工業(yè)園周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

雷雷佳 劉俊 劉衛(wèi)國 周政 劉洋 李昕竹

摘要：采集工業(yè)園及周邊不同區(qū)域表層土壤（0～20 cm），統(tǒng)計(jì)分析土壤樣品中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種重金屬含量，利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法（RI）對研究區(qū)重金屬累積狀況與潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明：土壤重金屬元素Cr、Cd的平均含量均超過新疆土壤背景值。區(qū)域土壤重金屬平均值表明，重金屬累積程度由高至低依次為農(nóng)田區(qū)域>工業(yè)園區(qū)及周邊區(qū)域>過渡帶區(qū)域>自然荒漠區(qū)域。8種重金屬分布規(guī)律明顯，重金屬含量較大區(qū)域大多集中在農(nóng)田區(qū)域與工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域。單因子污染指數(shù)表明，研究區(qū)大部分區(qū)域Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線或無污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)表明，各區(qū)域重金屬風(fēng)險程度依次為農(nóng)田土壤區(qū)域>工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域>過渡帶區(qū)域>自然荒漠土壤區(qū)域。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及RI空間分布圖表明，工業(yè)園區(qū)及周邊土壤大部分區(qū)域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平，研究區(qū)整體處于低潛在生態(tài)風(fēng)險水平。

關(guān)鍵詞：土壤;重金屬污染;生態(tài)風(fēng)險評價;工業(yè)區(qū)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0227-06

土壤是人類生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)，是生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分[1]。隨工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展[2]，工業(yè)園區(qū)引發(fā)的土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重[3]。重金屬具有極強(qiáng)的污染、富集及遷移能力，容易在土壤中積累并對動植物生長造成危害[4]，也可通過食物鏈富集等方式危害人體健康[5]，對周邊生態(tài)環(huán)境造成潛在生態(tài)風(fēng)險[6]。大量研究表明，重金屬在工業(yè)園區(qū)及周邊土壤中存在不同程度累積[7-8]。目前，對新疆地區(qū)區(qū)域土壤表層重金屬評價的研究多集中于對單一區(qū)域進(jìn)行評價，評價結(jié)果存在一定片面性，且單一污染評價指數(shù)不能綜合考慮多種重金屬的生物毒性且多為對新疆各地區(qū)農(nóng)田[9]、城市區(qū)域[10]重金屬污染評價研究。本試驗(yàn)結(jié)合多種評價方法，考慮不同區(qū)域類型土壤，對4個區(qū)域土壤表層重金屬累積情況進(jìn)行評價，綜合評價結(jié)果更加全面。

阜康某工業(yè)園區(qū)作為新疆維吾爾自治區(qū)第一批發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)園區(qū)，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益，為天山北坡經(jīng)濟(jì)帶快速提升與飛速發(fā)展提供了有力支持，但伴隨其發(fā)展產(chǎn)生了土壤重金屬污染問題[10]。本研究通過檢測工業(yè)園區(qū)周邊不同區(qū)域表層土壤8種重金屬的含量，利用空間插值揭示重金屬污染物空間分布特征，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）法對土壤污染現(xiàn)狀進(jìn)行綜合全面評價，分區(qū)域比較8種重金屬含量，揭示各區(qū)域土壤重金屬累積情況，以期為該地區(qū)重金屬污染防治提供參考，為其生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、保障人群健康提供科學(xué)依據(jù)，也可為環(huán)境管理部門對土壤重金屬污染管控、治理及潛在生態(tài)風(fēng)險預(yù)警提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)選擇新疆某工業(yè)園區(qū)周邊土壤為研究對象，該區(qū)域位于新疆阜康市與烏魯木齊市交界處，東臨吉木薩爾縣，西與烏魯木齊市米東區(qū)毗鄰，南至博格達(dá)峰，北入準(zhǔn)格爾盆地[10]。試驗(yàn)區(qū)為溫帶大陸性氣候區(qū)，四季分明，光照充足，熱量豐富，蒸發(fā)能力強(qiáng)，年均降水量 216.4 mm，年均蒸發(fā)量 2 324.6 mm[12]。

