多种方法[4-5]， 为环境管理提供了有力的工具 。 [6] 其中，Hakanson 潜在生态风险指数法（以下简称 Hakanson 指数法）， 作为一种国际认可的沉积物、土壤重金属元素潜在 生态风险评价的标准方法，被广泛运用[7-10]，其能客 观地反映研究地区的潜在生态风险，给出较为合理 的评价结果[11-13]。随着实践与研究案例的增加，也 发现其尚存不足。如土壤中重金属元素形态多 样，不同形态间的活动性及生物毒性不同，对生态 环境的风险贡献亦不相同[14-15]，以致基于总量计算 的 Hakanson 指数法不能给出客观的评价结果。另 外 ，环 境 条 件 不 同 导 致 土 壤 中 重 金 属 元 素 迁 移 性 存 在 差 异 ，致 使 土 壤 中 重 金 属 元 素 浓 度 并 非 总 是 高于参考值，而 Hakanson 指数法目前尚未涉及对 重金属浓度低于参考值时的潜在生态风险的充分 考 虑 。 为 了 获 得 更 加 客 观 的 评 价 结 果 ，一 些 研 究 者将 Hakanson 指数法与其他几种评价方法结合使 用 ，但 [7-8,12] 是增加了工作量。也有学者将重金属形 态的区分引入到 Hakanson 指数法评价模型中 ， [16-18] 但方法仍不统一，不够完善，且依然没将重金属浓 度低于参考值的现象所造成的潜在生态风险考虑 在内。
收稿日期：2014-12-09；修订日期：2015-07-01 资助项目：国土资源部公益性行业科技攻关项目（编号：201111020）、国家自然科学基金项目（批准号：40872164、41502240）和西北工业大
学研究生种子基金项目（编号：Z2013158、Z2015147） 作者简介：卢聪（1988- ），女，在读博士生，从事土壤污染过程及修复研究。 E-mail: lucongnwpu@sina.com 通讯作者：吴耀国(1967- ），男，博士，教授，从事水-土壤污染过程及修复研究。E-mail: wuygal@nwpu.edu.cn
Abstract: Hakanson comprehensive index method is one of the methods for the potential ecological risk assessment of heavy metals in contaminated soil. Although its effectiveness has been proved, there also exist several disadvantages. Firstly, the difference in the toxicity of each fraction of heavy metals is ignored. Secondly, it is applied to the case that heavy metal content is higher than the back⁃ ground value, while for the opposite case it is not suitable. As a result, the Hakanson comprehensive index can hardly reflect the real risk in some cases. To solve these problems, the authors tried to modify Hakanson comprehensive index method on the basis of the theory of the whole process control and optimization. The Xiaoqinling gold mining area, which is located in eastern Shaanxi Prov⁃ ince and is the second largest gold mining area in China, was selected as a case study. The modified Hakanson comprehensive index
为克服上述不足，拓宽 Hakanson 指数法的应用 范围，本文基于全过程控制优化的理念，在充分考 虑 重 金 属 不 同 形 态 对 生 态 风 险 贡 献 的 差 异 ，以 及 重金属浓度低于参考值时的潜在生态风险的基础 上 ，创 建 基 于 生 物 可 利 用 性 与 宽 浓 度 范 围 的 Hakanson 潜 在 生 态 风 险 指 数 法（以 下 简 称 新 Hakanson 指数法），并以小秦岭金矿区作为典型案 例 研 究 ，为 土 壤 重 金 属 潜 在 生 态 风 险 评 价 提 供 更
2056
地 质 通 报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA
2015 年
在矿山土壤重金属生态风险评价中引
表 1 重金属形态提取步骤 Table 1 Sequential extraction procedure
for heavy metal speciation
提取过程均在聚四氟乙烯离心管中进行。每 一步提取完成后，于 10000 转/分下离心 30min，取上 清液于 4℃下保存待测。重金属含量用火焰原子吸 收（TAS-990F，普析通用）进行测定。分析过程中 所用仪器均用 0.01mol/L 的硝酸浸泡 24h 以上，且每 个样品分析均设置 3 个平行样。 1.3 新 Hakanson 指数法模型的建立 1.3.1 Hakanson 指数法
