黄石沿江表层土壤重金属的风险评估外文翻译资料

黄石沿江表层土壤重金属的风险评估

林丹 金梦贵 李秀娟

浙江大学土木工程与建筑学院，浙江杭州310058 2中国地质大学盆地水文与湿地生态恢复与环境学院实验室，武汉430074 3浙江省地质矿产研究所，杭州310007 广东省地质环境监测站，广州510510

摘要：农田中重金属含量高会威胁食物生产和人体健康。我们的研究评估了土壤质量和Cd，Cr，Cu，Zn，Pb和Ni的分布，以确定黄石长江沿岸重金属的可能来源。使用电感耦合等离子体质谱仪测量22个表土样品的重金属浓度，并且通过多元统计学方法分析数据。采用Nemerow多因子指数法，Hakanson潜在生态风险指数法和Muller地质累积指数法进行重金属污染风险评估。这些方法确定了类似的结果，表明镉（Cd）对研究地点的居民构成健康风险，而Cr，Cu，Zn，Pb和Ni没有。Nemerow多因素指数法显示18个样本受到严重污染，三个中度污染和一个轻度污染。 Muller地质聚集指数法发现10个样品中度至强烈受Cd污染，5个中度污染，6个轻度至中度污染，1个轻度污染。 Hakanson潜在生态风险指数法证明6个样本受到严重污染，7个受到中度污染，9个受到轻度污染。由于我们的采样点全部位于农田，因此我们推荐潜在的生态风险指数方法，因为它不仅考虑了造成土壤污染的污染物范围，而且还考虑了重金属毒性因素。我们倾向于表层土壤中高浓度Cd的来源来源于长江上游的冲积物沉积物，残留物种形成比例高，Cd交换性形态分布比例低。这反过来表明土壤中高浓度的镉对自然环境影响不大。然而，31.9％的铁锰氧化物结合形态，表明土壤中的这种水平的Cd对作物有潜在危害，特别是如果暴露于还原条件下。

关键词：重金属; 风险评估; 土壤化学分析; 长江;黄石

引言

中国土壤化学分析和重金属污染分析研究一直保持局部和稳定。例如，沿长江流域确定了一个异常的重金属带如镉（XI Xiao-huan，2004）。在这个异常带内，一些调查显示当地食品生产（蔬菜和农作物）中的总镉含量超过了中国卫生标准（杨忠芳等，2005;李秀娟等， 2010a;刘洋等，2016），这可能威胁到人类健康。但其他研究表明，土壤中生物有效态Cd含量仍然较低（李秀娟等，2010b）。 Morton-Bermea等人（2009）在墨西哥首都的135个城市表土样品中研究了重金属Cr，Cu，Ni，Pb，Zn和V的污染和积累。他们的结果显示，与车辆排放量相关的富集铅，以及高水平的锌和铜可能来自工厂排放。通过分析武汉河流沉积物中Cd和Zn，Cu，Pb，Mn的关系，发现镉源为长江沿岸的岩石和矿物（马振东等，2005）。根据Hakanson潜在生态风险指数法（中国科学院地理科学与资源研究所）对太仓表层土壤中8种重金属（Cd，Cr，Cu，Ni，Hg，Pb，Zn和As） lan等2007）。利用Nemerow多因子指数法在表层土壤中发现Cd，Cu，Pb和Zn在北京农田中积累（傅华等，2006;李晓秀等，2006）。在考虑“毒性反应”因素时，镉（Cd）对乌鲁木齐的环境影响比其他重金属更严重（魏冰甘等，2010）。对宜兴市4个典型农田的重金属潜在生态风险进行了研究，发现蔬菜和水稻田受到Hg，Pb和Zn污染的潜在生态风险，而茶园和竹田相对安全（周胜-lu等2008）。利用Muller指数的地质累积方法，对320国道沿线耕地土壤中的7种重金属元素（Cu，Cd，Pb，Zn，Cr，As，Ni）进行了分析（Chen J S et al.2006）。结果表明，高速公路沿线现有的土壤污染羽流含有Cd，Pb，Cr和Cu污染物。选择德国易北河三个地区的七个土壤剖面来确定Cd，Pb和Ni的地球化学分数。一旦分析，结果表明在这个地区需要认真考虑重金属，因为这些有毒金属在泛滥平原土壤中的释放与动员增加更有可能和潜在的环境风险，如植物吸收，这些金属转移到草地和食物链有关，以及在洪水期间通过水运输重金属（Rinklebe J和Shaheen SM，2014）。

