山西某火力發(fā)電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染評價

樊倍希，張永清

(山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

山西省是我國煤炭大省，火力發(fā)電是山西省煤炭行業(yè)增值與再加工的重要手段。近年來，隨著火電廠迅速發(fā)展，火力發(fā)電對周邊土壤污染的問題也日趨成為人們關(guān)注的焦點?；痣姀S以煤為原料，經(jīng)過高溫燃燒，原煤中所含的Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn等易揮發(fā)重金屬可氣化進入煙氣，被粉煤灰吸附并隨其排至貯灰場。在這一過程中，如果處理不當(dāng)，粉煤灰中微量重金屬元素極易通過大氣沉降持續(xù)釋放至周圍環(huán)境的表層土壤中，造成土壤污染[1]。

當(dāng)前，燃煤電廠引發(fā)的重金屬污染問題受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。KEEGAN等[2]分析了斯洛伐克中部某燃煤發(fā)電站所用煤及周邊土壤中As、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni和Cd含量，發(fā)現(xiàn)煤中As含量較高，且在植物附近土壤中As含量也大幅度提高。PRAJAPATI等[3]研究了印度某火電廠附近土壤重金屬元素，發(fā)現(xiàn)電廠排放的粉煤灰是重金屬重要來源。YOU等[4]在煤礦和電廠周圍的3個居民區(qū)收集了32個土壤樣本，評估了采礦活動對環(huán)境和健康的影響，發(fā)現(xiàn)火電廠周圍土壤中重金屬含量普遍高于煤礦土壤，表明燃煤過程中重金屬釋放量較高。WANG等[5]對廣東省某大型富硫燃煤火電廠的99份土壤-水稻樣品中重金屬含量進行分析，發(fā)現(xiàn)電廠是韶關(guān)市表層土壤重金屬的主要來源，在該電廠盛行風(fēng)向的下風(fēng)向土壤中存在大量As、Cd、Cu、Pb和Zn等重金屬元素，且水稻籽粒中Cd和Pb的富集可能對當(dāng)?shù)鼐用裨斐蓾撛诮】滴：?。近年來，關(guān)于山西省重金屬污染土壤的研究也逐漸增多。王雄軍等[6]對太原市表層土壤中As、Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Zn和Cu等重金屬含量的研究發(fā)現(xiàn)，太原作為典型重化工基地和燃煤城市，土壤重金屬污染主要來源于工礦企業(yè)、燃煤、交通、商業(yè)活動和居民生活等。郭掌珍等[7]發(fā)現(xiàn)山西某焦化廠周邊土壤重金屬污染嚴(yán)重，存在致癌風(fēng)險。張琛等[8]對山西省澤州縣西郜村壓煤復(fù)墾村莊土壤重金屬含量的研究發(fā)現(xiàn)Hg污染比較嚴(yán)重?？v觀已有研究，關(guān)于山西省火力發(fā)電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量狀況及其評價的研究尚不多見。為此，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法，對山西省某電廠周邊農(nóng)田土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn這8種重金屬進行污染評價，并應(yīng)用空間分析方法分析土壤重金屬污染地理分布規(guī)律，旨在揭示土壤污染來源、類型及程度，進而提出有針對性的防治對策，為改善和修復(fù)電廠周邊農(nóng)田土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為山西中部某電廠周邊農(nóng)田。該廠建于1992年底，占地面積為6.1×105m2，主要從事電力產(chǎn)業(yè)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售等工作。該廠發(fā)電以煤為原料，截至2015年底，發(fā)電規(guī)模為6 105 kW。國家能源局電力監(jiān)管統(tǒng)計平臺數(shù)據(jù)顯示，該電廠2016年上半年供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率年累計為342.04 g·(kW·h)-1，煙塵排放當(dāng)年累計量約占山西省燃煤發(fā)電企業(yè)的1%。研究區(qū)域以西北風(fēng)為冬季主導(dǎo)風(fēng)向。研究區(qū)土壤類型為褐土，土壤質(zhì)地為輕壤土，土壤pH值為7.5，屬于堿性土壤。農(nóng)田種植的主要糧食作物為小麥、玉米和谷子，灌溉方式為漫灌，耕作制為一年一熟。