第 34 卷 第 11 期 2015 年 11 月
地质通报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA
Vol.34,No.11 Nov.,2015
基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法的创建
——以小秦岭金矿区农田土壤为例
卢 聪 1，李 涛 1，付义临 1，徐友宁 2，张江华 1,2，吴耀国 1
第 34 卷 第 11 期 卢聪等：基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法的创建
2055
Hale Waihona Puke Baidu
method was checked, and the results show that the modified method is effective for potential ecological risk assessment, and hence has a greater adaptability. Key words: contaminated soil; heavy metals; potential ecological risk assessment; Hakanson comprehensive index method; modification
建适用性更广的 Hakanson 潜在生态风险指数法。为此，基于全过程控制优化的思想，引入了生物可利用性毒性系数，并将
修正浓度与参考值差值引入计算公式，创建了基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法，实现了
对重金属不同形态风险贡献的差异及重金属浓度低于参考值情况下潜在生态风险的准确把握。以小秦岭金矿区为典型区
摘要：Hakanson 潜在生态风险指数法是土壤重金属潜在生态风险评价的一种常用方法，研究与实践证明其有效性的同时，
也发现了其不足之处：忽略了土壤重金属不同形态之间潜在生态风险的差异，且只重视重金属含量高于参考值时的生态
风险，而对低于参考值时的情况没有给予考虑，以致特定情况下的评价结果不能很好地反映实际生态风险，因而有必要创
LU Cong1, LI Tao1, FU Yilin1, XU Youning2, ZHANG Jianghua1,2, WU Yaoguo1
1.西北工业大学应用化学系，陕西 西安 710072； 2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054 1. Department of Applied Chemistry, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China; 2. Xi’an Center of Geological Survey, CGS, Xi’an 710054，Shaanxi, China
域，辅以对采集土样重金属总量及 5 种形态含量的分析，开展案例研究。结果表明，基于生物可利用性与宽浓度范围的
Hakanson 潜在生态风险指数法能客观地揭示土壤重金属的潜在生态风险，具有更大的适应性，是一种有效的潜在生态风
险评价方法。
关键词：创建；生物可利用性；宽浓度范围；潜在生态风险指数法；土壤；重金属
中图分类号：X53；X142
文献标志码：A
文章编号：1671-2552（2015）11-2054-07
Lu C, Li T, Fu Y L, Xu Y N, Zhang J H, Wu Y G. The improvement of Hakanson index based on bioavailability and wide concentration range: A case study of the farmland soil over the Xiaoqinling gold mining area for potential ecological risk as⁃ sessment of heavy metals of contaminated soil. Geological Bulletin of China, 2015, 34(11):2054-2060
广适性的方法，为其他评价方法的改进与完善提供 借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况 小秦岭金矿区位于陕西与河南两省接壤处，小
秦岭北坡中低山地区（地理位置 N34°23′~34°40′， E110°09′~110°25′），是中国第二大黄金矿产区。海 拔 400~500m, 年平均降水量为 625.5mm。该地区的 金矿开采已有 900 年的历史，20 世纪 80 年代到达高 峰期。因为金矿选冶活动, 尤其是混汞-浮选法及 小汞碾、小氰化、小浮选等“三小”提金活动, 废水、 废渣及冶炼废气的无序排放等，造成区域土壤中重 金属累积作用明显[19]。 1.2 样品的采集与分析
土壤样品采自矿区耕作层土壤（0~20cm），共 5 个采样点，每个采样点随机采集 5 个样品，并于原地 充分混合均匀后，用四分法保留 1kg 土样。为避免 土壤样品与金属物质接触，使用塑料铲进行采集， 并将土壤样品装入聚乙烯袋中带回实验室。土样 于室温下自然风干，研磨后过 20 目尼龙筛备用。
土壤重金属形态分析采用 Tessier 五步连续提 取法 。针 [20] 对土壤中重金属的 5 种形态，依次用不 同的提取剂逐步提取，以达到区分各形态的目的。 具体操作步骤见表 1。