1.2 土壤樣品采集與處理

1.2.1 土壤樣品的采集 于2020年生長季，分4個區(qū)域[工業(yè)園區(qū)及周邊土壤（A）區(qū)域、自然荒漠土壤（B）區(qū)域、農(nóng)田土壤（C）區(qū)域、過渡帶（D）區(qū)域]在某工業(yè)園區(qū)及周邊進(jìn)行土壤樣品采集。采用網(wǎng)格布點(diǎn)與隨機(jī)布點(diǎn)相結(jié)合，手持全球定位系統(tǒng)（GPS）精確定位樣點(diǎn)。各樣點(diǎn)分樣點(diǎn)不少于5個，采樣深度為0～20 cm，將分樣點(diǎn)采集的土樣混合均勻，利用四分法取舍，制成1 kg土壤樣品，所有樣品編號后放入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2.2 土壤樣品的處理與測定 剔除土壤樣品中雜物，自然風(fēng)干磨碎，過100目孔篩，制土樣備用。稱取約0.5 g（精確至0.000 1 g）土樣于50 mL比色管中，加少許水潤濕，防止土樣消解不完全。加入10 mL硝酸-鹽酸混合試劑，加塞搖勻置沸水浴中消解2 h，取出冷卻，定容搖勻后靜置，取上清液待測。參照GB/T 22105—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》，使用原子熒光光度計(jì)（BAF-2000型，北京寶德儀器有限公司）測定土樣中砷（As）、汞（Hg）含量。稱取0.5 g（精確至 0.000 1 g）土壤樣品，采用電熱板加熱消解法式微波消解法處理后，于比色管中用純水沖洗定容，靜置取上清液待測。參考HJ832—2017《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》，使用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-5000型，聚光科技股份有限公司）測定土樣中鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）含量。測定分析過程中，采用空白樣品、平行樣品和國家標(biāo)準(zhǔn)土壤物質(zhì) GSS-2a、GSS-8a進(jìn)行質(zhì)量控制，8種重金屬元素回收率均控制在國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

1.3 評價方法

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最大值，可以綜合全面反映重金屬對土壤的影響，衡量土壤污染情況[11]。計(jì)算公式如下：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù)[12];Ci為重金屬含量實(shí)測值，mg/kg;Si為重金屬含量參比值，本試驗(yàn)取新疆土壤背景值[13];P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pimax為單因子污染指數(shù)最大值;Piave為單因子污染指數(shù)平均值。P綜分級標(biāo)準(zhǔn)：安全，P綜≤0.7;警戒限，0.73.0。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 Hakanson提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法是一種研究重金屬對環(huán)境的污染效應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險評價方法[15]。其計(jì)算公式如下：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數(shù);Eir為重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù);Tir為重金屬毒性響應(yīng)系數(shù);Hakanson給出的重金屬毒性系數(shù)為 Hg=40>Cd=30>As=10>Pb=Cu=Ni=5>Cr=2>Zn=1[15];RI為潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0的多元統(tǒng)計(jì)方法對土壤8種重金屬的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算?；贏rcGIS 10.2平臺中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊，采用空間插值法得研究區(qū)8種土壤重金屬的空間分布圖、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)圖與潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

由表2可知，所有重金屬元素的極大值高于新疆土壤背景值，并且重金屬元素Cr、Cd的平均值均超過新疆土壤背景值，分別為背景值的1.15、1.6倍;其余6種重金屬平均含量未超過新疆土壤背景值。變異系數(shù)（CV）代表總體樣本中重金屬含量的變異程度，可知8種重金屬元素變異系數(shù)范圍為 0.15～0.41，其中As、Cd、Hg變異系數(shù)為0.26、0.32、0.41，呈中等變異（0.

