太原市土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉紅斌，蘇尚軍

（1.武鄉(xiāng)縣環(huán)境保護(hù)局，山西武鄉(xiāng)046300；2.山西森綠環(huán)境科技有限公司，山西太原030006）

土壤是寶貴的自然資源，是人類生產(chǎn)生活賴以生存的所有物質(zhì)資料的載體和來源。土壤具有典型的固、氣、液三相結(jié)構(gòu)，土壤孔隙可以儲(chǔ)存一定量的水分、空氣以及支撐和維持植物所需的各種必要營養(yǎng)物質(zhì)[1]。現(xiàn)階段，隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的擴(kuò)張，一方面造成土地資源被其他土地利用方式占用，另一方面也造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞和土壤環(huán)境的惡化[2-3]。自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)使得固結(jié)在化石燃料和巖石圈的重金屬不斷釋放，進(jìn)入土壤環(huán)境，造成土壤質(zhì)量下降，進(jìn)而危害人類健康[4-6]。如重金屬Hg 對(duì)人體腎臟具有明顯的損害作用，破壞人體神經(jīng)系統(tǒng)[7]，20 世紀(jì)發(fā)生在日本的水俁病就是由Hg 中毒而引起的。

目前，國內(nèi)外對(duì)于土壤重金屬的報(bào)道逐漸增多。如楊碩等[8]對(duì)河北曹妃甸農(nóng)田重金屬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤中的Pb 主要來自大氣降塵，Hg 則主要來自農(nóng)田生產(chǎn)中農(nóng)藥的使用；趙靚等[9]對(duì)北京市城市綠地8 種重金屬的研究發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu、Zn 和Ni受人為活動(dòng)影響明顯，污染評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，北京市綠地整體較為清潔，但是存在較輕微的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；韓志軒等[10]利用Pb 同位素和多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)珠江三角洲沖積平原土壤重金屬來源進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Pb 的主要來源于汽油燃燒排放，As、Cd、Hg、Pb 的來源主要為燃煤和鉛鋅產(chǎn)業(yè)。

太原市是山西省省會(huì)城市，城鎮(zhèn)化規(guī)模大，人口密集，對(duì)周邊地區(qū)土壤環(huán)境的影響顯著。本研究利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合地理信息技術(shù)（ArcGIS）對(duì)太原市5 種重金屬的富集情況、空間分布和污染評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，旨在為當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境治理提供依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處山西晉中盆地北部，地理坐標(biāo)為111°30′～113°09′E，37°27′～38°25′N，總面積約為400 km2，海拔為800 m 左右。氣候帶處于溫帶大陸性氣候與溫帶季風(fēng)氣候的過渡區(qū)域，雨季集中在7—9 月，具有顯著的干濕兩季特征。

太原是山西省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是山西城鎮(zhèn)化水平最高的地區(qū)[11]，常住人口數(shù)量位居全省第三（運(yùn)城第一、臨汾第二）。作為新中國成立以來我國傳統(tǒng)的工業(yè)基地之一，經(jīng)過60 多年的發(fā)展，太原已形成鋼鐵、能源、化工等門類齊全的工業(yè)體系。

1.2 樣品采集與重金屬含量測定

2018 年8 月在太原市范圍內(nèi)采集土壤樣品，共選取52 個(gè)樣點(diǎn)（圖1），采樣方法為隨機(jī)抽樣，每個(gè)樣地面積為10 m×10 m，按照對(duì)角線法，在每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)角線分別采集5 個(gè)土壤樣品，混勻后作為一個(gè)土壤樣品，在另一對(duì)角線以相同的方法采集土壤樣品作為對(duì)照樣品。土壤樣品帶回室內(nèi)陰干，除去明顯的雜質(zhì)（樹枝殘骸等），研磨后過0.150 mm 篩孔，利用四分法把土壤樣品縮減至100 g 后封裝待測。重金屬Cr、Cd、Pb、As 和Hg 含量的具體測定方法參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行。

1.3 研究方法

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù) 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)方法可以綜合考慮各樣點(diǎn)內(nèi)每一種重金屬的最大值及平均值，能夠較好地反映土壤重金屬的實(shí)際污染情況。

表1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 半方差函數(shù)分析 半方差函數(shù)是用于分析區(qū)域變量在空間自相關(guān)性程度的函數(shù)[13-14]。

式中，h 為2 個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離，N 為間距內(nèi)的樣本個(gè)數(shù)，Z（x＋h）和Z（x）分別為樣本在x＋h 和x 處的實(shí)測值。理想狀態(tài)下，當(dāng)距離為0 時(shí)，半方差函數(shù)的值亦為0，但在現(xiàn)實(shí)條件下，由于測量誤差以及區(qū)域空間變異的存在，導(dǎo)致存在一個(gè)方差值，即塊金值，其表示區(qū)域內(nèi)由隨機(jī)因素或人為因素所產(chǎn)生的空間變異；而隨著距離的增加，塊金值不斷增大到某一數(shù)值后逐漸趨于平穩(wěn)，這個(gè)數(shù)值即為基態(tài)值；此時(shí)的距離稱為變程，其為樣點(diǎn)間具有自相關(guān)性的最大距離。

