山西某火力发电厂周边农田土壤重金属污染评价

2020-07-27樊倍希张永清

生态与农村环境学报 2020年7期

樊倍希，张永清

(山西师范大学地理科学学院，山西临汾 041000)

山西省是我国煤炭大省，火力发电是山西省煤炭行业增值与再加工的重要手段。近年来，随着火电厂迅速发展，火力发电对周边土壤污染的问题也日趋成为人们关注的焦点。火电厂以煤为原料，经过高温燃烧，原煤中所含的Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn等易挥发重金属可气化进入烟气，被粉煤灰吸附并随其排至贮灰场。在这一过程中，如果处理不当，粉煤灰中微量重金属元素极易通过大气沉降持续释放至周围环境的表层土壤中，造成土壤污染[1]。

当前，燃煤电厂引发的重金属污染问题受到国内外学者的广泛关注。KEEGAN等[2]分析了斯洛伐克中部某燃煤发电站所用煤及周边土壤中As、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni和Cd含量，发现煤中As含量较高，且在植物附近土壤中As含量也大幅度提高。PRAJAPATI等[3]研究了印度某火电厂附近土壤重金属元素，发现电厂排放的粉煤灰是重金属重要来源。YOU等[4]在煤矿和电厂周围的3个居民区收集了32个土壤样本，评估了采矿活动对环境和健康的影响，发现火电厂周围土壤中重金属含量普遍高于煤矿土壤，表明燃煤过程中重金属释放量较高。WANG等[5]对广东省某大型富硫燃煤火电厂的99份土壤-水稻样品中重金属含量进行分析，发现电厂是韶关市表层土壤重金属的主要来源，在该电厂盛行风向的下风向土壤中存在大量As、Cd、Cu、Pb和Zn等重金属元素，且水稻籽粒中Cd和Pb的富集可能对当地居民造成潜在健康危害。近年来，关于山西省重金属污染土壤的研究也逐渐增多。王雄军等[6]对太原市表层土壤中As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Zn和Cu等重金属含量的研究发现，太原作为典型重化工基地和燃煤城市，土壤重金属污染主要来源于工矿企业、燃煤、交通、商业活动和居民生活等。郭掌珍等[7]发现山西某焦化厂周边土壤重金属污染严重，存在致癌风险。张琛等[8]对山西省泽州县西郜村压煤复垦村庄土壤重金属含量的研究发现Hg污染比较严重。纵观已有研究，关于山西省火力发电厂周边农田土壤重金属含量状况及其评价的研究尚不多见。为此，采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和土壤综合质量指数法，对山西省某电厂周边农田土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn这8种重金属进行污染评价，并应用空间分析方法分析土壤重金属污染地理分布规律，旨在揭示土壤污染来源、类型及程度，进而提出有针对性的防治对策，为改善和修复电厂周边农田土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为山西中部某电厂周边农田。该厂建于1992年底，占地面积为6.1×105m2，主要从事电力产业的开发、生产、销售等工作。该厂发电以煤为原料，截至2015年底，发电规模为6 105 kW。国家能源局电力监管统计平台数据显示，该电厂2016年上半年供电标准煤耗率年累计为342.04 g·(kW·h)-1，烟尘排放当年累计量约占山西省燃煤发电企业的1%。研究区域以西北风为冬季主导风向。研究区土壤类型为褐土，土壤质地为轻壤土，土壤pH值为7.5，属于碱性土壤。农田种植的主要粮食作物为小麦、玉米和谷子，灌溉方式为漫灌，耕作制为一年一熟。

1.2 样品采集与处理

参照“全国土壤污染状况调查重点区布点规定”进行点位布设(图1)，结合厂区周边主风向和地形条件，以电厂为中心，分别在东、西、南和北4个方向布点12个，并在相对距离较远、受电厂污染较小的地方选取1个对照点，各点位采用GPS定位。采样点挖长、宽、深各60 cm的土壤剖面，从下往上分别采集0～20、>20～40、>40～60 cm土层土样。距电厂最近的4个点位及对照点位取3层土样，次近的4个点位取2层土样，最远的4个点位取表层土样。将27份土壤样品装入塑料自封袋并注明样点信息。土壤样品带回实验室剔除杂质，自然风干，碾磨后过0.147 mm孔径尼龙筛，保存备用。

