河北省某市工业用地土壤重金属污染现状及风险评估
2024-01-17宋炜
摘 要：采集研究区表层土壤、深层土壤样品共232个，分析样品中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni含量，运用地累积指数（Igeo）、潜在生态风险指数（Eri 和RI）对土壤重金属进行生态风险评价。结果显示：土壤样品中6种重金属的平均值均低于国家建设用地土壤污染风险筛选值；表层土壤中Cd、Cu、Pb、Hg及深层土壤中Cu、Hg的平均值均高于河北平原区土壤背景值。富集程度分析显示，土壤中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集为主，受人为活动影响较大。相关性分析显示，表层土壤除了Hg元素外，其他元素间均呈现显著正相关，表层—深层土壤中除Cd外，其他元素间均呈现显著正相关，表层土壤存在复合污染。地累积指数Igeo显示，研究区整体处于无污染和轻度污染。土壤重金属生态风险显示，Hg在表层和深层土壤中的Eri平均值分别为118.13（强生态风险）和61.08（中等生态风险）；重金属RI平均值在表层和深层土壤中分别为190.57（中等生态风险）和113.70（轻微生态风险）。研究区土壤Hg的污染和风险水平较高，今后应加强对重金属Hg的监管。
关键词：工业用地；重金属；污染现状；风险评估
Status and risk assessment of heavy metals pollution in industrial land in a City of Hebei Province
SONG Wei
（Environmental Geological Survey Institute of Hebei Coalfield Geological Bureau， Shijiazhuang 050091， Hebei， China）
Abstract： Contents of heavy metals （As， Cd， Cu， Pb， Hg， Ni） were detected from 232 top soil samples and deep samples and the geoaccumulation index and potential ecological risk index were selected to assess the environmental risk of heavy metals in the soil. The results show that the average contents of the 6 heavy metals are lower than the screening values of soil pollution risk in the construction land. The average values of Cd， Cu， Pb， Hg in the top soil and Cu， Hg in the deep soil were higher than their background values in the soil of the Hebei Plain. The analysis of soil enrichment degree shows that the content ratio of Cd and Hg in top soil to those in deep soil in the study area is >2.0， which are mainly enriched and greatly affected by human activities. Analysis shows that there is a strong correlation between other heavy metals in the top soil except Hg， and there is a strong correlation between other heavy metals except Cd in the top and deep soil. Compound pollution exists in the surface soil. The geoaccumulation index shows that the study area is in general pollution-free or lightly polluted. Ecological risk assessment reveals the average Eri of Hg is 118.13 in the top soil and 61.08 in the deep soil， belonging to the strong and middle ecological risk level. The average RI of soil heavy metals is 190.57 in the top soil and 113.70 in the deep soil， belonging to the middle and minor ecological risk level. The pollution level and risk level of Hg in the soil of the study area are higher than that of other heavy metals. It is suggested that supervision of heavy metal Hg should be strengthened in the future.
