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一种区域农田表层 土壤重金属潜在生态 风险评价方法

阅读：233发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，网格化布点，采集区域农田表层土壤与底层背景土壤，测定重金属总量值；应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属进行化学形态提取，确定不同重金属的形态风险等级；计算区域各点位表层土壤不同重金属的富集因子值；根据形态风险分级和富集因子计算结果，确定各点位表层土壤不同重金属的生态风险响应系数；基于生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数。本发明的有益效果是能够准确的对区域农田表层土壤重金属潜在生态风险进行评价。，下面是一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：网格化布点，采集区域农田表层土壤与底层背景土壤，测定重金属总量值；
步骤2：应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属进行化学形态提取，确定不同重金属的形态风险等级；
步骤3：计算区域各点位表层土壤不同重金属的富集因子值；
步骤4：根据形态风险分级和富集因子计算结果，确定各点位表层土壤不同重金属的生态风险响应系数；
步骤5：基于生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数。
2.按照权利要求1所述一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于：所述步骤1基于10km×10km网格布点法，在整个农业区内共布设若干个采样点，分别采集0-20cm与120-150cm两个深度层农田土壤样品，所有样品带回实验室自然风干，研磨过
100目尼龙筛，取部分样品经HNO3–HF–HClO4法消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定重金属总量值。
3.按照权利要求1所述一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于：所述步骤2取部分过筛样品，应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属依次进行弱酸溶解态、可还原态、可氧化态和残渣态4种化学形态的提取，高速离心后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定各提取液中重金属含量。
4.按照权利要求1所述一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于：所述步骤3选择常量重金属Al为参考元素，以步骤1中测定的底层土壤重金属总量值为背景值，分别计算区域不同采样点位表层土壤中重金属的富集因子值，重金属X的富集因子计算公式如下：
5.按照权利要求1所述一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于：所述步骤4根据步骤2中的形态风险分级和步骤3中的富集因子计算结果，确定各点位表层土壤中不同重金属的生态风险响应系数，鉴于重金属化学形态分布与富集因子值的实际指示意义，将处于低形态风险水平点位各重金属的生态风险响应系数设定为1，而其它形态风险水平点位重金属的生态风险响应系数为该点位富集因子计算值与各低形态风险水平点位富集因子平均值间的比率，计算公式如下：
式中，Aji为非低形态风险j点位第i种重金属的生态风险响应系数；EFji为非低形态风险j点位第i种重金属的富集因子值；为所有低形态风险点位第i种重金属富集因子的平均值。
6.按照权利要求1所述一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，其特征在于：所述步骤5基于步骤4中确定的各点位重金属生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数，计算公式如下：
Eji＝Aji×Ti×Cji/Bji
式中，Eji为j点位第i种重金属的潜在生态危害指数；Ti为第i种重金属的毒性系数；Aji为j点位第i种重金属的生态风险响应系数；Cji为j点位第i种重金属的原始总量值；Bji为j点位第i种重金属的背景值；RI为j点位多种重金属的综合潜在生态危害指数。

说明书全文

一种区域农田表层土壤重金属潜在生态 风险评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于土壤重金属污染防控技术领域，涉及一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法。

背景技术

[0002] 随着人类资源需求水平的不断提高以及生产强度的日益加大，大量重金属污染物通过多种渠道进入人类赖以生存发展的农田土壤环境，从而对农业生态环境和人类健康造成潜在的威胁。作为目前全球第二大经济体，我国农田土壤重金属污染形势不容乐观，其中尤以Cu、Pb、Cr等重金属的污染超标最为突出。对农田土壤重金属污染进行风险评价，可以了解其对周围生态环境的潜在危害程度，进而采用适当的技术方法对目标土壤实施治理和修复，最终达到控制区域土壤重金属污染进一步扩大的目的。

[0003] 潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出的一套评价重金属污染及其潜在生态风险的方法。该方法不仅考虑了重金属的含量丰度，而且还将重金属的生态环境效应与毒理学效应联系在一起，采用了具有可比性、等价属性的指数分级进行评价，因而得到了国内外学者的广泛应用。不过需要指出的是，目前在应用传统的潜在生态危害指数法进行沉积物、土壤等介质污染评价时，仍主要是以重金属的原始总量作为唯一参考值，并未考虑其化学形态分布与来源的影响。土壤中重金属能够以多种结合形态存在，而不同结合形态的重金属具有明显不同的生物有效性。此外，不同来源的重金属也会呈现出生态响应差异性。相比较自然源重金属，土壤中来自人为活动排放的重金属通常更易发生环境迁移。为保证评价结果的准确性，有必要对传统的潜在生态危害指数法作进一步改进，即在评价土壤中重金属潜在生态风险时应同时考虑其不同化学形态分布与来源的影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法，本发明的有益效果是能够准确的对区域农田表层土壤重金属潜在生态风险进行评价。

