重庆丰都长江以北地区表层土壤重金属污染及其生态风险评价

栾进华，崔志伟，胡峰，何昌成，毛玲玲，张雄

1.重庆地质矿产研究院；2.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室

土壤是人类赖以生存的自然资源之一。快速的城市化和工业化进程引起了土壤污染。重金属已经成为对生态系统和人类构成潜在风险的全球性问题。我国在20世纪末开始关注土壤重金属污染，开展了重点区域的污染特征、风险评价和治理修复研究（王加恩等，2010）。随着土壤重金属污染加剧，该方向研究逐渐深入。

丰都县长江以北地区有多个重庆市特色农产品基地。前人研究主要集中在丰都地区局部区域或者流域附近的狭长地段或只针对土壤肥力进行了研究（钟志淋等，2019；陶睿等，2017；孙宇等，2014），本次研究将以丰都县长江以北整个地区的表层土壤为对象，探讨该区域重金属的含量特征，并开展土壤重金属污染评价和生态风险评价，为该地区特色农产品的安全生产提供重要的理论依据。

一、材料与方法

（一）研究区概况

研究区位于重庆市丰都县长江以北，四川盆地东部边缘。区内主要为山脉和丘陵，地形呈南高北低，属中亚热带湿润季风气候区，年均气温18.8℃，年均降水量为823.8m，平均海拔在多在200～800米。区内拥有2条国道、2条省道，交通较为便利。研究区内出露地层主要为侏罗系—三叠系。大地构造位置位于于万州拗褶带(Ⅵ-4-2-1)。主要构造为菁口背斜、丰都向斜等。研究区紫色土分布最为广泛。

（二）样品采集与测试分析

将研究区按照1×1km方格划分为一个调查单元，调查单元内采样密度为4-6点/km2，采样深度为20cm，样品重量一般大于1.5kg。本次研究共采集了3762件表层土壤样品，经过干燥、过筛、填写样品标签和装瓶处理后送样进行测试分析，详细的样品加工过程参照《多目标地球化学调查暂行规定》执行。

本次工作样品测试工作在国土资源部重庆矿产资源监督检测中心进行。烘干-除杂-过筛-混匀后，称取0.5g样品进行微波消解、酸化，处理后定容至25mL，混匀、静置60min，取上清液采用ICP-AES方法进行测试分析。数据统计处理采用Excel2010软件。

二、结果与讨论

（一）土壤重金属含量特征分析

通过对研究区表层土壤样品的重金属含量进行统计和分析结果显示（表1），土壤中重金属 Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni的平均含量（单位：mg/kg）为0.25、70.67、26.85、5.41、23.47、84.69 和32.51，除Cr以外的其他元素平均含量均超出该区域背景值。7中元素均属于中等变异程度，其中Cd的变异系数最大。7种元素的最大值分别为背景值的8.06、1.57、3.88、5.21、12.04、7.81 和 1.86倍，说明重金属元素具有明显的局部富集的特点。

表1 研究区表层土壤重金属元素含量统计表（单位：mg/kg）

（二）土壤重金属污染评价

1.地累积指数法

地累积指数（Igeo）常被用于研究沉积物及其它物质中重金属污染程度的定量指标（谢薇等，2021）。Igeo分为Igeo≤0（无污染），0＜Igeo≤1（无污染-中度污染），1＜Igeo≤2（中度污染），2＜Igeo≤3（中度污染-强污染），3＜Igeo≤4（强污染），（强污染-极强污染）Igeo＞5（极强污染）7个等级。本次研究结果表明，7种元素平均地累积指数均小于0，以无污染为主。Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni无污染的样品点个数占比分别是95.1%、99.7%、99.5%、84.4%、96.9%、99.1% 和 99.1%。部分点位的重金属含量为无-中度污染，以As、、Cd和Cu所占的比例较高，分别为14.6%、4.8%和3.1%。通过地累积指数的评价表明，研究区内7种重金属元素大部分为无污染，部分点位的部分重金属元素存在无-中度污染的情况，可能是人为原因导致重金属局部积累。

