大型垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平、空间分布、来源及潜在生态风险评价

赵曦，黄艺，李娟，成功，宋丽红，陆克定，宁冲

1. 深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518001；2. 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871

大型垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平、空间分布、来源及潜在生态风险评价

赵曦1*，黄艺2，李娟1，成功1，宋丽红1，陆克定2，宁冲1

1. 深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518001；2. 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871

摘要：通过采集珠三角东部某市大型垃圾焚烧厂周边表层土壤样品，分析了各样品中Cd、Pb、Hg、As、Cr、Cu、Ni、Zn 和Co等9种重金属含量，研究了重金属的含量水平、空间分布、来源及潜在生态风险。结果表明，研究范围内表层土壤重金属含量分别为Cd(0.183±0.07) mg·kg-1、Pb(34.8±18.7) mg·kg-1、Hg(0.081±0.028) mg·kg-1、As(11.5±9.1) mg·kg-1、Cr(31.5±19.1) mg·kg-1、Cu(17.6±12.3) mg·kg-1、Ni(7.13±4.20) mg·kg-1、Zn(82.4±44.2) mg·kg-1、Co(3.37±3.08) mg·kg-1。其中，Hg和Zn的含量分别超出广东省土壤历史背景值1倍和2倍，其余重金属含量与背景值相差不大。综合空间分布特征分析、相关性分析、聚类分析和主成分分析的结果，可以将9种重金属分为4类。Cr、Ni、Cu、Co的分布特征极为相似，且相互之间有极显著相关性，结合聚类分析和主成分分析结果，其来源主要为土壤母质。As、Zn、Pb的空间分布特征具有一定相似性，但相关性分析和聚类分析显示元素间联系不紧密，结合主成分分析结果，其来源与土壤母质和多种人类活动污染有关。Cd和Hg的空间分布特征均显示这两种重金属与垃圾焚烧厂存在联系，Cd与垃圾焚烧厂存在一定联系，而Hg与垃圾焚烧厂存在较强联系。潜在生态风险评价结果显示，该研究区域土壤重金属生态风险不高，多种重金属的综合潜在生态风险指数（RI）的范围为51～269.79，Hg和Cd对RI的贡献率相对较大，分别为52.33%和18.30%。研究表明，垃圾焚烧厂周边表层土壤Hg具有独特的环境污染特征，在垃圾焚烧厂周边的土壤重金属污染调查中，Hg污染应受到重点关注。

关键词：重金属；汞；城市生活垃圾焚烧厂；土壤；空间分布；潜在生态风险评价

引用格式：赵曦，黄艺，李娟，成功，宋丽红，陆克定，宁冲. 大型垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平、空间分布、来源及潜在生态风险评价[J]. 生态环境学报, 2015, 24(6): 1013-1021.

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重金属元素具有较强的生物富集性和环境迁移性，可经空气、水、食物链等途径进入人体，生物毒性显著，易引发慢性中毒，具有致癌、致畸及致突变作用，对免疫系统有一定影响，威胁人体健康，并对整个生态系统构成极大的危害（陆泗进等，2014）。日本在二十世纪发生的水俣病和痛痛病即分别由重金属甲基汞和镉污染引起。2009年以来，我国连续发生的陕西凤翔县、湖南武冈市和浏阳市等多起重特大重金属污染事件，对群众健康造成了严重威胁（陈明等，2010）。

我国城市生活垃圾中含有各种人造或自然物质，其中含有一定量的重金属。例如，厦门垃圾焚烧发电厂入厂生活垃圾中含有铜17.99 mg·kg-1、铅15.51 mg·kg-1、锌55.29 mg·kg-1、镍0.44 mg·kg-1、镉0.43 mg·kg-1、铬5.48 mg·kg-1、汞0.08 mg·kg-1（张厚坚等，2013）。在垃圾焚烧过程中，重金属会迁移至底渣和烟气，烟气经活性炭吸附和布袋除尘后，其中的重金属大部分会进入飞灰，少部分会吸附在细微粉尘中或以气态形式随烟气排放，垃圾焚烧烟气中重金属排放量取决于垃圾重金属含量、焚烧操作条件和末端治理设施的运行效果（赵曦等，2015）。为进一步控制垃圾焚烧厂重金属污染，我国新修订的《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485─2014）将烟气重金属指标从原有的“镉、铅、汞”等3种重金属扩大至“镉+铊、锑+砷+铅+ 铬+钴+铜+锰+镍、汞”等11种重金属，并收严了相应的排放浓度限值。