[0005] 本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

[0006] 步骤1：网格化布点，采集区域农田表层土壤与底层背景土壤，测定重金属总量值；

[0007] 步骤2：应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属进行化学形态提取，确定不同重金属的形态风险等级；

[0008] 步骤3：计算区域各点位表层土壤不同重金属的富集因子值；

[0009] 步骤4：根据形态风险分级和富集因子计算结果，确定各点位表层土壤不同重金属的生态风险响应系数；

[0010] 步骤5：基于生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数。

[0011] 进一步，步骤1基于10km×10km网格布点法，在整个农业区内共布设若干个采样点，分别采集0-20cm与120-150cm两个深度层农田土壤样品，所有样品带回实验室自然风干，研磨过100目尼龙筛，取部分样品经HNO3–HF–HClO4法消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定重金属总量值。

[0012] 进一步，步骤2取部分过筛样品，应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属依次进行弱酸溶解态、可还原态、可氧化态和残渣态4种化学形态的提取，高速离心后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定各提取液中重金属含量。

[0013] 进一步，步骤3选择常量重金属Al为参考元素，以步骤1中测定的底层土壤重金属总量值为背景值，分别计算区域不同采样点位表层土壤中重金属的富集因子值，重金属X的富集因子计算公式如下：

[0014]

[0015] 进一步，步骤4根据步骤2中的形态风险分级和步骤3中的富集因子计算结果，确定各点位表层土壤中不同重金属的生态风险响应系数，鉴于重金属化学形态分布与富集因子值的实际指示意义，将处于低形态风险水平点位各重金属的生态风险响应系数设定为1，而其它形态风险水平点位重金属的生态风险响应系数为该点位富集因子计算值与各低形态风险水平点位富集因子平均值间的比率，计算公式如下：

[0016]

[0017] 式中，Aji为非低形态风险j点位第i种重金属的生态风险响应系数；EFji为非低形态风险j点位第i种重金属的富集因子值；为所有低形态风险点位第i种重金属富集因子的平均值。

[0018] 进一步，步骤5基于步骤4中确定的各点位重金属生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数，计算公式如下：

[0019] Eji＝Aji×Ti×Cji/Bji

[0020]

[0021] 式中，Eji为j点位第i种重金属的潜在生态危害指数；Ti为第i种重金属的毒性系数；Aji为j点位第i种重金属的生态风险响应系数；Cji为j点位第i种重金属的原始总量值；Bji为j点位第i种重金属的背景值；RI为j点位多种重金属的综合潜在生态危害指数。
附图说明

[0022] 图1为一种改进的区域农田表层土壤重金属潜在生态风险评价方法流程框图；

[0023] 图2为区域农田表层土壤重金属化学形态分布示意图；

[0024] 图3为区域农田表层土壤重金属富集因子值示意图；

[0025] 图4为区域农田表层土壤单个重金属潜在生态危害指数示意图；

[0026] 图5为区域农田表层土壤多重金属综合潜在生态危害指数示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0028] 本发明方法流程如图1所示，下面列举实施例：

[0029] 步骤1

[0030] 基于10km×10km网格布点法，在整个农业区内共布设11个采样点，分别采集0-20cm与120-150cm两个深度层农田土壤样品。所有样品带回实验室自然风干，研磨过100目尼龙筛，取部分样品经HNO3–HF–HClO4法消解后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定重金属总量值。以Cu、Pb、Cr三种重金属为例，各重金属在不同采样点表层(0-20cm)与底层(120-
150cm)土壤中的总量测定结果见表1。由表1可知，该区域农田表层土壤已呈现不同程度的重金属累积，其表层土壤中Cu、Pb、Cr总量平均值分别是底层背景土壤的1.62、1.83和1.45倍。本方法不局限于上述重金属，同样适用土壤测定的其它重金属。

[0031] 表1区域农田表层土壤与底层土壤Cu、Pb、Cr总量测定值

[0032]