Keywords： industrial soils; heavy metals; pollution level; risk evaluation
土壤是一种重要的自然资源，土壤环境的质量关系到人体健康、生态环境的安全（王蕊等，2017）。随着经济的发展，工业废气、违法排污、化肥和农药的施用、生活垃圾、矿产资源的开采及排放等产生的有毒有害物质（骆永明等，2018；庄国泰，2015）不断进入到土壤中，造成了土壤污染。根据《全国土壤污染状况调查公报》（2014年发布），土壤污染物中以重金属污染为主。由于重金属进入土壤后易对土壤生物产生毒性，且不能为微生物所分解，易于积累，修复难度大，从而危害环境生态系统，同时重金属可通过不同途径进入食物链，最终影响人们的身体健康（孙清斌等，2013；Mao et al.，2019）。目前，对于土壤中重金属污染及风险评估的研究已有报道，其中：姚红胜等（2022）运用3种指数法评估了滇东喀斯特镉砷高背景值区耕地土壤中的重金属污染状况，结果表明该区土壤重金属As、Cd、Cr、Pb超標较严重，评价方法显示Cd、As污染较严重；余飞等（2022）分析了重庆汞矿区耕地土壤中8 种重金属的含量，结果表明8种重金属的平均含量均高于重庆市的土壤背景值，以Hg的含量最高，且Igeo结果显示，以Hg作为研究区土壤的主要危害元素，RI结果显示，研究区的重金属以强风险（占比33.7%）和很强风险（占比50.5%）为主；赵君等（2022）分析了典型煤矿周边土壤中的6种重金属含量并进行了生态风险评估，重金属Zn、Cu、Cr的含量相对较高，重金属Cd的风险性较强。大量的研究成果显示我国土壤重金属污染状况较为严重。
城市是一个地区的经济发展中心，对周边区域具有强大的影响力，随着城市化进程的加快，大批工业企业的搬迁改造，遗留下的工业场地及企业运营过程中可能排放的有毒物质，进一步加重了土壤中重金属的污染程度，重金属在土壤中的沉淀积累，对工业场地周边的生态环境安全造成严重威胁。目前对于土壤中重金属的污染研究多以耕地（黎健萍等，2022；鲍丽然等，2020）、林地（叶俊等，2020）、化工厂和矿区等污染场地（丛鑫等，2017；任文会等，2017；胡昱欣等，2021）为主，对于城市中工业用地的报道相对较少。本文研究选取河北省某市的工业场地，以6种常见的土壤重金属含量为基础，分析土壤中重金属的分布特征，利用地累积指数和潜在生态风险指数对重金属的污染状况进行评估，为今后市区内工业用地土壤的安全利用和修复提供依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集与测定
根据市中心城区工业用地范围内的企业位置布设土壤采样点（图1），布设密度为每个企业布设1个点，另加2个点为背景值参考点。每个点取2个样品，分别采集表层土壤样品116个（采样深度0～0.2 m）和深层土壤样品116个（采样深度1.5 m），测试项目包括砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）、汞（Hg）、镍（Ni）。
土壤样品的分析测试委托河北省煤田地质局新能源地质队能源矿产检测中心完成，土壤样品采集时尽量减少土壤扰动，保证样品在采集过程中不被二次污染，并填写土壤样品采集记录卡，严格按照检测中心要求进行土壤采集。
1.2 土壤重金属的富集程度
根据表层土壤重金属含量与深层土壤重金属含量的比值可以判断表层土壤重金属的富集程度（张明等，2012），计算公式如下：
k表深比=Ci表 /Ci深 （1）
式中，Ci表为表层土壤重金属i的实测值（mg?kg-1），Ci深为深层土壤重金属i的实测值（mg?kg-1）。按k表深比值划分富集程度级别（邢润华等，2022），k表深比≤0.5时，为贫乏；0.5
1.3 地累积指数法
地累积指数法是判别土壤中重金属污染程度的一种常用的定量方法，由德国汉德堡大学Muller提出（肖文胜等，2008），其综合考虑了人为污染和自然背景的共同影响。计算公式（Gans et al.，2005；白江伟等，2023）如下：
Igeo=log2（Ci /kBi） （2）
式中：Igeo为重金属的地累积指数；Ci为重金属i的实测值（mg?kg-1）；k为变动系数，此处取值1.5；Bi为重金属i的环境背景值，本研究采用河北平原区土壤背景值为参考值。按Igeo将重金属污染划分为7个等级（郑飞等，2022），见表1。
1.4 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法是结合重金属含量、多元素协同作用、毒性响应系数等因素来评价重金属潜在生态风险，也是评价土壤重金属污染状况的常用方法之一。计算公式（El-Fawal et al.，1999）如下：