武汉长江流域的氟污染浓度较高，几乎所有早期河流中的流量已经成为农田（马振东等，2005）。环境中的重金属暴露主要通过迁移到土壤 - 植物 - 食物系统中（潘根兴等，2002）。因此，重要的是调查和了解土壤中重金属的分布状况，并进行风险评估，以确定重金属从土壤迁移到植被的可能性。黄石市过去对土壤重金属的研究主要集中在大冶地区，黄石市以铜矿而闻名的南部，土壤污染主要以采矿活动为主。迄今为止，黄石市区长江沿岸流域的重金属分布尚未得到详细研究。因此，本文的目的有三：对黄石市区长江流域水中Cd，Cr，Cu，Zn，Pb和Ni的分布进行了解;利用Nemerow多因子指数法，Hakanson潜在生态风险指数法和Muller地质累积指数法评价土壤质量;并确定研究区域内可能的重金属来源。

1资料与方法

1.1研究区

黄石市位于中国湖北省东南部长江中游南岸，位于经度114°31至115°30，纬度29°30之间， 30°15N。黄石东亚副热带大陆性气候，夏季平均气温29.2℃，冬季平均气温3.9℃，平均降雨量1 382.6毫米/年。气候温和湿润，冬季较短，水热条件良好，有利于作物生长。第四纪地质资料在地质上广泛分布。更新世层主要由冲积物，冲积物和河流沉积物组成，而全新世物质主要为冲积物和湖泊沉积物。河流物质是第四纪冲积物沉积物和沉积物的主要土壤类型。研究区域几乎是低海拔的洪泛地。地下水发生在长江补给的浅层水表的松散沉积物中。第四纪冲积层主要由沙子，沙壤土和壤土组成（孟凡乔等，2000）。

1.2评估方法

土壤质量根据下面计算的三个指标进行评估。 Nemerow多因素指数法基于单因素指数法。 单因子指数计算公式如下：

其中Pi是污染物i的指数，ci是污染物i的测量浓度，cs是污染物i的参考浓度值。

Nemerow多因素指数计算如下:

其中（Pi）max是Pi的最大值，iP是Pi的平均值（王延新，2007）。 Nemerow多因素指数首先计算每种污染物的单因子指数。 该方法考虑每种污染物对土壤污染的贡献，并突出显示高浓度污染物，并根据五度污染程度对样本进行分区（表1）。

表1 Nemerow多因子指数与污染程度之间的关系

Muller指数的地质积累方法被广泛用于评估沉积物和其他材料中的重金属污染。 该指数的计算公式如下：

其中Cn是沉积物中元素n的浓度，Bn是沉积物中元素n的背景浓度值，k是 由岩石差异引起的背景值变化，一般为1.5（Muller G，1969）。 这种方法不仅考虑人造污染和地球化学背景水平，而且还认识到天然成岩作用可能发生的变化（周秀艳等，2004）。 根据给定污染物的污染程度将样品分为七个等级（表2）。

表2从“清洁”到“极度污染”的污染程度对Muller污染指数的分类

Hakanson潜在生态风险指数法考虑了各重金属污染物的毒性，是评估重金属污染最常用的方法之一。 陈杰S等人 （1989）引入了徐振奇等人重新计算的7种重金属Zn，Cr，Cu，Pb，As，Cd和Hg的“毒性反应”因子的计算方法。 （2008年）10种重金属，包括镍。 就我们的目的而言，使用以下参数来定义“毒性响应”因子（irT）：Zn = 1 lt;Cr = 2 lt;Cu = Ni = Pb = 5 lt;Cd = 30。 irT反映了重金属毒性与水体，沉积物和生物体中重金属的响应关系。 污染物i的污染因子（irC）计算如下：

其中imC是污染物i从表层沉积物中测得的浓度积累区域，inC是污染物i的标准工业前参考水平。 污染程度（dC）测量为：

污染物i的潜在生态风险因子（irE）计算如下：

要求的潜在生态风险指数（Hakanson，1980年 ）定义为：

irE的结果根据污染程度将样品分成五个等级 通过给定的污染物，而风险指数（RI）的结果将样本分成四个等级（表3）。

表3潜在生态风险因子（irE），风险指数（RI）与污染程度之间的关系

表4用于Tessier多次序萃取镉的详细方法; 其中Exc是可交换的形态，Car是碳酸盐结合形态，Iom是铁锰氧化物结合形态，Org是有机物质结合形态，Res是残余物种形态。 样品以4 500 r / min的转速离心15分钟。 滤膜的规格为0.45mu;m