1.2 樣品采集與處理

參照“全國土壤污染狀況調(diào)查重點區(qū)布點規(guī)定”進行點位布設(shè)(圖1)，結(jié)合廠區(qū)周邊主風(fēng)向和地形條件，以電廠為中心，分別在東、西、南和北4個方向布點12個，并在相對距離較遠、受電廠污染較小的地方選取1個對照點，各點位采用GPS定位。采樣點挖長、寬、深各60 cm的土壤剖面，從下往上分別采集0～20、>20～40、>40～60 cm土層土樣。距電廠最近的4個點位及對照點位取3層土樣，次近的4個點位取2層土樣，最遠的4個點位取表層土樣。將27份土壤樣品裝入塑料自封袋并注明樣點信息。土壤樣品帶回實驗室剔除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，碾磨后過0.147 mm孔徑尼龍篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 研究區(qū)采樣點分布

1.3 樣品測試與分析

土壤理化性質(zhì)的測定：采用電位法測定土壤pH值[9]。

土壤重金屬含量的測定：經(jīng)體積比為1∶1的硝酸-高氯酸消煮后，采用原子吸收分光光度計測定[10]。

重金屬分析質(zhì)量控制。精確性分析：設(shè)置平行樣本，每4個樣品進行1個平行批次，每個批次中設(shè)置1個質(zhì)控樣品，合格率控制在95%以上。準(zhǔn)確性分析：隨機選擇2個樣品作為加標(biāo)回收樣，加標(biāo)回收測定結(jié)果中，加標(biāo)回收率控制在70%～125%。

1.4 土壤重金屬污染評價

采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法(IICQS)[11-12]進行土壤重金屬污染現(xiàn)狀評價，分別選擇符合研究區(qū)土壤pH值的GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中風(fēng)險篩選值和山西土壤背景值[13]作為評價依據(jù)。依據(jù)GB 15618—2018中土地利用類型分類方法對研究區(qū)農(nóng)用地土壤進行分類，按相應(yīng)的土地利用類型和pH值條件的風(fēng)險篩選值對研究區(qū)土壤污染狀況進行評價。Mn含量標(biāo)準(zhǔn)值參照《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》(環(huán)發(fā)〔2008〕39號)。

采用SPSS 19軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征與分析

參照GB 15618—2018，選擇pH值為7.5時的風(fēng)險篩選值。由表1可知，參照風(fēng)險篩選值，僅少數(shù)采樣點土壤Cd和Mn含量超標(biāo)，研究區(qū)土壤8種重金屬平均含量都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。參照山西土壤背景值，除Ni外，研究區(qū)土壤7種重金屬平均含量均超過山西土壤背景值。Cd和Cu超標(biāo)率達100%，存在非常嚴(yán)重富集；Pb、Cr和Mn超標(biāo)率分別為96%、93%和93%，存在比較嚴(yán)重富集；Zn和Hg超標(biāo)率分別為78%和44%，存在一定程度富集。

變異系數(shù)(CV)反映各樣點之間的平均變異程度。CV<0.1為弱變異，0.1≤CV<1為中等強度變異，CV≥1為強變異。由表1可知，研究區(qū)Hg的變異系數(shù)最大，達2.326，為強變異，表明Hg含量空間差異大，可能存在多個污染源；Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn變異系數(shù)都相對較小，分別為0.165、0.126、0.148、0.429、0.171、0.109和0.206，均為中等強度變異。由此可見，該地區(qū)土壤重金屬含量不僅受土壤本底影響[14]，還可能受到外來輕微干擾，具體情況需要通過相關(guān)性分析進一步驗證。

表1 研究區(qū)土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征

2.2 土壤重金屬元素之間的相關(guān)性分析

8種重金屬的相關(guān)分析結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)土壤重金屬元素之間的相關(guān)性

