晋中盆地土壤重金属分布特征及生态风险

郭 星, 王应刚, 曹霄霄, 张 婷

(山西大学 环境与资源学院, 山西 太原 030006)

土壤是生态环境重要的组成部分，也是人类生产生活的物质基础[1]。近年来，随着经济的发展、城市规模的扩张以及人口数量的增多，城市化水平越来越高，与之相伴的是人类活动对区域土壤环境更为直接的影响[2-4]。土壤中的重金属很难通过自然过程分解和迁移，并会随着时间的累计不断增多，农业生产过程中化肥的广泛使用，农田的污水灌溉都会导致残留于土壤中的重金属不断累积[5]，而工业活动中产生大量的“三废”更加重了土壤重金属的累计速率[6-7]。这导致土壤中微生物活性和养分的有效供给受到抑制，影响土壤理化性质[8-9]，从而造成生态环境恶化继而使食品质量降低，危害人类健康[10]。重金属对土壤的污染已成为中国重要的环境问题[11]，因此受到学者们的广泛关注。目前，有关学者对工矿地区、重要城市、农田湿地和交通沿线的土壤重金属污染进行了很多研究，如陈秀瑞等[12]研究发现，西安市二环内土壤中Co，Cr，Cu，Pb和Zn的富集受人类活动影响明显；谷蕾等[13]对连霍高速周边土壤调查表明，较长运营时间道路周边的土壤重金属含量高于其他地区，说明交通运输对土壤重金属的积累具有一定影响；李晋昌等[14]对汾河水库周边土壤重金属含量研究显示，Cu，Ni和Zn主要来源于城市生产生活的废弃物，Cd和Pb则来源于农业活动和交通运输。

晋中盆地城市化发展迅速，从解放初期到21世纪初期，城镇化率由21.26%增长到60.33%，增长接近3倍[15]。另一方面，研究区内的能源供给仍以燃烧矿石燃料为主，且重工业体系依然围绕“煤”为核心发展，这必然会加重土壤中重金属的累积，造成土壤污染。有关晋中盆地土壤重金属的研究也有相关报道，如刘勇等[16]对汾河太原段沿岸土壤中Cr和Hg进行研究，发现受工业活动影响Hg含量超标明显。高鹏等[17]对太原市城区周边土壤调查显示，土壤重金属的整体危害已达到中等危害程度，Cd和Hg最为严重。但已有的研究大多针对城市和湿地等局部范围，而对完整自然地理区域晋中盆地的研究还鲜有报道。因此，本研究采用多种重金属评价方法和GIS空间插值技术分析了晋中盆地5种重金属的污染特征及污染程度，旨在了解该地区土壤污染现状以及为土壤重金属综合治理与防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

晋中盆地位于山西省中部汾河谷地，地理坐标为111°36′—112°49′E，36°59′—38°17′N，总面积约5 000 km2，海拔750～850 m，属于大陆性季风气候，降水为450～550 mm，盆地光照资源充足，年均日照时数在2 650 h左右，冬季昼夜温差大，有显著的干湿季节交替特点。主要土壤类型为褐土及潮土。盆地包括太原市、榆次区、孝义市、阳曲县、介休市、汾阳市、太谷县、平遥县、文水县、清徐县、交城县和祁县12个县市部分地区，是山西省人口最为稠密的区域。作为山西省主要的粮食产区，耕地为该地区主要的土地利用类型，同时该地区又是重要的煤炭能源化工基地，工业用地与耕地的交错分布，使土壤质量受到影响。

1.2 样品采集与测试

将研究区分为1 250个2 km×2 km的正方形单元格，采用随机抽样的方法选取208个网格，在各网格的东北角布设面积为10 m×10 m的样点。土壤样品的采集深度为0—20 cm，沿样地对角线等间距依次采集5个土样，将其均匀混合作为一个土样，然后沿另一对角线以相同的方法采集土样作为平行样。实际采样过程中运用GPS对采样点进行精确定位。样品经自然风干，用木棒磨碎后过100目尼龙筛，剔除石砾、植物根系等杂物，利用四分法缩减至100 g，装入塑料瓶待测。采用微波消解法(MARS微波消解仪)进行土壤样品测定：称取0.200 g土壤样品，加入8 ml硝酸、4 ml氢氟酸、4 ml盐酸置于微波消解仪，按微波程序进行消解，结束后冷凝，放入50 ml瓶中，定容。样品中重金属Pb，Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法进行测定，Cr采用火焰原子吸收法测定，As和Hg采用原子荧光光谱法测定。选用国家标准物质样品GSS-2进行分析质量控制，测定结果显示5种元素均处于国家标准参比物质的误差范围内。

