石嘴山市不同功能区土壤重金属污染的研究

贾 涛 江海红

（吴忠市科信环境检测有限公司，宁夏 吴忠 751100）

随着我国工业化进程的不断加速，工业排放、城市交通、大气沉降等方式导致大量重金属元素在土壤中累积[1]。土壤重金属的大量对土壤生态系统造成不良的影响，导致土壤环境质量恶化。众多国内外学者对城市的土壤重金属分布进行研究，并取得丰硕的成果。Manta 等[2]通过对巴勒莫的重金属分布进行研究，发现工业与交通是导致区域土壤重金属超标的主因；李一蒙等[3]采用潜在生态风险指数对开封市土壤重金属分布进行研究，发现开封市土壤中Cd 含量高，呈重度污染，通过研究发现Cd 含量多与化肥厂烟尘、交通运输和以及燃煤等有关；王桢等[4]通过对日本新潟市铁路沿线土壤的重金属含量进行研究，发现铁路等交通运输线是影响土壤中重金属的含量及分布的重要因素。

石嘴山市作为宁夏回族自治区北部重要中心城市，进入21世纪以来，随着“西部大开发”和“一带一路”的推进，其工业得到了快速发展。因此该文以石嘴山市为例，对其不同功能区土壤重金属含量进行研究，以期能为石嘴山市土壤环境保护提出对策。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

石嘴山市地处中国西北地区，为宁夏回族自治区北部重要城市，东临鄂尔多斯台地，西踞银川平原北部。地形以平原为主，海拔高度约1150m 左右，年均气温8.4℃～9.9℃，年均降水量167mm～188mm，属典型的温带大陆性气候，气候冬冷夏热，降水少。随着“西部大开发”和“一带一路”的推进，石嘴山市步入快速发展期，随着经济快速发展，城市生态环境压力也在增加。

1.2 样品采集、处理与检测

根据城市人口的分布与活动，该文把石嘴山市区划分为工业区、住宅区、商业区、公园和开发区5 个功能区，每个功能区均匀设置8 个采样点，共40 个采样点。采样时避开混凝土碎屑、生活垃圾、瓦砾等人工填充物，采集人为扰动相对较少的土壤。将采集的土壤样品平铺在塑料袋上，剔除砾石、杂草等杂物，置于通风处自然风干，将风干后的土壤样品研磨，使其通过60 目的尼龙筛，装入密封袋中保存备用。土壤样品经HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用ICP-OES 检测分析Cu、Cd、Cr、Pb 和Zn 这5 种重金属含量，每个样品采用3 组平行试验，取均值作为重金属浓度。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 经典统计学分析

运用经典统计学对土壤重金属元素进行空间变异分析，其变异特征用变异函数Cv表示，如公式（1）所示。

式中：s为标准差，x为变量平均值，通常将变异程度分为3 级，即弱变异性（Cv≤0.1），中等变异性（0.1 ＜Cv＜ 1）和强变异性（Cv≥ 1）。

1.3.2 土壤重金属污染评价标准

单因子指数和内梅罗综合污染指数可以全面反映出各污染物的污染状况，同时突出较高浓度污染物对土壤环境质量的影响，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：Pi为土壤重金属i的单因子指数；ci为重金属i的实测值（mg·kg-1）；si为重金属评价标准（mg·kg-1），取 GB 15618 的一级含量限值[5]。P综为内梅罗综合污染指数，Pimax为重金属单因子指数最大值，Piavg是其平均值。单因子指数法评价标准见表1。内梅罗综合指数法评价标准见表2[6]。

表1 单因子指数法对土壤污染程度的分级标准

表2 内梅罗指数法对土壤综合污染程度的分级标准

1.3.3 潜在生态风险评价

潜在生态风险指数法是目前污染物生态风险研究中应用最广泛的评价方法之一[7]，其计算方法如下。

多个重金属综合潜在生态风险指数（RI）可按式（5）确定。

表3 重金属潜在生态风险分级标准

2 结果与分析

2.1 石嘴山市土壤重金属描述性统计分析

石嘴山市土壤重金属含量的描述性统计分析结果见表4。由表4 可知，石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的含量分别为18.56～103.46mg/kg、54.78～112.89mg/kg、45.03～121.72mg/kg、0.08～0.39mg/kg 与19.04～71.96mg/kg，其均值分别为42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32mg/kg，除Cu 的极大值超过国家土壤污染风险筛选值，其余均未超过国家的土壤污染风险筛选值，这表明石嘴山市区的部分地区出现了Cu 元素的聚集趋势。从变异系数看，Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 这5 种重金属的变异系数均介于0.1～1，均属于中等变异，其变异系数大小排序为Cr＜Zn＜Pb＜ Cd＜Cu。其中Cu 的变异系数最大，这说明在石嘴山市的Cu 含量有较大的差异。从K-S 检验看，Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 这5种重金属的分布均属于正态分布。

