泰安市城区土壤重金属污染特征及风险评价

2022-09-29孟令华杜小亮孔德金吴树明

中国无机分析化学 2022年5期

孟令华杜小亮刘乾孔德金吴树明王浩

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东泰安 271000)

土壤是城市生态系统的重要组成部分[1]，在城市化进程不断加快的今天，由矿产资源开发、道路、水利工程及城市建设等各种人类活动所引起的土壤重金属污染问题越来越严重，使自然生态环境变得脆弱，直接或间接威胁人类安全健康和城市的可持续发展[2]。因此，土壤重金属污染已成为当今城市环境研究的热点，许多学者针对不同城市、不同地域的土壤重金属环境污染做了大量研究[1-6]，这些研究工作对城市总体规划和污染防治具有重要意义。

近年来，虽然有一些学者对泰安市农田土壤及某些生产企业周围土壤的重金属污染特征和现状进行过调查评价[7-8]，但针对城区的土壤重金属污染评价的研究较缺乏。泰安市是我国著名的历史文化名城和风景旅游城市，市区位于泰山脚下，随着城市化水平的不断提高，现代化工农业的快速发展，不可避免地对城市环境造成一定的不良影响，很有必要对城区土壤重金属的含量特征进行调查研究。本次工作通过测定As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni 6种重金属的含量，分析其空间分布特征，采用单因子指数法、内梅罗综合指数法、地累积指数法及潜在生态评价法对土壤质量进行综合评价，对泰安市城区重金属的污染防治和城市规划具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区北依拔地通天的五岳之首泰山，南濒临汶河，东、西被泰安市岱岳区环绕，范围东至科技中路、明堂路、京沪铁路、汶河西岸，北至环山路，西至京台高速公路和104国道，南至天颐湖北岸、徂徕山大街，南北长约24.2 km，东西宽约20.1 km，面积207.7 km2，为泰安市中心城区(图1)。研究区地处鲁中山区西北部，为泰山山前倾斜平原及牟汶河冲、洪积平原，处于泰莱断陷盆地的西端，总体地势西、北部高，东、南部低。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，气候四季分明，具有降水集中、雨热同季、春秋短暂、冬夏较长的气候特征。多年平均气温12.9 ℃，多年平均降水量1 119.70 mm，年内降水主要集中在6、7、8月份，一般占年降水量的61.63%。

图1 研究区位置及土壤采样点分布图Figure 1 The location of the study area and distribution of soil sampling points.

1.2 样品采集与测试

本次土壤样品采集时间为2020年12月31日至2021年1月10日，选择泰安市城区公园、道路两侧绿地、建筑工地人工开挖的沟槽、城乡结合部菜园或者其他较为稳定、扰动较小的区域进行采样。在天气晴朗的情况下，首先去除植物覆盖物，利用木铲刮除杂质后采集表层15～20 cm的土壤，样品重量约1 kg，按编号装入聚乙烯封口塑料袋中，同时利用GPS记录取样点的位置。共采集表层土壤样品30件。

在实验室将土壤样品自然风干，经去杂质、研磨、过0.150 mm网筛后测定重金属浓度。Cu、Cd、Ni、Pb测试依据HJ 803—2016《土壤和沉积物 12种金属元素的测定王水提取-电感耦合等离子体质谱法》，测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪；As、Hg测试依据HJ 680—2013《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》，测试仪器为原子荧光分光光度计。As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的检出限分别为0.01、0.03、0.3、1.0、0.002、0.2 mg/kg，相对偏差均低于8%。测试单位为山东省鲁南地质工程勘察院实验测试中心。

1.3 土壤重金属污染评价方法

1.3.1 污染指数评价

单因子污染指数法：是以土壤单项重金属含量的测定值与评价标准的比值表征土壤中某一重金属的环境污染程度[1]。其计算公式见式(1)：

(1)

