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Heavy metal pollution characteristics and ecological risk analysis for soil in Phyllostachys praecox stands of Lin’an.

临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价


为了解临安市雷竹林土壤重金属污染特征,采集并测定了160个土壤样品的Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、Co、Mn等重金属含量,采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数对雷竹林土壤重金属污染程度进行分析,并应用Hankanson潜在生态风险指数法对雷竹林土壤重金属潜在生态风险进行评价.结果表明: 雷竹林土壤重金属Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、Co、Mn的平均含量分别为0.16、7.41、34.36、87.98、103.98、0.26、59.12、29.56、11.44、350.26 mg·kg-1,Pb、Cd、Zn和Cu平均值超过浙江省土壤背景值,分别是对应背景值的2.89、1.70、1.12、1.12倍. 经单因子污染指数评价,不同重金属元素的平均污染程度大小依次为Pb>Cd>Cu= Zn>Hg>As>Ni>Co>Cr>Mn,其中Pb有中度污染,Cd、Cu和Zn有轻度污染. 经内梅罗综合污染指数评价,160个样点都受到不同程度的重金属污染,轻度污染、中度污染和重度污染水平所占比率分别为55.6%、29.4%和15.0%. 各重金属单因子潜在生态风险指数平均值评价结果显示,只有Cd污染达到中等生态风险,其他重金属均为轻微生态风险,而局部采样点Cd和Hg单因子潜在生态风险指数最大值分别达到256.82和187.33,存在很强生态风险. 重金属综合因子潜在生态风险指数评价结果表明,临安市雷竹林土壤整体上存在轻微生态风险.
 

An investigation was carried out in an attempt to reveal the characteristics of heavy metals contamination in the soils of Phyllostachys praecox forest in Lin’an. Based on the concentrations of Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Ni, Co and Mn in 160 topsoil samples, the pollution status and ecological risks of heavy metals in the soils were assessed by single factor pollution index, Nemerow integrated pollution index and Hankanson potential ecological risk index. The spatial variability of heavy metal concentrations in the soils closely related to the distribution of traffic, industrial and livestock pollution sources. The average concentrations of Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Ni, Co and Mn in the soils were 0.16, 7.41, 34.36, 87.98, 103.98, 0.26, 59.12, 29.56, 11.44 and 350.26 mg·kg-1, respectively. Pb, Cd, Zn and Cu concentrations were as 2.89, 1.70, 1.12 and 1.12 times as the background values of soil in Zhejiang Province, respectively. But their concentrations were all lower than the threshold values of the National Environmental Quality Standard for Soil (GB 15618-1995). The average single factor pollution index revealed that the level of heavy metal pollution in the soils was in order of Pb>Cd>Cu= Zn>Hg>As>Ni>Co>Cr>Mn. Pb pollution was of moderate level while Cd, Cu and Zn pollutions were slight. There was no soil pollution caused by the other heavy metals. However, the Nemerow integrated pollution index showed that all the 160 soil samples were contaminated by heavy metals to a certain extent. Among total 160 soil samples, slight pollution level, moderate pollution level and heavy pollution level accounted for 55.6%, 29.4% and 15.0%, respectively. The average single factor potential ecological risk index (Eir) implied that the potential ecological risk related to Cd reached moderate level, while the others were of slight level. Furthermore, Cd and Hg showed higher potential ecological risk indices which reached up to 256.82 and 187.33 respectively, indicating Cd and Hg had a strong ecological risk and therefore might pose the most serious ecological risk in the soils of P. praecox standsin Lin’an. In addition, the integrated factor potential ecological risk analysis suggested a slight risk to local ecosystem originated from heavy metal contamination in the soils of P. praecox stands in Lin’an.


全 文 :临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价∗
方晓波1  史  坚2  廖欣峰2  楼  中3  周侣艳2  余海霞2  姚  琳2   孙立苹1∗∗
( 1浙江农林大学环境与资源学院, 浙江临安 311300; 2 杭州市环境监测中心站, 浙江杭州 310007; 3临安市农业技术推广中
心, 浙江临安 311300)
摘  要  为了解临安市雷竹林土壤重金属污染特征,采集并测定了 160 个土壤样品的 Hg、
As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、Co、Mn 等重金属含量,采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数
对雷竹林土壤重金属污染程度进行分析,并应用 Hankanson 潜在生态风险指数法对雷竹林土
壤重金属潜在生态风险进行评价.结果表明: 雷竹林土壤重金属 Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、
Ni、Co、Mn的平均含量分别为 0.16、7.41、34.36、87.98、103.98、0.26、59.12、29.56、11.44、350.26
mg·kg-1,Pb、Cd、Zn 和 Cu 平均值超过浙江省土壤背景值,分别是对应背景值的 2.89、1.70、
1.12、1.12倍. 经单因子污染指数评价,不同重金属元素的平均污染程度大小依次为 Pb>Cd>
Cu= Zn>Hg>As>Ni>Co>Cr>Mn,其中 Pb 有中度污染,Cd、Cu 和 Zn 有轻度污染. 经内梅罗综
合污染指数评价,160个样点都受到不同程度的重金属污染,轻度污染、中度污染和重度污染
水平所占比率分别为 55.6%、29.4%和 15.0%. 各重金属单因子潜在生态风险指数平均值评价
结果显示,只有 Cd污染达到中等生态风险,其他重金属均为轻微生态风险,而局部采样点 Cd
和 Hg单因子潜在生态风险指数最大值分别达到 256.82 和 187.33,存在很强生态风险. 重金
属综合因子潜在生态风险指数评价结果表明,临安市雷竹林土壤整体上存在轻微生态风险.