土壤中的重金属元素是具有潜在危害的有毒 物质 。 [1] 自工业化以来，人类活动不断地向自然界 排放各种重金属，造成土壤中重金属元素的累积， 严重威胁生态系统平衡[2]。因此，选择一种全面、客 观评价土壤重金属元素潜在生态风险的方法，对土 壤重金属污染预防与治理，乃至生态系统保护等具 有重要意义。
土壤重金属元素的潜在生态风险评价目前已 受到了广泛的重视[3]。该评价的研究与实践起始于 20 世纪 80 年代，发展至今已经形成了多种方法[4-5]， 为环境管理提供了有力的工具 。 [6] 其中，Hakanson 潜在生态风险指数法（以下简称 Hakanson 指数法）， 作为一种国际认可的沉积物、土壤重金属元素潜在 生态风险评价的标准方法，被广泛运用[7-10]，其能客 观地反映研究地区的潜在生态风险，给出较为合理 的评价结果[11-13]。随着实践与研究案例的增加，也 发现其尚存不足。如土壤中重金属元素形态多 样，不同形态间的活动性及生物毒性不同，对生态 环境的风险贡献亦不相同[14-15]，以致基于总量计算 的 Hakanson 指数法不能给出客观的评价结果。另 外 ，环 境 条 件 不 同 导 致 土 壤 中 重 金 属 元 素 迁 移 性 存 在 差 异 ，致 使 土 壤 中 重 金 属 元 素 浓 度 并 非 总 是 高于参考值，而 Hakanson 指数法目前尚未涉及对 重金属浓度低于参考值时的潜在生态风险的充分 考 虑 。 为 了 获 得 更 加 客 观 的 评 价 结 果 ，一 些 研 究 者将 Hakanson 指数法与其他几种评价方法结合使 用 ，但 [7-8,12] 是增加了工作量。也有学者将重金属形 态的区分引入到 Hakanson 指数法评价模型中 ， [16-18] 但方法仍不统一，不够完善，且依然没将重金属浓 度低于参考值的现象所造成的潜在生态风险考虑 在内。
收稿日期：2014-12-09；修订日期：2015-07-01 资助项目：国土资源部公益性行业科技攻关项目（编号：201111020）、国家自然科学基金项目（批准号：40872164、41502240）和西北工业大
学研究生种子基金项目（编号：Z2013158、Z2015147） 作者简介：卢聪（1988- ），女，在读博士生，从事土壤污染过程及修复研究。 E-mail: lucongnwpu@sina.com 通讯作者：吴耀国(1967- ），男，博士，教授，从事水-土壤污染过程及修复研究。E-mail: wuygal@nwpu.edu.cn
Abstract: Hakanson comprehensive index method is one of the methods for the potential ecological risk assessment of heavy metals in contaminated soil. Although its effectiveness has been proved, there also exist several disadvantages. Firstly, the difference in the toxicity of each fraction of heavy metals is ignored. Secondly, it is applied to the case that heavy metal content is higher than the back⁃ ground value, while for the opposite case it is not suitable. As a result, the Hakanson comprehensive index can hardly reflect the real risk in some cases. To solve these problems, the authors tried to modify Hakanson comprehensive index method on the basis of the theory of the whole process control and optimization. The Xiaoqinling gold mining area, which is located in eastern Shaanxi Prov⁃ ince and is the second largest gold mining area in China, was selected as a case study. The modified Hakanson comprehensive index
为克服上述不足，拓宽 Hakanson 指数法的应用 范围，本文基于全过程控制优化的理念，在充分考 虑 重 金 属 不 同 形 态 对 生 态 风 险 贡 献 的 差 异 ，以 及 重金属浓度低于参考值时的潜在生态风险的基础 上 ，创 建 基 于 生 物 可 利 用 性 与 宽 浓 度 范 围 的 Hakanson 潜 在 生 态 风 险 指 数 法（以 下 简 称 新 Hakanson 指数法），并以小秦岭金矿区作为典型案 例 研 究 ，为 土 壤 重 金 属 潜 在 生 态 风 险 评 价 提 供 更
2056
地 质 通 报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA
2015 年
在矿山土壤重金属生态风险评价中引