图1 研究区采样点分布

1.3 样品测试与分析

土壤理化性质的测定：采用电位法测定土壤pH值[9]。

土壤重金属含量的测定：经体积比为1∶1的硝酸-高氯酸消煮后，采用原子吸收分光光度计测定[10]。

重金属分析质量控制。精确性分析：设置平行样本，每4个样品进行1个平行批次，每个批次中设置1个质控样品，合格率控制在95%以上。准确性分析：随机选择2个样品作为加标回收样，加标回收测定结果中，加标回收率控制在70%～125%。

1.4 土壤重金属污染评价

采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和土壤综合质量指数法(IICQS)[11-12]进行土壤重金属污染现状评价，分别选择符合研究区土壤pH值的GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准(试行)》中风险筛选值和山西土壤背景值[13]作为评价依据。依据GB 15618—2018中土地利用类型分类方法对研究区农用地土壤进行分类，按相应的土地利用类型和pH值条件的风险筛选值对研究区土壤污染状况进行评价。Mn含量标准值参照《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发〔2008〕39号)。

采用SPSS 19软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征与分析

参照GB 15618—2018，选择pH值为7.5时的风险筛选值。由表1可知，参照风险筛选值，仅少数采样点土壤Cd和Mn含量超标，研究区土壤8种重金属平均含量都在标准范围内。参照山西土壤背景值，除Ni外，研究区土壤7种重金属平均含量均超过山西土壤背景值。Cd和Cu超标率达100%，存在非常严重富集；Pb、Cr和Mn超标率分别为96%、93%和93%，存在比较严重富集；Zn和Hg超标率分别为78%和44%，存在一定程度富集。

变异系数(CV)反映各样点之间的平均变异程度。CV<0.1为弱变异，0.1≤CV<1为中等强度变异，CV≥1为强变异。由表1可知，研究区Hg的变异系数最大，达2.326，为强变异，表明Hg含量空间差异大，可能存在多个污染源；Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn变异系数都相对较小，分别为0.165、0.126、0.148、0.429、0.171、0.109和0.206，均为中等强度变异。由此可见，该地区土壤重金属含量不仅受土壤本底影响[14]，还可能受到外来轻微干扰，具体情况需要通过相关性分析进一步验证。

表1 研究区土壤重金属含量的统计特征

2.2 土壤重金属元素之间的相关性分析

8种重金属的相关分析结果见表2。

表2 研究区土壤重金属元素之间的相关性

由表2可知，电厂周边农田土壤中Cr与Cu、Hg、Ni、Pb和Zn，Ni与Cd、Cu、Mn、Pb和Zn，Pb与Cd、Cu、Hg、Mn和Zn，Cu与Zn之间均呈极显著正相关，表明这些重金属之间关系紧密，具有相似特征和相同迁移途径，其中某种元素的变化会引起其他元素的变化。Cr与Cd之间呈显著正相关，表明这2种重金属之间关系紧密，可能来自同一污染源[15]，并且呈现复合污染趋势。Mn与Cd、Cr和Zn，Cd与Zn之间相关不显著，可以推测这些重金属来源差异比较大。

2.3 表层土壤重金属含量的空间分布及插值检验

2.3.1表层土壤重金属含量的空间分布

对研究区土壤重金属含量采用反距离权重法得到8种重金属空间分布格局，并根据污染程度进行划分。由图2可知，研究区土壤重金属空间分布格局特征为分布斑块大、分布规律明显。研究区土壤Cd含量分布呈现北部、西北部和南部地区高，东部低的趋势；土壤Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量分布呈现西北部和南部高、东部和东北部低的趋势；土壤Hg含量分布呈现北部和西北部高、东部低的趋势；土壤Mn含量分布呈现中部高、周围低的趋势。土壤中Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的分布类似，结合相关性分析结果(表2)，可以初步断定研究区这些重金属存在同源性。受电厂燃煤和附近太焦铁路的双重影响，燃煤排放的粉尘以及交通运输中轮胎磨损和汽车尾气造成研究区西北部地区出现Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量局部高值区。

