黄河流域和松花江流域土壤重金属污染对比分析及防治研究*——以河南段背河地和吉林段灌区为例

丁美琪，孟昭虹

(1.哈尔滨师范大学;2.洛阳师范学院)

0 引言

近些年，中国环境污染事件频频发生，因此得到了国家的极度重视[1].江河流域土壤重金属污染是环境污染之一，根据江河流域土壤中所有重金属成分与含量的不同，对其防治对策亦是不同.根据《全国污染源普查条例》[2]规定、《第二次全国污染源普查公报》[3]以及施烈焰[4]、何佳[5]、王兴佳[6]、朱立禄[7]等专业人员对江河流域的土壤重金属的分析的参照，该文详细地对黄河流域河南段背河地与松花江流域吉林段灌区的土壤重金属污染情况进行研究，并对两个研究区的土壤重金属的差异进行对比分析.

黄河位于中国北方，是国内第二长河，现今其流域面积为752443 km2较原《黄河水文年鉴》所刊印的数据增加14744 km2，黄河流域水土流失较为严重[8].并且要结合黄河水系治理开发其通航能力建立水库，与当地生产相结合利用黄河对农田进行灌溉，以上对黄河水体的治理和利用再加上黄河流域的煤田等工业所在地区对黄河流域土壤的污染，会导致重金属含量的加剧.

松花江位于东北地区，中国七大河之一，现流域面积为55.68万 km2[9].松花江所经过城市区内污染严重，其污水处理、工业废料排放量大以及重复使用率低和处理的设施运转率低、效果差，附近耕地农田施肥导致松花江水系以及流域土壤内重金属超标.

江河流域的土壤中典型重金属成分有10种元素，分别为Cu、Zn、Ni、As、Pb、Hg、Cd、Sb、Cr、Se[10].该研究中收集关于黄河流域河南段背河地研究区土壤内8种重金属Cu、Zn、Ni、As、Pb、Hg、Cd、Cr，以及松花江流域吉林段灌区研究区土壤内7种重金属Cu、Zn、Ni、As、Hg、Cd、Cr的数据，包括样本数、极值、均值、标准差、背景值、超标率.依据对这些数据进行的整理与对比分析其中差异，再利用地累积指数法和潜在生态危害指数法对2个研究区进行风险评价，并对2个研究区的土壤重金属污染防治提供建议参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河流域土壤研究区为河南段背河的某处包含洼地、沙丘、沙地的地貌，此处为黄河冲击平原，土壤主要分为3种类型：潮土(面积最广)、风沙土、水稻土(面积最小).潮土部分矿质养分丰富，有机质、氮磷元素含量低，易旱涝，具有盐碱化问题[11].风沙土部分为黄河泥沙经过搬运、堆积而自然形成的一种土壤类型，其特性为矿物质微弱、有机质含量少、保水性差、易干旱[12].水稻土部分为人耕而形成的，其中重金属污染含量随着季节性灌溉、耕种、施肥而影响变化[13].

松花江流域土壤研究区域为东北平原吉林段的灌区，灌区主要引用松花江水对稻田进行灌溉，江中的重金属污染物会随之进入研究区，稻田农业生产所用农药和化肥之中所具有的Cd、As等化学元素也是污染来源之一.随着大气沉降的影响，工业或家庭燃烧产生的气体和粉尘中所含的重金属(除Hg以外)基本以气溶胶形式干湿沉降进入土壤之中.

1.2 数据来源

黄河流域土壤中8种重金属以及松花江流域土壤中7种重金属的相关数据来源于近50篇中外文献、官方网站发布数据、年鉴、公报等.两大流域土壤重金属数据采集筛选原则都是以污染较为严重地区为主，黄河流域土壤主要来源于河南段潮土，松花江流域土壤主要来源于吉林段稻田土壤.详细数据见表1.

表1 黄河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌区)土壤重金属含量统计对比数据

1.3 数据分析

运用Excel对数据进行分析，再以国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)为依准，现有土壤重金属含量标准进行评估，并对两个研究区的土壤重金属的地累积指数和潜在生态危害指数进行风险评估.