关键词  雷竹林; 潜在生态风险指数; 单因子污染指数; 内梅罗综合污染指数
∗杭州市社会发展科研专项(20110533B08)、浙江农林大学人才启动项目、浙江农林大学发展基金预研项目(2010FK042)和杭州市重大科技创
新项目(20122513A05)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: sunlip1106@ 163.com
2014⁃10⁃24收稿,2015⁃04⁃01接受.
文章编号  1001-9332(2015)06-1883-09  中图分类号  X825  文献标识码  A
Heavy metal pollution characteristics and ecological risk analysis for soil in Phyllostachys
praecox stands of Lin’ an. FANG Xiao⁃bo1, SHI Jian2, LIAO Xin⁃feng2, LOU Zhong3, ZHOU
Lyu⁃yan2, YU Hai⁃xia2, YAO Lin2, SUN Li⁃ping1 ( 1 School of Environmental and Resource Sci⁃
ences, Zhejiang A&F University, Lin’an 311300, Zhejiang, China; 2Hangzhou Environmental Mo⁃
nitoring Center Station, Hangzhou 310007, Zhejiang, China; 3Lin’an Agricultural Technology Ser⁃
vice Center, Lin’an 311300, Zhejiang, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(6): 1883-1891.
Abstract: An investigation was carried out in an attempt to reveal the characteristics of heavy
metals contamination in the soils of Phyllostachys praecox forest in Lin’an. Based on the concentra⁃
tions of Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Ni, Co and Mn in 160 topsoil samples, the pollution status
and ecological risks of heavy metals in the soils were assessed by single factor pollution index, Neme⁃
row integrated pollution index and Hankanson potential ecological risk index. The spatial variability
of heavy metal concentrations in the soils closely related to the distribution of traffic, industrial and
livestock pollution sources. The average concentrations of Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cd, Cr, Ni, Co
and Mn in the soils were 0.16, 7.41, 34.36, 87.98, 103.98, 0.26, 59.12, 29.56, 11.44 and
350.26 mg·kg-1, respectively. Pb, Cd, Zn and Cu concentrations were as 2.89, 1.70, 1.12 and
1.12 times as the background values of soil in Zhejiang Province, respectively. But their concentra⁃
tions were all lower than the threshold values of the National Environmental Quality Standard for Soil
(GB 15618-1995). The average single factor pollution index revealed that the level of heavy metal
pollution in the soils was in order of Pb>Cd>Cu= Zn>Hg>As>Ni>Co>Cr>Mn. Pb pollution was of
moderate level while Cd, Cu and Zn pollutions were slight. There was no soil pollution caused by
the other heavy metals. However, the Nemerow integrated pollution index showed that all the 160
应 用 生 态 学 报  2015年 6月  第 26卷  第 6期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2015, 26(6): 1883-1891
soil samples were contaminated by heavy metals to a certain extent. Among total 160 soil samples,
slight pollution level, moderate pollution level and heavy pollution level accounted for 55. 6%,
29.4% and 15.0%, respectively. The average single factor potential ecological risk index (E ir) im⁃
plied that the potential ecological risk related to Cd reached moderate level, while the others were of
slight level. Furthermore, Cd and Hg showed higher potential ecological risk indices which reached
up to 256.82 and 187.33 respectively, indicating Cd and Hg had a strong ecological risk and there⁃
fore might pose the most serious ecological risk in the soils of P. praecox standsin Lin’an. In addi⁃
tion, the integrated factor potential ecological risk analysis suggested a slight risk to local ecosystem
originated from heavy metal contamination in the soils of P. praecox stands in Lin’an.
Key words: Hyllostachys praecox; potential ecological risk index; single factor pollution index;
Nemerow integrated pollution index.
    雷竹是临安市农村经济发展和农民持续增收的
一大支柱产业,是“十二五”期间杭州市重点发展的
优势特色农业.随着竹笋经济价值的提高,农户为获
得高产,大量施用含有一定数量的 Cd、Pb、Zn、As等
重金属的化肥和来自畜禽的有机肥[1-2],临安全市
雷竹林地仅复合肥年施用量达 2.3 万 t,长期超量施
用可能造成重金属在雷竹林土壤中的不良积累并危
害人体健康[3] .因此,对临安市雷竹林土壤重金属污
染特征及潜在风险评价研究显得尤为重要.