1.3采样和分析

收集了22个土壤样本，并使用全球定位系统（GPS）记录它们的位置（图1）。采样点全部位于长江两岸农田。在2008年8月6日至18日期间，使用不锈钢钻在0-20厘米深度的每个位置收集1千克土壤样品，并将其储存在标记的PVC袋中。样品分析于2008年9月进行。将土壤样品风干，均化，并通过0.25mm网筛进行总重金属分析。对于pH测量和Cd的形态分析，将土壤通过0.15mm筛网筛分并在室温下储存在PVC袋中。将过筛的土壤样品的10g子样品加入到25mL蒸馏水中，搅拌并离心。通过多参数仪器（Sens ION 156，美国，哈希公司）将上清液用于pH测量。在普通的四酸消化后，使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）仪器（7 500a，美国，安捷伦科技公司）分析总重金属含量。同时进行样品检测，设置标准物质（GSS-4），空白样品和平行样品以确保数据的质量保证。 Cd的形态分析是使用Tessier多顺序提取方法（确切的方法在表4中详细描述）并使用原子吸收分光光度计（AAnalyst 800，美国，Perkin Elmer Inc.）进行分析。使用统计产品和服务解决方案软件（SPSS 13.0）和Microsoft Excel 2003分析数据。结果显示标准样品和平行样品的相对误差（RE）在0.584-23.638％之间，属于地质调查技术标准（DD2005- 03）由中国地质调查局（2005）做出的成功实验和可信数据。

图1黄石周边长江研究区内重金属污染的检测和分布样点

2结果与讨论

样品的R层次聚类（图2）表明ICP-MS测得的元素分为四类：（1）Cr，Co，Ba等; （2）Cu，Zn和Pb; （3）Ni，U，Zr等;和（4）由Cd，Sn和Ta组成。一组元素的沉积地球化学特征和影响因素可能相似。我们发现湖北省A层土壤（0〜20 cm）Cd，Cu，Zn，Pb，Ni，Sn和Ce的平均含量已超过环境背景值（NEPA，1990）研究区内的冲积土源自第四纪沉积物（14C年龄为8 100 a）（李长安等，2001），其中包含Cu，Pb，Cd，Zn，As和Hg等矿物（NEPA ，1995）。镉，铬，铜，锌，铅，镍是二十世纪工业社会中最重要的重金属（王艳新，2007），这些重金属分布在我们通过ICP-MS发现的四组中分析。因此，选择这六种重金属作进一步分析和讨论。

图2说明ICP-MS分析中测量元素之间关系的树状图

2.1表层土壤中重金属的分布特征

表5列出了表层土壤中Cd，Cr，Cu，Zn，Pb和Ni的统计结果，包括最大值，最小值，平均值和变异系数（CV）。 CV代表人口内样本的平均方差。 Zn含量最高，最高浓度为290.599 mg / kg，而Cd，Pb和Ni含量相对较低，最高Cd浓度为11.927 mg / kg，Pb为48.622 mg / kg，Ni为58.365 mg /公斤。铬的变异系数超过60％，最大值约为最小值的20倍，表明变异性强。镉也有很强的变异性，CV为58.896％。 Cr和Cd的空间分布因此是显着的。然而，Cu，Zn，Pb，Ni的CV低于30％，推断Cu，Zn，Pb，Ni中空间分布的变异性未被检测到。这个结果也可能表明这四种金属可能具有相同的来源（钟晓兰等，2007）。

表5重金属含量（mg / kg），镉（Cd），铬铬，铜（Cu），锌（Zn），铅（Pb）和镍（Ni）的统计特征以及背景在表土中测得的值

单位：mg/kg

Cr，Cu，Pb，Ni含量均低于背景值（表4）（NEPA，1995）。然而，七个样品（HS08，HS11，HS18，HS24，HS28，HS35，HS50）和一个样品（HS43）中Zn的含量超过了背景值的最大值。

2.2表层土壤风险评估

选择金属Cd，Cr，Cu，Zn，Pb，Ni作为评价表层土壤质量的评价因子。根据环境质量标准的限制等级II，这六种重金属的参考值分别为0.6mg / kg，250mg / kg，100mg / kg，300mg / kg，350mg / kg和60mg / kg。中华人民共和国土壤（GB15618-1995）。

采用Nemerow多因子指数法，Hakanson潜在生态风险指数法和Muller地质累积指数法评价土壤质量。这三种方法的计算方法类似，Cd对研究区居民有健康风险，Cr，Cu，Zn，Pb和Ni没有健康风险。

Cd的单因子指数在2.496-19.879之间，结果显示20个样品（HS01，HS02，HS06，HS07，HS08，HS09，HS11，HS12，HS18，HS20，HS22，HS24，HS28，HS35，HS39，HS42，HS43 ，HS47，HS49，HS50）受到严重污染，两种（HS03和HS44）受到中度污染。然而，Cr（0.022-0.463），Cu（0.182-0.683），Zn（0.346-0.969），Pb（0.035-0.139），Ni（0.471-0.973）等单因素指标均不超过1，说明干净样品。六个金属的内梅罗多因素索引铺设样品1.843-14.290和18之间（HS01，HS02，HS07，HS08，HS09，HS11，HS12，HS18，HS20，HS22，HS24，HS28，HS35，HS39，HS42，HS43 ，H

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