典型工业园区周边农田土壤重金属污染及生态危害评价

卜兴兵 俸 强 廖 翀* 钟 果 冯元超 王会镇

(1 四川省生态环境监测总站，成都 610041；2 西华大学理学院，成都 610039)

土壤不仅是自然环境的构成要素，更是人类农业生产最重要的自然资源。但是随着现代工业发展、交通规划建设以及城市化的快速发展，我国耕地土壤环境质量日趋下降，土壤重金属污染日趋严重，相当数量的农田土壤受到重金属污染[1-2]。土壤重金属污染不但威胁人类健康而且已经成为人类面临的严峻环境问题之一，目前已引起科学界越来越多的关注[2-6]。目前对重金属污染的评价方法很多，包括单因子指数评价法、综合污染健康风险评价方法[3]、潜在生态危害指数法[4]、模糊数学法[5]等。王会镇等[3]对成都绕城高速周边农田土壤开展了重金属含量测定，并运用美国环境保护局的健康风险评价模式进行健康风险评价，采用污染指数法对研究区域土壤环境质量进行初步评价。骆占斌等[4]对再生铅生产企业搬迁前后周边农田土壤重金属开展了污染特征及富集规律研究，评价了污染程度及其健康风险，研究区域Cd污染最为严重，超过了土壤环境二级标准，存在极强的生态风险。曹冉等[6]为了探究乌鲁木齐市典型蔬菜基地表层土壤重金属对人的健康风险，采集140份土壤样品进行重金属分析，开展了成人和儿童的健康风险评价，得出了研究区域重金属不会对成人健康造成危害，但可能对儿童健康造成危害。杨乐等[7]为评价成乐高速公路两侧农田土壤重金属污染程度及其潜在生态危害，采用原子吸收分光光度法，对其两侧农田土壤中的 Pb、Cd、Cu、Zn 和 Cr 含量进行了测定，并采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对成乐高速公路两侧农田土壤重金属污染及潜在生态危害进行评价。吴远航等[8]以黔西北某锌冶炼区周边稻田土壤为研究对象，测定了土壤中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb总量和可提取态含量，并采用单因子污染指数法和内梅罗综合指数法评价了稻田土壤重金属污染状况，利用地累积指数法和潜在生态危害指数法评价土壤生态风险,并对重金属总量与对应可提取态作相关性分析。目前研究多集中于某一个行业企业历史环境问题或农田重金属及其作物重金属传输研究，但是对工业园区不同类型企业周边农田土壤重金属污染特征及评价性系统研究较少。

本文对四川省德阳市某工业园区周边农田土壤进行了采样调查，测定了周边农田土壤中8种重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量，并采用单项污染指数法、综合污染指数法、污染负荷指数法和潜在生态风险指数法对土壤重金属的污染特征、生态风险进行了评价，以期对该工业园区的污染防治、环境保护、风险调控提供必要的科学支持。

1 材料和方法

1.1 样品的采集与制备

样品采集依据《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2019)技术规定要求，2020年1月按随机均匀布点方式在四川某工业园区17家企业厂区周边地域分别布设了23个采样点(图1)，采样点位、企业类型及涉重污染物见表1所示。采集0～20 cm表层土壤5份，将5份土壤混合均匀得到一份混合土样，运用“四分法”取500 g土壤样品装入聚乙烯袋中，同时每一份样品取样装袋后贴好标签，并编号为1-23。土壤样品去除石头、树枝等杂物，室内风干，然后用玛瑙研钵研碎，再分别过20目筛和100目筛备用，将过筛后的样品装至玻璃瓶密封并贴好标签。

表1 四川某工业园区17家企业基本情况

图1 土壤采样分布图

1.2 样品的处理与测试

本文对土壤样品的前处理采用电热板消解法，采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解后制备测试液，用去离子水作空白对照。采用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd的含量，采用冷原子吸收分光光度法测定Hg的含量，采用X射线荧光光谱法测定As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量，重复测定3次取平均值。按照HJ 962-2018的要求，取10g土样，用蒸馏水将土壤样品溶解，用经过标准缓冲溶液校正酸度计直接测定土壤样品的pH。