内梅罗综合污染指数、潜在生态风险指数等指
数法因其具有形式简单、易懂、易学、易操作等特点,
成为目前评价土壤重金属污染的优选方法[4] .内梅
罗综合污染指数突出高浓度重金属对环境质量的影
响, 可以避免由于平均作用削弱污染金属重权值现
象的发生,能够较全面地评价土壤重金属的污染程
度[4],在中国宁夏石嘴山河滨工业园区[5]、呼和浩
特市不同功能区[6]、湘江流域[7]等土壤重金属污染
程度评价中得以广泛应用.潜在生态风险指数将重
金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,使
评价更侧重于毒理方面, 对其潜在的生态风险进行
评价, 能为环境改善和人们健康生活提供科学依
据[4,8-9],如沈阳市不同功能区表层土壤[10]、北京市
城乡梯度道路沉积物[11]、上海市大金岛陆域土
壤[12]、黄河下游滩区开封段土壤[13]、河南省贾鲁河
表层沉积物[14]等均基于潜在生态风险指数法评价
了重金属的潜在生态风险.
近年来,学者们对临安市雷竹林土壤的研究工
作集中于微生物[15-16]、碳氮磷[17]、硅[18]等方面,而
对雷竹林土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估
尚鲜见报道.鉴于此,本研究在临安市雷竹集中种植
区土壤样品系统采集分析基础上,采用单因子污染
指数法和内梅罗综合污染指数法评价重金属污染程
度,应用潜在生态风险指数法评价重金属的潜在生
态风险,以期为雷竹林土壤重金属污染防治和保障
人群健康提供科学依据.
1  研究区域与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
临安市地处长江三角洲南翼,位于浙江省西北
部的天目山南麓 ( 29° 56′—30° 23′ N, 118° 51′—
119°52′ E),总面积 3126.8 km2,属中亚热带季风气
候区,温暖湿润,四季分明,具有春多雨、夏湿热、秋
气爽、冬干冷的气候特征[19] .
雷竹笋生产是临安农民的主要收入之一,其产
值占全市农、林、牧、渔业产值的 5.0%,2012 年种植
面积达 216 km2[19] .本研究样品采集区域分布在境
内中东部地区,包括锦南、青山湖、太湖源、高虹、玲
珑、横畈、板桥、三口、上甘、於潜、藻溪、千洪、西天
目、横路、太阳、潜川、乐平、昌化、龙岗、河桥、湍口、
大峡谷等 19个雷笋主要生产乡镇(图 1).为了提高
雷笋产量,农民大量施用化肥和有机肥.根据采样时
对当地种植户和农技人员的访问,并结合相应文献,
得知一般在每年的 2月、5—6月、9月对雷竹进行施
肥,肥料种类主要为化肥和有机肥,单施化肥全年用
量为 3.0~4.5 t·hm-2,化肥和有机肥配施的全年用
量分别为 1.0~2.0和 80~100 t·hm-2 [20-21] .
1􀆰 2  样品采集及处理
参照环境保护行业标准《土壤环境监测技术规
范》(HJ / T 166—2004) [22]要求,以临安市境内雷竹
种植重点乡镇为研究对象,将研究区均匀分成 5 km
×5 km 的研究小区块,再根据每个小区块内土壤类
型不同,结合周边工业、畜禽养殖等污染源及相关文
献[15,17], 最终随机选取确定 160 个采样小区块.在
每个采样小区块中布设 1 个 100 m2样地,在每个样
地中以 5 点取样法分别取每个样点 0 ~ 20 cm 土层
土壤1 kg,每个样地5个样点的土样混合均匀后四
4881 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 1  土壤采样点位分布
Fig.1  Distribution of soil sampling sites.
分法取 1 kg,于 2012 年 5—6 月累计采集 160 个混
合样品,所有样品均装入聚乙烯密封塑料袋中带回
实验室,同时各采样点均经 GPS 准确定位.采集的
样品风干后,拣出石块等杂物,研磨,过 100 目尼龙
筛,装瓶备用.
1􀆰 3  样品测定及数据分析
1􀆰 3􀆰 1土壤 pH  称取通过 100 目尼龙筛的土壤样
品 10 g于烧杯中,加入无 CO2蒸馏水 25 mL,轻轻摇
动后用电磁搅拌器搅拌 1 min,使水和土充分混合均
匀,放置 30 min,测量上部浑浊液的 pH值.
1􀆰 3􀆰 2土壤重金属全量  重金属全量 As和 Hg 的前
处理采用王水(硝酸与盐酸以 1 ∶ 3 体积比混合)浸
提,重金属全量 Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Co、Mn 和 Pb 的
前处理采用氢氟酸、高氯酸、硝酸和王水浸提,利用
ICP⁃MS 7000 DV电感耦合等离子体发射光谱仪(美
国 EP 公司)测定 Cd、Cr、Pb、Zn、Ni、Co、Mn和 Cu 含
量;另外,采用原子荧光光谱法及 AFS⁃9230 原子荧
光光度计(北京吉天仪器有限公司)测定 As、Hg 含
量.所有重金属分析测试过程采用国家一级标准物
质 GBW07418~GBW07422(土壤)进行质量控制,各
测试项目相对标准偏差( relative standard deviation,
RSD)小于 10%.
