山西省土壤重金属污染特征及生态风险评价
2021-01-29姚万程郭利刚
姚万程，刘 庚*，石 瑛，王 捷，郭利刚
(1.太原师范学院 汾河流域科学发展研究中心，山西 晋中 030619；2.太原师范学院 生物系，山西 晋中 030619)
土壤是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是经济社会发展过程中不可替代的自然资源[1]。随着我国经济社会的高速发展和工业化进程的加快，多种类型重金属元素通过不同途径进入到了土壤当中，不仅破坏了土壤环境原有的生态功能与系统平衡，还会对人体健康产生严重危害[2-4]，严重制约区域土壤系统的可持续发展[5]。土壤重金属具有隐蔽性、滞后性、累积性和易富集性等特征[6]，受到外源性污染影响，重金属会在土壤中持续累积，导致土壤环境承载力下降，产生严重的生态环境风险[7]。土壤中的重金属还会通过食物链传递和富集对更高营养级的生物和人体健康产生危害[8]。关于土壤重金属污染已引起相关管理部门的高度重视，也是目前环境科学领域研究的热点问题之一[9]。
除土壤在成土过程中受到的地质活动影响等自然因素外[10]，工业生产过程中的“三废”排放、矿产资源的开采利用、污水灌溉等人类经济活动是产生土壤重金属污染的主要途径[11]。不同类型的重金属元素毒性特征不同，受污染源类型和分布、污染释放程度、污染传输途径等因素影响，不同区域土壤所遭受的重金属污染程度和特征都不尽相同。国内外相关学者针对不同区域土壤重金属污染的来源解析、污染评价、空间分布表征和污染管控等方面做了大量研究[12-16]，如对典型工业城市[12]、煤田矿区[13]、不同尺度下的城市土壤[14]、农田土壤[15]、沉积物[16]中的重金属进行污染来源解析及污染评价。我国矿产资源丰富，在经济社会发展过程中提供了必要的能源支撑，也是我国重要经济支柱产业之一。在矿产资源开发、生产、利用过程中形成的“三废”等所包含的重金属元素会经多种途径进入到土壤当中，会直接或间接造成重金属在土壤中的迁移和累积富集[17-18]。已有研究结果表明，矿产资源的长期开发利用极易引起土壤重金属的污染[19-20]。
山西省煤炭资源丰富，其煤炭产量和调出量分别约占全国的25%和75%[21]，外调煤炭辐射全国60%以上的城市。作为我国重要的能源重化工基地，煤炭资源的大规模开采和煤化工产业链的纵深发展对山西省的经济发展起到了战略性的推动作用，但同时也对省内环境造成了不同程度的污染，其中土壤重金属污染是山西省目前面临的重要生态环境问题之一。目前已有学者对山西省工业区[22]、流域沉积物[23]、污灌区[24]等典型区域开展了重金属污染特征识别与评价等研究工作，现有研究大多是以山西省局部地区土壤重金属污染为案例，但以全省整个地域空间范围为研究对象，开展土壤重金属污染评价与空间分布表征的研究还未有报道。基于此，本文采用从公开发表学术论文中收集到的550个样点8种重金属含量数据，系统分析了山西省土壤重金属污染生态风险程度和空间分布规律，以期为山西省土壤重金属污染综合治理和土壤风险管控提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
山西省地处黄土高原东部，属典型的黄土地貌，地面侵蚀强烈。地形多样，以山地丘陵为主，整体地形南低北高，呈阶梯状抬升。省境轮廓介于东经110°15′～114°33′，北纬34°34′～40°43′之间，总面积为15.67104km2，山区面积约占总面积的80.1%。全省煤炭资源储量丰富，凭借煤炭资源优势，以沁水、大同、宁武、西山、霍西、河东6大煤田为基础，10个大型煤炭生产基地为支撑，形成了以太原、大同、临汾等为代表的大型工业基地和省域综合性城市。
1.2 评价方法
1.2.1 单因子指数法 单因子指数法是对土壤中某一重金属元素的累积污染程度进行评价[25]，计算公式如下：
Pi=Ci/Si
(1)
公式(1)中，Pi表示重金属单因子污染指数，Ci表示重金属污染物的实测值(mg/kg)，Si表示重金属污染物的标准值(mg/kg)。当Pi≤1时，无污染；1
1.2.2 内梅罗指数法 内梅罗指数法重在突出高浓度污染物对环境质量的影响，在土壤重金属污染物的评价中使用较广[26]，其计算公式如下：
(2)
公式(2)中，PN表示综合污染指数，Piave表示第i个地区土壤中各重金属污染指数的平均值(mg/kg)，Pimax表示第i个地区土壤中各重金属污染指数的最大值(mg/kg)。当PN≤0.7时，土壤清洁，未受到污染；当0.7
1.2.3 地质累积指数法 地质累积指数法是20世纪60年代晚期发展起来的用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标[27]，其计算公式如下：