由表3可知，不同區(qū)域土壤重金屬含量分布差異較大，As、Cd含量的極大值在A區(qū)域，Pb含量極大值在B區(qū)域，而Cr、Hg、Cu、Zn、Ni含量的極大值出現(xiàn)在C區(qū)域。通過比較各區(qū)域土壤重金屬均值含量與新疆土壤背景值，計(jì)算得出超背景值百分率。Cr、Cd含量各區(qū)域超背景值百分率較高，二者超背景值百分率最大區(qū)域均為C、D區(qū)域（100%、100%），最低超百分率區(qū)域均為B區(qū)域（60%、73%）。Hg、Pb、Cu、Ni含量在C區(qū)域超背景值比率較高，分別為69.23%、7.96%、76.92%、76.92%，在D區(qū)域超背景值比率較低，均為0%。As含量在A區(qū)域超背景值百分率較高，為32%，在D區(qū)域超背景值百分率較低，為0%。從區(qū)域土壤重金屬含量平均值分析，As含量為A區(qū)域>C區(qū)域>D區(qū)域>B區(qū)域，Hg含量為C區(qū)域=A區(qū)域>D區(qū)域=B區(qū)域，Cr、Pb、Zn含量C區(qū)域>D區(qū)域>A區(qū)域>B區(qū)域，Cd、Cu、Ni為C區(qū)域>A區(qū)域>D區(qū)域>B區(qū)域。綜合表2、表3分析結(jié)果可知，與其余3個區(qū)域相比，B區(qū)域8種重金屬含量較低，D區(qū)域除Cr、Cd外的6種重金屬超過新疆土壤背景值百分率較低，但重金屬累積略高于自然荒漠區(qū)域，C區(qū)域8種重金屬超背景值百分率最高，A區(qū)域8種重金屬累積含量與C區(qū)域相比較低，但重金屬累積程度高于D區(qū)域與B區(qū)域。

2.2 土壤重金屬含量空間分布

通過使用ArcGIS 10.2.2地統(tǒng)計(jì)分析工具對8種重金屬含量進(jìn)行插值，畫出8種土壤重金屬污染特征的空間分布圖，進(jìn)一步直觀揭示研究區(qū)土壤重金屬分布特征。由圖1可得，8種重金屬分布規(guī)律明顯，空間分布呈斑塊狀，且重金屬含量較高的區(qū)域大多集中在農(nóng)田區(qū)域與工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域。其中As含量的高值區(qū)域主要位于東部區(qū)域與中南部區(qū)域，其他區(qū)域含量較低;Cr、Zn含量空間分布相似，東北部為高值區(qū)，東部、中南部為次高值區(qū)域，西部為低值區(qū);南部與西北部Cu、Ni含量相對較低且分布均勻，北部出現(xiàn)大范圍高值區(qū)，二者空

間分布相似;Cd、Hg、Pb在西南部、東北部含量較高，西北部區(qū)域含量較低且分布均勻?？傮w比較后表明，東北部農(nóng)田區(qū)域?yàn)?種元素含量較高區(qū)域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域存在高值區(qū)域，這說明這些區(qū)域可能存在一定污染源。對采樣點(diǎn)及周邊環(huán)境調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)農(nóng)田區(qū)域種植玉米、棉花、向日葵、小麥等農(nóng)作物，可能存在肥料澆灌、污水灌溉等污染源導(dǎo)致重金屬累積[17]，且部分農(nóng)田采樣點(diǎn)靠近公路，存在交通運(yùn)輸帶來重金屬疊加累積的可能[18]。

2.3 土壤重金屬含量污染評價

由表4可見，4個區(qū)域單因子污染指數(shù)范圍為0.58～1.83，8種重金屬單因子污染指數(shù)平均值從大到小依次為Cd>Cr>Zn>Cu>Ni=As>Hg>Pb。根據(jù)表1、表2分級標(biāo)準(zhǔn)，各區(qū)域8種重金屬污染風(fēng)險程度不同，由單因子污染指數(shù)可知，C區(qū)域中Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Hg均為輕度污染，As、Pb含處于污染警戒線;A區(qū)域Cr、Cd處于輕度污染，其他6種元素處于污染警戒線;D區(qū)域Cr、Cd處于輕度污染，其余6種元素處于污染警戒線;B土壤區(qū)域Cr、Cd處于輕度污染，其余6種元素處于污染警戒線。研究區(qū)A、B、D區(qū)域Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線程度，C區(qū)域除As、Pb為輕度污染，其余6種重金屬均輕度污染。根據(jù)表1分級標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價表明，不同區(qū)域土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值由低至高分別為B區(qū)域、D區(qū)域、A區(qū)域、C區(qū)域。結(jié)合表4與圖2分析可得，C區(qū)域中部及下部、A區(qū)域西南部污染風(fēng)險較高，A區(qū)域中部、中南部及D區(qū)域存在一定程度風(fēng)險，B區(qū)域大部分相較其他區(qū)域風(fēng)險低。研究區(qū)大部分區(qū)域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平，極小區(qū)域處于中度污染區(qū)域。