1􀆰 3􀆰 3数据处理  土壤重金属的最大值、最小值、平
均值、标准差、偏度、峰度等描述性统计分析采用
SPSS 19.0 软件计算.变异系数 CV = (标准差 /平均
值)×100%.
1􀆰 4  重金属污染及潜在生态风险评价方法
1􀆰 4􀆰 1单因子污染指数  土壤中某一重金属元素污
染评价采用单因子污染指数法.其计算公式如下[7]:
P i =C i / Si (1)
式中:P i为土壤重金属元素 i 的环境质量指数;C i为
重金属 i的实测值(mg·kg-1);Si为重金属 i的评价
标准(mg·kg-1),选用浙江省土壤重金属含量背景
值[23] .P i>1 表示污染,P i≤1 表示未污染,P i值越大
污染越严重.
1􀆰 4􀆰 2内梅罗综合污染指数法  综合考虑各重金属
元素的土壤综合污染评价采用内梅罗(Nemerow)综
合污染指数法.该方法可全面反映土壤中各污染物
的平均污染水平,能突出污染最严重的污染物给环
境造成的危害.其计算公式如下[6]:
PN = (P2ave+P2max) / 2 (2)
式中:PN为综合考虑所有评价重金属元素的第 n 个
采样点综合环境质量指数;Pmax为第 n 个采样点中
所有评价重金属元素单因子污染指数的最大值;Pave
为第 n个采样点中所有评价重金属元素单因子污染
指数的平均值.PN >1 表示污染,PN≤1 表示未受污
染,PN值越大表示土壤污染越严重.
依据单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数
法可将土壤重金属污染划分为 5 个等级[6-7,13]:Ⅰ:
安全级,P i(或 PN)≤0.7;Ⅱ:警戒级,0.7<P i(或 PN)
≤1.0;Ⅲ:轻度污染级,1.0<P i(或 PN)≤2.0;Ⅳ:中
度污染级,2.0<P i(或 PN)≤3.0;Ⅴ:重度污染级,P i
(或 PN)>3.0.
1􀆰 4􀆰 3潜在生态风险指数法  潜在生态风险指数是
瑞典科学家 Hakanson[24]提出的一种根据重金属性
质及环境行为特点评价沉积物中重金属污染的方
法[25-27] .该方法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[9,28] .其计算公式如下[28-29]:
R i =∑E ir (3)
58816期                        方晓波等: 临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价           
E ir = Tir × P i (4)
式中:E ir 为重金属元素 i 的单因子潜在生态风险指
数,E ir<40 为轻微潜在生态风险,40≤E ir<80 为中等
潜在生态风险,80≤E ir <10 为强潜在生态风险,160
≤E ir<320 为很强潜在生态风险,E ir≥320 为极强潜
在生态风险;Tir 为重金属 i的毒性响应系数,目前学
者们一般直接用毒性系数代替毒性响应系数[23,28],
Hakanson[24]给出的重金属毒性系数为 Hg= 40>Cd =
30>As= 10>Pb=Cu =Ni = Co = 5>Cr = 2>Zn =Mn = 1;
P i为土壤重金属元素 i 的环境质量指数;R i为土壤
第 n个采样点综合因子潜在生态风险指数,R i <150
为轻微潜在生态风险,150≤R i <300 为中等潜在生
态风险,300≤R i <600 为强潜在生态风险,R i≥600
为很强潜在生态风险.
2  结果与讨论
2􀆰 1  土壤重金属含量
研究区土壤 pH值和重金属含量见表 1.研究区
160个样品中土壤 pH 值的范围介于 3.55 ~ 8.25 之
间,平均值为 5.25.土壤中不同重金属含量差异较
大,Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、Co、Mn 的含量分
别介于 0. 03 ~ 0. 75、 1. 11 ~ 27. 01、 9. 10 ~ 164. 00、
25.40~498.00、54. 00 ~ 452. 00、0. 09 ~ 1. 30、18􀆰 80 ~
117􀆰 00、1.90 ~ 62.00、4.30 ~ 20.00、112.00 ~ 2702.00
mg·kg-1之间,算数平均值分别为 0.16、7.41、34.36、
87. 98、 103. 98、 0. 26、 59. 12、 29. 56、 11. 44、 350􀆰 26
mg·kg-1 .从各采样点土壤重金属含量平均值来看,
Cu、Pb、Zn、Cd 平均含量高于浙江省背景值[23],Hg
平均含量与浙江省背景值[23]相当,As、Cr、Ni、Co、
Mn平均含量低于浙江省背景值[23] .所采集的土壤
样品中 Ni、 Cr 和 Co 的最大值小于浙江省背景
值[23],而土壤 Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Mn、As 的最大值
分别为浙江省背景值[23]的 16.39、8.56、5.33、4.88、
4􀆰 68、4.44、3􀆰 56 倍,说明这些元素存在明显的局部
聚集和点源污染现象,这一结果与文献报道结
果[5,30]相吻合.而与国家《土壤环境质量标准》 (GB
15618—1995)二级标准[31]比较发现,各采样点的重
金属平均含量均未超标.