目前，国内外已有一些文献对垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平进行了研究。然而，对于垃圾焚烧厂是否会造成周边土壤重金属污染，相关文献存在不同观点。第一种观点认为垃圾焚烧厂的Hg、Cd和Pb等重金属会对周边土壤造成明显的污染，例如，嘉兴市垃圾焚烧厂周边区域表层土壤的Pb很可能源于焚烧尾气的扩散沉降及其在土壤中的累积（钟山等，2014）；意大利Pisa垃圾焚烧厂周边土壤中的Pb、Cd和Hg与垃圾焚烧烟气污染物排放有关（Bretzel和Calderisi，2011）；意大利Rimini垃圾焚烧厂周边土壤的Cd和Pb在1997年至2000年期间存在逐年积累的趋势，而此期间垃圾焚烧厂Cd和Pb的排放量也大幅增加，提示土壤重金属含量水平与垃圾焚烧厂重金属排放之间存在联系（Morselli等，2002）。第二种观点认为垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平与垃圾焚烧厂的重金属排放没有明显关联，例如，英国Newcastle Byker生活垃圾焚烧厂周边土壤重金属的污染与垃圾焚烧厂没有明显联系，主要来自于其他污染源（Rimmer等，2006）；西班牙Constanti某垃圾焚烧厂周边土壤重金属浓度的变化受垃圾焚烧厂的影响非常轻微，而主要受其他重金属污染源的影响（Nadal等，2005）。第三种观点则认为，垃圾焚烧厂会对周边土壤重金属产生影响，但其他因素掩盖（masking）了这种影响，例如，对西班牙Tarragona生活垃圾焚烧厂周边土壤重金属在1997年至1999年的变化趋势的研究显示，其他重金属污染源的排放掩盖了垃圾焚烧厂的重金属排放（Llobet等，2002）；王俊坚等认为深圳市清水河垃圾焚烧厂运营25年后周边土壤9种重金属浓度并未发生明显增长，不过垃圾焚烧厂的重金属元素输入可改变周边原土壤环境中的重金属聚类结构（王俊坚等，2011）。

不过，国内外目前开展的相关研究主要集中在垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量水平及变化趋势上，鲜见将土壤重金属含量与垃圾焚烧厂重金属排放特征进行关联分析，也较少对重金属的生态环境风险进行评估。

本研究通过采集垃圾焚烧厂周边表层土壤样品，对重金属含量进行分析，结合该垃圾焚烧厂重金属排放特征，通过统计学方法分析表层土壤重金属的可能来源，并尝试采用生态风险评价方法进行评价，以期为进一步控制垃圾焚烧过程中重金属的排放提供理论依据。本研究结合《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485─2014）中的烟气重金属指标和文献重点关注的重金属种类，选定镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）、砷（As）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）和钴（Co）等9种重金属进行研究。

1　材料和方法

1.1研究区域概况

本研究中的焚烧厂所属区域位于珠三角东部某市（22°41'03" N，114°05'47" E），区内呈现亚热带海洋性气候。气候温和，年平均气温22.4 ℃。雨量充沛，每年4─9月为雨季，年降雨量1933.3 mm。日照时间长，平均年日照时数2120.5 h，太阳年辐射量5225年兆焦耳/平方米。常年主导风向为东北风，平均每年受热带气旋（台风）影响4～5次。垃圾焚烧厂西侧和南侧均为山体，高程在70 m 至180 m之间，起伏较大，东侧和北侧地势平坦，高程在70 m左右。