1.3 土壤环境质量评价

采用单项污染指数(Pi)和内梅罗综合污染指数(Pz)对土壤重金属污染程度进行评价，评价标准值采用GB15618-2018中农用地(非水田)土壤风险筛选值，土壤污染等级划分标准参考文献[4,6,7]。

采用污染负荷指数衡量研究区域重金属的单一污染点污染程度(PLI)和区域污染程度(PLIzone)[4]，背景值计算采用成都平原第四系深层土元素含量作为背景值[9]，背景值数据见表2。其中，PLI<1，无污染；1≤PLI<2，中等污染；2≤PLI<3，强污染；PLI≥3，极强污染。

采用Hankanson潜在生态风险指数法[4,6,7]对土壤重金属生态风险进行评价研究，潜在生态风险指数不仅考虑了重金属元素的污染程度，同时还考虑了不同重金属元素对生物的毒性，因而比单一方法更具有说服力，也能更好地体现重金属元素的潜在危害。Eir为某一种重金属元素潜在生态危害系数值，RI为多种重金属元素潜在生态风险指数值。重金属毒性系数是反映环境对重金属污染的敏感程度和重金属的毒性水平，8种重金属毒性系数分别为：40(Hg)，2(Cr),5(Ni)，1(Zn)，5(Cu)，10(As)， 30(Cd)，5(Pb)。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

研究区内土壤重金属含量统计结果见表2，从平均含量来看，23个采样点土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni 8种重金属含量平均水平全部超过土壤元素背景值。Cd和Zn的平均含量超过风险筛选值，其余重金属平均值均未超过风险筛选值。据Wilding(1985)[10]对变异程度 5个分类等级，变异系数小于0.15为小变异，变异系数在 0.15～0.35为中等变异，变异系数大于0.35为高变异。从变异系数来看，变异度由大到小排序为Cd>Pb>As/Zn>Hg>Cu>Cr>Ni，Cd变异系数最大为2.43，空间变异显著；Ni的变异系数最小为0.33，研究区域土壤重金属处于中等变异和高变异，暗示局部土壤环境中重金属含量已经受到不同程度的外界干扰。富集系数表明，研究区域中Cd、Hg、Zn和Pb均具有较高的富集程度，As、Cr、Cu和Ni富集系数较低且较为接近。Pearson相关性分析结果见表3，Pb与Cd、As、Pb、Zn相互之间有极显著相关性，表明它们之间具有同源性。

表2 土壤重金属含量基本统计特征

表3 土壤重金属Pearson相关性分析

2.2 正态Q-Q图和对数正态P-P图分析

由表2偏度和峰度计算结果可知，8种元素的偏度系数均为正值，右偏离，可能是由于人为活动等造成重金属元素不断富集。其中，Cd、As和Pb偏度较大，受到人类活动影响较为严重。从峰度来看，Cd、As和Pb峰度较大。利用SPSS 20.0中的Q-Q图和P-P图可以分别得到各重金属元素的正态图、趋降正态图和对数正态图、趋降对数正态图。由于正态图可以显示均值附近是否聚集较多的落点，而趋降正态图表达落点数据在平均数周围的集中程度。因此，可以根据正态Q-Q图和对数正态P-P图确定均值附近是否聚集较多的落点，且越靠近两个极端落点越少，落点应该分布在趋势线的附近，正态的偏差可以看出落点是否集中在平均数周围即数据的集中程度。以As为例，对As的正态Q-Q图和对数正态P-P图(图2、3)进行分析可知，As的点在正态Q-Q图和对数正态P-P图中都非常靠近直线，相比于趋降正态Q-Q和P-P图，As的点在对数正态Q-Q图中更靠近均值周围，即数据的集中程度高，从而得到研究区域土壤中As元素含量呈正态分布。用同样的方法对其余7种元素进行分析，得到表层土壤的7种元素大多都是呈正态(或近似正态)或对数正态(或近似对数正态)的分布。