(1)式中：Pi—土壤中重金属i的单因子污染指数；Ci—土壤中重金属i的实测浓度值，mg/kg；Si—重金属i的土壤环境背景值，mg/kg。将Pi分为4个等级，即Pi≤1时，无污染；13，严重污染。

内梅罗综合污染指数：其不仅考虑土壤中各重金属污染物的平均污染水平，又突出了最严重重金属污染物的平均污染水平，能够全面反映某种污染物的污染程度[9]，计算公式如式(2)所示：

(2)

(2)式中：PN—内梅罗综合污染指数；Pimax—各重金属单因子污染指数的最大值；Piave—各重金属单因子污染指数的平均值。将PN划分为5个等级，即：PN≤0.7，安全(清洁)；0.73.0，重污染[10]。

地累积指数法：是一种研究土壤中重金属污染程度的定量指标，它不仅考虑自然成岩作用引起的环境地球化学背景值的变动，还突出了人为活动等污染因素[11]。计算公式如式(3)所示：

Igeo=log2[Ci/1.5Bi]

(3)

(3)式中：Igeo—地累积指数；Ci—土壤样品中重金属元素i的实测浓度值，mg/kg；Bi—重金属元素i的土壤环境背景值，mg/kg；1.5为修正指数，通常用来表征成岩作用、沉积特征、人类活动及其它影响。将Igeo分为7个等级，即Igeo≤0，无污染，污染等级0级；0

1.3.2 潜在生态风险评价

潜在生态风险指数(RI)是瑞典地球化学家Lars Hakanson于1980年提出的，用于评价土壤中多种重金属污染的潜在生态风险，能够反映多种重金属污染物的综合潜在影响[12]，是目前常用的重金属污染评价方法之一。其计算公式见式(4)：

(4)

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

对泰安市城区土壤样品中重金属元素的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数进行统计，结果见表1。As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均含量分别为6.72、0.066、20.33、18.19、0.031和19.92 mg/kg，其中As、Cd、Cu、Pb、Ni的平均含量均低于泰安市和山东省土壤背景值[16]，Hg的平均含量略高于泰安市土壤背景值。与泰安市土壤背景值相比，在30个样品中，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分别有12、1、8、3、10、4个样品超过了背景值；而与山东省土壤背景值相比，在30个样品中，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分别有11、1、9、1、10、4个样品超过了背景值；表明泰安市城区土壤重金属As、Cu、Hg的富集性较明显。

表1 泰安市城区土壤重金属含量Table 1 The content of heavy metals in soil in urban area of Tai′an /(mg·kg-1)

变异系数是元素标准偏差与平均值的比值，是表征土壤中元素分布均匀性的参数[17-18]，变异系数越大，说明其分布越不均匀，受人类活动扰动越大[3]。6种重金属的变异系数大小依次为Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb，Cd和Hg的变异系数>0.6，说明其含量受人类活动影响较大，空间分布差异性较大；As、Ni、Cu、Pb的变异系数在0.2～0.6，属于中等变异，说明不同采样地点的As、Ni、Cu、Pb含量有差异，存在局部富集现象。

2.2 土壤重金属空间分布特征

从土壤重金属含量空间分布图(图2)上可以看出，各重金属元素的空间分布具有一定的规律，As、Cd、Cu、Pb、Ni高值区多呈点状分布。其中As元素含量最大值为13.67 mg/kg，位于省庄镇一园林基地；Cd、Pb元素高值区集中在徐家楼街道小白峪便民市场西北侧树林，最大值分别为0.27、25.23 mg/kg，其余样点含量均低于环境背景值；Cu元素最高含量点出现在天平街道钢材大市场，最大值为46.86 mg/kg；Ni元素最大值为58.88 mg/kg，位于粥店街道北辛庄附近。Hg元素的高值区分布范围较大，且较集中，分布于徐家楼街道-岱庙街道-上高街道-省庄镇一带，集中在农业园、公园、园林等部位，其中最大含量为0.110 mg/kg，是山东省土壤背景值的3.55倍。另外，Cu与Ni的高值区有部分重合，Cd、Pb与As的高值区亦有部分重合，表明Cu与Ni及Cd、Pb与As的成因关系相对较密切。

图2 研究区土壤重金属含量空间分布图Figure 2 The spatial distribution map of soil heavy metal content in the study area.

