建设用地土壤元素含量、来源以及潜在生态风险评估——以德州市德城区为例

＊刘佳炜

（石河子大学 新疆 832061）

引言

土壤是自然界中最复杂的系统之一。土壤质量的优劣对于水环境的保护、空气质量的维稳、人类与动植物健康的保护十分关键[1]。近年来，由于城市化进程的不断推进以及产业结构的加速调整，重污染工业等建设用地造成的土壤重污染问题尤为突出。特别是，土壤重金属的滞后性、累积性、隐蔽性造成土壤状况堪忧[2]。因而，在经济新常态下，如何通过深化改革和创新技术使得经济发展与土壤健康齐头并进尤为重要[3]。近年来，土壤重金属问题已成为国内外学者关注的热点。目前，国内对于土壤重金属含量、来源以及生态风险评估的研究主要集中在农田土壤，对于建设用地土壤重金属研究相对匮乏。因此，对于建设用地的土壤重金属来源，相关性的讨论显得尤为重要，这更好的阐明其对于人类健康的影响，找到针对性的治理手段。

德州市作为山东省典型的工业城市，其工业企业为德州市经济发展作出了一定的贡献。但同时，其重金属带来的污染问题不容忽视。论文选取山东省德州市作为研究区域，选取土壤中镉、汞、砷、铜、铅、锌、镍为研究对象，对该市24个土壤采样点位进行对比分析，依据《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）进行初步评价，结合地累积指数法、潜在生态风险指数法等全面评估山东省德州市土壤污染状况，以期弥补德州市区域建设用地土壤污染防治研究空白，为德州市发展规划提供科学的依据。

1.材料与方法

(1)研究区概况

德州市德城区地处山东省西北部，是德州市的中心城区。该市北依京津，南靠济南，位处天津滨海新区和环渤海经济圈，德城区属黄河三角洲冲积平原。历史上区域内经历过两次黄河大迁徙，上千次决口，从而造就了西南高、东北低的地形。由于泛道与流速因素加之风力堆积，造成了平原之中起伏不平的地形，岗、坡、洼相间分布等特点。全区地貌多象，大致可分三类：高地类、坡地类、洼地类。德城区属暖温带大陆性气候，年均气温13.1℃、年均光照2660h、光照率61%，年均降水556.2mm，无霜期204d。研究区工业企业较多，内有山东省较著名工业企业——山东华鲁恒升化工股份有限公司、山东双一科技股份有限公司等。

图1 研究区及采样点示意图

(2)样品采集

山东省德州市典型建设用地区域采用网格布样法，每4km2设置一个样点。采样时筛选重点污染区域布点采样，建设用地周边按《农用地土壤污染状况详查点位布设技术规定》作适当调整，共24个样点。

垂直采集0～20cm深度的表层土壤，等量混合均匀后，四分法留取1kg装入干净样品袋[4]。将各样点采集的土壤样品在室温下自然风干，经去除杂质，敲碎后碾碎，使其全部过20目尼龙筛后待测[4-6]。采集完成后，记录下采样点的经纬位置、采样地类型以及周围环境等信息[6-7]。

(3)样品分析

本文选取了土壤中镉、汞、砷、铜、铅、锌、镍，七种重金属元素评价指标进行土壤环境质量评价。样品分析方法主要有原子荧光分光光度法以及火焰原子吸收分光光度法。其中，采用原子荧光光度计AFS-8230对Hg、As进行（GB/T 22105-2008）测定，火焰原子吸收分光光度计AA-6880FM对Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、进行（HJ-491-2009）测定[8-10]。分析方法对土壤样品测试的准确度以及重复样品的精确度采用国家一级土壤标准物质（GBW系列）进行检测，通过随机检查和异常点检查进行严格监控。实验分析方法测试结果均符合规范要求，确保数据分析准确可靠。

(4)数据处理与分析

①多元数据分析与地统计方法

对数据进行均值、中值、范围、标准差、变异系数、峰度和偏度等描述性统计，然后采用相关分析、主成分分析等多元统计方法对重金属来源进行解析。以上统计分析均利用SPSS26.0以及Excel 2016进行。

