宁东基地不同燃煤电厂周边土壤5种重金属元素污染特征及生态风险

罗成科 *，张佳瑜 ，肖国举 ，毕江涛

1. 宁夏大学环境工程研究院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021；3. 教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021

燃煤电厂为人类提供了电能与热能，同时排放出烟气、废水以及大量的粉煤灰和脱硫石膏等（金腊华等，2003；李晓雪等，2012；赵宇明等，2017），这些废弃物中含有多种重金属，它们会通过大气沉降、粉尘飘散、固体废弃物不合理堆放等途径进入水体和土壤（杨皓等，2016；曹人升等，2017），影响周边生态环境并对电厂周边地区居民和企业员工的人体健康带来危害（陈耿等，2016；程家丽等，2016）。

中国是产煤大国，亦是燃煤大国。近年来，随着城市快节奏的发展，煤电一体化进程加快，用电需求量和新建发电厂数量持续上升，电厂向环境排放的有害污染物随之增多，其中的重金属危害已引起众多学者的广泛关注（Ćujić et al.，2016；Chung et al.，2014；司徒高华等，2016）。对燃煤电厂周边土壤重金属的研究，主要集中在重金属含量、赋存形态、空间分布及污染评价等方面，涉及不同地区，如内蒙古（王道涵等，2015）、陕西（刘雯等，2013）、宁夏（付亚宁等，2011）、山西（刘平等，2010）、贵州（范明毅等，2016）、四川（郎春燕等，2011）、安徽（方凤满等，2010）、河北（贺弘滢等，2013）、上海（王晓浩等，2011）、广东（陈耿等，2016）等地。

宁东镇位于宁夏回族自治区中东部，距首府银川市区40 km，是第二批国家新型城镇化综合试点地区。坐落于宁东镇的能源化工基地（以下简称“宁东基地”）是中国西部重要的大型能源化工基地，是国家重要的大型煤炭生产基地、“西电东送”火电基地、煤化工产业基地和循环经济示范区，是宁夏煤、水、土等资源的核心地带和富聚区。宁东基地不同电厂发电过程中的煤炭燃烧，不仅影响周边生态环境，更危害企业员工和周边居民的人体健康。因此，开展不同电厂周边土壤环境调查评估，对工业用地环境保护具有重要的现实意义。本文针对宁东基地不同燃煤电厂周边土壤环境，分析重金属的污染特征，并对其进行污染程度和生态风险评价，旨在为基地及其周边土壤重金属污染防治和管理提供基础数据，进一步为“工业宁东”、“科技宁东”以及“生态宁东”的同步发展提供科学依据。

1 研究区概况

宁东基地及其周边土壤未开发前为农业用地和沙荒地，随着园区不断建设，这些土地逐步被开发为工业用地，其地理位置为 E106°21'39″～106°56'34″，N37°04'48″～38°17'41″（图 1A）。该区域属中温带干旱气候，具有典型大陆性气候特征，冬春季风沙多，干旱少雨，蒸发强烈，日照时间长，昼夜温差大。年平均气温为 6.7～8.8 ℃，年平均降水量255.2 mm，年均蒸发量2682.2 mm，年平均风速 1.8～2.9 m·s-1，有明显的季节性变化，春季风速最大、冬季次之，常年主导风向为西北风。土壤类型主要为灰钙土和风沙土，土壤质地以沙壤土为主，少数为紧沙土或轻壤土，土壤pH值为7.5～8.7，有机质质量分数为 1.5～14.7 g·kg-1，阳离子交换量7.4～9.2（宁夏农业勘查设计院，1990；罗成科等，2017）。3个电厂均位于宁东基地核心区内（图1B），电厂预计总装机容量达到1600×104kW，所用煤炭主要来自宁东基地各大煤矿。电厂烟尘、SO2和NOx的排放量分别为 48.6～52.8、152.8～234.7 和129.3～148.2 kg·h-1，烟气通过 210 m高的烟囱排放，是该地区的主要大气污染源。

2 研究方法

2.1 样品采集及预处理

据环评资料，宁东基地电厂大气污染物最大落地浓度约为距厂界 1000～1300 m处，根据当地地形特征，结合当地的风速风向，分别以京能宁东电厂、马莲台电厂和鸳鸯湖电厂烟囱为中心，采用辐射形布点法，设定西北（NW）、东北（NE）、西南（SW）和东南（SE）4个方向，每个方向分别在500、1000、1500和2000 m处各设一个样点，共布设36个采样点（图1B）。针对每个采样点，按照梅花形布点法，在样点3 m×3 m范围内采集5个等容小样均匀混合，并利用GPS记录每个样点的位置。每个样点采集0～20 cm的表层土壤，混合均匀后，采用四分法留取1 kg土样装入聚乙烯塑料袋，带回实验室。土壤在室温下自然风干，去除沙砾和植物残体等后，用玛瑙研钵反复研磨至通过100目筛，存于干燥容器中备用。

图1 研究区地理位置（A）和采样点分布图（B）Fig. 1 Location map of the study area (A) and sampling locations (B)