变异系数是表征样品变异程度的重要尺度,能
在一定程度上反映样品受人为影响的程度[32],变异
系数(CV)<0.10 为弱变异,0.10≤CV≤0.30 为中等
变异,CV>0.30为强变异[33] .由表 1 可知,10 种重金
属平均变异程度由大到小依次为 Cd>As>Mn>Hg>
Pb>Cu>Zn>Ni>Cr>Co;Cd、As、Mn、Hg、Pb、Cu 等 6
种重金属变异系数均大于 0.5,Zn、Ni、Cr 的变异系
数介于 0.3~0.5之间,只有 Co的变异系数小于 0.3,
表明 Cd、As、Mn、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr 等 9 种重金
属元素均为强变异,Co 元素为中等变异.结合相关
文献[30,32]初步认为,临安市雷竹林土壤中 Cd、As、
Mn、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni、Cr 受外界干扰比较显著,空
间变异较大,可能是工业、交通、化肥施用等人为活
动影响所致.而土壤 Co 的变异系数相对较小,说明
Co空间分异相对不显著.Cd、As、Mn、Hg、Pb、Cu 和
Zn在雷竹林土壤中的偏度和峰度值均较大,显示正
偏向和高峰度.
2􀆰 2  土壤重金属污染程度评价
2􀆰 2􀆰 1基于单因子污染指数的土壤各重金属元素污
染程度评价  由表 2 可知,以浙江省土壤重金属含
量背景值[23]作为评价标准,研究区不同重金属元素
的单因子污染指数平均值大小依次为Pb>Cd>Cu =
表 1  土样 pH值和重金属含量描述性统计分析
Table 1  Description statistics of soil pH value and heavy metal concentrations (mg·kg-1)
指标
Index
极小值
Minimum
极大值
Maximum
平均值
Average
标准差
Standard
deviation
变异系数
Coefficient of
variation
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
浙江省背景值[23]
Background values of
Zhejiang Province[23]
Hg 0.03 0.75 0.16 0.11 0.69 1.99 5.23 0.16
As 1.11 27.01 7.41 5.71 0.77 1.54 1.87 7.59
Cu 9.10 164.00 34.36 20.19 0.59 3.29 15.69 30.8
Pb 25.40 498.00 87.98 57.92 0.66 4.47 24.18 30.4
Zn 54.00 452.00 103.98 50.66 0.49 4.26 22.20 92.7
Cd 0.09 1.30 0.26 0.20 0.77 2.77 8.57 0.152
Cr 18.80 117.00 59.12 17.62 0.30 -0.14 0.15 77.6
Ni 1.90 62.00 29.56 11.25 0.38 0.13 0.12 32.4
Co 4.30 20.00 11.44 2.80 0.24 -0.01 0.40 13.8
Mn 112.00 2702.00 350.26 262.22 0.75 5.14 40.71 609.0
pH 3.55 8.25 5.25 1.11 0.21 1.34 0.86 -
n= 160. 下同 The same below.
6881 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 2  土壤各重金属元素单因子污染指数评价结果
Table 2  Evaluation results of single factor pollution index for heavy metals in soil
指标
Index
单因子污染指数
评价值范围
Range of
Pi value
单因子污染
指数平均值
Average Pi
污染程度 Different pollution level (%)
安全
Non⁃
pollution
警戒
Warning line
of pollution
轻度污染
Low level
of pollution
中度污染
Moderate level
of pollution
重度污染
High level
of pollution
超标率
Over⁃standard
rate
(%)
Hg 0.16~4.68 0.99 38.1 30.0 20.0 9.4 2.5 31.9
As 0.15~3.56 0.97 48.1 20.0 19.4 8.8 3.8 32.0
Cu 0.30~5.33 1.12 21.3 26.9 45.0 5.0 1.9 51.9
Pb 0.84~16.39 2.89 0 0.6 18.8 57.5 23.1 99.4
Zn 0.58~4.88 1.12 3.8 46.3 45.0 3.1 1.9 50.0
Cd 0.56~8.56 1.70 3.1 23.2 51.3 11.9 10.6 73.8
Cr 0.24~1.51 0.76 33.1 56.3 10.6 0 0 10.6
Ni 0.06~1.91 0.91 25.0 36.3 38.8 0 0 38.8
Co 0.31~1.42 0.83 20.0 64.4 15.6 0 0 15.6
Mn 0.18~4.44 0.58 77.5 14.4 7.5 0 0.6 8.1
样点污染程度百分率=单因子污染指数评价值分别为安全、警戒、轻度污染、中度污染、重度污染的样品数 /样品总数×100% Percentage of sam⁃
ples in different pollution level =Number of samples whose single factor pollution index value belonged to the pollution level of non⁃pollution, warning,
low, moderate and high respectively / 160 soil samples×100%;超标率 =单因子污染指数评价值大于 1 的样品数 /样品总数×100% Over⁃standard
rate =Number of samples whose single factor pollution index value>1 / 160 soil samples×100%.
