黃河流域和松花江流域土壤重金屬污染對(duì)比分析及防治研究*
——以河南段背河地和吉林段灌區(qū)為例

丁美琪，孟昭虹

(1.哈爾濱師范大學(xué);2.洛陽(yáng)師范學(xué)院)

0 引言

近些年，中國(guó)環(huán)境污染事件頻頻發(fā)生，因此得到了國(guó)家的極度重視[1].江河流域土壤重金屬污染是環(huán)境污染之一，根據(jù)江河流域土壤中所有重金屬成分與含量的不同，對(duì)其防治對(duì)策亦是不同.根據(jù)《全國(guó)污染源普查條例》[2]規(guī)定、《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[3]以及施烈焰[4]、何佳[5]、王興佳[6]、朱立祿[7]等專業(yè)人員對(duì)江河流域的土壤重金屬的分析的參照，該文詳細(xì)地對(duì)黃河流域河南段背河地與松花江流域吉林段灌區(qū)的土壤重金屬污染情況進(jìn)行研究，并對(duì)兩個(gè)研究區(qū)的土壤重金屬的差異進(jìn)行對(duì)比分析.

黃河位于中國(guó)北方，是國(guó)內(nèi)第二長(zhǎng)河，現(xiàn)今其流域面積為752443 km2較原《黃河水文年鑒》所刊印的數(shù)據(jù)增加14744 km2，黃河流域水土流失較為嚴(yán)重[8].并且要結(jié)合黃河水系治理開(kāi)發(fā)其通航能力建立水庫(kù)，與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)相結(jié)合利用黃河對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉，以上對(duì)黃河水體的治理和利用再加上黃河流域的煤田等工業(yè)所在地區(qū)對(duì)黃河流域土壤的污染，會(huì)導(dǎo)致重金屬含量的加劇.

松花江位于東北地區(qū)，中國(guó)七大河之一，現(xiàn)流域面積為55.68萬(wàn) km2[9].松花江所經(jīng)過(guò)城市區(qū)內(nèi)污染嚴(yán)重，其污水處理、工業(yè)廢料排放量大以及重復(fù)使用率低和處理的設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)率低、效果差，附近耕地農(nóng)田施肥導(dǎo)致松花江水系以及流域土壤內(nèi)重金屬超標(biāo).

江河流域的土壤中典型重金屬成分有10種元素，分別為Cu、Zn、Ni、As、Pb、Hg、Cd、Sb、Cr、Se[10].該研究中收集關(guān)于黃河流域河南段背河地研究區(qū)土壤內(nèi)8種重金屬Cu、Zn、Ni、As、Pb、Hg、Cd、Cr，以及松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)土壤內(nèi)7種重金屬Cu、Zn、Ni、As、Hg、Cd、Cr的數(shù)據(jù)，包括樣本數(shù)、極值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、背景值、超標(biāo)率.依據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行的整理與對(duì)比分析其中差異，再利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)2個(gè)研究區(qū)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并對(duì)2個(gè)研究區(qū)的土壤重金屬污染防治提供建議參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域土壤研究區(qū)為河南段背河的某處包含洼地、沙丘、沙地的地貌，此處為黃河沖擊平原，土壤主要分為3種類型：潮土(面積最廣)、風(fēng)沙土、水稻土(面積最小).潮土部分礦質(zhì)養(yǎng)分豐富，有機(jī)質(zhì)、氮磷元素含量低，易旱澇，具有鹽堿化問(wèn)題[11].風(fēng)沙土部分為黃河泥沙經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、堆積而自然形成的一種土壤類型，其特性為礦物質(zhì)微弱、有機(jī)質(zhì)含量少、保水性差、易干旱[12].水稻土部分為人耕而形成的，其中重金屬污染含量隨著季節(jié)性灌溉、耕種、施肥而影響變化[13].