表4 土壤重金属含量描述性统计（单位：mg/kg）

2.2 石嘴山市不同功能区土壤重金属分布特征

运用SPSS22.0 对石嘴山市5 个功能区土壤重金属含量进行分析，具体结果见表5。由表5 可知，土壤重金属含量在石嘴山市5 个功能区存在比较明显的差异。从各重金属元素看，土壤中Cu 含量在工业区最高，为51.16mg/kg，在公园最低，为31.04mg/kg，总体趋势为工业区＞商业区＞住宅区＞开发区＞公园，土壤中Cr 含量在工业区最高，为96.27mg/kg，在开发区最低，为62.41mg/kg，总体趋势为工业区＞商业区＞住宅区＞公园＞开发区，土壤中Zn 含量在工业区最高，为95.42mg/kg，在公园最低，为52.18mg/kg，总体趋势为工业区＞商业区＞住宅区＞开发区＞公园，土壤中Cd 含量在工业区最高，为0.18mg/kg，在开发区与公园最低，均为0.14mg/kg，总体趋势为工业区＞住宅区＞商业区＞公园=开发区，土壤中Pb 含量在工业区最高，为38.99mg/kg，在公园最低，为20.85mg/kg，总体趋势为工业区＞住宅区＞商业区＞开发区＞公园。总体来看，工业区5 种重金属元素的含量明显高于其他功能区，而公园与开发区的重金属含量较低，土壤相对无污染。

表5 不同功能区土壤重金属含量水平（单位：mg/kg）

2.3 石嘴山市土壤重金属元素空间分布特征

对石嘴山市土壤重金属进行统计，虽然可以反映该区域重金属含量状况，但是无法反映其空间结构性与随机性。因此，为进一步研究石嘴山市的土壤重金属分布情况，还须利用地统计学的半方差函数公式对其重金属的空间分布进行研究。结果见表6。由表6 可知，从拟合模型看，石嘴山市土壤重金属中Cu、Cr、Zn 元素的最佳拟合模型是球状模型，Cd 与Pb 元素的最佳拟合模型分别为高斯模型和指数模型，从块金值与基台值的比值看，Cu 的块金值与基台值比值为0.39，介于0.25～0.75，具有中等空间相关性，受到随机和结构因素共同影响，说明在石嘴山市，Cu 元素的分布受到比较明显的人为因素的影响。而Cr、Zn、Cd 与Pb 元素的块金值与基台值比值均小于0.25，说明其具有强烈的空间相关性，主要受结构因素影响。从变程看，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 与Pb 5 种重金属的空间自相关距离存在比较明显的差别，其变程范围介于551m～5440m，相差接近10 倍，其原因可能是城市的生态系统受人类活动的影响比较强烈，特别是在不同的功能区，土壤重金属的输入量与输入方式存在一定的差别，导致在石嘴山市土壤重金属存在不同空间结构性。

2.4 石嘴山市土壤重金属单因子指数评价

该文对石嘴山市土壤重金属进行单因子指数评价，评价结果见表7。从表7 可知，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 种重金属单因子指数的平均值分别为0.68、0.55、0.60、0.54 与0.59，其单因子指数平均值从大到小依次为Cu ＞Zn ＞Pb ＞Cr ＞Cd，且5 种重金属单因子指数平均值小于1，说明石嘴山市土壤无重金属污染。Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 种重金属单因子指数的范围分别为0.32～1.09、0.31～0.84、0.42～0.83、0.35～0.70 和0.41～0.85。。其中Cu的单因子指数最大值大于1，这说明在局部地区存在比较严重的Cu 元素污染。

表7 单因子指数评价结果

为更好地分析石嘴山市土壤重金属的污染情况，该文对各采样点土壤重金属不同污染级别所占比例进行分析。具体结果见表8。由表8 可知，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 与Pb 这5 种重金属均未出现污染情况。

表8 土壤重金属污染指数

2.5 石嘴山市土壤重金属的内梅罗指数评价

运用单因子指数法对石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 这5 种元素的情况进行评价，只能反映该地区这5 种元素的单项污染状况，不能明确综合污染状况。因此，为更好地研究石嘴山市土壤重金属的综合污染状况，该文运用内梅罗指数法对石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 这5 种重金属进行评价。评价结果见表9。由表9 可知，石嘴山市土壤重金属污染程度属于安全、警戒线的采样点个数分别为35、5 个，分别占87.5%、12.5%，无轻微污染、中度污染和重度污染。

表9 内梅罗综合污染指数法评价结果

2.6 石嘴山市土壤重金属潜在生态危害评价

为进一步评价研究区土壤环境生态风险，根据Hakanson 制定的标准化重金属毒性响应系数，以国家土壤污染风险筛选值为评价标准，计算潜在生态危害单项系数和复合系数。由表10 可知，石嘴山市土壤中Zn、Cd、Pb、Cu、Cr 的潜在生态危害单项系数均小于40，为轻微的生态风险等级水平。从潜在生态危害复合系数看，轻度、中度、重度风险等级占比分别为80%、20%、0%，表明石嘴山土壤重金属生态风险仍处于不安全范围。

表10 土壤重金属生态危害系数

3 结论

由描述性统计可知，石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的均值分别为42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32 mg/kg，均未超过国家的土壤污染风险筛选值，且5 种重金属均属于中等变异，其中Cu 的变异系数最大，这说明在石嘴山市的Cu 含量有较大的差异。从不同功能区土壤重金属分布看，工业区5 种重金属元素的含量明显高于其他功能区，而公园的重金属含量较低，土壤相对污染程度低。从空间分布特征看，在石嘴山市，Cu 元素的分布受到较明显的人为因素影响。而Cr、Zn、Cd 与Pb 元素的分布主要受结构因素影响。从单因子分析看，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 种重金属单因子指数平均值小于1，说明石嘴山市土壤重金属无污染。其中Cu 的单因子指数最大值大于1，这说明在局部地区存在比较严重的Cu 元素污染。从内梅罗指数看，石嘴山市土壤重金属全部属于安全、警戒线，无轻微污染、中度污染和重度污染。从潜在生态危害评价看，石嘴山土壤重金属轻度、中度、重度风险等级占比分别为80%、20%、0%，生态风险处于不安全范围。