Zn >Hg>As>Ni>Co>Cr>Mn,其中 Pb、Cd、Cu 、Zn 等
4 种重金属元素污染相对严重,单因子污染指数平
均值分别为 2.89、1.70、1.12、1.12.160 个采样点土壤
重金属元素超标率大小依次为 Pb>Cd>Cu>Zn>Ni>
As>Hg>Co>Cr>Mn, 各采样点 Pb、Cd、Cu、Zn 的超
标率均大于 50%,其中土壤 Pb 的采样点超标率最
大,达到 99.4%.土壤各重金属元素单因子污染指数
平均值和超标率大小排序不完全一致,其中 Pb、Cd、
Cu、Zn、As、Co、Cr和 Mn 的排序完全一致,而 Hg 和
Ni的排序进行了换位.Pb单因子污染指数平均值和
超标率均最大,说明 Pb 的污染范围广且对土壤已
经构成中度污染;Cd单因子污染指数平均值和超标
率仅次于 Pb,约 3 / 4的采样点 Cd污染程度为轻度;
Zn 和 Cu 单因子污染指数平均值和超标率非常接
近,近 50%采样点 Cu和 Zn达到轻度污染程度;Hg、
As、Ni、Co 和 Cr 单因子污染指数平均值介于 0.7 ~
1􀆰 0之间,Mn单因子污染指数平均值小于 0.7,表明
土壤总体上未受到这 6种元素污染;Hg 各采样点的
单因子污染指数范围(0.16 ~ 4.68)波动性大于 Ni
(0􀆰 06~ 1.91),导致虽然 Hg 超标率小于 Ni,但 Hg
单因子污染指数平均值却大于 Ni.由此可见,临安市
雷竹林土壤中 Pb、Cd、Zn、Cu污染较为严重,并且这
4种重金属元素是人类活动引起污染的重要指示元
素.结合文献报道[34-36]和临安市工业、畜禽养殖等
主要污染源分布,推测研究区土壤 Pb、Cu 和 Zn 的
污染除了来源于化肥外,可能主要来源于汽车尾气
和轮胎磨损产生的粉尘输入雷竹林地土壤[36],或者
蓄电池、电缆、化工等工业废气排放的重金属进入大
气,再经大气沉降富集到雷竹林土壤中[7,37-38];Cd
的污染可能主要来源于电镀、电路板、电池厂等排放
的废渣和废水输入雷竹林地土壤[6] .
2􀆰 2􀆰 2基于内梅罗综合污染指数的土壤各采样点污
染程度评价  单因子污染指数评价结果能说明研究
区 160个采样点 10种重金属元素的污染程度,而要
明确 160 个采样点各自的污染程度,则需通过内梅
罗综合污染指数进行评价.研究区综合考虑 10 种重
金属元素的 160个采样点土壤内梅罗综合污染指数
评价值介于 1.12 ~ 11.74 之间,平均值为 2.37.所有
采样点土壤重金属内梅罗综合污染指数都超过 1.0,
表明所有采样点土壤都受到不同程度的重金属污
染,污染程度为轻度污染、中度污染和重度污染所占
比例分别为 55.6%、29.4%和 15.0%.160个采样点中
内梅罗综合污染指数为重度污染的采样点集中于板
桥乡、锦南街道、於潜镇、青山湖街道、高虹镇、太湖
源镇等乡镇.这些乡镇人口密集,汽车保有量较高,
并且工业发达,因此,其雷竹林土壤重金属重度污染
程度与其产业布局较为吻合.根据临安市相关资料,
板桥乡造纸、机械、水泥、蓄电池等工业和畜禽养殖
业较为发达,锦南街道工业包括化工、涂料、造纸、印
刷等,淤潜镇造纸、化工、电子元器件、通讯器材等工
业和畜禽养殖业较发达,青山湖街道主要工业为化
工、造纸、电镀、水泥等,高虹镇工业包括照明电器、
电子元器件、电镀等.初步推断汽车轮胎磨损、汽车
尾气排放等交通运输活动是导致临安市雷竹林土壤
重金属污染的主要来源之一[39] .由于畜禽粪便含有
Cd、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Hg、As 等重金属,因此,推测
78816期                        方晓波等: 临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价           
雷笋生产过程中大量施用畜禽粪便有机肥,与雷竹
林土壤中重金属积累存在一定的关联性[40] .造纸、
机械、水泥、蓄电池、化工、涂料、电子元器件、电镀、
照明电器等行业排放的废水及废渣中含有 Cd、Cr、
Cu、Pb、Hg、As等重金属,而这些恰是临安市的主导
行业,初步判定造纸、机械、水泥、化工、电子元器件、
照明电器等行业排放的废水及废渣,也是导致临安
市雷竹林土壤重金属污染的主要潜在源头之一[41] .
由此认为,除施用化肥外,交通、工业和畜禽养殖也
可能是导致雷竹林土壤重金属重度污染的重要因
素,应通过合理施用化肥,加强交通、工业和畜禽养
殖等污染控制措施来改善雷竹林地土壤污染现状.