1.2垃圾焚烧厂概况

垃圾焚烧厂分为一期（WI-A）和二期（WI-B）。一期的焚烧炉设计规模为675 t·d-1，二期的焚烧炉设计规模为1000 t·d-1，日常实际处理规模均为满负荷。烟气处理设施均为炉内SNCR脱硝、石灰半干法除酸、活性炭喷射和布袋除尘器，烟囱高度均为80 m。

1.3采样布点

本研究在项目厂界及周边环境共布设12个土壤样品采样点（见图1），于2014年1月进行1次采样。结合垃圾焚烧厂周边地形特征，以垃圾焚烧厂烟囱为中心，以主导风向（东北风）的下风向为轴，按垂直十字交叉的方式确定东北（NE）、东南（SE）、西南（SW）和西北（NW）4个采样方向。采样点采取等距离环状布点结合主导风向布点的方式，以WI-A和WI-B的烟囱连线中点为烟囱中心，在据烟囱中心500、1000和1500 m处，共布置12个采样点位。采样点使用GPS导航系统定位。

图1　研究区域等高线图及采样布点示意Fig. 1 Sampling distribution in the contour map of research area

1.4样品采集

在各样点采集0～20 cm的表层土壤封存于PVC袋内，每个采样点在小范围内采集4份平行样品，每个样品均根据梅花布点法在采样点3 m×3 m范围内采集的5个等容小样均匀混合而成。

1.5样品分析

土壤样品经自然风干、磨碎过100目筛，取0.20 g用反王水-双氧水在最佳的消解条件下进行微波消解。利用美国PerkinElmer公司的FIMS-400型流动注射仪分析样品中的Hg含量；利用PerkinElmer公司的NexION 300X型ICP-MS分析样品中的Cd 和As；利用PerkinElmer公司的Optima 8000型ICP-OES分析样品中Cu、Co、Pb、Zn、Cr和Ni。每批样品同时用相同方法测定空白和平行样品，每个样品测定3次，误差在±5%之内。用标准黄色红壤（GBW07406，国家标准物质中心）测定精确度。每消解一批样品分别用上述标准物质进行质量控制，回收率在90%～110%范围内。

1.6数据分析

1.6.1统计分析

采用Microsoft Office Excel 2003软件对数据处理及制图，利用SPSS 17.0软件进行相关性分析、聚类分析和主成分分析等统计分析。相关性分析采用Pearson相关系数分析土壤各类重金属含量之间的相关性，分析前对数据进行取对数处理，使其呈正态分布。聚类分析采用分层聚类法的R型聚类进行分析。

1.6.2潜在生态风险评价

采用瑞典学者Hakanson（1980）提出的潜在生态风险指数法（The Potential Ecological Risk Index，RI）对土壤重金属潜在生态风险进行评价。单个重金属潜在生态风险因子的计算公式为：。Ci为重金属含量；为重金属背景值，采用广东省土壤重金属背景值（广东省环境监测中心站，1990）；为重金属毒性系数，Hg、Cd、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn的毒性系数分别取40、30、10、5、5、5、5、2和1（徐争启等，2008）。各重金属总的潜在生态风险指数RI为各重金属之和。重金属的潜在生态风险分级标准见表1（Hakanson，1980）。

表1　潜在生态风险指数与分级标准Table 1 Ecological risk index and classification of risk intensity

表2　土壤重金属浓度与其他文献案例对比Table 2 Heavy metal concentrations in top soils and comparison with other MSWIs mg·kg-1

2　结果与讨论

2.1表层土壤重金属含量水平

本研究中的垃圾焚烧厂周边1.5 km范围内表层土壤中各重金属的含量见表2，各元素均满足《土壤环境质量标准》（GB15618─1995）中的二级标准（pH 6.5～7.5）。除Hg和Zn分别超出广东省土壤历史背景值1倍和2倍外，其余重金属含量与背景值相差不大。与国内外对其他垃圾焚烧厂周边土壤的研究报道对比，本研究区域内表层土壤各重金属的整体含量水平低于嘉兴市、Pisa（意大利）、Montcada（西班牙）和Newcastle（英国）等地垃圾焚烧厂周边土壤，Hg含量水平低于上海市浦东垃圾焚烧厂周边土壤，Cd、Pb、Hg等重金属含量水平略高于深圳市清水河和Tarragona（西班牙）等地垃圾焚烧厂周边土壤。