松花江流域土壤研究區(qū)域?yàn)闁|北平原吉林段的灌區(qū)，灌區(qū)主要引用松花江水對(duì)稻田進(jìn)行灌溉，江中的重金屬污染物會(huì)隨之進(jìn)入研究區(qū)，稻田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所用農(nóng)藥和化肥之中所具有的Cd、As等化學(xué)元素也是污染來(lái)源之一.隨著大氣沉降的影響，工業(yè)或家庭燃燒產(chǎn)生的氣體和粉塵中所含的重金屬(除Hg以外)基本以氣溶膠形式干濕沉降進(jìn)入土壤之中.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

黃河流域土壤中8種重金屬以及松花江流域土壤中7種重金屬的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于近50篇中外文獻(xiàn)、官方網(wǎng)站發(fā)布數(shù)據(jù)、年鑒、公報(bào)等.兩大流域土壤重金屬數(shù)據(jù)采集篩選原則都是以污染較為嚴(yán)重地區(qū)為主，黃河流域土壤主要來(lái)源于河南段潮土，松花江流域土壤主要來(lái)源于吉林段稻田土壤.詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 黃河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌區(qū))土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再以國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)為依準(zhǔn)，現(xiàn)有土壤重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)兩個(gè)研究區(qū)的土壤重金屬的地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

2 結(jié)果與分析

2.1 流域土壤重金屬含量分析

2.1.1 黃河流域河南段背河地土壤重金屬含量分析

在黃河流域河南段背河地研究區(qū)的156種土壤樣本中，重金屬Cd含量超標(biāo)最嚴(yán)重，其他重金屬含量并無(wú)明顯超標(biāo)現(xiàn)象，表明該研究區(qū)的土質(zhì)較好.Cd在該區(qū)的土壤中極小值為0.080mg/kg,極大值為0.770mg/kg,均值為0.166 mg/kg，而其背景值為0.100mg/kg,Cd的均值超出背景值近1.7倍.以該區(qū)的超標(biāo)率來(lái)看，Cd超標(biāo)率最嚴(yán)重為95.15%，Zn超標(biāo)率最少為7.05%，8種重金屬的超標(biāo)率排序依次是Cd>As>Hg>Cr>Ni>Cu>Pb>Zn.

2.1.2 松花江流域吉林段灌區(qū)土壤重金屬含量分析

松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)的56種土壤樣本中，重金屬Ni、Zn、Pb、Cd含量超標(biāo)，其他

3種重金屬含量并無(wú)超標(biāo)，表明該研究區(qū)的土質(zhì)不是很好.Ni在該區(qū)的土壤中極小值為18.400 mg/kg,極大值為37.000mg/kg,均值為27.200 mg/kg，而其背景值為24.900 mg/kg,Ni的均值超出背景值近1.1倍.Zn在該區(qū)的土壤中極小值為53.300 mg/kg,極大值為84.400 mg/kg,均值為68.000 mg/kg，而其背景值為52.700 mg/kg,Zn的均值超出背景值近1.3倍.Pb在該區(qū)的土壤中極小值為37.600 mg/kg,極大值為57.400 mg/kg,均值為47.000 mg/kg，而其背景值為23.600mg/kg,Pb的均值超出背景值近2倍.Cd在該區(qū)的土壤中極小值為0.044 mg/kg,極大值為0.367 mg/kg,均值為0.159 mg/kg，而其背景值為0.082 mg/kg,Cd的均值超出背景值近2倍.以該區(qū)的超標(biāo)率來(lái)看，Pb、Cd、Hg的超標(biāo)率分別為100.00%、66.10%、38.70%.

