成都市工业区表层土壤重金属污染现状评价分析
2021-04-17罗小恩郑玉文
李 祥，何 鹏，黄 艺，罗小恩，郑玉文
(1．成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059；2．成都理工大学 生态环境学院，四川 成都 610059；3．四川钒钛产业发展研究中心，四川 攀枝花 617000)
1 引言
成都市位于四川盆地西部，是中国西南地区重要的经济中心和工业基地，其城市土壤重金属污染问题也日益严重[8]。施泽明等[9]对成都市城市土壤的研究发现，与国内外其它城市比较，成都市土壤中Hg含量较高，Cr、Cu、Zn含量处于中等水平，Cd、As、Pb含量水平相对较低。成都某热电厂表层土中的重金属含量明显高于深层土中的含量，说明热电厂周围表层土壤存在重金属污染，且土壤中Pb、Zn元素含量明显受工业活动影响，含量高于郊区土壤[10]。对四川省石亭江工业区的表层土壤样品进行研究发现，研究区土壤中Cd、Hg、As、Cu、Zn主要受人类活动控制；重金属的空间分布与局部人为活动密切相关，相比于其他土地利用方式，工业用地中的重金属浓度相对较高[11]。成都市文娱区表层土壤的Cd和Pb的含量相对较高，尤其Pb含量约为背景值的2倍。Cd是成都市文娱区表层土壤中对人体健康有致癌风险的主要重金属元素[12]。结合前人研究资料，本文以成都市东西南北四个工业区的表层土为研究对象，通过土壤重金属元素含量的分析测定，研究成都市工业区表层土壤中重金属的分布特征，并对表层土壤进行重金属污染评价分析，以期为成都市土壤修复治理与居民的生活提供参考。
2 样品采集与分析
2.1 样品采集
本文样品分别采自成都市龙潭工业园、锦江工业园、蛟龙工业港、古柏(金牛)工业区，每个工业区各4个土壤样品，样品共计16个，采样点分布见图1。
图1 成都市工业区表层土壤采样点分布
每个样品在设计采样点周围采集3～5处多点组合，采样深度为20 cm左右，去掉样品中动植物残留体、砾石、肥料团块等；先用不锈钢铁铲挖出一个断面，用竹片刮掉与铁铲接触的土壤，再采集土壤样品。将采集的土样四分法取足量装入布袋，带回实验室自然风干，用玛瑙研钵研磨后，过200目的尼龙筛封装备用。
2.2 重金属含量测定
采用HNO3-HF-高压密封法消解土壤样品[13]，使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定土壤中的重金属浓度。为保证试验数据的准确可靠，实验过程中同时添加重复样和国家标准物质GSS-1和GSS-3进行质量控制，并设置平行样和空白样对照。
2.3 数据分析方法
本文利用Microsoft Excel2016软件、Origin2018软件对数据进行分析处理。
3 结果与讨论
3.1 土壤重金属分布特征
成都市各工业区土壤重金属浓度检测结果如表1所示，各采样点土壤重金属浓度折线图如图2所示。LTS01～LTS04代表龙潭工业区的土壤样品，JJS01～JJS04代表锦江工业区的土壤样品，JLS01～JLS04代表蛟龙工业港的土壤样品，GBS01～GBS04代表古柏(金牛)工业区的土壤样品。
表1 各工业区表层土壤重金属浓度统计参数
由表1可知，成都市这4个工业区表层土壤的V、Cr、Mn、Ni、Cd的平均浓度基本都高于四川省的背景值；蛟龙工业港V的平均浓度最高，为109.91 mg/kg，龙潭工业园的Cr、Mn、Ni、Cu、Cd的平均浓度最高，分别为88.74 mg/kg、1204.19 mg/kg、38.98 mg/kg、32.59 mg/kg、0.1011 mg/kg，Mn的平均浓度是四川省背景值的2倍以上，说明龙潭工业区的土壤重金属污染程度较其他3个工业区更严重。成都市工业用地Cd的超标率为10%[14]；成都市5个文娱区表层土壤的Cd、Pb、Zn、Cu浓度均超过了土壤背景值，这与成都市工业迅速发展以及汽车保有量大幅增长有关[12]。