Iego=log2[Ci/K·Bi]
(3)
公式(3)中，Iego表示地质累积指数，Ci为各重金属元素在土壤中的含量，Bi为土壤中该元素的地球化学背景值[28]，K为成岩作用引起的背景值变动系数(一般K=1.5)。当Iego≤0时，级数为0，无污染；0
1.2.4 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法是国际上分析土壤(沉积物)重金属生态风险的重要方法之一，能够结合环境化学、生物毒理学、生态学等方面的内容，以定量的方法划分出重金属潜在危害的程度[29]。
单种重金属的潜在生态危害系数：
(4)
多种重金属的综合潜在生态危害指数：
(5)
1.2.5 评价标准 根据样本来源，将样点数据分为工矿区土壤、农田土壤、污灌区土壤、城市土壤和沉积物土壤5个类型，分别以国家土壤环境质量Ⅱ级标准[31]和山西省土壤环境背景值[32]为评价标准进行分析。利用SPSS 25对数据进行统计分析，采用Arcgis 10.0进行污染空间分布制图。
2 结果与分析
2.1 山西省土壤重金属含量特征
8种土壤重金属含量的描述性统计特征如表1，8种重金属元素的含量范围为0.03～2444.51、2.03～333.00、0.03～15.90、0.134～312.83、0.003～28.93、1.88～188.00、21.63～2300.00、3.52～128.26 mg/kg，除Cr的平均含量未超过山西省的土壤环境背景值外，其余7种重金属含量的平均值均超过山西省土壤环境背景值。Pb、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni含量的平均值分别为背景值的2.98、4.45、1.43、13.61、1.35、1.75、1.16倍，表明除Cr外，其它7种重金属均存在不同程度的富集，且Cd和Hg的富集程度较为严重。参照国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，在8种重金属元素中除Cd(含量平均值2.07)外，其余7种重金属含量的平均值均未超过该标准，但有少数样点超标，超标样点个数分别为9、16、14、17、3、11和9个，表明8种重金属在局部区域存在不同程度的累积。
8种重金属含量的变异系数从小到大依次为Ni(37%)
表1 山西省土壤重金属含量状况
2.2 土壤重金属污染评价
2.2.1 单因子污染评价 研究区内土壤重金属各项单因子评价结果见表2。参照国家土壤环境质量Ⅱ级标准值进行评价，8种重金属单因子污染指数均值从小到大依次为Pb(0.197) 表2 土壤重金属单因子污染指数评价结果 2.2.2 内梅罗综合污染指数评价 内梅罗综合污染指数评价结果见表3，依据国家土壤环境质量Ⅱ级标准进行评价，8种重金属元素综合指数值全部处于轻度污染及以上(PN>1)。Pb、Cd、As、Hg、Zn的污染指数分别为5.76、37.49、7.38、40.91和6.51，Cd和Hg的污染指数远高于重度污染标准限制值，Pb、As、Zn的污染指数在5～8之间，污染程度轻于Cd和Hg。Cr、Cu、Ni的污染指数处于1～2之间，属于轻度污染。 从分区特征来看，沉积物中Cd的污染指数为41.84，远高于重度污染标准限制值，污染最为严重；As和Zn的指数分别为0.73和1.06，表明As的污染程度已经达到警戒线，Zn属轻度污染。工矿区土壤中Zn、As、Pb、Cd的污染指数从小到大依次为3.62、7.00、8.15和17.33，均属于重度污染，Cd的污染最为严重，Pb、As、Zn次之。农田土壤中除Cu未受到污染之外，其余重金属元素均处于警戒线之上，其中Hg的污染指数为57.86，污染最为严重；Pb、Cd、As的污染指数分别为7.51、7.84、10.44，污染程度接近且均为重度污染。城市土壤中Cu和Cd的污染指数分别为11.13和5.59，表现为重度污染，其余重金属元素处于轻度污染或接近警戒线限值。污灌区土壤中Cd、Zn、Pb的污染指数分别为53.01、9.21、6.47，Cd污染最严重，Zn和Pb次之。 表3 内梅罗综合污染指数评价结果 2.2.3 地质累积指数污染评价 研究区土壤重金属地质累积指数污染评价结果见表4。8种重金属的地质累积指数的平均值分别为Pb(0.25)、Cr(-0.54)、Cd(0.33)、As(-0.39)、Hg(0.94)、Cu(-0.44)、Zn(-0.29)、Ni(-0.61)，Pb、Cd、Hg表现为无～中度污染，其余5种重金属元素表现为无污染。 从分区特征来看，工矿区土壤中Cd的指数为1.28，表现为中度污染；Pb、As、Hg、Cu、Zn的指数从小到大依次为0.04、0.20、0.33、0.86和0.95，表现为无～中度污染。