由表2可知，電廠周邊農(nóng)田土壤中Cr與Cu、Hg、Ni、Pb和Zn，Ni與Cd、Cu、Mn、Pb和Zn，Pb與Cd、Cu、Hg、Mn和Zn，Cu與Zn之間均呈極顯著正相關(guān)，表明這些重金屬之間關(guān)系緊密，具有相似特征和相同遷移途徑，其中某種元素的變化會引起其他元素的變化。Cr與Cd之間呈顯著正相關(guān)，表明這2種重金屬之間關(guān)系緊密，可能來自同一污染源[15]，并且呈現(xiàn)復(fù)合污染趨勢。Mn與Cd、Cr和Zn，Cd與Zn之間相關(guān)不顯著，可以推測這些重金屬來源差異比較大。

2.3 表層土壤重金屬含量的空間分布及插值檢驗

2.3.1表層土壤重金屬含量的空間分布

對研究區(qū)土壤重金屬含量采用反距離權(quán)重法得到8種重金屬空間分布格局，并根據(jù)污染程度進行劃分。由圖2可知，研究區(qū)土壤重金屬空間分布格局特征為分布斑塊大、分布規(guī)律明顯。研究區(qū)土壤Cd含量分布呈現(xiàn)北部、西北部和南部地區(qū)高，東部低的趨勢；土壤Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量分布呈現(xiàn)西北部和南部高、東部和東北部低的趨勢；土壤Hg含量分布呈現(xiàn)北部和西北部高、東部低的趨勢；土壤Mn含量分布呈現(xiàn)中部高、周圍低的趨勢。土壤中Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的分布類似，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果(表2)，可以初步斷定研究區(qū)這些重金屬存在同源性。受電廠燃煤和附近太焦鐵路的雙重影響，燃煤排放的粉塵以及交通運輸中輪胎磨損和汽車尾氣造成研究區(qū)西北部地區(qū)出現(xiàn)Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量局部高值區(qū)。

2.3.2表層土壤重金屬含量空間分布的插值檢驗

采用交叉驗證法對表層土壤重金屬含量空間插值結(jié)果進行評價，反距離加權(quán)插值冪數(shù)設(shè)為2。通過平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)2個評價指標(biāo)驗證實驗結(jié)果。平均誤差越接近0，說明插值結(jié)果與實際值越接近，插值效果就越好。均方根誤差越小，插值效果越好。由表3可知，除Cr、Mn和Zn外，其他重金屬含量的平均誤差和均方根誤差均較小。已有研究[16]表明，重金屬含量大小是影響空間插值精度的重要因素。Mn、Cr和Zn含量插值誤差較大，可能是其含量較高導(dǎo)致的。

2.4 土壤重金屬污染評價

2.4.1單因子污染指數(shù)法評價

由圖3(a)可知，基于GB 15618—2018風(fēng)險篩選值，研究區(qū)表層土壤8種重金屬單因子污染指數(shù)值由高到低依次為Cd(0.898)>Mn(0.484)>Cr(0.355)>Cu(0.321)>Zn(0.305)>Ni(0.279)>Pb(0.187)>Hg(0.016)，其中Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn全部處于無污染狀態(tài)，Cd和Mn有8%的點位為輕微污染。8種重金屬單因子指數(shù)平均值都<1，表明土壤未受污染，處于清潔狀態(tài)。對有輕微污染的樣品需要引起重視。

基于山西土壤環(huán)境背景值進行單因子污染指數(shù)法評價，由圖3(b)可知，研究區(qū)表層土壤8種重金屬元素單因子污染指數(shù)值由高到低依次為Cd(2.643)>Hg(1.699)>Pb(1.532)>Cu(1.400)>Mn(1.364)>Cr(1.284)>Zn(1.200)>Ni(0.934)。研究區(qū)表層土壤8種重金屬元素均有不同程度累積，其中各采樣點Cr、Cu和Pb均呈輕微累積。除Ni單因子指數(shù)<1外，其他重金屬單因子指數(shù)均>1，這表明除Ni外，土壤其他7種重金屬均已有一定程度累積，需要采取有效措施，避免重金屬繼續(xù)累積對土壤和農(nóng)作物安全造成威脅。