式中：RI和Eri分别为多种重金属和单一重金属i的潜在生态风险指数；Tri为重金属i的污染系数（As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分别为10、30、5、5、40、5）（徐争启等，2008）；Ci为重金属i的实测值（mg?kg-1）；Bi为重金属i的参比值，本研究采用河北平原区土壤背景值为参比值。按RI和Eri将重金属强制生态风险划分为不同等级，见表2。
2 结果与讨论
2.1 土壤重金属元素特征
研究区土壤重金属的含量如表3所示。重金属As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni在表层土壤中的平均值为8.61、0.16、32.96、26.08、0.05、24.39 mg?kg-1，在深层土壤中的平均值为8.32、0.11、24.59、18.43、0.03、21.65 mg?kg-1。与土壤背景值相比，表层土壤中除了As和Ni的平均值低于土壤背景值外，Cd、Cu、Pb、Hg的平均值均超过了背景值，分别是背景值的1.45倍、1.54 倍、1.32倍、2.94倍，且As有2个样点含量高于GB 36600－2018土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）中一类用地的筛选值，分别为32 mg?kg-1、35.2 mg?kg-1，其他重金属各样点含量均低于一类建设用地筛选值，若以后该地块以建设第一类用地规划所需的话，需要对As进行进一步的详查工作；深层土壤中只有Cu和Hg的平均值超过了背景值，各样点中所有重金属的含量均低于一类用地的筛选值，且各元素平均含量均低于表层土壤元素平均含量。
虽然研究区重金属的平均含量均低于国家建设用地中的筛选值，目前对人体健康的风险可以忽略，但由于筛选值是造成风险的土壤临界值，一般较高，且表层区Cd、Cu、Pb、Hg及深层区Cu、Hg的平均值含量高于元素背景值，说明研究区内土壤重金属已积累到一定程度，有必要对重金属的污染程度及潜在的生态风险进行评估。
变异系数代表重金属在土壤中的变异程度，变异系数越大，重金属的空间分布差异就越大。由表3可知，研究区表层土壤和深层土壤中重金属元素的变异系数分别为41.42%～212.12%和22.98%～350.97%，表层土壤中6种元素的变异系数均大于36%，属于高度变异（郭志娟等，2020），說明表层土壤中6种重金属含量受人类活动影响较大（Ji et al.，2021）；深层土壤中Cd、Cu、Hg元素的变异系数大于36%，As、Pb、Ni的变异系数较小，说明Cd、Cu、Hg含量受到表层土壤中人为因素影响，发生迁移，在深层土壤中形成元素的累积，而深层土壤中As、Pb、Ni的含量更易受自然源的影响较大，这与前人（Zhang et al.，2005；Xiao et al.，2014；Tang et al.，2018）的研究结论相同。
研究区内表层土壤中，重金属As的高值区主要分布在东北方向，结合高值区周边有化工、石油、橡胶等工业区，长期工业活动会使周边土壤中重金属产生累积，可初步判断As的高值区重金属来源于工业源；Cd、Cu、Pb、Ni的高值区分布趋势大体一致，分布较广，东北方向分布较集中，说明这4种重金属高值区污染的来源可能相同，结合4种重金属的变异系数均较高，初步判断这4种重金属在高值区的污染多来源于工业叠加和人为活动；Hg的高值区与其余5种重金属的空间分布差异较大，主要分布在研究区的中部，交通位置便利，且高值区周边化工等工业区较少，考虑Hg高值区的污染来源主要与交通源有关。
2.2 土壤重金属元素富集程度分析
表层土壤样品与深层土壤样品相比，易受工业活动、农业活动等人为因素的影响，造成表层土壤中重金属的含量整体高于深层土壤样品。表层土壤重金属含量与深层土壤重金属含量的比值（k表深比）越大，代表表层土壤重金属含量受人为因素的影响越大。表4显示，研究区As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的k表深比的平均值分别为1.09、2.12、1.90、1.43、2.80、1.15，其中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集为主。从各元素在不同富集程度的占比情况来看，Cd和Hg的k表深比值达到富集的样点数量分别为36和59个，占比相对较大，受人为活动影响较大。
2.3 土壤重金属的相关性分析
研究区土壤重金属的相关性分析（表5）显示，表层土壤中除了Hg元素外，其他元素间均呈现显著正相关，其中Cu与Pb、Ni之间，Cd與Pb之间的相关系数都超过了0.8，存在极强相关性，说明表层土壤存在重金属的复合性污染，来源相似且相对复杂；深层土壤中As与Ni的相关系数大于0.8，存在极强相关性，且As和Ni在表层土壤和深层土壤中平均含量差异不大，且均低于背景值，考虑主要与自然源有关；表层、深层土壤重金属的相关性分析显示，除Cd外，As、Cu、Pb、Hg、Ni间均呈现显著正相关，说明表层土壤中这5种重金属的来源均与自然源有关，结合土壤重金属的含量及空间分布、富集程度分析和相关性分析结果，表层土壤As、Ni的主要来源与自然源有关，高值区主要与工业源有关，Cd的主要来源与工业源有关，Cu、Pb的主要来源与自然源、工业源有关，Hg的主要来源与自然源、交通源等人为因素有关。
