乌伊岭自然保护区土壤重金属含量及其生态风险评价

包滢丽，万鲁河

(哈尔滨师范大学)

0 引言

土壤生态状况是评价自然保护区环境状况和保护状况的重要指标.伴随着城市的发展、人类的活动，重金属元素通过各种途径进入土壤，对土壤环境质量造成影响，甚至会对人类健康造成影响[1].

乌伊岭属于国家级湿地自然保护区，是中国高纬度有代表性、典型性和稀有性的林间湿地自然保护区，拥有中国北方完整的、具有代表性的森林沼泽、灌丛沼泽、草丛沼泽、浮毯沼泽等生态系统[2].

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省东北部，小兴安岭顶峰东段，行政归属伊春市，地理坐标为48°33′～ 48°50′N，129°00′～129°28′E[3](如图1所示).研究区以乌伊岭国家自然保护区为研究对象，于2019年对区域内代表性区域及周边表层土壤进行采样.乌伊岭属于国家级湿地自然保护区，是中国高纬度有代表性、典型性和稀有性的林间湿地自然保护区，拥有中国北方完整的、具有代表性的森林沼泽、灌丛沼泽、草丛沼泽、浮毯沼泽等生态系统[2].保护区内既有罕见的植被，也有国家珍稀濒危保护植物和一、二级保护动物，是珍贵的自然宝库.

图1 乌伊岭区高程图

1.2 土壤样品的采集与测定

2019年7月综合考察乌伊岭地区的地理条件后，选取有代表性的样点选取采样点40个，采集样品后将土样放入样品密封袋保存.在实验室中将土样自然风干去除杂物，用研磨器磨碎过100目尼龙筛，依据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)(中华人民共和国生态环境部,2018)对样品进行前处理，通过电感耦合等离子体质谱法检测样品中重金属铬、铜、锌、镉、砷、铅的含量[5].

1.3 评价方法

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法是反应土壤中单个元素的污染程度的评价方法[6].方法如下：

Pi=Ci/Si

式中：Pi为重金属i的单因子指数值，Ci为重金属i的实际检测值，Si为重金属i的参照值，单因子指数法等级划分指标见表1.

表1 单因子指数法等级划分指标

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法是以单因子指数法为基础，综合多个影响因子的综合环境评价方法[7].公式如下：

式中：Pn为重金属i的综合污染指数值，Pi为重金属i的单因子指数平均值，Pi-max为重金属i的单因子指数最大值，内梅罗综合污染指数法等级划分指标见表2.

表2 内梅罗综合污染指数法等级划分指标

1.3.3 地累积指数法

地累积指数法是从环境地球化学的角度研究土壤及沉积物中重金属污染程度的指标[7].公式如下：

式中：Igeo为重金属i的地累积指数值，Ci为重金属i的实际检测值，1.5为修正指数是常数项，Bi为重金属i的黑龙江省土壤背景值，地累积指数法等级划分指标见表3.

表3 地累积指数法等级划分指标

1.3.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法是评价土壤中重金属潜在生态危害的指标，侧重于重金属在土壤中的迁移与转化，公式如下：

表4 潜在生态危害指数法等级划分指标

2 结果与分析

2.1 重金属含量统计性描述分析

该文在乌伊岭自然保护区实地采样点40个，分别包括pH、铬、铜、锌、镉、砷、铅重金属元素的含量，通过SPSS软件对数据进行处理，表5为乌伊岭土壤重金属元素统计结果，其中土壤pH均值小于等于5.5，可根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准中农用地土壤污染筛选值小于等于5.5的标准进行筛选.

从表5可以看出铬的含量范围在1.455～0.392 mg/kg，铜的含量范围在0.096～0.038 mg/kg，锌的含量范围在0.272～0.10 1 mg/kg,砷的含量范围在0.07～0.032 mg/kg，镉的含量范围在0.0056～0.0026 mg/kg，铅的含量范围在0.783～0.333 mg/kg，均未超过农用地土壤污染筛选值范围，表明研究区范围内未受重金属污染困扰[8-10]，以黑龙江省土壤背景值为标准，研究区域亦无重金属污染困扰.用变异系数C.V衡量各观测值空间变异状况，评价标准见表6,各重金属元素变异系数从大到小排序为：Cr>Cu>As>Zn>Cd>Pb.从表6可以看出变异程度均处于中度变异，样品中元素含量差异较小，说明该地区环境受外界影响处于情况正常范围[10].铬元素受到的干扰最大，变异系数为32.1%，铅元素受到的干扰最小，变异系数为11.5%.