2.3 土壤重金属污染评价

2.3.1 单因子污染指数评价

分别采用泰安市土壤环境背景值和山东省土壤背景值作为参比值对城区的土壤重金属进行评价，结果见表2。以泰安市土壤环境背景值作为参比值，各重金属的Pi平均值顺序为Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cd。其中，Hg的Pi平均值最大，为1.03，严重污染、中度污染、轻微污染和无污染采样点数量占比分别为3%、7%、23%和67%；其他重金属Pi平均值小于1，为无污染状态，但Cd、Cu、Ni各有1个样点达中度污染。以山东省土壤环境背景值作为参比值，Hg的Pi平均值亦为最大(1.00)。

表2 泰安市城区土壤重金属单因子污染指数评价结果Table 2 The evaluation results of single factor pollution index of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

2.3.2 内梅罗综合污染指数评价

从表2可以看出，以泰安市土壤环境背景值和山东省土壤背景值作为参比值，Pb的综合污染指数PN值在0.7～1.0，污染等级为警戒(尚清洁)；As、Cd、Cu、Ni的综合污染指数PN值在1.0～2.0，污染等级为轻度污染；Hg的综合污染指数PN值在2.0～3.0，污染等级为中度污染。总体上，研究区土壤重金属综合污染指数平均为1.58～1.64，整体属于轻污染水平，Hg是内梅罗综合污染指数评价贡献最大的因子，在研究区的东部岱庙街道-上高街道一带污染严重。

2.3.3 地累积指数评价

以泰安市土壤环境背景值作为参比值，经计算，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的地累积指数Igeo的范围分别是-5.53～0.30、-2.91～0.44、-1.64～0.45、-1.64～-0.43、-2.09～1.29、-2.97～0.53，平均值分别为-1.08、-1.75、-0.84、-0.94、-0.82、-1.18(表3)；以山东省土壤环境背景值作为参比值，As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的地累积指数Igeo的平均值分别为-1.30、-1.76、-0.82、-1.00、-0.87、-1.18(表3)。总体表明泰安市城区土壤重金属累积较轻，多数为无污染状态，个别样点为轻度-中度污染(1级)，Hg的最大地累积指数为1.29，达中度污染(2级)水平。

表3 泰安市城区土壤重金属的地累积指数评价结果Table 3 The evaluation results of geological accumulation index of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

2.4 土壤重金属污染生态风险评价

表4 泰安市城区土壤重金属潜在生态风险系数计算结果Table 4 The calculation results of potential ecological risk coefficient of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

经计算，综合生态风险指数RI的范围为39.96～191.81(参比值为泰安市土壤环境背景值)，平均值77.60(小于150)，综合生态风险为轻微。除Hg元素以外，其余重金属元素的生态风险均为轻微，几乎不具有潜在生态风险。RI值最大为191.81，位于泰山区上高街道农业科技园区，Hg的贡献率为76.44%，其他元素的贡献率均在10%以下；位于泰山区徐家楼街道小白峪便民市场西的样点RI值为154.09，Hg和Cd的贡献率分别为43.90%、39.69%。总体表明，泰安市城区土壤环境质量良好，为低生态风险区，但Hg为引起风险的主要因子，需要加强关注。

2.5 土壤重金属污染来源浅析

土壤重金属来源比较复杂，有自然来源和人为来源，自然来源主要与土壤母质、矿产资源等有关，人为来源主要是人类活动造成的影响[3，19]。在城区，土壤重金属更容易受到人类活动的干扰，其来源存在多源性，有交通运输和工业生产产生的气体和粉尘、城市生产生活污水、固体废弃物、农用物资等。