2􀆰 3  土壤重金属潜在生态风险评价
2􀆰 3􀆰 1基于单因子潜在生态风险指数的土壤各重金
属元素生态风险评价   应用 Hakanson[24]提出的潜
在生态风险指数法,计算了临安市雷竹林土壤重金
属污染潜在生态风险指数(表 3).
    由表 3可知,从土壤各重金属元素单因子潜在
生态风险指数(E ir)平均值来看,临安市雷竹林地土
壤 10种重金属元素潜在生态风险平均值大小顺序
为:Cd>Hg>Pb>As>Cu>Ni>Co>Cr>Zn>Mn,只有 Cd
的潜在生态风险达到中等水平(ECdr = 50.98),其他
重金属均属于轻微生态风险.160 个采样点土壤中
ECdr 属于很强、强、中等和轻微生态风险所占比例分
别为 4.3%、8.8%、30.0%和 56.9%,很强生态风险的
采样点集中于锦南街道和青山湖街道,最大值
(ECdr = 256.82)出现在锦南街道;锦南街道和青山湖
街道有电镀、印刷、涂料、化工等工业,这些工业排放
的废渣和废水中都含有 Cd[6],初步判断工业废渣和
废水排放可能导致锦南街道和青山湖街道雷竹林土
壤 Cd存在很强生态风险.EHgr 属于很强、强、中等和
轻微生态风险所占比例分别为 0.6%、11.3%、20.0%
和 68.1%,只有高虹镇的 1 个采样点存在很强生态
风险(EHgr = 187.33);高虹镇是中国节能灯三大制造
基地之一,节能灯生产过程中产生的废弃灯管、废水
和废气中均含有 Hg[42],因此导致高虹镇雷竹林土
壤 Hg存在很强生态风险.EPbr 属于强、中等和轻微
生态风险所占比例分别为 0.6%、2.5%和 96.9%,强
生态风险的采样点出现在板桥乡(EPbr = 81.94),而
这一采样点恰好在板桥乡某一铅蓄电池厂附近,推
测铅蓄电池生产是导致板桥乡 Pb 存在强生态风险
的主要原因[43] .
2􀆰 3􀆰 2基于综合因子潜在生态风险指数的土壤各采
样点生态风险评价  综合考虑 10 种重金属元素在
各采样点土壤重金属的综合因子潜在生态风险指数
(R i),结果表明,160个采样点的 Ri值范围为 63.21~
427.65,平均为 132.55,属于强、中等和轻微生态风险
所占比例分别为 3.8%、23.1%和 73.1%,强生态风险
的采样点集中于锦南街道、湍口镇、青山湖街道和板
桥乡,最大值出现在锦南街道;临安市 R i平均值为
132.55,表明临安市雷竹林土壤重金属整体上存在
轻微生态风险,但部分乡镇某些重金属元素存在强
甚至很强生态风险,如锦南街道、湍口镇、青山湖街
道的 Cd污染、高虹镇的 Hg 和板桥乡的 Pb 污染仍
需加强治理.
2􀆰 4  各评价方法在临安市雷竹林土壤重金属评价
的适用性分析
2􀆰 4􀆰 1 单因子污染指数和单因子潜在生态风险指数
表 3  土壤重金属单因子潜在生态风险指数评价结果
Table 3  Evaluation results of single factor potential ecological risk index for heavy metals in soil
指标
Index
单因子潜在
生态风险指数
评价值范围
Range of
Er values
单因子潜在
生态风险
指数平均值
Average Er
生态风险程度 Different ecological risk level (%)
轻微潜在风险
Low level of
potential risk
中等潜在风险
Moderate level
of potential risk
强潜在风险
Considerable level
of potential risk
很强潜在风险
High level of
potential risk
极强潜在风险
Serious level of
potential risk
Hg 6.26~187.33 39.83 68.1 20.0 11.3 0.6 0
As 1.46~35.59 9.76 100 0 0 0 0
Cu 1.48~26.64 5.58 100 0 0 0 0
Pb 4.18~81.94 14.47 96.9 2.5 0.6 0 0
Zn 0.58~4.88 1.12 100 0 0 0 0
Cd 16.86~256.82 50.97 56.9 30.0 8.8 4.3 0
Cr 0.48~3.03 1.52 100 0 0 0 0
Ni 0.30~9.55 4.56 100 0 0 0 0
Co 1.54~7.08 4.15 100 0 0 0 0
Mn 0.18~4.44 0.58 100 0 0 0 0
样点生态风险程度百分率=单因子潜在生态风险指数评价值分别为轻微、中等、强、很强、极强潜在生态风险的样品数 /样品总数×100% Per⁃
centage of samples in different ecological risk levels=Number of samples whose single factor potential ecological risk index value belonged to the potential
ecological risk level of low, moderate, considerable, high and serious respectively divided by 160 soil samples×100%.