2.2重金属含量空间分布特征

不同方位不同距离表层土壤9种重金属含量的空间分布特征见图2。按空间分布特征，9种重金属可分为四类，分别为Cr、Ni、Cu和Co，As、Zn 和Pb，Cd，Hg。

图2　垃圾焚烧厂周边土壤重金属含量空间分布特征Fig. 2 Spatial distributions of heavy metals in studied area

Cr、Ni、Cu和Co的空间分布特征非常相似，最大值均出现在东北方向（垃圾焚烧厂上风向），东南方向次之，最低值出现在西南方向（垃圾焚烧厂下风向），且各方向上基本呈现重金属含量随距离增加而增加的格局。

As、Zn和Pb的空间分布特征具有一定相似性，最大值出现在东北方向（垃圾焚烧厂上风向）和西北方向，东南方向和西南方向（垃圾焚烧厂下风向）较低，各方位上含量与距离之间的规律不明显。

Cd和Hg的空间分布特征有相似性但不尽相同。两者均为西南方向高于其他方向，且最大值均出现在西南方向1000 m处，与垃圾焚烧厂烟气扩散的空间分布规律存在一致性。不过，Cd在各方向各方位上含量与距离之间的规律不明显，而Hg在各方位上基本呈随距离增加而降低的格局。

2.3重金属来源分析

2.3.1重金属相关性分析

相关性分析已经被广大国内外学者广泛应用于土壤重金属研究，重金属元素之间的相关性分析有助于重金属来源的辨识（吕建树等，2012）。本研究的Pearson相关性分析结果见表3。

Co、Cr、Cu和Ni等元素之间均有极显著相关性（P<0.01），这几种元素通常来源于成土过程中母岩风化，说明这4种重金属元素主要为自然来源，受母质影响较大，而受外界环境影响较小。

Zn和Cd之间存在显著相关性（P=0.042），这指示人类活动对土壤环境的影响（Lv等，2013）。

另外，Hg与As、Cr、Cu、Zn等元素之间呈显著负相关。这与Wang等（2011）对深圳市清水河垃圾焚烧厂周边土壤的研究结果极为相似，该研究结果显示Hg与Cr、Cu、Se和Zn等元素之间呈显著负相关。

2.3.2聚类分析

通过采用组间类平均法进行变量标准化，距离测量采用平方欧氏距离，对9种重金属进行聚类分析，结果见图3。选择5为组间距离标准，得到差异明显的6个组，Cr、Ni、Cu、Co聚为一类，As、Zn、Cd、Pb、Hg各自成一类。根据陶澍等2001年对本研究区域所在市的土壤重金属R聚类分析结果显示，区域土壤重金属主要聚集在两类中，分别与查瓦里兹基分类中的铁族元素和亲硫元素一致。其中，Cr、Cu、Ni、As、Co等铁族元素聚为一类，而Cd、Zn、Pb、Hg等亲硫元素为另一类（陶澍等，2001）。因此，本研究的聚类结果说明表层土壤Cr、Ni、Cu、Co等元素之间的平衡未受外界输入影响，而As、Zn、Cd、Pb、Hg等可能受到了人类活动的影响，改变了相互之间的平衡。

图3　垃圾焚烧厂周边土壤重金属R型聚类Fig. 3 Hierarchical cluster analysis dendrogram for soil samples surrounding MSWI