[0033] 步骤2

[0034] 另取部分过筛样品，应用BCR法对区域各点位表层土壤重金属依次进行弱酸溶解态、可还原态、可氧化态和残渣态4种化学形态的提取，高速离心后采用电感耦合等离子发射光谱仪测定各提取液中Cu、Pb、Cr含量。图2为区域农田表层土壤重金属化学形态分布示意图。由图2可知，该区域农田表层土壤中Cu、Pb、Cr三种重金属呈现出不同的形态分布规律，但残渣态均是三者主要的赋存形态，其所占平均百分含量分别为50.28％、47.39％、63.79％。

[0035] 基于化学形态分布，采用RAC风险评价标准对各点位表层土壤中Cu、Pb、Cr三种重金属进行形态风险分级。此标准是根据重金属弱酸溶解态百分含量，依次划分为无(<1％)、低(1-10％)、中等(11-30％)、高(31-50％)、极高(>50％)5类风险等级。结果表明，重金属Cu除在5#、10#、11#点位具有低形态风险外，在其它各点位均呈现中等风险水平；Pb在10#、11#点位具有低形态风险，在其它点位呈现中等风险水平；而Cr在4#、5#、7#、10#、11#点位均呈现低形态风险水平，在其它点位呈现中等风险水平。

[0036] 步骤3

[0037] 选择常量重金属Al为参考元素，以步骤1中测定的底层土壤重金属总量值为背景值，分别计算区域不同采样点位表层土壤中Cu、Pb、Cr三种重金属的富集因子值(EF，Enrichment Factor)。重金属X的富集因子计算公式如下：

[0038]

[0039] 图3为区域农田表层土壤重金属富集因子值示意图。由图3可知，Cu、Pb、Cr三种重金属在各采样点位表层土壤中的富集因子值均大于1，其平均值分别为1.69、1.92、1.52，表明该区域农田土壤已遭受了不同程度的人为重金属污染。

[0040] 步骤4

[0041] 根据步骤2中的形态风险分级和步骤3中的富集因子计算结果，确定各点位表层土壤中不同重金属的生态风险响应系数。鉴于重金属化学形态分布与富集因子值的实际指示意义，将处于低形态风险水平点位各重金属的生态风险响应系数设定为1，而其它形态风险水平点位重金属的生态风险响应系数为该点位富集因子计算值与各低形态风险水平点位富集因子平均值间的比率，计算公式如下：

[0042]

[0043] 式中，Aji为非低形态风险j点位第i种重金属的生态风险响应系数；EFji为非低形态风险j点位第i种重金属的富集因子值；为所有低形态风险点位第i种重金属富集因子的平均值。

[0044] 表2为区域农田表层土壤中Cu、Pb、Cr三种重金属的生态风险响应系数计算结果。由表2可知，该区域农田表层土壤中Cu、Pb、Cr三种重金属在所有低形态风险点位的生态风险响应系数均为1，而在其它中等形态风险点位的响应系数与该点位富集因子计算值大小有关，反映了不同重金属化学形态分布与来源的影响。

[0045] 表2区域农田表层土壤Cu、Pb、Cr生态风险响应系数

[0046]

[0047] 步骤5

[0048] 基于步骤4中确定的各点位重金属生态风险响应系数，应用改进的潜在生态危害指数法计算区域农田表层土壤单个重金属与多重金属的潜在生态危害指数，计算公式如下：

[0049] Eji＝Aji×Ti×Cji/Bji

[0050]

[0051] 式中，Eji为j点位第i种重金属的潜在生态危害指数；Ti为第i种重金属的毒性系数(Cu＝Pb＝5，Cr＝2)；Aji为j点位第i种重金属的生态风险响应系数；Cji为j点位第i种重金属的原始总量值；Bji为j点位第i种重金属的背景值；RI为j点位多种重金属的综合潜在生态危害指数。

[0052] 图4为区域农田表层土壤单个重金属的潜在生态危害指数示意图。根据Hakanson提出的潜在生态危害指数评价标准，该区域农田表层土壤各点位单个重金属的潜在生态危害指数均低于40，均属于轻微生态风险。相比其它两种重金属，Pb是主要的生态风险因子。图5为区域农田表层土壤多种重金属的综合潜在生态危害指数示意图。由图可知，该区域农田表层土壤各点位Cu、Pb、Cr三种重金属的综合潜在生态危害指数均低于150。因此，仅就Cu、Pb、Cr三种重金属而言，该区域农田表层土壤整体仍处于轻微生态风险水平。相比较其它点位，该区域6#点位具有最高的生态风险水平，需要引起一定重视。

[0053] 以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

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