表 1 重金属形态提取步骤 Table 1 Sequential extraction procedure
for heavy metal speciation
提取过程均在聚四氟乙烯离心管中进行。每 一步提取完成后，于 10000 转/分下离心 30min，取上 清液于 4℃下保存待测。重金属含量用火焰原子吸 收（TAS-990F，普析通用）进行测定。分析过程中 所用仪器均用 0.01mol/L 的硝酸浸泡 24h 以上，且每 个样品分析均设置 3 个平行样。 1.3 新 Hakanson 指数法模型的建立 1.3.1 Hakanson 指数法
第 34 卷 第 11 期 2015 年 11 月
地质通报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA
Vol.34,No.11 Nov.,2015
基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法的创建
——以小秦岭金矿区农田土壤为例
卢 聪 1，李 涛 1，付义临 1，徐友宁 2，张江华 1,2，吴耀国 1
第 34 卷 第 11 期 卢聪等：基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法的创建
2055
Hale Waihona Puke Baidu
method was checked, and the results show that the modified method is effective for potential ecological risk assessment, and hence has a greater adaptability. Key words: contaminated soil; heavy metals; potential ecological risk assessment; Hakanson comprehensive index method; modification
建适用性更广的 Hakanson 潜在生态风险指数法。为此，基于全过程控制优化的思想，引入了生物可利用性毒性系数，并将
修正浓度与参考值差值引入计算公式，创建了基于生物可利用性与宽浓度范围的 Hakanson 潜在生态风险指数法，实现了
对重金属不同形态风险贡献的差异及重金属浓度低于参考值情况下潜在生态风险的准确把握。以小秦岭金矿区为典型区
摘要：Hakanson 潜在生态风险指数法是土壤重金属潜在生态风险评价的一种常用方法，研究与实践证明其有效性的同时，
也发现了其不足之处：忽略了土壤重金属不同形态之间潜在生态风险的差异，且只重视重金属含量高于参考值时的生态
风险，而对低于参考值时的情况没有给予考虑，以致特定情况下的评价结果不能很好地反映实际生态风险，因而有必要创
LU Cong1, LI Tao1, FU Yilin1, XU Youning2, ZHANG Jianghua1,2, WU Yaoguo1
1.西北工业大学应用化学系，陕西 西安 710072； 2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054 1. Department of Applied Chemistry, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China; 2. Xi’an Center of Geological Survey, CGS, Xi’an 710054，Shaanxi, China
域，辅以对采集土样重金属总量及 5 种形态含量的分析，开展案例研究。结果表明，基于生物可利用性与宽浓度范围的
Hakanson 潜在生态风险指数法能客观地揭示土壤重金属的潜在生态风险，具有更大的适应性，是一种有效的潜在生态风
险评价方法。
关键词：创建；生物可利用性；宽浓度范围；潜在生态风险指数法；土壤；重金属
中图分类号：X53；X142
文献标志码：A
文章编号：1671-2552（2015）11-2054-07
Lu C, Li T, Fu Y L, Xu Y N, Zhang J H, Wu Y G. The improvement of Hakanson index based on bioavailability and wide concentration range: A case study of the farmland soil over the Xiaoqinling gold mining area for potential ecological risk as⁃ sessment of heavy metals of contaminated soil. Geological Bulletin of China, 2015, 34(11):2054-2060
广适性的方法，为其他评价方法的改进与完善提供 借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况 小秦岭金矿区位于陕西与河南两省接壤处，小
秦岭北坡中低山地区（地理位置 N34°23′~34°40′， E110°09′~110°25′），是中国第二大黄金矿产区。海 拔 400~500m, 年平均降水量为 625.5mm。该地区的 金矿开采已有 900 年的历史，20 世纪 80 年代到达高 峰期。因为金矿选冶活动, 尤其是混汞-浮选法及 小汞碾、小氰化、小浮选等“三小”提金活动, 废水、 废渣及冶炼废气的无序排放等，造成区域土壤中重 金属累积作用明显[19]。 1.2 样品的采集与分析