2.1.3 土壤重金屬含量對(duì)比分析

黃河流域河南段背河地研究區(qū)土壤重金屬Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg按含量極值區(qū)間求出中間值分別為36、57.85、30、109.55、28.3、0.425、10.75、0.157mg/kg，松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)土壤重金屬Cu、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg按含量極值區(qū)間求出中間值分別為21.25、27.7、68.85、47.5、0.2055、7.68、0.093 mg/kg，可以看出8種土壤重金屬中間值都是黃河流域河南段背河地研究區(qū)更大.對(duì)比2個(gè)研究區(qū)土壤重金屬超標(biāo)率，可以看出松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)內(nèi)Pb、Hg的超標(biāo)率明顯高于黃河流域河南段背河地研究區(qū)，另外6種土壤重金屬則是黃河流域河南段背河地研究區(qū)更高.

2.2 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 地累積指數(shù)法

分別運(yùn)用表1中2個(gè)研究區(qū)的極值與均值，再根據(jù)地累積指數(shù)法計(jì)算出2個(gè)研究區(qū)土壤重金屬的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.地累積指數(shù)法公式：

表2 黃河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌區(qū))土壤重金屬地累積指數(shù)

(1)

式中：Igeo為地累積指數(shù)，Ci為土壤重金屬的含量值，Bn為背景值.

將表2的數(shù)據(jù)代入地累積指數(shù)法污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)中，可以看出：黃河流域河南段背河地研究區(qū)數(shù)據(jù)中，通過(guò)極小值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)全部為負(fù)值，屬于清潔.通過(guò)極大值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)中，除Cr為負(fù)值屬清潔外，Cd、Hg數(shù)值最大，分別為2.360和2.141，屬于重度污染，其余5種重金屬全部為正值但不超過(guò)1，都為輕度污染.通過(guò)均值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)中，除Cd為正值0.146屬于輕度污染以外，其余7種都為負(fù)值屬清潔.說(shuō)明此研究區(qū)內(nèi)除Cr沒(méi)有污染以外，其余7種重金屬都有不同程度的污染，尤其是Cd和Hg最為嚴(yán)重；松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)數(shù)據(jù)中，通過(guò)極小值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)中，Pb為0.087屬于輕度污染，其他為負(fù)值屬清潔.通過(guò)極大值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)中，Cu和Ni為負(fù)值屬清潔，Zn、Pb和As數(shù)值為正但不超過(guò)1，屬于輕度污染，而Cd、Hg數(shù)值分別為1.577和1.369，屬于偏中污染.通過(guò)均值求出的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)中，Pb、Cd和Hg數(shù)值分別為0.409、0.370、0.222屬于輕度污染，其他3種重金屬為負(fù)值屬于清潔.說(shuō)明此研究區(qū)內(nèi)Cu和Ni沒(méi)有污染，其余5種重金屬都有不同程度污染，其中Cd、Hg污染較嚴(yán)重.

表3 地累積指數(shù)法污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

分別運(yùn)用表1中2個(gè)研究區(qū)的極值與均值，再根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)法計(jì)算出2個(gè)研究區(qū)土壤重金屬的地累積指數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.地累積指數(shù)法公式：

表4 黃河流域(河南段背河地)和松花江流域(吉林段灌區(qū))土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)

(2)

(3)

式中：Ei為潛在生態(tài)危害指數(shù)，Ci為土壤重金屬的含量值，C0為背景值,Ti為重金屬毒性系數(shù)(見(jiàn)表5)，RI為綜合潛在生態(tài)危害指數(shù).

表5 重金屬毒性系數(shù)