表3 插值結(jié)果驗證

圖3 研究區(qū)表層土壤重金屬單因子評價

2.4.2內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算研究區(qū)土壤綜合污染指數(shù)，以GB 15618—2018風(fēng)險篩選值為限值，研究區(qū)綜合污染指數(shù)為0.683，小于0.7，說明土壤未受污染，屬于清潔土壤[14]。但是0.683很接近0.7，若不對研究區(qū)土壤環(huán)境加以管理和保護，很容易形成重金屬污染。

以山西土壤環(huán)境背景值為限值，研究區(qū)綜合污染指數(shù)為2.15，達到中度累積水平[15]，這主要因為Cd含量過高所致，表明研究區(qū)土壤重金屬已積累到一定程度，繼續(xù)累積將會影響土壤生物及人類生活。

2.4.3土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法評價

對12個采樣點進行土壤綜合質(zhì)量影響指數(shù)(IICQS)評價(圖4)。由圖4可知，除中南部1個采樣點屬輕度風(fēng)險外，其他采樣點均屬無污染風(fēng)險。結(jié)合表層土壤重金屬含量空間分布(圖2)可以看出，相比于其他地區(qū)，中南部該采樣點Cd、Cr、Mn、Ni、Pb和Zn污染狀況均較嚴(yán)重，應(yīng)對該區(qū)域采取土壤環(huán)境保護和修復(fù)措施，減緩污染狀況。

圖4 研究區(qū)表層土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法評價結(jié)果

3 討論

3.1 燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬元素的相關(guān)性

前人研究[17-18]表明，燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤各種重金屬元素的相關(guān)性較為顯著。筆者研究發(fā)現(xiàn)Cr與Cu、Hg、Ni、Pb和Zn極顯著相關(guān)，與Mn相關(guān)不顯著；Ni與Cr、Cd、Cu、Mn、Pb和Zn極顯著相關(guān)，與Hg相關(guān)不顯著(表2)。這表明Cr、Cu、Ni、Pb和Zn來自同一污染源，可能受到外源污染。相關(guān)研究[19]證實，電廠燃煤產(chǎn)生的重金屬通過大氣沉降進入土壤，可引起土壤Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量升高。研究區(qū)土壤Hg僅與Pb和Cr呈極顯著相關(guān)，這表明燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤中Hg的來源具有特殊性，汽油燃燒是土壤Hg的主要來源之一。薛占軍[20]發(fā)現(xiàn)河北省主要污灌區(qū)土壤Mn與As、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn呈極顯著相關(guān)，但筆者研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤Mn僅與Pb和Ni呈極顯著正相關(guān)，與其他重金屬相關(guān)不顯著(表2)，這可能與研究區(qū)所處地理位置及成土母質(zhì)有關(guān)，在巖石風(fēng)化過程中，礦物質(zhì)和重金屬會被剝蝕，共同參與到成土過程中。研究區(qū)土壤Zn、Cr、Pb、Cu兩兩之間具有相關(guān)性，這是因為這些重金屬地球化學(xué)性質(zhì)較為相似，常常呈共生或伴生關(guān)系，這在一定程度上加重了研究區(qū)土壤重金屬的復(fù)合污染效應(yīng)[21]。

3.2 燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬元素空間分布

燃煤電廠周邊農(nóng)田表層土壤普遍含有Cr、Cd、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn等重金屬，其含量、空間分布差異可能與人類活動影響、氣候特征條件和成土母質(zhì)等因素相關(guān)。有研究[22-23]發(fā)現(xiàn)，焦化廠周邊土壤重金屬富集程度受常年主導(dǎo)風(fēng)向的影響較大，主風(fēng)向下游土壤重金屬積累程度較高，且隨著與焦化廠距離的增加，土壤重金屬含量先增高后降低。羅成科等[24]研究表明，電廠周邊表層土壤重金屬的富集可能主要來源于電廠排放的廢水廢渣和煙氣粉塵以及電廠附近煤化工企業(yè)排放的廢水廢渣和煙氣粉塵。受暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，研究區(qū)夏季盛行東南季風(fēng)，冬季盛行西北季風(fēng)，重金屬隨粉塵向下風(fēng)向擴散，最終通過大氣緩慢沉降于西北、東南方向，并在這2個方向出現(xiàn)土壤重金屬含量高值區(qū)(圖2)。受太焦鐵路線以及交通運輸中輪胎磨損和汽車尾氣排放的影響，研究區(qū)西部地區(qū)出現(xiàn)局部土壤重金屬含量高值區(qū)。土壤的化學(xué)組成深受成土母質(zhì)的影響，研究區(qū)巖石礦物主要為石英、高嶺土、云母和硫鐵礦，不同巖石礦物化學(xué)組成及含量差別顯著，造成土壤中Cr、Cd、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn含量及其空間分布差異較大(圖2)。過量施用化肥也是導(dǎo)致土壤重金屬含量及其空間分布不均的重要原因[25]。因此，燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量特征及空間分布差異受到人類活動、氣候特征條件和成土母質(zhì)綜合作用的影響。此外，由于測試條件有限，筆者未測定As含量，這將在下一步工作中進行完善。