8881 应  用  生  态  学  报                                      26卷
适用性分析  对比基于单因子污染指数的各重金属
元素污染程度评价和基于单因子潜在生态风险指数
的各重金属元素生态风险程度评价不难发现,各重
金属元素的污染程度与其产生的生态风险并不完全
一致.以 Pb、Cd和 Zn 为例,采用单因子污染指数平
均值表征土壤各重金属元素受污染程度时,土壤受
到 Pb、Cd、Zn不同程度污染,分别为中度、轻度、轻
度;但采用重金属单因子潜在生态风险指数表征土
壤潜在生态风险时,Cd的潜在生态风险达到中等水
平,而 Pb和 Zn的潜在生态风险均属于轻微水平.结
合相关文献报道[12,28]认为导致这一差异主要有两
方面原因:一是由于 3种元素毒性系数相差较大,如
Cd 对人体健康的影响较大,具有较高的毒性系数,
而 Zn 的毒性系数较低[28];二是由于有些重金属虽
然在土壤中污染程度较高,但其容易伴随其他颗粒
物迁移进入土壤中矿化埋藏,使它们对生物的毒性
降低[12],因此降低了该元素的潜在生态风险.两种
方法均适用于临安市雷竹林土壤重金属元素污染评
价,若仅需从环境效应角度了解土壤各重金属元素
污染程度,建议采用单因子污染指数法即可;若需要
综合考虑环境效应、生态效应和毒理效应,则采用单
因子潜在生态风险指数更合适.
2􀆰 4􀆰 2内梅罗综合污染指数和综合因子潜在生态风
险指数适用性分析  160个采样点基于内梅罗综合
污染指数的土壤重金属污染程度和基于综合因子潜
在生态风险指数的土壤生态风险评价结果存在较大
差异,归因于 2种评价方法侧重点不同.内梅罗综合
污染指数法侧重于突出高浓度因子对评价结果的决
定性作用,可能会人为夸大高浓度因子或缩小低浓
度因子的影响,但未考虑土壤中各种重金属毒性系
数差异可能对评价结果产生较大影响[4,44];而综合
因子潜在生态风险指数法则是一种考虑生物毒性系
数的定量评价方法[45],因此导致评价结果存在差
异.两种方法均能用于综合评价临安市雷竹林各采
样点土壤重金属污染状况.本研究与程芳等[12]观点
一致,认为只有把基于内梅罗综合污染指数的土壤
重金属污染程度评价法和基于综合因子潜在生态风
险指数的土壤生态风险评价法相结合应用于临安市
雷竹林土壤,才能更全面地反映土壤重金属的污染
状况.
3  结    论
研究区土壤不同重金属元素含量差异较大.Pb、
Cu、Zn、Cd 平均含量高于浙江省背景值,其中 Pb 含
量平均值为浙江省背景值的 2.9 倍,以浙江省背景
值为标准,Pb 的超标率最大,为 99.4%, Cu、Zn、Cd
的超标率均大于 50%;Hg 平均含量与背景值相等,
As、Cr、Ni、Co、Mn平均含量低于背景值.
研究区 10种重金属元素污染程度和潜在生态
风险不同.单因子污染指数研究结果表明,临安市雷
竹林土壤 Pb、Cd、Cu、Zn污染程度相对严重,其单因
子污染指数平均值分别为 2.89、1􀆰 70、1.12、1.12,即
土壤 Pb 为中度污染,Cd、Cu 和 Zn 为轻度污染,未
受到其他 6种重金属污染.各重金属单因子潜在生态
风险指数(Eir)平均值大小顺序为:Cd>Hg>Pb>As>
Cu>Ni>Co>Cr>Zn>Mn,只有 Cd 存在中等水平潜在
生态风险(ECdr = 50.98),其他重金属均属于轻微生
态风险.初步推断临安市雷竹林地土壤中 Pb、Cd、
Zn、Cu等 4种重金属除了来源于化肥外,还可能来
源于汽车轮胎磨损及汽车尾气排放等交通污染,以
及电池、电镀、电缆、化工等工业污染.
研究区 160个采样点综合考虑 10 种重金属元
素的污染程度和潜在生态风险存在差异.基于内梅
罗综合污染指数的评价结果表明,160 个采样点都
受到不同程度的重金属污染,污染程度为轻度污染、
中度污染和重度污染的采样点数量占总采样点的
55.6%、29.4%和 15.0%;基于综合因子潜在生态风
险指数的评价结果表明,160 个采样点中强生态风
险、中等生态风险和轻微生态风险所占比例分别为
3.8%、23.1%和 73.1%;由 R i平均值可知,虽然临安
市雷竹林土壤重金属污染整体上存在轻微生态风
险,但锦南街道、高虹镇、青山湖街道、板桥乡等部分
乡镇雷竹林土壤重金属存在重度污染和强生态风
险.应采取适当措施加强该部分乡镇雷竹林土壤重
金属污染治理和生态风险防范.
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作者简介  方晓波,男,1978年生,博士,讲师.主要从事环境
规划与管理等研究. E⁃mail: fangxb@ zafu.edu.cn
责任编辑  肖  红
19816期                        方晓波等: 临安市雷竹林土壤重金属污染特征及生态风险评价