2 结果与分析

2.1 流域土壤重金属含量分析

2.1.1 黄河流域河南段背河地土壤重金属含量分析

在黄河流域河南段背河地研究区的156种土壤样本中，重金属Cd含量超标最严重，其他重金属含量并无明显超标现象，表明该研究区的土质较好.Cd在该区的土壤中极小值为0.080mg/kg,极大值为0.770mg/kg,均值为0.166 mg/kg，而其背景值为0.100mg/kg,Cd的均值超出背景值近1.7倍.以该区的超标率来看，Cd超标率最严重为95.15%，Zn超标率最少为7.05%，8种重金属的超标率排序依次是Cd>As>Hg>Cr>Ni>Cu>Pb>Zn.

2.1.2 松花江流域吉林段灌区土壤重金属含量分析

松花江流域吉林段灌区研究区的56种土壤样本中，重金属Ni、Zn、Pb、Cd含量超标，其他

3种重金属含量并无超标，表明该研究区的土质不是很好.Ni在该区的土壤中极小值为18.400 mg/kg,极大值为37.000mg/kg,均值为27.200 mg/kg，而其背景值为24.900 mg/kg,Ni的均值超出背景值近1.1倍.Zn在该区的土壤中极小值为53.300 mg/kg,极大值为84.400 mg/kg,均值为68.000 mg/kg，而其背景值为52.700 mg/kg,Zn的均值超出背景值近1.3倍.Pb在该区的土壤中极小值为37.600 mg/kg,极大值为57.400 mg/kg,均值为47.000 mg/kg，而其背景值为23.600mg/kg,Pb的均值超出背景值近2倍.Cd在该区的土壤中极小值为0.044 mg/kg,极大值为0.367 mg/kg,均值为0.159 mg/kg，而其背景值为0.082 mg/kg,Cd的均值超出背景值近2倍.以该区的超标率来看，Pb、Cd、Hg的超标率分别为100.00%、66.10%、38.70%.

2.1.3 土壤重金属含量对比分析

黄河流域河南段背河地研究区土壤重金属Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg按含量极值区间求出中间值分别为36、57.85、30、109.55、28.3、0.425、10.75、0.157mg/kg，松花江流域吉林段灌区研究区土壤重金属Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg按含量极值区间求出中间值分别为21.25、27.7、68.85、47.5、0.2055、7.68、0.093 mg/kg，可以看出8种土壤重金属中间值都是黄河流域河南段背河地研究区更大.对比2个研究区土壤重金属超标率，可以看出松花江流域吉林段灌区研究区内Pb、Hg的超标率明显高于黄河流域河南段背河地研究区，另外6种土壤重金属则是黄河流域河南段背河地研究区更高.

2.2 土壤重金属污染风险评价

2.2.1 地累积指数法

分别运用表1中2个研究区的极值与均值，再根据地累积指数法计算出2个研究区土壤重金属的地累积指数数据见表2.地累积指数法公式：

表2 黄河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌区)土壤重金属地累积指数

(1)

式中：Igeo为地累积指数，Ci为土壤重金属的含量值，Bn为背景值.

将表2的数据代入地累积指数法污染等级标准(见表3)中，可以看出：黄河流域河南段背河地研究区数据中，通过极小值求出的地累积指数数据全部为负值，属于清洁.通过极大值求出的地累积指数数据中，除Cr为负值属清洁外，Cd、Hg数值最大，分别为2.360和2.141，属于重度污染，其余5种重金属全部为正值但不超过1，都为轻度污染.通过均值求出的地累积指数数据中，除Cd为正值0.146属于轻度污染以外，其余7种都为负值属清洁.说明此研究区内除Cr没有污染以外，其余7种重金属都有不同程度的污染，尤其是Cd和Hg最为严重；松花江流域吉林段灌区研究区数据中，通过极小值求出的地累积指数数据中，Pb为0.087属于轻度污染，其他为负值属清洁.通过极大值求出的地累积指数数据中，Cu和Ni为负值属清洁，Zn、Pb和As数值为正但不超过1，属于轻度污染，而Cd、Hg数值分别为1.577和1.369，属于偏中污染.通过均值求出的地累积指数数据中，Pb、Cd和Hg数值分别为0.409、0.370、0.222属于轻度污染，其他3种重金属为负值属于清洁.说明此研究区内Cu和Ni没有污染，其余5种重金属都有不同程度污染，其中Cd、Hg污染较严重.