2.3.2表层土壤重金属含量空间分布的插值检验

采用交叉验证法对表层土壤重金属含量空间插值结果进行评价，反距离加权插值幂数设为2。通过平均误差(ME)和均方根误差(RMSE)2个评价指标验证实验结果。平均误差越接近0，说明插值结果与实际值越接近，插值效果就越好。均方根误差越小，插值效果越好。由表3可知，除Cr、Mn和Zn外，其他重金属含量的平均误差和均方根误差均较小。已有研究[16]表明，重金属含量大小是影响空间插值精度的重要因素。Mn、Cr和Zn含量插值误差较大，可能是其含量较高导致的。

2.4 土壤重金属污染评价

2.4.1单因子污染指数法评价

由图3(a)可知，基于GB 15618—2018风险筛选值，研究区表层土壤8种重金属单因子污染指数值由高到低依次为Cd(0.898)>Mn(0.484)>Cr(0.355)>Cu(0.321)>Zn(0.305)>Ni(0.279)>Pb(0.187)>Hg(0.016)，其中Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn全部处于无污染状态，Cd和Mn有8%的点位为轻微污染。8种重金属单因子指数平均值都<1，表明土壤未受污染，处于清洁状态。对有轻微污染的样品需要引起重视。

基于山西土壤环境背景值进行单因子污染指数法评价，由图3(b)可知，研究区表层土壤8种重金属元素单因子污染指数值由高到低依次为Cd(2.643)>Hg(1.699)>Pb(1.532)>Cu(1.400)>Mn(1.364)>Cr(1.284)>Zn(1.200)>Ni(0.934)。研究区表层土壤8种重金属元素均有不同程度累积，其中各采样点Cr、Cu和Pb均呈轻微累积。除Ni单因子指数<1外，其他重金属单因子指数均>1，这表明除Ni外，土壤其他7种重金属均已有一定程度累积，需要采取有效措施，避免重金属继续累积对土壤和农作物安全造成威胁。

表3 插值结果验证

图3 研究区表层土壤重金属单因子评价

2.4.2内梅罗污染指数法评价

采用内梅罗综合污染指数法计算研究区土壤综合污染指数，以GB 15618—2018风险筛选值为限值，研究区综合污染指数为0.683，小于0.7，说明土壤未受污染，属于清洁土壤[14]。但是0.683很接近0.7，若不对研究区土壤环境加以管理和保护，很容易形成重金属污染。

以山西土壤环境背景值为限值，研究区综合污染指数为2.15，达到中度累积水平[15]，这主要因为Cd含量过高所致，表明研究区土壤重金属已积累到一定程度，继续累积将会影响土壤生物及人类生活。

2.4.3土壤综合质量指数法评价

对12个采样点进行土壤综合质量影响指数(IICQS)评价(图4)。由图4可知，除中南部1个采样点属轻度风险外，其他采样点均属无污染风险。结合表层土壤重金属含量空间分布(图2)可以看出，相比于其他地区，中南部该采样点Cd、Cr、Mn、Ni、Pb和Zn污染状况均较严重，应对该区域采取土壤环境保护和修复措施，减缓污染状况。

图4 研究区表层土壤综合质量指数法评价结果

3 讨论

3.1 燃煤电厂周边农田土壤重金属元素的相关性

前人研究[17-18]表明，燃煤电厂周边农田土壤各种重金属元素的相关性较为显著。笔者研究发现Cr与Cu、Hg、Ni、Pb和Zn极显著相关，与Mn相关不显著；Ni与Cr、Cd、Cu、Mn、Pb和Zn极显著相关，与Hg相关不显著(表2)。这表明Cr、Cu、Ni、Pb和Zn来自同一污染源，可能受到外源污染。相关研究[19]证实，电厂燃煤产生的重金属通过大气沉降进入土壤，可引起土壤Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量升高。研究区土壤Hg仅与Pb和Cr呈极显著相关，这表明燃煤电厂周边农田土壤中Hg的来源具有特殊性，汽油燃烧是土壤Hg的主要来源之一。薛占军[20]发现河北省主要污灌区土壤Mn与As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn呈极显著相关，但笔者研究发现研究区土壤Mn仅与Pb和Ni呈极显著正相关，与其他重金属相关不显著(表2)，这可能与研究区所处地理位置及成土母质有关，在岩石风化过程中，矿物质和重金属会被剥蚀，共同参与到成土过程中。研究区土壤Zn、Cr、Pb、Cu两两之间具有相关性，这是因为这些重金属地球化学性质较为相似，常常呈共生或伴生关系，这在一定程度上加重了研究区土壤重金属的复合污染效应[21]。