两组患者治疗效果对比，观察组治疗总有效率为93.3%，与对照组治疗总有效率76.7%相比，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。
由图2可知，各采样点土壤中V浓度差别不大，V浓度在130.73～61.50 mg/kg之间，平均值为103.02 mg/kg，超标率为87.5%；Cr浓度在108.60～47.05 mg/kg之间，平均值为82.57 mg/kg，超过四川省背景值，超标率为68.75%，Cr的来源主要和电镀、电池和制革等行业有关；Mn浓度在1968.01～203.87 mg/kg之间，平均值为804.64 mg/kg，超标率为62.5%，Mn浓度龙潭工业园和锦江工业园表层土壤中变化幅度较大；Ni浓度在50.14～20.19 mg/kg之间，平均值为35.44 mg/kg，超过四川省背景值，超标率为56.25%；Cu浓度在47.85～16.31 mg/kg之间，平均值为27.86 mg/kg，低于四川省背景值，超标率为18.75%；Cd浓度在0.2013～0.0296 mg/kg之间，平均值为0.0887 mg/kg，超过四川省背景值，超标率为56.25%，Cd是成都市土壤中对人体健康有致癌风险的主要重金属元素[12]。
图2 各采样点土壤重金属浓度
前人研究表明，工业排放、汽车尾气排放以及化石燃料的燃烧，会使得城市重金属含量升高[15]。Ni、Cu主要来源于工业冶金[16,17]；Cr主要来源于燃煤[17]，Cd主要来源于煤和汽油的燃烧[18]。结合本次研究结果，成都市4个工业区表层土壤的V、Cr、Mn、Ni、Cd的平均浓度基本都高于四川省土壤背景值，说明工业发展对土壤重金属含量影响较为严重。
3.2 单因子指数-内梅罗综合污染指数法的污染评价
单因子污染指数(Pi)是在土壤环境背景值的基础上对土壤重金属污染水平进行评价，是评价土壤重金属污染的常用指标。单因子污染指数(Pi)计算公式如下所示：
Pi=Ci/Si
(1)
式(1)中：Pi指的是重金属i的单因子指数；Ci指重金属i的实测浓度；Si为重金属i的环境背景值，本文采样四川省表层土壤背景值[19]。当Pi≤1时，土壤重金属污染等级为清洁；当1
内梅罗污染指数(P)兼顾了单因子污染指数的平均值和最大值；比较全面地包含了各种重金属对污染的贡献大小，同时突出了高浓度重金属污染物对土壤质量的影响[21]，其计算公式如下所示：
(2)
式(2)中，Pimax为单因子污染指数的最大值，Piave为单因子污染指数的平均值。当P≤0.7时，土壤重金属污染等级为安全；当0.7
表2 土壤重金属单因子指数(Pi)和内梅罗污染指数(P)
表2为成都市4个工业区表层土壤重金属单因子指数(Pi)和内梅罗污染指数(P)。由表2可知各采样点土壤重金属污染状况，LTS04土壤污染等级为中度污染，GBS03、GBS04土壤污染等级为警戒级别，其余采样点土壤污染等级均为轻度污染。此外，Mn在LTS02、LTS04属于轻度污染，其余元素在各点位基本属于警戒级别。由以上可知，龙潭工业园相比于其他3个工业区，土壤重金属污染更严重，而且这4个工业区的土壤重金属污染都已较为严重。
3.3 富集因子法对土壤重金属污染评价
1974年Zoller等人在研究大气颗粒物元素富集程度及来源时提出的[22]。其计算公式如下所示[18]：
EF=[Ci/Cr]样品/[Ci/Cr]背景
(3)
式(3)中，EF为富集因子，Ci为元素i的实测浓度，Cr为参比元素的实测浓度，样品表示的样品的元素浓度，背景表示的是元素的背景值。参比元素可以使用地球化学过程中人为污染少，化学性质稳定的元素，本文使用Sc作为成都市工业区表层土壤污染评价的参比元素[23]。