农田土壤中Hg的指数为3.86，表现为强度污染；Pb和Cd的指数分别为0.74和0.31，表现为中～强度污染。污灌区土壤中Cd的指数为2.67，表现为中～强度污染；Pb和Hg的指数分别为1.63和1.31，表现为中度污染；Cu和Zn的指数分别为0.14和0.75，表现为无～中度污染。城市土壤中Cd的指数为2.90，表现为中～强度污染；Pb的指数为1.23,表现为中度污染；Zn的指数为0.06，表现为无～中度污染。沉积物中Cd的指数为4.01，表现为强～极强污染；Pb、Hg、Zn的指数分别为0.05、0.14、0.39，表现为无～中度污染。研究区内土壤重金属Pb、Cd、Hg、Zn、As、Cu存在不同程度的污染，Cd和Hg的污染最严重，Cd在污灌区、城市和沉积物土壤中均存在一定程度的污染，Cd的高度富集和污染会破坏土壤生态系统，威胁人体健康；Hg在农田土壤中表现为强度污染，应引起足够重视。Pb和Zn在研究区内表现为无～中度污染，应及早做好保护措施，防止污染进一步恶化。As和Cu的污染主要发生在工矿区和生活区，Cr和Ni在研究区内表现为无污染。 表4 地质累积指数评价结果 2.2.4 潜在生态危害指数污染评价 参考各重金属因子的毒性响应系数和国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，计算出各区域单因子潜在生态危害指数及综合潜在生态危害指数，结果如图1所示。研究区RI介于147.85～19649.4之间，平均值为409.71。除Zn处于低度风险水平之下外，其余均处于重度及严重风险的临界水平之上。8种重金属因子的潜在生态风险因子的平均值由低到高依次为Zn(1.64) 从分区特征来看，沉积物中Cd的指数为155.1，表现为较重风险水平，其余重金属因子均表现为低度风险水平。农田土壤中Hg的指数为59.6，表现为中度风险水平，表明农田中Hg潜在危害较大，可能是由于农业生产中过量使用化肥和农药等导致的结果。城市土壤中Cd的指数为66.6，表现为中度风险水平，可能是生活污水及汽车尾气排放所导致。工矿区和污灌区中8种重金属均表现为低度风险水平。 8种重金属污染程度整体上呈现出由中部盆地向西北、东南两侧递减的趋势(图2)，表明中部盆地带的污染较重，两侧污染相对较轻，这可能是由中部地区较强的工农业生产等人类活动造成的。在矿业活动频繁或人口稠密的地区，工业生产及汽车尾气排放所产生的含重金属的有害气体和粉尘经沉降后会导致土壤中的重金属含量增加。在农业生产中，含有重金属的农药和肥料的不合理使用会导致农田中的重金属含量剧增，是农田土壤中重金属污染的主要来源。在污灌区中，长期使用污水灌溉，会导致污灌区农田中的重金属含量升高，通过食物链传递等途径对人体健康产生危害。 图1 重金属潜在生态风险指数 从不同重金属元素的空间分布规律来看，Pb污染严重区域出现在大同、太原、晋中、临汾盆地，整体趋势表现为从中部盆地带向两侧递减。Cr的污染集中于山西省中部和长治盆地的局部地区，从中部地区向两侧递减。Cd的高污染区分布于长治-临汾盆地区域和吕梁山西侧、大同盆地的部分区域，污染特征为中部低，南北两侧的过渡地区偏高。As污染集中分布于临汾-运城盆地的大部分区域，污染程度表现为由南向北递减的梯度变化规律。Hg的高污染区域出现在山西省西北部的五台山地区，可能是受自然背景值和人类活动的双重影响。Cu的高污染区出现在大同盆地的北部，空间分布趋势表现为中部低，南北两侧高。Zn的高值出现在大同盆地和临汾盆地的部分地区，从高污染区向周围呈现递减分布特征。Ni在大同盆地西北部和长治盆地的西侧污染较为严重。就8种重金属的空间分布总体特征而言，高污染区大多分布在工矿企业集聚、矿业活动频繁或人口高度密集的区域。 图2 研究区土壤重金属空间分布 山西省土壤8种重金属的平均含量分别为土壤环境背景值的2.98、0.99、4.45、1.43、13.61、1.35、1.75、1.16倍。除Cr外，其余7种重金属含量均超过当地背景值，在研究区内存在不同程度的富集。以Cd和Hg的污染最为严重，分别超出背景值的4.45倍和13.61倍，重度污染样点占比分别为7.5%和2.0%。 风险评价结果表明研究区内8种重金属元素存在不同程度的生态风险，Hg和Cd为研究区内最主要的污染因子，处于中度及重度以上风险水平。从分区特征来看，Cd在污灌区和沉积物中以及Hg在农田土壤中污染程度较为严重。 8种重金属的污染程度在空间分布上具有一定差异性，污染严重区域主要分布在工矿企业集聚、矿业活动频繁和人口高度密集地带，其中生态风险程度最高的Cd和Hg主要分布在山西省南部以及东北部区域。
2.3 土壤重金属空间分布特征
3 结论