表3　重金属之间相关性系数Table 3 Correlation coefficients of heavy metals in study area

2.3.3主成分分析

经KMO检验和Bartlett球度检验（P<0.001），主成分分析结果具有统计学意义。通过主成分分析，对垃圾焚烧厂周边表层土壤重金属的来源进行研究。9种重金属共提出2个主成分，这2个主成分揭示了表层土壤中9种重金属的76.4%的影响因子，大大缩减了表层土壤重金属含量的影响因素，其主成分因子载荷量见表4和图4。主成分1 （principle component 1，PC1）的方差贡献率为51.5%，Cu、Ni、Cr、Co、Zn、As都具有较大的正载荷，结合相关性分析和聚类分析结果，可以将其归于土壤母质背景成分。主成分2（PC2）解释了总方差的24.9%，且Pb、Cd、Zn和As具有较大正载荷，相关研究表明，当Pb、Cd和Zn被分在同一主成分时，在地方尺度（local scale）上受到人为活动的影响（Lv等，2013；Cai等，2012）。除垃圾焚烧以外，电池制造和电镀行业等工业活动会造成多种重金属污染。在农业活动中，畜禽粪便及饲料会造成As、Cd、Pb等多种重金属污染（罗小玲等，2014）。而交通活动引起的重金属污染也不容忽视，尽管目前已经禁止使用含Pb汽油，但汽车轮胎磨损及发动机润滑油的燃烧是Zn、Cd的主要来源（韩玉丽等，2015；Markus和Mcbratney，1996；Wilcke等，1998）。结合本研究区域内存在工业区、荔枝果园和交通主干路等多种人为污染源的情况，可判断PC2与多种人为排放源关系密切。

表4　土壤重金属主成分载荷Table 4 Component matrix for metals in soils

图4　表层土壤重金属因子载荷散点图Fig. 4 Principal component analysis of heavy metals concentrations in topsoil

Zn和As在2个主成分中均占有一定的正载荷量，这说明该两种元素来源比较复杂，可能受到自然地质背景和人类活动的共同控制。

值得注意的是，Hg在第一主成分上具有较大的负载荷量，王俊坚等（2011）对深圳市清水河周边土壤重金属的主成分分析也出现了类似的情况，并认为与Hg的负载荷相关的主成分为地形高程，地形对垃圾焚烧厂Hg的迁移扩散起阻挡作用。而本研究中表层土壤Hg的分布规律与地形高程无明显联系，东北方向、东南方向、西南方向和西北方向的采样点高程范围分别为64～65、81～84、95～166 和70～117 m，Hg含量水平与高程之间无显著相关性（r=0.339，P=0.280）。不过，与王俊坚（2011）等的研究较为一致的是，Hg的含量水平与采样点所处的垃圾焚烧厂上下风向存在联系，Hg的负载荷可能提示Hg与垃圾焚烧厂烟气扩散规律存在联系。

2.3.4表层土壤重金属与垃圾焚烧厂的联系

本研究从垃圾焚烧厂重金属排放量和重金属在焚烧过程中的迁移特征两个方面来进行分析。

从垃圾焚烧厂重金属排放量来看。根据该垃圾焚烧厂运营以来的监测数据，推算出的9种重金属累计排放量见表5。在假定垃圾焚烧厂排放的重金属全部汇入周边1.5 km范围内的20 cm厚的表层土壤（假设土壤容重为1.33 g·cm-3），且不考虑淋溶等输出作用的情况下，垃圾焚烧厂排放的Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn和Co对周边1.5 km范围内的表层土壤中相应重金属含量的潜在贡献率未超过1%，Hg和Cd的潜在贡献率分别达到了41.0%和14.2%。可见，若综合考虑环境中烟气重金属实际扩散范围以及多种迁移途径，以及土壤淋溶等多种输出作用，垃圾焚烧厂排放的Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn和Co对周边表层土壤的实际影响非常轻微，而Hg和Cd对周边土壤相应元素含量水平的影响相对较大。

表5　垃圾焚烧厂重金属排放总量与周边表层土壤重金属总量对比Table 5 Comparison of total mass of heavy metals released and total mass of heavy metals in the top soil surrounding the MSWI