表3 地累积指数法污染等级标准

2.2.2 潜在生态危害指数法

分别运用表1中2个研究区的极值与均值，再根据潜在生态危害指数法计算出2个研究区土壤重金属的地累积指数数据见表4.地累积指数法公式：

表4 黄河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌区)土壤重金属潜在生态危害指数

(2)

(3)

式中：Ei为潜在生态危害指数，Ci为土壤重金属的含量值，C0为背景值,Ti为重金属毒性系数(见表5)，RI为综合潜在生态危害指数.

表5 重金属毒性系数

将表4的数据代入潜在生态危害指数法污染等级标准(见表6)中，可以看出：黄河流域河南段背河地研究区数据中，通过极小值求出的潜在生态危害指数数据中，全部小于40属于轻度污染，综合潜在生态危害指数也属于轻度污染.通过极大值求出的潜在生态危害指数数据中，除Cd和Hg分别为231.000和264.681属于重度污染以外，其他重金属为轻度污染，综合潜在生态危害指数属于强度污染.通过均值求出的潜在生态危害指数数据中，除Cd数值为49.800属于中度污染外，其他重金属为轻度污染，综合潜在生态危害指数属于轻度污染.由此说明，在黄河流域河南段背河地研究区中潜在生态危害比较大，其中重金属Cd和Hg的毒性最高；松花江流域吉林段灌区研究区数据中，通过极小值求出的潜在生态危害指数数据中，全部小于40属于轻度污染，综合潜在生态危害指数属于轻度污染.通过极大值求出的潜在生态危害指数数据中，Cd和Hg指数分别为134.268和155.000，属于强度污染，其他重金属属于轻度污染，综合潜在生态危害指数为328.808，属于强度污染.通过均值求出的潜在生态危害指数数据中，Cd和Hg指数分别为58.171、70.000，属于强度污染，其他重金属属于轻度污染，综合潜在生态危害指数为154.619，属于中度污染.由此说明，在松花江流域吉林段灌区研究区中潜在生态风险也较大，同样也是重金属Cd和Hg的毒性最高.

表6 潜在生态危害指数污染等级标准

2.2.2 土壤重金属风险对比分析

在黄河流域河南段背河地研究区中，除了Cd和Hg部分地区地累积达到重度污染，甚至潜在生态危害指数也达到了重度污染.其他重金属地累积都在清洁—轻度污染之间，潜在生态危害指数也属于轻度污染范围内.研究区综合潜在生态危害大部分为轻度污染，但有小部分地区为强度污染，Cd和Hg为该研究区的主要风险因子；在松花江流域吉林段灌区研究区中，Cd和Hg部分地区地累积达到偏中污染，潜在生态危害指数达到了强度污染.其他重金属地累积都在清洁—轻度污染之间，潜在生态危害指数属轻度污染.研究区综合潜在生态危害大部分为中度污染，甚至有小部分为强度污染，主要风险因子也是Cd和Hg.

2.3 流域土壤重金属防治现状

2.3.1 黄河流域河南段背河地土壤重金属防治现状

按照2019年黄河流域河南段土壤重金属污染源头防治的数据来看[14]，河南省城区内150处黑臭水体已经消除135处，排入重点流域的331个入河排污口已完成整治.自从“十三五”规划以来，对于农村生活污水治理已经得到了很大的改善，共计整治七千多个村庄.预计2020年将加大整治防治力度，提高水系质量，特别是黄河流域的水环境和水生态.