2.2 测定方法

土壤样品用 HCl-HNO3-HF-HClO4消煮法进行前处理并适当稀释后，进行5种重金属含量测定。利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（美国，PerkinElmer 5300V）测定Cr、Cd和Pb重金属元素含量，利用原子荧光光谱仪（北京，吉天，AFS-9230）测定Hg和As元素含量，每个样品平行测定3次，取平均值作为样品测定最终含量。同时采用国家标准土壤物质[GBW07408(GSS-8)]和平行空白样进行分析质量控制，各重金属元素的回收率控制在90%以上。

2.3 土壤重金属污染评价方法及分级标准

2.3.1 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法

采用单因子污染指数法评价土壤中某一种重金属元素的污染状况，其计算公式为：

式中，Pi为土壤样品中重金属i的环境质量指数；Ci为土壤样品中重金属i实测含量；Bi为该重金属元素的参比值，《展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）》（HJ350—2007）用于评价场地开发的土壤环境质量，A级标准值（中华人民共和国环境保护部，2007）代表未受污染的水平，因此本文选取该评价标准作为参比值。

内梅罗（Nemerow N L）综合污染指数法已被广泛用于评价土壤重金属元素的综合污染状况（刘巍等，2016；罗成科等，2017）。该方法能够全面反映各种重金属元素对土壤的不同作用，突出高浓度重金属元素对土壤环境质量的影响，其计算公式为：

式中，PN为土壤综合污染指数；Piave为土壤样品中各重金属的环境质量指数平均值；Pimax为土壤样品中单项重金属的最大环境质量指数。根据以上两种评价方法制定土壤重金属污染分级标准，详见表1。

2.3.2 潜在生态风险指数法

采用潜在生态风险指数法（Hakanson，1980）对土壤重金属污染状况进行风险评价。该方法在综合考虑土壤重金属含量、重金属的生态效应、环境效应以及毒理学因素的基础上，形成了具有可比的、等价属性指数的分级方法，其计算公式为：（刘巍等，2016）。

表1 土壤重金属污染分级标准Table 1 The criteria for classification of soil heavy metals pollution

表2 重金属潜在生态危害指标与分级关系Table 2 Indices and grades of potential ecological risks of heavy metals

3 结果与讨论

3.1 电厂周边土壤重金属元素含量特征

宁东基地不同燃煤电厂周边表层土壤重金属含量如表 3所示，5种重金属（Cr、Cd、Pb、As和 Hg）含量的平均值均未超过《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）二级标准（pH 7.5）和《展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）》（HJ350—2007）A级标准限值。利用宁夏土壤背景值（中国环境监测总站，1990）对各重金属含量作进一步分析评价，发现研究区域内 As元素含量的平均值低于背景值，Cr元素含量的平均值与背景值相当，Pb元素含量的平均值略高于背景值，Cd和Hg元素含量的平均值明显高于背景值，分别是背景值的4.6～5.1和6.0～9.0倍。燃煤电厂周边表层土壤重金属元素富集的原因，可能主要来源于电厂自身的废水、废渣和烟气粉尘（范明毅等，2016）、电厂附近煤化工企业排放的废水、废渣和烟气粉尘（张凯等，2017），另外，电厂外围矿区煤炭开采过程中煤矿粉尘（刘巍等，2016）、交通运输中原料或固体废弃物泄漏（厉炯慧等，2014）以及轮胎磨损和汽车尾气排放（张一修等，2012）等因素也不可忽视。

表3 电厂周边土壤重金属质量分数特征Table 3 The content characteristics of heavy metal in soil around different coal-fired power plants mg·kg-1

通常认为，土壤重金属含量的离散以及受人为活动影响的程度可通过变异系数（CV）来反映，变异系数越大，表明受外界活动干扰越强烈（张连科等，2016）。根据 Wilding（1985）对变异系数的分类，CV＜15%属于弱变异，15%＜CV＜36%属于中等变异，36%属于强变异。由表3可知，不同电厂周边土壤中，As的变异系数均小于 15%属于弱变异，Cd和Pb的变异系数均介于15%～36%之间，属于中等变异；Cr和Hg的变异系数在京能电厂和马莲台电厂中属于中等变异，而在鸳鸯湖电厂中大于36%，表现为强变异。与已有研究报道（范明毅等，2016；付亚宁等，2011）较为一致的是，本研究结果同样表明，Cr、Cd、Pb和Hg这4种重金属含量在不同电厂周边表层土壤中呈不均匀分布状态。