从垃圾焚烧过程中重金属迁移特征来看。根据课题组对该垃圾焚烧厂重金属迁移特征的研究成果，9种重金属呈现出四类不同的迁移特征，Co、Cr、Cu、Ni主要迁移至底渣中，As、Pb、Zn主要迁移至底渣和飞灰中，Cd主要迁移至飞灰中，Hg主要迁移至飞灰和烟气中（赵曦等，2015）。而这一分类与周边土壤重金属空间分布格局极为一致，且与周边土壤重金属相关性分析、聚类分析和主成分分析的特征均有相似性。

以上结果表明，研究区域表层土壤中的Hg和Cd可能与垃圾焚烧厂的排放存在较大的关联，其中Hg的联系较为紧密。

2.4潜在生态风险分析

潜在生态风险指数法的评价结果见表6。Hg的潜在生态风险程度最大，58.3%的采样点达到中等生态风险，33.3%的采样点达到强生态风险。Cd的潜在生态风险程度次之，但以轻微风险为主。其他7种重金属均属于轻微生态风险水平。由各重金属的潜在生态危害系数的均值来看，潜在生态危害大小顺序为：Hg（73.64）>Cd（25.75）>As（12.92）>Pb （7.73）>Cu（7.32）>Co（5.27）>Ni（3.75）>Zn （2.84）>Cr（1.49）。

9种重金属的综合潜在生态风险指数（RI）的范围为51～269.79。75%采样点处于轻微生态风险，25%的采样点处于中等生态风险。可见，本研究区域表层土壤重金属生态风险不高。

不过，重金属Hg在潜在生态危害中占有较大的贡献率，不同的釆样点的Hg潜在生态危害系数与相应的RI值据有较好的一致性，与Hg潜在生态危害较大有关。该区域内表层土壤Hg的生态风险应引起重视。

3　讨论

尽管目前文献关于垃圾焚烧厂是否对周边土壤造成重金属污染存在不同结论，但不可否认垃圾焚烧厂难免会向周边环境排放一定量的重金属。一方面，是否造成土壤重金属污染主要取决于垃圾焚烧厂的重金属排放水平、区域土壤的重金属背景水平以及重金属在土壤中的自然输入输出条件等。Morselli等（2002）的研究表明，当意大利Rimini垃圾焚烧厂Hg和Ni的年排放量分别从1997年的12和110 kg降至2000年的1.6和20 kg时，周边表层土壤的Hg和Ni含量分别下降了50%和10%左右，说明当地的气候条件使得土壤中重金属存在高强度的输出作用。而本研究区域地处年气温高、降水量大的亚热带，土壤重金属可能较高强度的输出过程，当地无碳酸盐岩石风化壳上发育的酸性土壤受到强烈的风化和淋溶作用，使土壤中微量元素含量明显降低（Shi等，2007）。本研究中，垃圾焚烧厂Hg排放对土壤Hg含量的潜在贡献率相对其他重金属较大，虽然土壤存在强输出的作用，但Hg含量相比历史背景水平偏高，应受重点关注。另一方面，重金属也存在众多其他污染源，除来自工业污染源外，As、Cd和Pb也可能来源于农业污染源，Zn、Cd也可能来源于交通污染。在一些地区，这些污染源的重金属排放量远高于垃圾焚烧厂的排放量，使得其他重金属污染源的排放掩盖了垃圾焚烧厂的重金属排放（Llobet等，2002）。这充分说明了土壤重金属来源的复杂性，因此对垃圾焚烧厂周边土壤重金属监测结果不可一概而论。