如果EF>1，则说明该元素的富集情况受到人为活动的影响较多；如果EF≈1，则该元素来源于地壳风化，由此可评价重金属污染的贡献率[23]。
表3 土壤重金属污染富集因子分级标准
表4 土壤重金属富集因子
图3 各个工业区表层土壤重金属富集因子
由表3、表4和图3可知，研究区表层土壤重金属污染总体上受人为活动的影响较大，特别是龙潭工业区受人为活动影响更大；其中，Mn、Ni、Cd的富集程度更为明显，V、Cr、Ni、Cu在所有的点位都为无污染—轻微污染，Mn在LTS04(2.35)为中度污染，Cd在JJS01(3.20)为中度污染；所以在龙潭工业园Mn是主要污染元素，在锦江工业园Cd是主要污染元素。
3.4 潜在生态危害指数法的污染评价
潜在生态危害指数法是Hakanson提出的土壤重金属污染评价常用方法[24]。该方法不但考虑了土壤重金属含量，还将不同重金属的环境行为特点、环境效应与毒理学联系在一起，在环境生态风险评价中得到了广泛的应用[25,26]。由于该方法确定了重金属的毒性系数，对于重金属在土壤中的污染评价具有实际意义[27,28]。计算公式如下：
(4)
多个重金属元素的综合潜在生态风险指数(RI)和单个重金属元素的潜在生态危害指数的计算公式如下所示[24]：
(5)
表5 土壤重金属污染程度及潜在生态风险等级划分
表6 土壤重金属单项污染系数和潜在生态风险系数
由表5[24]、表6可知，研究区表层土壤单项重金属平均污染程度Cf顺序为Mn>Cd>Ni>V>Cr>Cu；Cd、Cr、V、Ni、Mn污染指数平均值为1～3，属中度污染，Cu的污染系数平均值<1，属于低污染水平。6种重金属都有1～3的采样点出现，尤以Mn和Cd最多，最大值分别为达3和2.55，分别在龙潭工业园和锦江工业园，因此Mn和Cd是主要的污染元素。研究区表层土壤单项重金属的平均潜在生态风险程度Er顺序为Cd>Ni>Cu>V>Cr>Mn。6种重金属的平均潜在生态风险指数都小于40，属于低等生态风险水平。
表7 土壤重金属总体污染程度系数和潜在生态风险指数
由表5、表7可知，研究区表层土壤重金属总体污染程度系数Cd为3.43～9.15，平均值为6.45，接近于中等污染。Cr、Cu、V、Ni、Mn在所有采样点位的潜在生态风险指数RI都小于40，其中Cd的最大值为76.43，出现在锦江工业园，属于中度风险，4个工业区表层土壤重金属综合潜在生态风险指数RI为20.11～87.71，平均值为49.06，属于低等潜在生态风险水平，与重金属总体污染程度系数Cd类似。
4 结论
(1)四个工业区表层土壤的V、Cr、Mn、Ni、Cd的平均浓度基本都高于四川省背景值，只有Cu的平均浓度低于四川省背景值；其中，蛟龙工业港的V的平均浓度最高，为109.91 mg/kg，龙潭工业园的Cr、Mn、Ni、Cu、Cd的平均浓度最高，分别为88.74 mg/kg、1204.19 mg/kg、38.98 mg/kg、32.59 mg/kg、0.1011 mg/kg，Mn的平均浓度是四川省背景值的2倍以上，说明龙潭工业园相比于其他3个工业区，土壤重金属污染更严重。这与近年来龙潭工业园电池、冶炼、电镀等行业的快速发展有密切关系。
(2)研究区表层土壤总体上受人为活动影响较大，特别是龙潭工业区受人为活动影响更大；其中，Mn、Ni、Cd的富集程度更为明显，在龙潭工业园Mn是主要污染元素，在锦江工业园Cd是主要污染元素。
(3)研究区表层土壤重金属污染程度总体上为中等污染；土壤单项重金属平均污染程度Cf顺序为Mn>Cd>Ni>V>Cr>Cu，单项重金属的平均潜在生态风险程度Er顺序为Cd>Ni>Cu>V>Cr>Mn；Cd、Cr、V、Ni、Mn属中度污染。