1.3 土壤重金属污染评价方法

1.3.1 单因子污染指数法 单因子污染指数为最简易的环境质量评价方法，同时也是多种环境质量评价方法的基础。其公式为：

(1)

式中：Pi——单因子污染指数；Ci——各重金属实测浓度值(mg/kg)；Si——各重金属参考评价标准(mg/kg)。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法 单因子污染指数虽然可以直观反映各重金属的污染程度，但不能客观体现研究区污染情况，而内梅罗综合污染指数则兼顾样点内各重金属的最大值及平均值，可以较好地反映实际污染状况。其计算公式为：

(2)

表1 土壤重金属污染评价标准

1.3.3 潜在生态危害指数法 由于每种重金属对生物均存在不同程度的毒性，而潜在生态危害指数法，结合毒理响应系数更能反映重金属对生态的危害。其计算公式为：

(3)

表2 潜在生态危害指数级别标准

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分析

盆地土壤重金属Pb,Cd,Cr,As和Hg的含量水平详见表3，其含量范围分别为12.48～440.16 mg/kg,0.06～0.69 mg/kg,51.48～201.51 mg/kg,6.2～15.335 mg/kg，0.021～0.478 mg/kg，各重金属平均含量均高于研究区土壤背景值[19]，分别为背景值的1.42,3.16,1.23,1.15，5.61倍，可见各重金属在盆地均有不同程度的富集。

从变异系数来看，Hg的变异系数最高，为65.89%，属于高强度变异，Pb,Cd,Cr和As分别为20.17%,25.63%,21.38%和21.31%，均属于中等强度变异。高重金属含量值以及较大的变异系数通常显示重金属积累受更多的人为因素影响[20]，可以看出，Cd和Hg在研究区整体含量远高于其背景值，说明Hg含量的积累受外部影响强烈。而Cd的变异系数虽属于中等变异程度，但其均值已经超过国家土壤质量二级标准(GB15618-1995)，显示Cd在一定程度上受到较大尺度的人为活动影响。

表3 晋中盆地土壤重金属的土壤特征值

2.2 土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数评价 研究区土壤各重金属单因子污染评价结果见表4。以山西省土壤背景值作为参考，5种重金属单因子污染指数均值从大到小依次为：Hg(5.605)>Cd(3.161)>As(1.432)>Pb(1.419)>Cr(1.374)。从各重金属对每个土壤样点的污染等级来看，Pb，Cr和As总体表现为轻度污染，清洁及轻度污染程度的样点占比分别为95.2%,98.1%和100%，中度和重度污染样点很少；Cd为轻—中度污染，样点主要集中在中度污染和轻度污染，分别占比50.9%和34.1%，其中重度污染样点占比达到10.6%；Hg为重度污染，样点重度污染占比最高，为74.5%，中度污染占比11.1%，未污染及轻度污染仅占比13.6%，显示在研究区Hg的污染最为严重。

表4 晋中盆地单因子污染评价结果

2.2.2 内梅罗综合污染指数评价 通过计算样点中各重金属的平均及最大单因子污染指数得到综合污染指数。结果表明，各样点综合污染指数平均值为4.56，已经远高于重度污染阀值，其中达到重度污染和中度污染的土壤样点个数分别为156，53个，占比73.1%和25.5%，共计占比98.6%，这反映出研究区重金属污染程度已非常严重，对土壤重金属的治理需求已经十分迫切。