表6　重金属潜在风险评价Table 6 Assessment of the ecological risk of heavy metals in soil

本研究根据空间分布特征将重金属分为了四类，分别为Cr、Ni、Cu和Co，As、Zn和Pb，Cd，Hg，而这与课题组对该垃圾焚烧厂内重金属的迁移特征的研究结果一致。在垃圾焚烧过程中，因其沸点不同，Co、Cr、Cu、Ni主要迁移至底渣中，As、Pb、Zn主要迁移至底渣和飞灰中，Cd主要迁移至飞灰中，Hg主要迁移至飞灰和烟气中（赵曦等，2015），即垃圾中的重金属随烟气排入周边环境的从易到难依次为：Hg>Cd>As、Pb、Zn>Co、Cr、Cu、Ni。这说明重金属自身的理化性质决定了重金属的迁移特征和环境分布特征。另外，该结果也提示，Hg和Cd可能存在不同的污染途径，低沸点的Hg主要以气态的形式排入周边大气环境，而Cd、As、Pb、Zn主要通过吸附在颗粒物上随之排入周边大气环境。这也解释了在主成分分析时，Hg与Cd在不同的主成分上有较大的载荷。垃圾焚烧厂排放的气态Hg又分为气态单质汞Hg0和气态二价汞Hg2+，Hg0由于其较高的蒸汽压和极低的水溶性，可在大气环境中停留长达0.5～2年；Hg2+易溶于水，可随干、湿沉降到地面，影响局部区域的生态系统；而颗粒态的重金属一般在排放源的附近沉降下来，主要影响当地的生态系统（Carpi，1997）。

本研究中，Hg与As、Cr、Cu、Zn等元素之间呈显著负相关。主成分分析结果也显示，Hg在第一主成分上具有较大的负载荷量。这与深圳市清水河垃圾焚烧厂周边土壤的研究结果极为相似，该研究认为这是由于垃圾焚烧厂排放的Hg和其他重金属使原自然土壤中微量元素进入生态学意义上的非平衡稳态，同时认为与Hg的负载荷相关的主成分为地形高程，地形对垃圾焚烧厂Hg的迁移扩散起阻挡作用（王俊坚等，2011；Wang等，2011）。不过本研究中表层土壤Hg的分布规律与地形高程无明显联系，但与王俊坚等（2011）的研究一致的是，Hg的含量水平与采样点所处的垃圾焚烧厂上下风向存在联系。因此，本研究认为Hg与部分元素呈显著负相关提示垃圾焚烧厂污染排放对元素间平衡的改变，Hg在主成分上较高的负载荷可能提示Hg与垃圾焚烧厂烟气扩散规律存在一定联系，不过其内在机理仍需进一步研究探讨。

在本研究的各类分析中，Hg均显示出独特的环境污染特征。本研究认为Hg可以作为垃圾焚烧厂污染的指示元素。首先，从源解析角度来看，相比其他重金属，我国Hg的人为污染来源相对集中，主要来源于燃煤燃烧、城市生活垃圾焚烧、非铁金属熔炼、建筑材料生产、氯碱工业、温度计生产和荧光灯生产等（Zhang等，2015）。就本项目研究区域而言，周边10 km范围内基本不存在城市生活垃圾焚烧以外的其他前述污染源。其次，垃圾焚烧厂排放的Hg对周边土壤环境的潜在贡献率较大。意大利Rimini垃圾焚烧厂烟气Hg排放量高于Pb和Cd，而周边土壤Hg含量分别比Pb和Cd低4个和1个数量级，Hg的潜在污染贡献率大于Pb（Morselli等，2002）。而对于一些垃圾焚烧厂来说，尽管垃圾焚烧尾气Hg排放量低于Pb（钟山等，2014），但Hg的土壤背景值和环境标准值远低于Pb，Hg的污染贡献率相对较大。因此，以Hg作为垃圾焚烧厂的重金属特征污染物更具研究意义。第三，潜在生态风险指数法的结果显示，Hg的潜在生态风险程度最大。不仅因为表层土壤Hg监测值高于历史背景值，而且是由于Hg的毒性系数在9种重金属中最高。因此，在垃圾焚烧厂周边的土壤重金属污染调查中，Hg污染应受到重点关注。

4　结论

（1）本研究中的垃圾焚烧厂周边1.5 km范围内表层土壤中各重金属的含量水平均满足《土壤环境质量标准》（GB15618─1995）中的二级标准（pH 6.5～7.5）。除Hg和Zn分别超出广东省土壤历史背景值1倍和2倍外，其余重金属含量与背景值相差不大。

