兰州市城乡结合部土壤重金属生态风险评价

黄欣瑞,彭位华,∗,张晋晨, 柴媛媛, 李致春

(1.宿州学院 资源与土木工程学院,安徽 宿州 234000;2.矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室,安徽 宿州 234000)

土壤是地球的重要资源,是人类赖以生存发展的重要基础,是生态环境系统的重要组成部分[1-2]。 随着工业化、城镇化的高速发展,土壤重金属污染已经严重破坏了我国的生态环境[3-4]。在污染治理进程中,城郊工业活动与人类生产生活对当地土壤造成严重影响[5-7]。 重金属具有生物毒性大、隐藏能力强、不易降解等特征,土壤重金属污染防治成为我国生态保护领域的重大难题之一。 重金属污染对周边地区农田土壤造成了严重的生态风险[8-10]。 因此,对于土壤重金属污染调查和生态风险评价是有必要的。

目前国内外学者针对土壤重金属污染和生态风险评价进行了一系列的调查研究,如:邱其俊等[11]以闽北新建水库周边土壤为研究对象,对土壤重金属污染和生态风险进行研究;周艳等[12]对西南某铅锌矿区周边农田土壤重金属空间主成分分析和生态风险评价开展了研究,结果表明,研究区综合潜在生态风险指数RI 的均值为2 294.8,整体上处于极高的生态风险水平;陆泗进等[13]对会泽某铅锌矿周边农田土壤重金属生态风险进行了研究;Keshavarzi 和Kumar[14]对伊朗东北部农业土壤重金属空间分布及潜在生态风险进行了研究,结果表明,农业土壤污染程度低,生态风险低;顾思博等[15]基于地累积指数、污染负荷指数和潜在生态风险指数法得出民丰县农田表层土壤重金属污染程度低,Cd、As 生态风险程度较高,其他重金属生态风险较低的结论;Chen 等[16]利用潜在生态风险指数法对中国典型矿区生态风险进行研究,结果表明湖南省苏仙区综合生态风险指数较高,危险区尤其集中在金属矿区和煤矿矿区;Liu 等[17]对广西某铅锌矿外溢对土壤重金属、潜在生态风险及酶活性的影响研究表明,所有土壤均达到重度污染水平,生态风险等级极高。

研究区位于兰州市西固区,该区域属于典型的工业区,城市化、工业化问题显著,对于黄土高原地区而言,生态环境的研究和防治是刻不容缓的,然而,对于该区域的研究较少,这对黄土高原地区的生态环境保护是相当不利的。 基于此,以甘肃省兰州市西固区柳泉镇城乡结合部为研究对象,对研究区土壤进行了长时间的连续采样,开展了土壤重金属污染及生态风险评价的研究。 对处理好的土壤样品利用便携式X 射线荧光光谱分析仪(XRF)进行了土壤重金属含量分析测试,从而测得土壤样品中的重金属含量,并通过运用潜在生态风险评价法重点对Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和Pb 的污染特征及生态风险进行了研究,以期能够客观、系统地反映出研究区的潜在生态风险,使之能够为研究区土壤重金属的污染防治与生态修复提供科学的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兰州,简称“兰”,是甘肃省省会,地处中国西北地区、甘肃省中部,35°34′20″～37°07′07″N,102°35′58″～104°34′29″E 之间,属于温带大陆性气候。 全市行政区划共设置城关、七里河、西固、安宁、红古5 个市辖区,其中研究区西固位于兰州市西郊,黄河由西向东横穿全境,地势西南及南部高、东北低,南北两山对峙并向黄河谷地倾斜,全区现有人口40 万,行政区总面积385.3 km2,共辖8 街、5 镇、1 乡,其中土地总面积约3.74 万hm2。西固石油资源丰富,工业基础雄厚,是兰州市的核心工业区、中国西部最大的石油化工基地,已形成以石油化工、能源、金属制造和新材料“三大板块”为支柱的工业体系。

地处兰州市西固区西南部的柳泉镇,是一个工农业发展较为迅速的城乡结合部,区内经济带动,使其石油化工、农业和金属制造业发展较为突出。 逐年建立的石油化工场地和农业养殖场地使得大数量的工农业垃圾无法及时处理,废水不经处理直接外排,废渣随意堆放在矿房外,填埋于地下的垃圾降解速度也越来越缓慢,导致土壤污染愈发严重,农田、土壤生态系统遭到了严重破坏,生态风险愈加突出[18]。