②单因子污染指数法

单因子指数法作为研究重金属污染评价的基础，用于评价研究区内某重金属污染程度[11-12,17]，其计算公式为：

其中，Pi表示每个采样点重金属i的污染指数；Ci为每个采样点重金属元素i含量的实测数值（mg·kg-1）；Si为每个采样点重金属i的污染评价标准（mg·kg-1）。一般，当Pi＜1，说明环境质量相对良好；当Pi＞1，说明环境质量相对恶劣。Pi与环境良好态势呈现负相关[12]。论文除Zn选用一类建设用地土壤污染风险筛选值作为污染物的评价标准[13]，单因子污染指数分级标准如表1所示[14-15]。

表1 单因子污染指数环境质量分级标准

③内梅罗综合污染指数法

不同于单因子污染指数法对于单个重金属元素的局限分析，内梅罗综合污染指数法全面反映了研究区土壤环境质量。特别地，内梅罗指数法兼顾单因子指数法中的重金属含量平均值和极值，突出高含量重金属元素对于环境的影响[14,16,17]，其计算公式为：

其中，PN为内梅罗综合污染指数；Pimax为每个采样点所有重金属单因子污染指数的最大值；Piav为每个采样点所有重金属单因子污染指数法的平均值，上述计算中各参数均无量纲。内梅罗综合污染分级标准如表2所示[17-18]。

表2 内梅罗综合环境质量分级标准

值得注意的是，环境质量指数0.7＜PN=1.0为警戒线[18]，高于警戒线表明研究区受到环境污染。

④地累积指数

地累积指数法（Muller指数）作为研究沉积物及其他重金属污染程度的指标，反映重金属分布的自然变化及人为因素对其的影响[19]。其计算公式为：

式中，Igeo为采样点重金属i的地累积指数；Ci为采样点重金属i在土壤中的实测含量（mg·km-1）；k为校正系数，为消除各地岩石差异导致的背景值不同，一般选用k=1.5[20-21]；Bi为采样点重金属i的背景值，论文选用一类建设用地土壤污染风险筛选值作为污染物的评价标准[13]。Igeo按照值的通常污染等级划分为0～6共7个等级[20,22-23]如表3所示。

表3 MULLER地累积指数分级

⑤潜在生态风险评价

Hakanson法是土壤重金属污染程度以及潜在生态评价最常用方法之一[24-25]。潜在生态指数法是Hakanson根据重金属的形态以及特点建立的一套重金属潜在生态危害的评价方法[26]。潜在生态风险指数法主要用于综合分析重金属的含量、种类等影响因素，定量地划分重金属的潜在生态风险程度。单个重金属潜在生态风险因子计算公式为：

表4 潜在生态风险评价风险等级标准

2.结果与讨论

(1)土壤重金属含量描述性统计

由表5可以看出，研究区土壤重点测定元素Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn、Ni、Cr平均含量为0.144mg/kg、0.262mg/kg、11.516mg/kg、27.96mg/kg、26.33mg/kg、61.96mg/kg、33.79mg/kg；本文所研究的土壤重金属元素平均含量均低于一类建设用地土壤筛选值；研究区土壤重金属元素最大值均超过山东省土壤背景值。值得注意的是，Cd、Hg含量平均值分别为0.144mg/kg、0.262mg/kg，分别为背景值的2.057、16.375倍，说明其在研究区土壤中存在明显的富集现象，这与徐夕博[30]等对山东省土壤重金属含量研究一致。特别是，研究区中Cd、Hg变异系数明显高于As、Cu、Pb、Zn、Ni，说明Cd、Hg受外界因子影响较大，尤其是人为影响而产生的特异值。偏度反映正态分布双尾特征，其按大小排列依次为：Hg、As、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu，其中，Hg偏度较高，受人类活动影响较大。

表5 研究区土壤重金属描述性统计结果

(2)相关分析

重金属元素之间的相关性分析有助于其来源识别[4,31]。土壤重金属元素来源主要分为自然因素和人为活动两种，研究区重金属含量的相关性除来自元素本身影响外，与元素所处的环境及其人类活动有着相当的关系。