3.3 土壤污染評價標(biāo)準(zhǔn)與方法對污染評價結(jié)果的影響

單因子指數(shù)法常用于評價土壤重金屬污染，可以判斷主要污染因子，反映某個污染物污染程度，但由于環(huán)境污染往往是由多個污染因子復(fù)合污染導(dǎo)致，因此該方法有一定局限性[26]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法能夠較全面評判土壤重金屬污染程度，避免由于平均作用削弱污染金屬的權(quán)重，但可能會人為夸大或縮小某些因子的影響，使其對環(huán)境質(zhì)量評價的靈敏度不夠高。筆者研究結(jié)果(圖3～4)顯示，無論是單因子污染指數(shù)法還是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，當(dāng)以GB 15618—2018風(fēng)險篩選值為評價依據(jù)時，研究區(qū)土壤未受污染；以山西土壤背景值為評價依據(jù)時，研究區(qū)土壤存在一定程度重金屬累積，這與高文文等[27]研究結(jié)果一致，表明采用的評價依據(jù)不同，得到的評價結(jié)論就會明顯不同。我國環(huán)境類標(biāo)準(zhǔn)中尚沒有針對燃煤電廠周邊農(nóng)田土壤的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這給該類區(qū)域土壤污染治理工作帶來一定難度[28]。相對于單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法涉及土壤標(biāo)準(zhǔn)值、背景值、元素價態(tài)和農(nóng)產(chǎn)品測定值，評價依據(jù)更為全面[11]。筆者對農(nóng)用地土壤評價沒有涉及相對應(yīng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量狀況，這將在后續(xù)工作中進行補充。同時，筆者測定土壤重金屬含量時采用體積比為1∶1硝酸-高氯酸消煮方法，與山西土壤環(huán)境背景值采用的HNO3-HF-HClO4方法不同。徐伊莎等[29]和郭興強等[30]研究結(jié)果表明，不同的酸度體系和消解時間會對土壤重金屬含量測定結(jié)果有一定影響。因此后續(xù)研究中測定土壤重金屬含量時需要注意采用與土壤背景值測定時相同的土壤類型和檢測方法。

4 結(jié)論

對山西省某火力發(fā)電廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量表層分布、相關(guān)性和特征3個方面進行分析，并對土壤重金屬進行污染狀況評價。主要結(jié)論如下：

(1)研究區(qū)土壤樣品8種重金屬平均含量均在GB 15618—2018風(fēng)險篩選值內(nèi)，但大部分樣品重金屬含量卻高于山西省土壤背景值。從相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，研究區(qū)土壤Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pb和Zn的相關(guān)性顯著且復(fù)雜，推測其正以復(fù)合污染形式出現(xiàn)積累。

(2)以GB 15618—2018風(fēng)險篩選值為依據(jù)，電廠周邊農(nóng)田表層土壤未受污染，處于清潔狀態(tài)；以山西土壤環(huán)境背景值為依據(jù)，電廠周邊農(nóng)田表層土壤達到中度累積水平。土壤綜合質(zhì)量指數(shù)法評價結(jié)果表明，研究區(qū)僅有中南部1個采樣點屬輕度污染，其他采樣點均屬無污染狀態(tài)。