2.2.3 潜在污染指数评价 综合考虑各重金属的毒性响应系数，计算出每个样点中单因子潜在生态污染指数及综合潜在生态危害指数。如图1所示，As,Cr和Pb所有样点生态危害等级都为Ⅰ级轻度危害；Cd样点中占比最大的为Ⅲ级强烈生态危害，其次为Ⅱ级中度生态危害；Hg在Ⅳ级很强烈生态危害样点占比超过50%，Ⅱ级中度危害与Ⅴ级极强烈危害样点占比相似，均为25%左右。5种重金属表现出的潜在生态危害等级差异较大，产生这一现象的可能有两方面的原因：一方面是由于各种重金属的毒性差异所致，毒性较强的重金属对RI值具有更大的贡献，另一方面则是由于研究区Cd和Hg的含量相对于背景值超标比较严重，这导致单因子污染指数相对其他重金属较大，因此使得Cd和Hg潜在生态危害指数突出。从综合潜在生态指数RI来看，潜在生态危害表现为中—强度，Ⅱ级和Ⅲ级生态危害占比最高。可以看出，研究区潜在生态危害风险比较严重，Cd和Hg为主要的贡献因子。

图1 潜在生态风险指数评价

2.3 土壤重金属的污染空间分布

空间插值是通过对已知样点的特征值及样点间的空间位置拟合得到一个函数方程，进而反映出样点特征值与样点空间位置的数学关系，以此推断出未知区域样点的特征值。对各样点的土壤污染指数进行空间插值可以直观反映出一定范围内的重金属污染程度，因此，基于样点数量以及样点的分布情况，本研究采用ArcGIS地统计模块对潜在生态危害指数RI及综合污染指数进行Kriging插值。如图2所示，潜在生态危害指数和综合污染指数的空间分布格局基本相同，在盆地中南地区污染程度相对其他地区较浅，在太原地区、孝义、介休地区存在明显的污染峰值区，并向四周呈递减趋势。污染峰值区均靠近人口密集地区，这会对当地居民的身体健康产生危害，应引起重视。

3 讨 论

从盆地土壤重金属增加的原因看，晋中盆地作为山西省城市化和工业化水平最高的地区之一，目前当地的城市化水平已经达到68%，不仅包括太原市、汾阳市、介休市、孝义市、太谷县城和平遥县城等12城市驻地和县区驻地，而且还建成了包括太原工业园区、榆次工业园区、太原不锈钢产业园区、孝义经济技术开发区、清徐经济开发区和太原高新技术开发区等12个经济开发区和工业园区。伴随着城市化水平的快速提高和工业规模的迅速扩大，尤以焦化产业发展最快，以煤炭、石油和天然气为主的能源消耗量也大幅度增加，造成烟气排放量增多，烟气中含有的Cd,Pb,Cr,As和Hg等重金属通过大气沉降到达地面进入土壤中，自进入21世纪以来每年均发生30多次覆盖整个盆地的重雾霾天气现象，尤以冬季最为严重，这是造成盆地内土壤重金属含量全面增高的主要原因。另外，长期以来盆地内农业生产在局部地方利用城市生活污水和工业废水进行灌溉，这是使盆地内土壤重金属含量增高的又一个原因。此外，近几十年来农业生产大量使用化肥、农药和除草剂，也是导致土壤重金属含量增加的原因。在盆地的西南地区分布有众多煤矿，且开采历史悠久，依托丰富的煤炭资源，孝义、介休地区焦化产业最为集中，而在盆地北部工业园区密集分布并且涵盖两座火力发电厂，这可能是两个地区污染较为突出的原因。此外，太原地区以及孝义、介休地区是盆地城市化水平较高的地区，人口也最为稠密，农业生产及生活污水、废水的排放也加重了两地的土壤污染。

图2 晋中盆地土壤重金属污染空间分布格局

4 结 论

(1) 晋中盆地土壤中5种重金属的平均含量都高于其背景值，表明土壤受到了不同程度的重金属污染。Hg和Cd的含量均值分别高出背景值5.61和3.16倍，是盆地内土壤重金属污染的主要元素，其他3种重金属Cr，Pb和As的含量相对背景值超标不太严重，污染程度相对较轻。

(2) 单因子污染指数和单因子潜在生态危害指数结果表明：Hg和Cd为最主要的污染因子，Pb，Cr和As次之。综合污染指数和综合潜在生态危害指数结果表明：达中—重度污染的样点占比超过95%，只有个别地区为轻度污染，盆地整体污染程度已经十分严重，应引起高度重视。

(3) 从土壤重金属的污染空间分布格局可以看出，盆地土壤整体均有不同程度的污染，除平遥、文水地区污染较轻外，其余地区均污染严重。在盆地南部孝义、介休地区及盆地北部太原地区污染突出，这与当地大量的经济活动息息相关。

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