2.4 土壤重金属污染程度评价
研究区土壤重金属Igeo平均值（表6）显示，表层土壤和深层土壤中重金属Igeo平均值从高到低依次分别为Hg>Pb>Cd>Cu>As>Ni和Hg>Pb>As>Cd>Cu、Ni，其中，Hg在表层土壤中Igeo平均值为0.39，在0～1之间，整体表现为轻度污染，其余重金属Igeo平均值均小于0，整体表现为无污染。从单元素的污染程度来看，表层土壤中6种重金属均有偏中度污染及以上的样点，占比分别为1.72%（As）、3.45%（Cd）、4.31%（Cu）、2.59%（Pb）、25.86%（Hg）、0.86%（Ni），存在复合污染情况；深层土壤中Cd、Cu、Hg存在偏中度及以上的样点，占比分别为3.45%（Cd）、1.72%（Cu）、9.48%（Hg），和表层土壤相比，深层土壤中重金属整体污染程度较轻。整体来看研究区土壤以Hg的污染程度较高。
2.5 土壤重金属潜在生态风险评价
研究区土壤重金属生态风险评价结果见表7。表层土壤和深层土壤重金属Eri平均值从高到低均为Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni，其中：Hg在表层和深层土壤中的Eri平均值分别为118.13（风险等级：强）和61.08（风险等级：中等），处于中等风险以上的样点占比分别为81.03%（表层）和46.55%（深层）；Cd在表层土壤中的Eri平均值为44.94（风险等级：中等），处于中等风险以上的样点占28.45%；其余重金属在表层和深层土壤中的Eri平均值均小于40，表现为轻微生态风险。土壤重金属RI值显示，重金属RI平均值在表层和深层土壤中分别为190.57（风险等级：中等）和113.70（风险等级：轻微），中等风险以上的样点占比分别为41.38%（表层）和14.66%（深层）。
地累积指数Igeo和潜在生态风险指数Eri、RI表明，研究区土壤Hg的污染和风险水平较高，Hg的普遍污染是造成研究区中等以上污染的主要原因。造成Hg普遍污染的原因主要与2方面因素有关，一方面与Hg在土壤中的累积程度有关，市区的土地利用类型分类较多，环境背景较复杂，区内重金属易受多种因素影响，导致重金属的来源复杂，从而造成重金属的累积，污染环境；另一方面Hg的污染还与土壤背景值有关，相比其他重金属，Hg的背景值较低，得出的Eri值就较大。另外，Hg的毒性系数较高，受地质自然因素和人为因素影响使土壤中Hg已有一定程度的累积，潜在生态风险较大，因此要加强对Hg的监管，降低Hg的生态风险水平。
3 结论
1）研究区表层土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均值分别为8.61、0.16、32.96、26.08、0.05、24.39 mg?kg-1，均低于国家建设用地土壤污染风险筛选值，除了As和Ni外，其余重金属元素的平均值均高于土壤背景值；深层土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均值分别为8.32、0.11、24.59、18.43、0.03、21.65 mg?kg-1，均低于表层土壤对应元素的平均值，均低于风险筛选值，且只有Cu和Hg的平均值超过了土壤背景值。
2）富集程度分析显示，研究区土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的k表深比的平均值分别为1.09、2.12、1.90、1.43、2.80、1.15，其中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集为主，受人为活动影响较大。
3）相关性分析显示，表层土壤中Cu与Pb、Ni之间，Cd与Pb之间的相关系数都超过了0.8，存在极强相关性，说明研究区表层土壤存在重金属的复合性污染，来源相似且相对复杂。深层土壤中As与Ni的相关系数大于0.8，存在极强相关性，主要与成土母质有关。表层-深层相关性分析显示，除Cd外，As、Cu、Pb、Hg、Ni间均呈现显著正相关，说明表层土壤中这5种重金属的来源与自然源有关。
4）地累积指数Igeo显示，研究区Hg在表层土壤中Igeo平均值为0.39，在0～1之间，整体为轻度污染；其余重金属Igeo平均值均小于0，整体为无污染。
5）土壤重金属生态风险显示，Hg在表层和深层土壤中的Eri平均值分别为118.13（风险等级：强）和61.08（风险等级：中等），Cd在表层土壤中的Eri平均值为44.94（风险等级：中等）；重金属RI平均值在表层和深层土壤中分别为190.57（风险等级：中等）和113.70（风险等级：轻微）。研究区土壤Hg的污染和风险水平较高，今后应加强对重金属Hg的监管。
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收稿日期：2023-04-25；修回日期：2023-07-13
作者簡介：宋炜（1986- ），女，硕士，工程师，主要从事环境地质的保护与检测工作。E-mail：weiwei19860531@126.com
引用格式：宋炜，2023.河北省某市工业用地土壤重金属污染现状及风险评估［J］.城市地质，18（4）：24-31