表5評價結(jié)果表明，8種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)（Eir）平均值依次為Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。結(jié)合表2分級標(biāo)準(zhǔn)，C區(qū)域Cd、Hg含量處于潛在中生態(tài)風(fēng)險，A區(qū)域及D區(qū)域Cd含量處于潛在中生態(tài)風(fēng)險，其余區(qū)域剩余元素均為潛在輕生態(tài)風(fēng)險。4個區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)由大到小為C區(qū)域>A區(qū)域>D區(qū)域>B區(qū)域。

結(jié)合圖2潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果空間分布圖可知，研究區(qū)整體處于低潛在生態(tài)風(fēng)險水平，極小區(qū)域存在中潛在生態(tài)風(fēng)險。C區(qū)域中部及下部、A區(qū)域西南部重金屬累積較高，存在中潛在生態(tài)風(fēng)險。各個重金屬對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻(xiàn)率等于其單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的比值。計(jì)算8種重金屬對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI的貢獻(xiàn)率，Cd的貢獻(xiàn)率為45.56%，Hg的貢獻(xiàn)率為30.16%，比例較高，Hg、Cd為潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的主要貢獻(xiàn)因子。

相比其他區(qū)域，C區(qū)域與A區(qū)域重金屬風(fēng)險程度略高，這與陳宗娟等的研究結(jié)論[17-18]一致。由于研究區(qū)部分工業(yè)園區(qū)建成時間較短或還在建設(shè)中，且采樣點(diǎn)部分布設(shè)于企業(yè)外部等原因，A區(qū)域表層土壤重金屬累積時間較短，潛在生態(tài)風(fēng)險低于C區(qū)域。C區(qū)域存在施用農(nóng)藥化肥等情況，可能導(dǎo)致重金屬累積過高，且C區(qū)域部分采樣點(diǎn)靠近公路，可能受到交通運(yùn)輸、車輛尾氣排放等因素影響，導(dǎo)致C區(qū)域重金屬風(fēng)險評估指數(shù)大于其他區(qū)域。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)基于工業(yè)園區(qū)及周邊不同區(qū)域表層土壤8種重金屬含量，分析并直觀展現(xiàn)不同區(qū)域8種土壤重金屬累積程度，綜合評價不同區(qū)域重金屬污染風(fēng)險程度及可能存在的潛在生態(tài)風(fēng)險，所得結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)重金屬元素Cr、Cd的平均值均超過新疆土壤背景值，分別為背景值的1.15、1.6倍，其余6種重金屬含量未超過新疆土壤背景值。As、Cd、Hg呈現(xiàn)中等變異，其他5種重金屬變異系數(shù)均處于弱變異。

（2）各區(qū)域土壤重金屬平均值表明重金屬累積程度由高至低分別為農(nóng)田區(qū)域>工業(yè)園區(qū)及周邊區(qū)域>過渡帶區(qū)域>自然荒漠區(qū)域。8種重金屬空間分布呈斑塊狀，東北部農(nóng)田區(qū)域?yàn)?種元素含量較高區(qū)域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域存在高值區(qū)域。

（3）單因子污染指數(shù)評價，大部分研究區(qū)Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線程度。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價，不同區(qū)域土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值由低至高分別為自然荒漠土壤區(qū)域、過渡帶區(qū)域、工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域、農(nóng)田土壤區(qū)域。研究區(qū)大部分區(qū)域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平。

（4）4個區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）平均值為農(nóng)田土壤區(qū)域>工業(yè)園區(qū)及周邊土壤區(qū)域>過渡帶區(qū)域>自然荒漠土壤區(qū)域。研究區(qū)整體處于潛在低生態(tài)風(fēng)險。Cd、Hg對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻(xiàn)率較高，為主要貢獻(xiàn)因子。

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