3.2 燃煤电厂周边农田土壤重金属元素空间分布

燃煤电厂周边农田表层土壤普遍含有Cr、Cd、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn等重金属，其含量、空间分布差异可能与人类活动影响、气候特征条件和成土母质等因素相关。有研究[22-23]发现，焦化厂周边土壤重金属富集程度受常年主导风向的影响较大，主风向下游土壤重金属积累程度较高，且随着与焦化厂距离的增加，土壤重金属含量先增高后降低。罗成科等[24]研究表明，电厂周边表层土壤重金属的富集可能主要来源于电厂排放的废水废渣和烟气粉尘以及电厂附近煤化工企业排放的废水废渣和烟气粉尘。受暖温带大陆性季风气候影响，研究区夏季盛行东南季风，冬季盛行西北季风，重金属随粉尘向下风向扩散，最终通过大气缓慢沉降于西北、东南方向，并在这2个方向出现土壤重金属含量高值区(图2)。受太焦铁路线以及交通运输中轮胎磨损和汽车尾气排放的影响，研究区西部地区出现局部土壤重金属含量高值区。土壤的化学组成深受成土母质的影响，研究区岩石矿物主要为石英、高岭土、云母和硫铁矿，不同岩石矿物化学组成及含量差别显著，造成土壤中Cr、Cd、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn含量及其空间分布差异较大(图2)。过量施用化肥也是导致土壤重金属含量及其空间分布不均的重要原因[25]。因此，燃煤电厂周边农田土壤重金属含量特征及空间分布差异受到人类活动、气候特征条件和成土母质综合作用的影响。此外，由于测试条件有限，笔者未测定As含量，这将在下一步工作中进行完善。

3.3 土壤污染评价标准与方法对污染评价结果的影响

单因子指数法常用于评价土壤重金属污染，可以判断主要污染因子，反映某个污染物污染程度，但由于环境污染往往是由多个污染因子复合污染导致，因此该方法有一定局限性[26]。内梅罗综合污染指数法能够较全面评判土壤重金属污染程度，避免由于平均作用削弱污染金属的权重，但可能会人为夸大或缩小某些因子的影响，使其对环境质量评价的灵敏度不够高。笔者研究结果(图3～4)显示，无论是单因子污染指数法还是内梅罗综合污染指数法，当以GB 15618—2018风险筛选值为评价依据时，研究区土壤未受污染；以山西土壤背景值为评价依据时，研究区土壤存在一定程度重金属累积，这与高文文等[27]研究结果一致，表明采用的评价依据不同，得到的评价结论就会明显不同。我国环境类标准中尚没有针对燃煤电厂周边农田土壤的环境质量标准，这给该类区域土壤污染治理工作带来一定难度[28]。相对于单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，土壤综合质量指数法涉及土壤标准值、背景值、元素价态和农产品测定值，评价依据更为全面[11]。笔者对农用地土壤评价没有涉及相对应的农产品质量状况，这将在后续工作中进行补充。同时，笔者测定土壤重金属含量时采用体积比为1∶1硝酸-高氯酸消煮方法，与山西土壤环境背景值采用的HNO3-HF-HClO4方法不同。徐伊莎等[29]和郭兴强等[30]研究结果表明，不同的酸度体系和消解时间会对土壤重金属含量测定结果有一定影响。因此后续研究中测定土壤重金属含量时需要注意采用与土壤背景值测定时相同的土壤类型和检测方法。