1.2 样品采集与测试

1.2.1 样品采集

在研究区域布点时,主要利用网格布点法进行土壤样品的采集,根据研究区的实际情况共设78 个采样点(深度＜20 cm)。 土壤样品利用塑料毛刷和铲子进行采集并将样品置于干燥的已编号的密封袋中同时用GPS 记录研究区地理位置及采样点空间分布,此期间进行连续采样,共采集到78 个土壤样品。

将现场采集土壤样品放置实验室干燥避光处自然风干,在样品处理时,先剔除土中大颗粒杂质,如石块、动植物残体等,然后取土壤样品50并用木棍将样品碾碎,土壤样品进行研磨之后通过100 目尼龙筛筛选后放入手动台式压片机在10 t 压力条件下压制成片,然后放入样品袋中,标明编号。

1.2.2 样品指标测试

利用便携式X 射线荧光光谱分析仪(型号:EDX5500H。 厂家:江苏天瑞仪器股份有限公司)对处理好的样品进行土壤重金属含量分析测试。测试模式为土壤模式,测试时间为每次30 s,每个样品设3 次平行。 在相同实验条件下,检测土壤成分分析标准物质(GBW07424,GSS-10)中重金属含量(每测10 个土壤样品,测试一次土壤成分分析标准物质)并用作质量控制,最终测得Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和Pb 的回收率分别为81.9%,82.2%,89.2%,129.3%,94.0%,310.3%,944.0%,340.9%,121.1%。

1.3 土壤污染评价方法

土壤重金属生态风险评估常用潜在生态风险指数法(RI),该方法是瑞典学者Hakanson 提出的[19],是一种利用沉积学原理对研究区进行土壤重金属污染评价的方法,这种方法在评价重金属污染的基础上综合考虑了生物毒性,并且以定量的方法划分出重金属潜在的风险等级[20-21]。 其计算方法为:

式中:RI——综合潜在生态风险指数,无量纲;——重金属元素i的潜在生态风险因子,无量纲;——相应重金属元素i的毒性响应系数(取值如下:Cr=2,Co=5,Ni=5,Cu=5,Zn=1,As=10,Cd=30,Hg=40,Pb=30);——重金属元素i的污染指数;——重金属元素i的实测含量,mg/kg;——相应重金属元素i的地球化学背景值,mg/kg[22]。

潜在生态风险指数分级标准列于表1:

表1 潜在生态风险指数分级标准

1.4 数据处理与分析

利用Excel2016 软件和IBM SPSS Statistics 26软件进行实验数据的处理与分析,获得最大值、最小值、平均值、标准差后,利用潜在生态风险指数法对重金属污染进行分析,图形分析和绘制图表(包括生态风险指数空间分布)主要利用Originpro2018 软件完成。

2 结果与讨论

2.1 重金属含量统计分析

土壤重金属含量能够较为清晰地表现出重金属元素的富集信息,它可以一定程度上确定土壤重金属的污染水平,在研究区兰州市西固区柳泉镇城乡结合部,对获得的78 个土壤表层样品重金属含量的有效数据进行测试分析,统计结果如表2 所示,其中的背景值参照《甘肃省土壤元素背景值》[22]。

表2 土壤重金属含量描述性统计(n=78)

由统计的数据分析可知,所测得的9 种重金属元素含量按照由大到小的顺序依次为Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Co＞Cu＞As＞Hg＞Cd。 其中Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和Pb 这9 种重金属的均值含量分别为:29 088 mg/kg、80.4 mg/kg、55.9 mg/kg、23.1 mg/kg、20.4 mg/kg、13.1 mg/kg、14.6 mg/kg、4.82 mg/kg 和0.040 mg/kg,与甘肃省土壤背景值相比,Co、Zn、Hg 和Pb 这4 种元素的含量平均值分别是甘肃省土壤元素背景值的1.037 倍、1.174倍、2.014 倍和1.227 倍,土壤中普遍存在Co、Zn、Hg、Pb 污染,表明这4 种重金属元素在土壤中已经有不同程度的累积。 除此之外,其他5 种重金属元素含量均未超过甘肃省土壤元素背景值。 所测9 种重金属,除Cr、Co、Ni、Cu、As 和Cd 外,Zn、Hg 和Pb 均值含量与李凌云等[23]对兰州市西固区土壤重金属含量研究结果基本一致。 除Co、As和Hg 外,Cr、Ni、Cu、Zn、Cd 和Pb 均低于典型工业城市嘉峪关市[24],但与平凉市[25]相比,Hg 含量相对较高。 与工业型城市金昌市[26]相比,本研究区土壤中Cr、Ni、Cu、As、Cd 和Pb 含量均值都低于金昌市,而Zn 和Hg 含量均高于金昌市。

