典型流域农田土壤重金属污染特征及生态风险评价_于云江

1. 4. 1 地累积指数法
地积 累 指 数 （ Index of Geo-accumulation，Igeo ） 又 称 Mull 指数，是 20 世纪 60 年代晚期在欧洲发展起
来的广泛用于研究沉积物及其他物质中重金属污染 程度的定量指标［12-17］. 计算公式如下：
Igeo = log2 Cn / （ K·Bn ）
随着工业发展和农用化学物质种类及数量的增 加，农田土 壤 环 境 污 染 日 益 严 重，污 染 面 积 逐 年 扩 大. 由于重金属具有不易降解、易富 集 等 特 征［1］，土 壤重金属污染所带来的环境问题日益受到人们的重 视 ，已 经 成 为 国 际 环 境 土 壤 学 研 究 的 热 点［2 ］.
风险级别 6 5 4 3 2 1 0
地累积指数范围 5 < Igeo ≤10 4 < Igeo ≤5 3 < Igeo ≤4 2 < Igeo ≤3 1 < Igeo ≤2 0 < Igeo ≤1 Igeo ≤0
污染程度 极严重污染 强 － 极严重污染
强污染 中等 － 强污染
中等污染 轻度 － 中等污染
生态风险评价是指确定人为活动或不利事情对 生态环境产生危害 或 对 生 物 个 体、种 群 及 生 态 系 统 产生不利 影 响 的 可 能 性 分 析 过 程［11］. 常 用 的 重 金 属污染生态风险评价方法主要有地累积指数法和潜 在生态风险指数法. 地累积指数法在评价过程中主 要考虑元素的富集 作 用，适 用 于 评 价 单 一 元 素 的 污 染状况；而潜在生 态 风 险 指 数 法 更 侧 重 于 多 元 素 的 协 同 作 用 ，同 时 考 虑 了 各 重 金 属 元 素 的 毒 性 ，适 用 于 评价区域环境的潜在生态风险.
金属 Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn 和 Mn 的含量及污染特征，并采用地累积指数法和潜在生态危害 指 数 法 对 农 田 土 壤 重 金 属 污 染
进行了生态风险评价. 结果表明：研究区农田土壤中各元素的含量均高于背景值，仍存在一定程度的污染，其污染程 度 由 强 至
弱依次为 Cd > As > Zn > Cu > Pb > Cr > Hg > Mn；研究区农田土壤存在较 高 的 潜 在 生 态 风 险 ，在 8 种 重 金 属 中 镉 的 风 险 指 数 最
目前，国内对于 土 壤 重 金 属 污 染 的 研 究 主 要 集 中于资源开发、城市 化 进 程 加 速 和 规 模 化 养 殖 等 导 致的 污 染 及 其 带 来 的 环 境 及 人 体 健 康 风 险 方
收稿日期： 2010 － 06 － 21
修订日期： 2010 － 09 － 29
基金项目： 国家“十一五”科技支撑 计 划 重 点 项 目 （ 2007BAC16B07 ） ；
i =1
=
m
Tr i
i =1
×
Ci Cn i
（2） （3）
（4）
式中，RI 为多种重金属的潜在生态风险 指 数；Er i 为 第 i 种重金属的潜在生态风险指数；Cfi 为第 i 种重 金属的污染系数； Ci 为样品中第 i 种重金属质量分 数的实测值，mg / kg；Cn i 为第 i 种重金属的质量 分 数 背景值，mg / kg； Tr i 为 第 i 种 重 金 属 的 毒 性 响 应 参 数；元素 Hg，Cr，Cd，As，Pb，Cu，Zn 和 Mn 的 毒 性 系 数分别 为 40，2，30，10，5，5，1 和 1［17］. 潜 在 生 态 风
国家环保公益性行业科研专项（200909101）
作者简介： 于云江（1964 － ） ，男，内 蒙 古 乌 拉 特 前 旗 人 ，研 究 员，博
士 后，博 导，主 要 从 事 环 境 风 险 评 价 研 究，
yuyj@ craes. org. cn.
面［3-7］，大多局限于对现存污染源的研究. 历 史 污 染 源 由 于 被 闲 置 或 搬 迁 易 于 被 忽 视 和 遗 忘 ，因 此 ，国 内 对由历史污染源污染引起的生态风险及人群健康风 险 研 究 较 少，少 量 研 究 主 要 集 中 在 污 灌 区［8-10］. 为 此 ，笔 者 以 原 有 工 业 污 染 较 严 重 的 某 流 域 为 研 究 区 ， 分析了研究区土壤中各重金属元素的含量及分布特 征，并利用地累积指 数 法 和 潜 在 生 态 危 害 指 数 法 对 当地土壤污染状况 和 潜 在 生 态 风 险 值 进 行 评 价，以 了解历史工业污染与农田土壤潜在生态风险之间的 相 关 性 ，为 人 类 的 生 产 和 生 活 安 全 提 供 保 障 .