表5 乌伊岭土壤重金属元素统计

表6 变异系数等级划分指标

2.2 单因子指数法评价

单因子指数由实际检测值与黑龙江省土壤背景值比值计算而来，计算结果见表7.铬元素的单因子指数最大值为0.0249，均值为0.0095；铜元素的单因子指数最大值为0.0049，均值为0.0029；锌元素的单因子指数最大值为0.004，均值为0.0027；砷元素的单因子指数最大值为0.0112，均值为0.0072；镉元素的单因子指数最大值为0.0655，均值为0.0483；铅元素的单因子指数最大值为0.0744，均值为0.053，单因子指数从大到小排序为Pb>Cd>Cr>As>Cu>Zn,6种元素的单因子指数均小于1，由此可知该区域环境保护良好，不受重金属污染困扰.

表7 土壤重金属单因子指数评价表

2.3 内梅罗综合污染指数法评价

内梅罗综合污染指数法以单因子指数法结果为基础计算得来，用来考量全部重金属对土壤的综合作用状况，计算结果见表8.铬元素的内梅罗综合指数为0.019；铜元素的内梅罗综合指数为0.004；锌元素的内梅罗综合指数为0.003；砷元素的内梅罗综合指数为0.009；镉元素的内梅罗综合指数为0.058；铅元素的内梅罗综合指数为0.065，内梅罗污染指数从大到小排序为Cd>Pb>Cr>As>Cu>Zn，6种元素的内梅罗综合污染指数均小于0.7,从评价指标上看，该区域安全无污染.

表8 土壤重金属内梅罗综合污染指数评价表

2.4 地累积指数法评价

地累积指数法能反应土壤中重金属累计状况，用以评价重金属及沉积物累积对环境的影响程度，计算结果见表9.铬元素的地累积指数为-7.31；铜元素的地累积指数为-9.03；锌元素的地累积指数为-9.14；砷元素的地累积指数为-7.71；镉元素的地累积指数为-4.95；铅元素的地累积指数为-4.85，地累积指数从大到小排序为Pb>Cd>Cr>As>Cu>Zn,6种元素的地累积指数均小于0，从评价结果来看，该区域土壤无重金属累积状况.

表9 土壤重金属地累积指数评价表

2.5 潜在生态危害指数评价

潜在生态危害指数法从重金属的迁移转化能力方面评价土壤潜在生态危害能力，结果见表10.铬元素的潜在生态危害指数值为0.0189；铜元素的潜在生态危害指数值为0.0143；锌元素的潜在生态危害指数值为0.0027；砷元素的潜在生态危害指数值为0.0719；镉元素的潜在生态危害指数值为1.4493；铅元素的潜在生态危害指数值为0.265，潜在生态危害指数从大到小排序为Cd>Pb>As>Cr>Cu>Zn,6种元素的潜在生态危害指数均小于40，表示研究区域不受污染，潜在生态危害评级为低风险.综合来看，乌伊岭地区综合潜在生态危害指数为1.8221，远小于150，潜在生态危害评级亦为低风险.镉的潜在生态风险指数明显高于其他，在综合指数中贡献最大[11].

表10 土壤重金属潜在生态危害指数评价表

3 结论

(1)研究区域内重金属含量均未超过农用地土壤污染筛选值范围，表明研究区范围内未受重金属污染困扰，以黑龙江省土壤背景值为标准，研究区域亦无重金属污染困扰.

(2)用变异系数C.V衡量各观测值变异空间变异状况，各重金属元素变异系数从大到小排序为：Cr>Cu>As>Zn>Cd>Pb.变异程度均处于中度变异，说明该地区环境受外界影响处于情况正常范围.

(3)通过单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数评价法、潜在危害指数法四种方法，从单因子污染、综合污染、累积污染、潜在危害4个方面评价乌伊岭重金属状况，结果均为无污染.该区域环境保护良好，生态稳定.

(4)实验结果与刘玉清等学者的研究结果保持一致，小兴安岭地区土壤中重金属含量大 多数都低于世界土壤的平均含量或在其范围之内.