3.2 电厂周边不同风向上土壤重金属含量分布规律

燃煤电厂周边不同风向土壤重金属含量如图 2所示。由图可知，Cr、Cd、Pb和As这4种重金属元素在不同燃煤电厂周边各风向上的含量变化无明显规律，这与李晓雪等（2012）的研究结果较为相似，说明主导风向并不是影响4种土壤重金属元素空间分布的重要因素。本研究中，京能宁东电厂位于临河工业园区内，马莲台电厂位于宁东镇中心，且其东侧毗邻煤化工园区，而鸳鸯湖电厂西北距离灵州工业园区较近，3个工业园区内的化石燃料燃烧、金属冶炼、三废排放以及交通运输中的燃料泄露、轮胎磨损和汽车尾气排放等多方面因素可能是共同造成土壤4种重金属元素空间分布不规律的原因（张一修等，2012；厉炯慧等，2014；张凯等，2017）。已有研究表明，燃煤电厂是最重要的大气Hg排放源（王书肖等，2013），电厂周边土壤汞污染主要来源于电厂燃煤废气排放（王道涵等，2015）。本研究中，Hg元素在 3个不同燃煤电厂4个风向上的含量变化趋势最为明显，均呈现上风向（西北方向）最小，下风向（东南方向）最大的规律，引起这种空间分布差异的原因可能是Hg元素随大气污染物以下风向扩散，最终通过大气缓慢沉降于电厂东南方向，这与王道涵（2015）等、方凤满等（2010）研究不同燃煤电厂周边土壤中汞的分布特征时所得的结论一致。

3.3 电厂周边土壤重金属污染评价

宁东基地不同燃煤电厂周边土壤 5种重金属元素的单项污染指数（Pi）的平均值均小于0.7，其中Cd元素的Pi相对较大，其次为As和Cr，Pb和Hg元素的 Pi较小（表 4），统计各重金属元素不同污染级别样点数占样点总数的比例，发现所有样点中各重金属元素的Pi等级为清洁（安全）状态，土壤未受到5种重金属元素的污染。

图2 电厂周边不同风向土壤重金属质量分数特征Fig. 2 The heavy metal content characteristics of different directions in soil around power plants

表4 电厂周边土壤重金属单项污染污染指数和综合污染指数Table 4 The comprehensive pollution indexes and individual pollution index of heavy metals in soil around different power plants

从表4还可以看出，3个电厂周边表层土壤中5种重金属元素的综合污染指数（PN）均小于0.7，PN为0.45左右，所有样点PN均呈现清洁（安全）等级，土壤总体表现为无污染状态。付亚宁等（2010；2011）也利用内梅罗指数法先后对同类地区的大武口电厂和马莲台电厂周围土壤重金属进行污染评价，尽管研究的重金属元素（Cu、Zn、Pb和Cr）和选用的评价标准（国家二级标准）与本研究不同，但所得结论与本研究一致，即宁夏地区电厂周边土壤尚未受到重金属污染。尽管目前不同电厂周边表层土壤总体处于无污染状态，但研究区域内表层土壤中Pb、Cd和Hg元素含量已超出当地背景值，尤其是Cd和Hg元素存在明显富集现象，说明电厂周边表层土壤中的Cd、Pb和Hg仍存在潜在危害性，需加大电厂消烟除尘、脱汞以及临时堆渣场防尘等措施，搞好电厂周边绿化降尘等工作。

3.4 电厂周边土壤重金属潜在生态风险评价

如表5所示，不同电厂周边表层土壤重金属中Cd元素的潜在生态风险系数（）的平均值相对较大，As和Hg元素的 次之，Pb和Cr的 平均值较小，各重金属元素的大小顺序为 Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cr。与表2中的分级标准相比，5种重金属的平均值均小于 40，说明不同电厂周边表层土壤均表现为轻微风险等级。进一步对各重金属元素不同潜在生态风险级别样点数占样点总数的比例进行统计，发现所有样点中各重金属元素的均属于轻微生态风险水平。对研究区域表层土壤中 5种重金属元素的综合潜在生态风险指数（RI）进行统计分析，结果表明3个电厂周边表层土壤重金属元素的RI值均在25左右，明显小于150，所有样点 RI均处于轻微生态风险，表明研究区域表层土壤重金属生态风险低。

表5 电厂周边土壤重金属潜在生态风险系数和潜在生态风险指数Table 5 The potential ecological risk indexes and potential ecological risk factor of heavy metals in soil around different power plants

4 结论

（1）宁东基地不同燃煤电厂周边表层土壤中Cr、Cd、Pb、As和Hg含量的平均值均未超过《国家土壤环境质量标准》（GB15618—1995）二级标准（pH＞7.5）和《展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）》（HJ350—2007）A级标准限值，但Cd和 Hg含量平均值明显超出宁夏土壤背景值，Pb含量平均值略高于背景值，As含量平均值明显低于背景值。

（2）在不同燃煤电厂周边不同风向上，Cr、Cd、Pb和As元素含量变化无明显规律，而Hg元素含量受主导风向影响呈现西北方向最小，东南方向最大的分布规律。

（3）单项污染指数评价结果表明，研究区域内各重金属元素的Pi平均值均小于0.7，污染等级为清洁（安全）水平。综合污染程度评价结果也表明，相比于其他元素，Cd的Pi平均值较大，但PN平均值仍小于 0.7，不同燃煤电厂周边表层土壤均呈现无污染状态。

（4）潜在生态风险指数评价结果表明，研究区域内各重金属元素的平均值均小于 40，生态风险程度为轻微生态风险。综合潜在生态风险评价结果也表明，相比于其他元素，Cd的平均值相对较大，但RI平均值小于150，不同燃煤电厂周边表层土壤均存在轻微生态风险。