將表4的數(shù)據(jù)代入潛在生態(tài)危害指數(shù)法污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表6)中，可以看出：黃河流域河南段背河地研究區(qū)數(shù)據(jù)中，通過(guò)極小值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，全部小于40屬于輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)也屬于輕度污染.通過(guò)極大值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，除Cd和Hg分別為231.000和264.681屬于重度污染以外，其他重金屬為輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)屬于強(qiáng)度污染.通過(guò)均值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，除Cd數(shù)值為49.800屬于中度污染外，其他重金屬為輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)屬于輕度污染.由此說(shuō)明，在黃河流域河南段背河地研究區(qū)中潛在生態(tài)危害比較大，其中重金屬Cd和Hg的毒性最高；松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)數(shù)據(jù)中，通過(guò)極小值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，全部小于40屬于輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)屬于輕度污染.通過(guò)極大值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，Cd和Hg指數(shù)分別為134.268和155.000，屬于強(qiáng)度污染，其他重金屬屬于輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為328.808，屬于強(qiáng)度污染.通過(guò)均值求出的潛在生態(tài)危害指數(shù)數(shù)據(jù)中，Cd和Hg指數(shù)分別為58.171、70.000，屬于強(qiáng)度污染，其他重金屬屬于輕度污染，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為154.619，屬于中度污染.由此說(shuō)明，在松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較大，同樣也是重金屬Cd和Hg的毒性最高.

表6 潛在生態(tài)危害指數(shù)污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析

在黃河流域河南段背河地研究區(qū)中，除了Cd和Hg部分地區(qū)地累積達(dá)到重度污染，甚至潛在生態(tài)危害指數(shù)也達(dá)到了重度污染.其他重金屬地累積都在清潔—輕度污染之間，潛在生態(tài)危害指數(shù)也屬于輕度污染范圍內(nèi).研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害大部分為輕度污染，但有小部分地區(qū)為強(qiáng)度污染，Cd和Hg為該研究區(qū)的主要風(fēng)險(xiǎn)因子；在松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)中，Cd和Hg部分地區(qū)地累積達(dá)到偏中污染，潛在生態(tài)危害指數(shù)達(dá)到了強(qiáng)度污染.其他重金屬地累積都在清潔—輕度污染之間，潛在生態(tài)危害指數(shù)屬輕度污染.研究區(qū)綜合潛在生態(tài)危害大部分為中度污染，甚至有小部分為強(qiáng)度污染，主要風(fēng)險(xiǎn)因子也是Cd和Hg.

2.3 流域土壤重金屬防治現(xiàn)狀

2.3.1 黃河流域河南段背河地土壤重金屬防治現(xiàn)狀

按照2019年黃河流域河南段土壤重金屬污染源頭防治的數(shù)據(jù)來(lái)看[14]，河南省城區(qū)內(nèi)150處黑臭水體已經(jīng)消除135處，排入重點(diǎn)流域的331個(gè)入河排污口已完成整治.自從“十三五”規(guī)劃以來(lái)，對(duì)于農(nóng)村生活污水治理已經(jīng)得到了很大的改善，共計(jì)整治七千多個(gè)村莊.預(yù)計(jì)2020年將加大整治防治力度，提高水系質(zhì)量，特別是黃河流域的水環(huán)境和水生態(tài).

對(duì)于土壤的整治措施，源頭大多數(shù)來(lái)自于重工業(yè)生產(chǎn)，比如金屬冶煉、礦區(qū)、廢棄物處理等.目前對(duì)953家土壤重點(diǎn)監(jiān)管單位進(jìn)行督促其履行土壤污染防治，對(duì)其中的149家不合格企業(yè)進(jìn)行了整治.并且交通設(shè)施排放的尾氣以及粉塵的制造都會(huì)加重土壤重金屬污染，針對(duì)這種情況政府建設(shè)了土壤環(huán)境檢測(cè)中心，以提高土壤檢測(cè)手段，對(duì)農(nóng)業(yè)和建設(shè)用地的土質(zhì)進(jìn)行細(xì)致劃分.