2.污染负荷指数法

污染负荷指数（IPL，IPLzone）可以直观反映重金属元素对土壤造成污染的贡献程度，常被用于评价区域表层土壤污染程度（谢薇等，2021）。IPLzone分为PLIzone＜1（无污染），1≤PLIzone＜2（中等污染），2≤PLIzone＜3（强污染），PLIzone≥3（极强污染）作为分级界限值。本次研究结果表明，整个研究区范围内的污染负荷指数PLIzone为0.97，表明该地区表层土壤整体处于无污染的状态。从单个元素来看，7种金属元素的重金属污染系数（Fi）均值均在1左右，反映土壤中重金属含量整体基本与背景值持平。全部样品点的IPL最小值为0.34，最大值为2.03，平均值为0.99，为无污染。其中存在50.6%的点位PLI值在1～2，为中等污染。综上，该地区土壤整体表现为无污染，部分样品点存在中度污染的情况，样品点相对较为集中，主要受到As和Cd元素的影响较大。3.内梅罗指数法

内梅罗指数（Pi，I）是兼顾极大值和平均值的计权型多因子环境质量指数，被广泛应用于环境综合污染评价（谢薇等，2021）。Pi分为Pi＜1（清洁），1≤Pi＜2（轻污染），2≤Pi＜3（中污染），Pi≥3（重污染）作为分级界限值。Pi计算过程的中Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni标准值分别选取0.3、200、120、30、100、250和100。I分为Ⅰ＜0.7（清洁），0.7≤Ⅰ＜1（尚清洁），1≤Ⅰ＜2（轻污染），2≤Ⅰ＜3（中污染），Ⅰ≥3（重污染）作为分级界限值，综合污染指数I计算过程中Pi加权平均值各元素权重值为 Cd-3、Cr-2、Pb-3、As-3、Cu-2、Zn-2和Ni-2（李有文等，2020）。研究结果表明，研究区内所有样品点的内梅罗综合污染指数均值为0.65，整体上表现为清洁无污染，其中存在32.8%的样品点为尚清洁，3.1%的样品点为轻度污染。研究区内表层土壤单项污染指数（Pi）的均值均未超过1，整体表现为清洁，其中Cd、Cu和Zn元素的Pi最大值均超过了2，Cd元素最高可达6。综上，内梅罗指数法评价该地区表层土壤整体处于清洁状态，存在部分样品点位存在中污染的情况。

（三）土壤重金属生态风险评价

潜在生态风险指数（RI）是瑞典科学家Hakason提出的，该指数能够综合反映重金属对生态环境影响潜力。Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni污染物毒性系数分别为30、2、5、10、5、1和5（徐争启等，2008），RI分为RI＜89（轻微）、89≤RI＜178（中等）、178≤RI＜356（强）、RI≥356（极强）4个等级（范明毅等，2016）。单个元素潜在生态危害系数分为＜40（轻微）40≤＜80（中等）80≤＜160（强）160≤＜320（很强）≥320（极强）。研究结果表明，研究区内表层土壤各个重金属潜在生态危害系数的平均值依次为Cd（30.62）＞As（10.63）＞Cu（5.07）＞Pb（5.03）＞Ni（5.00）＞Cr（1.99）＞Zn（1.00）。其中Cd元素的潜在生态风险程度最大，生态风险系数为4.60～241.94，其中，有11.4%的样品点Cd元素达到了中等危害程度，有3%的样品点As元素达到了中等危害程度，其他元素均为轻微的危害程度。研究区内表层土壤各个重金属综合潜在生态风险指数平均值为59.34，其中，有2.4%的样品点RI值达到了89以上，属于中等危害程度，其余样品点的RI值均未超过89，进一步说明潜在生态风险为轻微程度。从重金属元素对RI的贡献率来看，Cd和As对的贡献率分别为51.6%、17.9%，其他元素均低于10%，表明该地区表层土壤重金属的综合潜在生态风险是主要由Cd和As引起的，与地累积指数法和污染负荷指数法得出的结论基本一致。

三、结论

（1）研究区内表层土壤中重金属Cd、Cr、Pb、As、Cu、Zn和Ni的平均含量（单位：mg/kg）为0.25、70.67、26.85、5.41、23.47、84.69和32.51，除Cr以外的其他元素平均含量均超出该区域背景值，初步分析认为是由于重金属局部富集导致的。

（2）土壤重金属污染评价结果表明，研究区整体处于无污染的状态，仅部分点位处于中度污染的水平。

（3）土壤重金属潜在生态风险评价结果表明，研究区整体潜在生态风险危害程度较低，仅少部分样品点重金属含量处于中等潜在生态风险危害程度，初步判断主要由局部Cd和As元素含量相对较高导致的。