1.3.3 空間插值方法 空間插值是以區(qū)域中已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)來推知未知地區(qū)數(shù)據(jù)的方法，包括克里金插值法、反距離權(quán)重法（IDW）、自然鄰域法和樣條函數(shù)法等[15]。本研究采用克里金插值方法對(duì)盆地內(nèi)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)，該插值方法具有插值誤差小、對(duì)未知區(qū)域推測能力強(qiáng)等特點(diǎn)[16]。

式中，χ0為待估點(diǎn)數(shù)值，λi為權(quán)重值，χi為已知樣點(diǎn)的數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各重金屬的含量統(tǒng)計(jì)、多元統(tǒng)計(jì)利用SPSS 17.0完成，采樣點(diǎn)圖以及各重金屬的空間分布圖采用ArcGIS 軟件繪制完成，地統(tǒng)計(jì)分析采用Gs＋7.0 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 太原市土壤重金屬含量特征

從表2 可以看出，與山西省土壤元素背景值[17]相比，各重金屬均值均高于背景值，超標(biāo)率分別為Pb 54%，As 15%，Cr 27%，Cd 209%，Hg 648%，可以看到Pb、As 和Cr 的超標(biāo)程度較輕，而Cd 和Hg 的超標(biāo)程度則較為嚴(yán)重。與國家土壤質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比，重金屬Pb、As、Cr 和Hg 含量均值均未超標(biāo)，而重金屬Cd 含量均值已超過二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，說明Cd在研究區(qū)的累積已突破環(huán)境監(jiān)控閾值，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦慕】狄呀?jīng)產(chǎn)生威脅，應(yīng)引起足夠重視。從變異系數(shù)來看，Cr、Cd 和Hg 這3 種重金屬變異系數(shù)較大，以Hg 最為明顯，說明在研究區(qū)這3 種重金屬的時(shí)空分布差異較大，局部地區(qū)的人為活動(dòng)可能造成這3 種重金屬含量顯著增加。

表2 太原市土壤重金屬含量特征

2.2 半方差函數(shù)分析

運(yùn)用半方差函數(shù)說明局部地區(qū)變量的空間變異及相關(guān)程度。對(duì)各元素變量進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合，擬合結(jié)果顯示，5 種重金屬?zèng)Q定系數(shù)（R2）均大于0.80，因此，各重金屬所選擬合模型均符合地統(tǒng)計(jì)要求。

塊基比能夠反映隨機(jī)因素導(dǎo)致的空間變異占總體變異的比例，當(dāng)塊基比值＜0.25 時(shí)，表示變量具有顯著的空間自相關(guān)；塊基比在0.25～0.75 時(shí)，表示變量具有中等程度自相關(guān)；塊基比＞0.75 時(shí)，表示變量自相關(guān)程度不強(qiáng)。從表3 可以看出，Hg、Cd、Pb 和As 這4 種元素的塊基比位于0.25～0.75 范圍中，屬于中等程度空間自相關(guān)，空間變異受區(qū)域結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響，其中，Cd 元素塊基比最大，為0.491，樣點(diǎn)間表現(xiàn)出較強(qiáng)的獨(dú)立性與隨機(jī)性，說明Cd 受人為活動(dòng)影響較為顯著；As元素塊基比為0.197，小于0.25，為顯著的空間自相關(guān)，說明其主要受區(qū)域結(jié)構(gòu)性因素的影響。

表3 土壤重金屬含量的理論模型及相關(guān)參數(shù)

2.3 內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)

綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，所有52 個(gè)樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)的范圍介于2.341～13.813，其中，只有2 個(gè)樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)小于3，呈現(xiàn)為中等程度污染，其余50 個(gè)樣點(diǎn)污染指數(shù)均大于3，達(dá)到重度污染水平；而且每個(gè)樣點(diǎn)的最大污染單因子均為Hg 元素，這是因?yàn)镠g 的背景值較低，而該元素在研究區(qū)土壤中的累積也十分嚴(yán)重，僅次于Cd 元素，因此，重金屬Hg 的污染現(xiàn)狀應(yīng)引起相關(guān)部門的高度重視。