对于土壤的整治措施，源头大多数来自于重工业生产，比如金属冶炼、矿区、废弃物处理等.目前对953家土壤重点监管单位进行督促其履行土壤污染防治，对其中的149家不合格企业进行了整治.并且交通设施排放的尾气以及粉尘的制造都会加重土壤重金属污染，针对这种情况政府建设了土壤环境检测中心，以提高土壤检测手段，对农业和建设用地的土质进行细致划分.

2.3.2 松花江流域吉林段灌区土壤重金属防治现状

老工业基地所带来的结构性工业污染是具有极大破坏性的，化工类、石化类等重污染企业分布在松花江的上游，这些单位已经成为松花江流域极大的污染源，其具备工艺落后、设备老旧、原材料利用率低及水资源浪费等问题，企业产生的废水直接排入松花江内，对流域土壤造成很大伤害.有数据表示[15]，2017年吉林省水体重金属排放量达到0.34 t，工业重金属排放量为0.31 t；截至2017年年末，共处理重金属污染物32.00 kg.由此可见，吉林省污水处理率不到20%，未经过处理或处理不到位的污水排入松花江中，这是非常严重的松花江流域土壤重金属污染.

这几年间，松花江流域的湿地正在大面积减少，面临着资源枯竭、水土流失的问题.东北作为国家的粮食基地，农业耕地占地比重较大，因此每年所用的化肥、农药高出全国平均水平，其中残留的重金属成分大部分留在土壤中，还有小部分流入松花江中流经其他地方时污染土壤.并且目前来看，政府对于松花江流域的土壤检测和管理能力较薄弱，这是执法力度不够和监管的疏忽.再者东北地区特有的地域特征，冬天非常寒冷，松花江的冰层会很厚，会导致水体内部微生物降解重金属效率大大降低，而且冬季污水处理率和效果也会大大下降.

3 结论

(1)黄河流域河南段背河地研究区内土壤重金属Cd严重超标，超出量近1.7倍，超出率为95.15%.除Cd之外，其余7种重金属含量并无超标，但却有超标率.因此，针对Cd该加大治理力度，As、Hg、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn的土壤环境质量标准应该适量放宽；松花江流域吉林段灌区研究区内土壤重金属Ni、Zn、Pb、Cd含量均有超标，超出量分别为1.1倍、1.3倍、2倍、2倍，Pb、Cd、Hg的超标率分别为100.00%、66.10%、38.70%.除此之外，其余4种重金属没有超标率.因此，针对Pb、Cd、Ni、Zn要加大治理力度，对于Ni、Zn的土壤环境质量标准要适量收紧，对于Hg的土壤环境质量标准要适量放宽.

(2)从2个研究区内土壤重金属含量对比分析来看，黄河流域河南段背河地研究区的含量差更大，土壤的污染分布更不均匀，由于该研究区除Cd外其他金属含量并不超标，可以确定为该研究区是由于防治得当导致污染分布不均匀，因此说明黄河流域河南段背河地研究区比松花江流域吉林段灌区研究区的防治处理更好；从超标率对比分析来看，对于两区域的土壤环境质量标准的制定都有不足，但黄河流域河南段的土壤环境质量标准更不准确一些.

(3)由2个研究区的土壤重金属风险对比分析可以看出，黄河流域河南段背河地研究区与松花江流域吉林段灌区研究区对比来看，污染较轻一些，分布更不均，且主要风险因子同为Cd和Hg，更证明黄河流域河南段背河地研究区可能是由于防止处理更好而形成如此的污染分布.

(4)对于黄河流域河南段土壤重金属污染的防治对策建议：推动黄河保护法尽快出台、针对土壤类型进行分类分区管理、加大污染物管控；对于松花江流域吉林段土壤重金属污染的防治对策建议：调整产业布局、政府推动绿色发展、完善监管体系、退耕还林、特殊季节特殊情况要有特殊处理模式、完善法律法规.