2.2 土壤重金属潜在生态风险评价结果与分析

潜在生态风险指数法主要是用来衡量土壤重金属对环境存在的生态风险,将实测重金属含量代入式(1),计算得到重金属单项潜在生态风险因子和综合潜在生态风险指数(RI),结果如表3 所示。

表3 土壤重金属潜在生态风险指数计算结果

表4 潜在生态风险评价结果

9 种重金属RI介于58.9 ～316.2,处于低、中等和高生态风险水平的土样分别占比55%,40%和5%(表4);RI均值为(137.5±76.6),说明研究区所测9 种重金属所致生态风险总体处于轻微风险水平。

从对RI 的贡献看,Hg 和Pb 对RI的贡献率分别为55.0%和26.0%,而其他7 种重金属对RI的总贡献率仅占19.0%(表3)。 说明研究区土壤中重金属的潜在生态风险主要是Hg 和Pb 引起的。

2.3 土壤重金属潜在生态风险空间分布

研究区土壤重金属生态风险指数RI的高值区域集中在西北、西南、东南区域,如图1(a)所示,9 种重金属整体分布不均,整体上处于中低生态风险水平,仅个别区域处于高生态风险水平,这与土壤重金属的综合生态风险指数空间分布相同。 其中Hg 对潜在生态风险贡献较大,其均值含量远高于甘肃省土壤背景值,存在点源污染。研究区Hg 元素重金属含量高值区域呈点状分布,主要集中在研究区西北部、西南部和东南部,见图1(b)所示。

图1 综合生态风险指数(RI)和Hg 单项生态风险指数(E)空间分布

相关研究表明,除自然因素以外,重金属生态风险的空间分布主要受人类活动与不同功能区规划影响[27]。 Hg 存在多种不同的来源,工业活动、垃圾焚烧、交通及人类农业活动均可造成Hg 不同程度的富集。 张利瑞[28]等对兰州市耕地“五毒”重金属的风险评价及归因分析进行的研究表明,距铁路和公路距离对Hg 风险空间分异有较强的解释力,反映车辆运输的煤炭、石油和冶炼等大宗物资泄露以及车辆尾气排放和部件磨损排放对Hg 的影响[29],这也与Huang 等[30]对兰州市西固区城乡结合部土壤重金属污染评价与源解析的研究结果较一致。 由于研究区附近交通运输情况复杂,且西固区是甘肃省重要的化学石油冶炼工业区,石油化工原料运输过程产生的污染、人类生活产生的废弃物、烟囱排放出的烟气及管道排放的工业废水中往往含有Hg 等毒性较大的元素,进入土壤中就会使土壤重金属污染加剧,从而进一步增加了生态风险[31]。 研究区处于西固区城乡结合部,且人类活动和工业活动痕迹明显,这与Hg 单项生态风险空间分布相互印证。 9 种所测元素中,鉴于Hg 超出背景值的倍数最高,且占RI的比例最高,应作为优控污染物加强监测,同时在明确污染来源的前提下,针对性地从源头上开展具体污染防治工作。

3 结论

(1)研究区所测的9 种重金属含量依次为:Zn＞Cr＞Pb＞Ni＞Co＞Cu＞As＞Hg＞Cd。 其中Co、Zn、Hg、Pb 这4 种元素的均值含量分别是甘肃省土壤元素背景值的1.037 倍、1.174 倍、2.014 倍和1.227 倍,其他重金属均未超过甘肃省土壤元素背景值。

(2)潜在生态风险评价结果显示,研究区9 种重金属单项生态风险指数均值由大到小依次为:Hg＞Pb＞Cd＞Co＞As＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn;Hg 的介于40～320 之间,其中有45%,10%,31%和14%的采样点分别属于轻微、中等、强和很强风险水平;Pb 仅4%采样点属于中等风险水平,其余重金属元素均未超过轻度生态风险的上限标准。 9 种重金属RI介于58.9～316.2 之间,处于低、中等和高生态风险水平的土样分别占比55%,40%和5%;RI均值为(137.5±76.6),研究区所测9 种重金属所致生态风险总体处于轻微风险水平。 从对RI的贡献看,Hg 和Pb 对RI的贡献率分别为55.0%和26.0%,而其他7 种重金属对RI的总贡献率仅占19.0%。 研究区土壤中重金属的潜在生态风险主要由Hg 和Pb 引起。

(3)生态风险空间分布表明,研究区9 种重金属整体分布不均,其中Hg 主要是点源污染(如工业活动、交通运输和废弃物焚烧排放等),且Hg为研究区优先控制的土壤重金属。