DOI：10.13198/j.res.2010.12.81.yuyj.009
第 23 卷 第 12 期 2010 年 12 月
环境科学研究 Research of Environmental Sciences
Vol. 23，No. 12 Dec. ，2010
典型流域农田土壤重金属污染特征及生态风险评价
1. 4. 2 潜在生态风险指数法
潜在生 态 风 险 指 数 法 （ The Potential Ecological
Risk Index） 是瑞典科学家 HAKANSON 于 1980 年提
出 的 ，评 价 重 金 属 潜 在 生 态 风 险 的 一 种 相 对 快 速 、简
便和标准的方法. 由于综合考虑了多元素的协同作
于 2009 年 7 月在位于研究区内 6 个自然 村 的 农田土壤中采 样，各 采 样 点 的 位 置 如 图 1 所 示. 根 据《土壤环境监测技术规 范 》的 相 关 要 求，采 用 对 角 线布点法采取 0 ～ 20 cm 的表层土壤，去除土壤中的 砾石和根系等杂物后，混合均匀，采用四分法取 1 kg 装 入 样 品 袋 ，运 回 实 验 室 进 行 检 测 .
Abstract： By means of field investigation and laboratory analysis，the concentrations and pollution characteristics of Hg，Cr，Cd，As， Pb，Cu，Zn and Mn in farmland surface soil from a valley which suffered serious industrial historical pollution were analyzed. The ecological risk assessment of heavy metal pollution in the farmland soil wais discussed with the methods of geoaccumulation index and potential ecological risk index. The results showed that the farmland soils in the research area were polluted by heavy metals，and their concentrations were all above the background values. The enrichment degree of heavy metals ranked as follows： Cd > As > Zn > Cu > Pb > Cr > Hg > Mn. The potential ecological risk level in the farmland soils in the research area was relatively high. The potential ecological risk of Cd was highest among the eight studied heavy metals，which showed that industrial historical pollutants in the valley were harmful to the ecological environment of farmland soils in the research area. Key words： farmland soil； heavy metals； ecological risk assessment； geoaccumulation index
1 材料与方法
1. 1 研究区概况 研 究 区 位 于 我 国 中 部 ，地 理 位 置 优 越 ，区 内 物 产
资源丰富. 20 世纪 90 年代初期，研究区印染和造纸
1524
环境科学研究
第 23 卷
等 重 污 染 工 业 企 业 发 展 迅 速 ，由 于 企 业 规 模 小 ，相 应 的“三废”处理配套设施 不 完 善，区 内 环 境 受 到 严 重 污染，过境河流一度鱼虾绝迹. 近年来，当地政府逐 步加大了对区内企 业 的 环 境 督 查 力 度，对 区 内 污 染 严重的印 染 和 造 纸 等 企 业 陆 续 实 施 关 闭 或 搬 迁 措 施 ，目 前 研 究 区 内 无 重 金 属 污 染 企 业 . 1. 2 样品的采集
无污染
图 1 各采样点位置 Fig. 1 Sketch map showing the location of sampling points
1. 3 样品的处理与分析 根据《土壤环境监测技 术 规 范 》要 求，将 运 回 的
土壤样品风干、过 筛 成 制 备 样. 分 别 采 用 高 压 密 封 罐消解法和微波消 解 法 对 土 壤 制 备 样 进 行 消 解，消 解液中各重金属元素的含量采用 ICP － MS（ 电感耦 合等离子体质谱仪）进行检测. 1. 4 生态风险评价方法
用 、毒 性 水 平 、污 染 浓 度 及 生 态 对 重 金 属 的 敏 感 性 等 方面的因素［18-22］，潜在 生 态 风 险 指 数 法 得 到 了 较 为
广泛的应用. 计算公式如下：
Cfi = Ci /Cni
Hale Waihona Puke Baidu
Eri = Tri × Cfi
Σ Σ Σ RI =
m
Eri
i =1
=
m
Tri × Cfi
YU Yun-jiang1 ，HU Lin-kai1，2 ，YANG Yan2 ，CHE Fei1 ，SUN Peng1 ，DENG Fei1，2
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2. School of Environmental ＆ Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China
（1）
式中，Cn 为实测 重 金 属 含 量，mg / kg； Bn 为 当 地 沉 积 物重金属含量背 景 值，mg / kg；K 为 考 虑 到 成 岩 作 用
可能引起背景 值 波 动 而 设 定 的 常 数，K = 1. 5. 地 累
积指数的分级标准与污染程度的划分见表 1.
表 1 地累积指数法分级标准 Table 1 Classification criteria of index of geo-accumulation
高. 表明流域内历史工业污染对农田土壤环境仍具有一定的生态危害性.
关键词： 农田土壤； 重金属； 生态风险评价； 地累积指数
中图分类号： X53
文献标志码： A
文章编号： 1001 － 6929（2010）12 － 1523 － 05
Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Farmland Soils of a Typical Basin
于云江1 ，胡林凯1，2 ，杨 彦2 ，车 飞1 ，孙 朋1 ，邓 飞1，2
1. 中国环境科学研究院，北京 100012 2. 常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164
摘要： 采用野外采样和室内分析相结合的方法，以原有工业污染较严重的某 流 域 农 田 表 层 土 壤 为 研 究 对 象 ，分 析 了 土 壤 中 重