2.3.2 松花江流域吉林段灌區(qū)土壤重金屬防治現(xiàn)狀

老工業(yè)基地所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)性工業(yè)污染是具有極大破壞性的，化工類、石化類等重污染企業(yè)分布在松花江的上游，這些單位已經(jīng)成為松花江流域極大的污染源，其具備工藝落后、設(shè)備老舊、原材料利用率低及水資源浪費(fèi)等問(wèn)題，企業(yè)產(chǎn)生的廢水直接排入松花江內(nèi)，對(duì)流域土壤造成很大傷害.有數(shù)據(jù)表示[15]，2017年吉林省水體重金屬排放量達(dá)到0.34 t，工業(yè)重金屬排放量為0.31 t；截至2017年年末，共處理重金屬污染物32.00 kg.由此可見(jiàn)，吉林省污水處理率不到20%，未經(jīng)過(guò)處理或處理不到位的污水排入松花江中，這是非常嚴(yán)重的松花江流域土壤重金屬污染.

這幾年間，松花江流域的濕地正在大面積減少，面臨著資源枯竭、水土流失的問(wèn)題.東北作為國(guó)家的糧食基地，農(nóng)業(yè)耕地占地比重較大，因此每年所用的化肥、農(nóng)藥高出全國(guó)平均水平，其中殘留的重金屬成分大部分留在土壤中，還有小部分流入松花江中流經(jīng)其他地方時(shí)污染土壤.并且目前來(lái)看，政府對(duì)于松花江流域的土壤檢測(cè)和管理能力較薄弱，這是執(zhí)法力度不夠和監(jiān)管的疏忽.再者東北地區(qū)特有的地域特征，冬天非常寒冷，松花江的冰層會(huì)很厚，會(huì)導(dǎo)致水體內(nèi)部微生物降解重金屬效率大大降低，而且冬季污水處理率和效果也會(huì)大大下降.

3 結(jié)論

(1)黃河流域河南段背河地研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬Cd嚴(yán)重超標(biāo)，超出量近1.7倍，超出率為95.15%.除Cd之外，其余7種重金屬含量并無(wú)超標(biāo)，但卻有超標(biāo)率.因此，針對(duì)Cd該加大治理力度，As、Hg、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該適量放寬；松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬Ni、Zn、Pb、Cd含量均有超標(biāo)，超出量分別為1.1倍、1.3倍、2倍、2倍，Pb、Cd、Hg的超標(biāo)率分別為100.00%、66.10%、38.70%.除此之外，其余4種重金屬?zèng)]有超標(biāo)率.因此，針對(duì)Pb、Cd、Ni、Zn要加大治理力度，對(duì)于Ni、Zn的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要適量收緊，對(duì)于Hg的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要適量放寬.

(2)從2個(gè)研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬含量對(duì)比分析來(lái)看，黃河流域河南段背河地研究區(qū)的含量差更大，土壤的污染分布更不均勻，由于該研究區(qū)除Cd外其他金屬含量并不超標(biāo)，可以確定為該研究區(qū)是由于防治得當(dāng)導(dǎo)致污染分布不均勻，因此說(shuō)明黃河流域河南段背河地研究區(qū)比松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)的防治處理更好；從超標(biāo)率對(duì)比分析來(lái)看，對(duì)于兩區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定都有不足，但黃河流域河南段的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更不準(zhǔn)確一些.

(3)由2個(gè)研究區(qū)的土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析可以看出，黃河流域河南段背河地研究區(qū)與松花江流域吉林段灌區(qū)研究區(qū)對(duì)比來(lái)看，污染較輕一些，分布更不均，且主要風(fēng)險(xiǎn)因子同為Cd和Hg，更證明黃河流域河南段背河地研究區(qū)可能是由于防止處理更好而形成如此的污染分布.

(4)對(duì)于黃河流域河南段土壤重金屬污染的防治對(duì)策建議：推動(dòng)黃河保護(hù)法盡快出臺(tái)、針對(duì)土壤類型進(jìn)行分類分區(qū)管理、加大污染物管控；對(duì)于松花江流域吉林段土壤重金屬污染的防治對(duì)策建議：調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局、政府推動(dòng)綠色發(fā)展、完善監(jiān)管體系、退耕還林、特殊季節(jié)特殊情況要有特殊處理模式、完善法律法規(guī).