土壤重金属元素之间的相关性可以用来推测土壤重金属污染来源和途径等信息，元素间的相关性系数越高，他们之间的依存关系就越显著，其来源越相似[20-21]。由表5可知，重金属Cu与Ni的相关系数最高，为0.626，表现出较强的相关性，同源的可能性较大。Pb与As、Cd在置信水平为0.01时表现为显著相关，但相关系数都不高。Hg与其他5种重金属无显著相关，表明Hg元素是受到不同的自然、人为因素综合影响而富集的。

表5 泰安市城区土壤重金属元素之间的相关分析Table 5 The correlation analysis of heavy metal elements in soil in urban area of Tai′an

因子分析是一种多变量统计方法，它往往指示出某种地质上的共生组合和成因联系[19]，被广泛应用于土壤或沉积物中污染物来源的判别[3，7，22]。因此，为了进一步识别污染源，对本区重金属元素进行因子分析。表6显示，前2个因子的特征值大于1，方差贡献率分别为33.514%和28.099%，累积为61.612%，能够反映出本区6种重金属元素的大部分信息。为了使各因子的信息更加清晰，对因子进行旋转，得到前两个因子的正交旋转因子载荷矩阵(表7)。

表6 土壤重金属元素的累积方差解释表Table 6 The interpretation table of cumulative variance of heavy metal elements in soil

表7 正交旋转因子载荷矩阵Table 7 The orthogonal rotation factor load matrix

因子1为Pb-As-Hg-Cd元素组合，载荷分别为0.826、0.732、0.652、0.602，方差贡献率为33.514%，另外Cd、Pb与As的含量高值区有部分重合。Pb、Cd的Pi平均值均低于环境背景值，最高值为泰安市土壤环境背景值的1.12、2.04倍，判断为局部污染，受自然因素和交通、工业生产的共同影响[23]；As的来源比较广泛，除了成土母质外，还与化肥和农药的使用、生活污水的排污等有关[7]；总体上Pb、Cd、As主要来源于自然背景因素，部分受人类活动影响。Hg的生物毒性较强，一般与化肥、塑料地膜和含重金属的无机农药使用有较大关联[7]，Hg超标区域主要分布在农业园区、公园、园林、小型菜地等区域，受农业活动和居民生活影响较大。

因子2为Cu-Ni组合，载荷分别为0.897、0.882，方差贡献率为28.099%，且Cu与Ni的含量高值区有部分重合。土壤中Cu、Ni的含量较低，其富集主要受土壤母质和自然过程的控制，在天平街道钢材大市场、粥店街道北辛庄有点状超标，推测主要来源于交通、工业制造等人类活动。

3 结论

1)泰安市城区土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均含量分别为6.72、0.066、20.33、18.19、0.031和19.92 mg/kg，其中As、Cd、Cu、Pb、Ni的平均含量均低于泰安市和山东省土壤背景值，Hg的平均含量略高于泰安市土壤背景值。重金属含量的变异系数大小依次为Hg>Cd>As>Ni>Cu>Pb，Cd和Hg的变异系数>0.6，其含量受人类活动影响较大，空间分布差异性较大。

2)研究区土壤重金属综合污染指数平均为1.58～1.64，整体属于轻污染水平，Hg是内梅罗综合污染指数评价贡献最大的因子。各重金属的单因子污染指数Pi平均值顺序为Hg>As>Cu>Pb>Ni>Cd。Hg的Pi平均值最大，为1.03，严重污染、中度污染、轻微污染和无污染采样点数量占比分别为3%、7%、23%和67%；其他重金属Pi平均值小于1，为无污染状态，但Cd、Cu、Ni各有1个样点达中度污染。地累积指数说明土壤重金属累积较轻，多数为无污染状态，个别样点为轻度-中度污染(1级)，Hg的最大地累积指数为1.29，达中度污染(2级)。