由表6分析可知，Hg-Cd、Pb-Cd、Ni-As相关性在å=0.05水平上显著，说明Hg和Cd，Pb和Cd，Ni和As有一定的同源性。一般来说，Cd和Pb之间的相关性指示着受人类干扰程度，高相关代表受人类活动干扰大[31-32]，这与戴彬[4]等对山东典型工业城市土壤重金属来源研究成果一致，Pb-Cd存在高相关。Hg和其他所有本研究中的本文已研究元素相关性不高。

表6 研究区土壤重金属两两相关性

(3)聚类分析

本文选用系统聚类方法对研究区土壤重金属元素相关性做进一步分析。按照聚类变量分为样品聚类（Q型聚类）以及指标聚类（R型聚类），本文采用基于Wards法的R型聚类分析对研究区土壤重金属元素进行分析[33-35]。

聚类分析结果表明，研究区内Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn、Ni这七种重金属元素可分为四类：As-Ni，Cd-Pb，Hg-Zn，Cu。这说明这四类元素间相似程度较大，可聚为一类，此结论与相关性分析结论近乎一致。其中，对于Hg、Pb、Zn这三种元素分类略为不同。当聚类分析分为三类时,有：As-Ni，Cd-Pb-Hg-Zn，Cu，这与相关性分析结果一致，在相关性分析结果基础上证明了Hg-Cd-Pb之间两两相关，即Hg含量一定程度上受人类干扰影响。

图2 基于Wards法的土壤重金属聚类分析结果

(4)重金属污染评估

①土壤重金属污染程度

由表7分析可知，以一类建设用地土壤污染风险筛选值作为土壤环境质量标准评价标准时，重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Ni污染指数均小于1，属轻度污染。研究区内六种重金属Igeo从大到小依次排列为：As＞Ni＞Pb＞Hg＞Cu＞Cd。其中，研究区内所有重金属除Zn外，其Igeo均小于0，为无污染状态。

表7 基于单因子污染指数法下的重金属元素污染占比

②重金属的生态风险

整体来看，由表8可知，研究区内各采样点的内梅罗综合污染指数均小于0.7，在警戒线之内，采用一类建设用地土壤污染风险管制值作为污染物的评价标准时。研究区重金属清洁水平，对人体健康风险可以忽略，不需采取风险管控以及修复措施。

表8 基于内梅罗综合污染指数法下的各重金属污染占比

研究区域内生态风险评估如表9所示，评估结果显示，选用一类建设用地土壤污染风险筛选值时，研究区域内As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni均为轻微生态污染。其中，As贡献率为65.26%，其次为Hg、Ni。由此可知，研究区域内，土壤主要重金属污染元素为As。

表9 潜在生态风险评价下的重金属元素单一生态风险分级占比

3.结论

研究区域内土壤环境质量总体呈现良好态势，全部采样点土壤重金属含量均在一类建设用地土壤污染风险筛选值范围内，但明显超出山东省土壤背景值。其中，Cd、Hg变异系数明显高于As、Cu、Pb、Zn、Ni，受外界干扰强烈或受土壤本底值的影响，需进一步展开研究。

研究区域内土壤重金属Hg和Cd、Pb和Cd、Ni和As间相关显著。特别地，Hg和其他所研究重金属相关性不高。Cd和Pb的高相关指示着受人类干扰程度较大。地累积指数显示研究区域内As、Cu、Pb、Ni、Cd、Hg污染程度均属无污染等级，单因子污染指数法显示各重金属元素均呈现轻微污染态势。

研究区域内土壤重金属生态风险显示As贡献率最高，为65.26%。内梅罗指数法研究结果说明各采样点均属轻微污染。各重金属环境质量指数属清洁水平，对人类健康无危害。根据土地利用规划，研究区不需要采取管控手段。但建议展开区域环境调查，对于As集中分布的区域展开详细调查以期查明是否存在污染源并采取相应的解决措施。