图2 As的正态Q-Q图(上)和As的趋降正态Q-Q图(下)

图3 As 的正态P-P图(上)和As的趋降正态P-P图(下)

2.3 土壤重金属污染评价

单项污染指数及内梅罗综合污染指数评价结果见表4。从单项污染指数平均值来看，研究区域8种重金属的单项污染指数顺序为Cd>Zn>Pb>Cu>Cr>As>Ni>Hg，土壤中PCd>3，表明该区域的Cd呈重度污染；PZn为1.70，处于轻度污染；其余6种重金属Pi<1，表明在该区域未受污染处于清洁状态。从综合污染指数来看，研究区域8种重金属的综合污染指数顺序为Cd>Pb>Zn>Cu>As>Cr>Ni>Hg，重金属Cd、Pb、Zn的Pz>3，表明该区域这3种重金属为重度污染状态；重金属As和Cu的2

表4 土壤重金属污染指数

污染负荷指数评价结果如图4所示，将成都平原第四系深层土元素含量作为背景值(见表2)，从采样点负荷指数来看，PLI≥3的点为10#、17#、19#、3#、20#、4#，10#点污染负荷指数最大，污染最为严重，属于极强污染。18#和13#点PLI接近1，处于无污染状态，其余点位均处于中等污染状态或强污染状态，区域污染负荷指数PLIzone为2.36，可知该区域污染等级为强污染。由表1可知，污染负荷指数较大的点位以金属表面处理和黑色金属铸造业为主。

图4 采样点污染负荷指数

2.4 潜在生态危害评价

计算标准参比值采用GB15618-2018中农用地(非水田)土壤风险筛选值，潜在生态风险指数评价结果见表5所示，研究区域8种重金属的潜在生态风险指数顺序为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr，除Cd外其它重金属的单项重金属潜在生态风险指数都小于40，对研究区域土壤系统无潜在危害。Cd的Eir为210.89，处于很强状态。从土壤元素综合潜在生态风险指数RI来看，10#点和17#点均大于1200，处于极强状态；4#点RI为502.11，处于强状态；20#、16#、21#点RI位于150～300，处于中度状态；其余17个点位RI均小于150，处于轻度状态。23个点位RI平均值为237.74，处于中等生态危害污染程度，其中Cd的贡献最大。综上，研究区域土壤Cd污染已达到中等生态危害污染程度，值得高度关注。因此，研究区域土壤应重点管控重金属污染物Cd，该区域应合理调整涉重企业分布，鼓励相关企业治污设施升级，提高污染物治理水平。

表5 重金属潜在生态危害指数

续表5

3 结论

(1)德阳市某工业园区周边农田土壤中8种重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni)含量存在一定差异，Cd和Zn的平均含量超过风险筛选值，其余重金属平均值均未超过风险筛选值。

(2)从单项污染指数平均值来看，研究区域8种重金属的单项污染指数顺序为Cd>Zn>Pb>Cu>Cr>As>Ni>Hg，其中Cd呈重度污染，Zn处于轻度污染，其余6种重金属相对处于清洁状态；8种重金属的综合污染指数顺序为Cd>Pb>Zn>Cu>As>Cr>Ni>Hg，重金属Cd、Pb、Zn为重度污染，As和Cu为中度污染，Cr为轻度污染状态，Ni处于警戒状态，Hg处于相对清洁状态。

(3)从污染负荷指数评价来看，23个采样点中除18#和13#点位处于无污染状态，其余点位均处于中等污染状态或强污染状态。区域污染负荷指数PLIzone为2.36，为强污染状态。农田土壤重金属污染具有中等生态危害风险，其中，Cd污染的潜在生态危害相对较大，应引起有关部门高度重视。