將各樣點(diǎn)綜合污染指數(shù)利用ArcGIS 軟件的克里金插值方法得到研究區(qū)污染的分布情況（圖2），從圖2 可以看出，在研究區(qū)，西南部晉源區(qū)的污染情況最為嚴(yán)重，且該地區(qū)與清徐縣交界，這可能是因?yàn)闀x源區(qū)和清徐縣都是太原市的主要工業(yè)分布地區(qū)；在研究區(qū)正西部也顯示有一個(gè)污染嚴(yán)重的地區(qū)，該地區(qū)為太原西山地區(qū)，該地區(qū)除分布有一部分工礦企業(yè)外，還分布有太原的2 個(gè)發(fā)電廠，這可能是該地區(qū)污染比較突出的原因；在研究區(qū)東面即東山地區(qū)，工業(yè)分布較少，因此，污染程度相對(duì)較低。

2.4 土壤重金屬空間分布特征

以太原市52 個(gè)采樣點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS 軟件中的克里金插值方法對(duì)5 種重金屬進(jìn)行插值，從而可以直觀地看到5 種重金屬在研究區(qū)的分布狀況（圖3）。

由圖3 可知，重金屬Cd 表現(xiàn)出明顯的面源分布特征，北部含量較低而中南部含量較高，峰值位于晉源區(qū)和小店區(qū)一帶，除太原東北部山區(qū)外，整體上Cd 含量表現(xiàn)在一個(gè)高值位，含量大于0.2 mg/kg，呈現(xiàn)為全局性污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國土壤中Cd 的污染來源前3 位分別為肥料、畜禽糞肥和灌溉水[18]，Cd通常被視作農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)志性元素，晉中盆地作為山西省重要的糧食產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中使用的化肥和農(nóng)藥可能是造成Cd 污染的重要原因。此外，晉源區(qū)是太原市工業(yè)最為集中的地區(qū)，而小店區(qū)和榆次交界地區(qū)則分布有榆次工業(yè)園區(qū)，因此推斷，工業(yè)活動(dòng)可能也是Cd 在該地區(qū)大量富集的原因之一。

重金屬Cr 在太原北部地區(qū)含量明顯突出，含量均值為100 mg/kg 左右，該地區(qū)是太原重工業(yè)的核心地區(qū)，包括太鋼集團(tuán)等大型鋼鐵、鍛造、冶煉行業(yè)均坐落于此，工業(yè)活動(dòng)排放的廢氣、廢水、廢渣可能是Cr 在該地區(qū)大量累積的原因。另外，一個(gè)高值地區(qū)為小店區(qū)與榆次區(qū)交界地區(qū)，含量均值在85 mg/kg以上，這可能與該地區(qū)近年來成立的榆次工業(yè)園區(qū)有關(guān)。

類金屬元素As 在研究區(qū)整體含量與背景值差異不大，富集不明顯，As 在本地區(qū)無明顯污染，本研究與以往對(duì)該地區(qū)的研究結(jié)果一致[19]。從圖3 可以看出，在研究區(qū)南部與清徐和榆次交界地區(qū)含量呈遞增趨勢，這可能與附近地區(qū)的工業(yè)活動(dòng)有關(guān)。

重金屬Pb 在研究區(qū)的分布呈現(xiàn)東北低西南高，有明顯的條帶式分布特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于Pb的污染來源，目前已形成普遍共識(shí)，即該重金屬主要是由汽車燃油中的防爆劑隨尾氣排放所致，而西南地區(qū)也是進(jìn)出太原最繁忙的交通線路。此外，在東南部分布有太原市武宿機(jī)場，這可能是該地區(qū)Pb 含量較高的原因之一。

重金屬Hg 在研究區(qū)整體含量明顯高于山西省背景值，究其原因，可能是因?yàn)镠g 具有明顯的揮發(fā)性和擴(kuò)散性，可以隨著大氣進(jìn)行廣泛的傳播，因此，結(jié)合以往對(duì)本地區(qū)的相關(guān)研究[20]和研究區(qū)的實(shí)際情況，西南地區(qū)Hg 含量較高，可能與該地區(qū)的工業(yè)布局有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，研究區(qū)目前重金屬富集情況已經(jīng)較為嚴(yán)重，主要突出的重金屬為Hg 和Cd，其次為Cr 和Pb，As 的富集情況最輕，應(yīng)引起足夠的重視。

從半方差結(jié)果來看，Hg、Cd、Cr 和Pb 在研究區(qū)的累積均不同程度地受到人為因素的影響，As 則受結(jié)構(gòu)性因素（自然因素）的影響，說明在研究區(qū)除As 以外，其余重金屬均不同程度地受到人類活動(dòng)的影響。從綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果來看，研究區(qū)的污染現(xiàn)狀不容樂觀，整體上呈現(xiàn)重度污染，只有少部分地區(qū)為中等程度的污染，其中污染的主要貢獻(xiàn)因子為Hg。

從各重金屬的空間分布狀況來看，Cr 的主要富集地區(qū)為傳統(tǒng)重工業(yè)地區(qū)太原北部，其他4 種重金屬的含量突出地區(qū)均處于研究區(qū)西南或南部與清徐、榆次交界地區(qū)。