（2）综合空间分布特征分析、相关性分析、聚类分析和主成分分析的结果，可以将9种重金属分为4类。Cr、Ni、Cu、Co的分布特征极为相似，且相互之间有极显著相关性，结合聚类分析和主成分分析结果，其来源主要为土壤母质。As、Zn、Pb的空间分布特征具有一定相似性，但相关性分析和聚类分析显示元素间联系不紧密，结合主成分分析结果，其来源与土壤母质和多种人类活动污染有关。Cd和Hg的空间分布特征均显示这两种重金属与垃圾焚烧厂存在联系，Cd与垃圾焚烧厂存在一定联系，而Hg与垃圾焚烧厂存在较强联系。

（3）垃圾焚烧厂排放的Hg和Cd对周边土壤可能存在不同的污染途径。Hg主要通过气态的形式在环境中迁移，而Cd则主要通过吸附在颗粒物上，与其他污染来源的重金属混杂在一起，通过干沉降和湿沉降汇入土壤环境。

（4）在生态风险评价结果显示，本研究区域土壤重金属生态风险不高，多种重金属的综合潜在生态风险指数（RI）的范围为51～269.79，Hg和Cd 对RI的贡献率相对较大，分别为52.33%和18.30%。

（5）垃圾焚烧厂周边表层土壤Hg具有独特的环境污染特征，在垃圾焚烧厂周边的土壤重金属污染调查中，Hg污染应受到重点关注。

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Environmental Levels, Spatial Distribution, Sources and Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Soils Surrounding A Large Solid Waste Incinerator

ZHAO Xi1, HUANG Yi2, LI Juan1, CHENG Gong1, SONG Lihong1, LU Keding2, NING Chong1
1. Shenzhen Academy of Environmental Sciences, Shenzhen 518001, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Abstracts: The contents of nine selected heavy metals (Cd, Pb, Hg, As, Cr, Cu, Ni, Zn, Co) were determined in the top soils surrounding a large municipal solid waste incinerator (MSWI) in the east of Pearl River Delta. Based on the analyses, the spatial distribution, possible sources and potential ecological risk of the metals were studied. The contents of Cd, Pb, Hg, As, Cr, Cu, Ni, Zn, Co in the top soils were (0.183±0.07) mg·kg-1, (34.8±18.7) mg·kg-1, (0.081±0.028) mg·kg-1, (11.5±9.1) mg·kg-1, (31.5±19.1) mg·kg-1, (17.6±12.3) mg·kg-1, (7.13±4.20) mg·kg-1, (82.4±44.2) mg·kg-1, (3.37±3.08) mg·kg-1, respectively. The mean contents of Hg and Zn were 1 and 2 times higher than their respective background values of Guangdong Province, respectively. Accompanied with Pearson's correlation, hierarchical cluster and principle component analysis, four groups of heavy metals with different spatial distribution were identified: Cr, Ni, Cu, Co originated from lithological sources, Pb, As, Zn were affected by both lithological and human sources (e.g. industrial, agricultural and traffic sources), Cd showed certain spatial correlation with the MSWI, and Hg was strongly related to the MSWI. The range of the potential ecological risk index (RI) of top soil is 51～269.79, of which 52.33% and 18.30% were from Hg and Cd, respectivley. The above results indicated that the unique pollution characteristics of Hg deserve serious attention in pollution monitoring in soils surrounding solid waste incinerator.

Key words:heavy metals; mercury; MSW incinerator; soil; spatial distribution; potential ecological risk

收稿日期：2015-05-06

*通信作者。

作者简介：赵曦（1982年生），男，工程师，主要从事重金属和持久性有机污染物的环境影响与污染防治研究。E-mail：zhaoxi5257@sina.com

基金项目：国家自然科学基金项目（41375124）；国家环境保护公益性行业科研专项（201309034）；深圳市人居环境委员会环境科研专项基金项目（SZGX2012118D-SCZJ）

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）06-1013-09

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.016