建設(shè)用地土壤元素含量、來源以及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估
——以德州市德城區(qū)為例

＊劉佳煒

（石河子大學(xué) 新疆 832061）

引言

土壤是自然界中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。土壤質(zhì)量的優(yōu)劣對于水環(huán)境的保護(hù)、空氣質(zhì)量的維穩(wěn)、人類與動植物健康的保護(hù)十分關(guān)鍵[1]。近年來，由于城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的加速調(diào)整，重污染工業(yè)等建設(shè)用地造成的土壤重污染問題尤為突出。特別是，土壤重金屬的滯后性、累積性、隱蔽性造成土壤狀況堪憂[2]。因而，在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，如何通過深化改革和創(chuàng)新技術(shù)使得經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土壤健康齊頭并進(jìn)尤為重要[3]。近年來，土壤重金屬問題已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)對于土壤重金屬含量、來源以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估的研究主要集中在農(nóng)田土壤，對于建設(shè)用地土壤重金屬研究相對匱乏。因此，對于建設(shè)用地的土壤重金屬來源，相關(guān)性的討論顯得尤為重要，這更好的闡明其對于人類健康的影響，找到針對性的治理手段。

德州市作為山東省典型的工業(yè)城市，其工業(yè)企業(yè)為德州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。但同時(shí)，其重金屬帶來的污染問題不容忽視。論文選取山東省德州市作為研究區(qū)域，選取土壤中鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鎳為研究對象，對該市24個土壤采樣點(diǎn)位進(jìn)行對比分析，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618-1995）進(jìn)行初步評價(jià)，結(jié)合地累積指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等全面評估山東省德州市土壤污染狀況，以期彌補(bǔ)德州市區(qū)域建設(shè)用地土壤污染防治研究空白，為德州市發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

1.材料與方法

(1)研究區(qū)概況

德州市德城區(qū)地處山東省西北部，是德州市的中心城區(qū)。該市北依京津，南靠濟(jì)南，位處天津?yàn)I海新區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈，德城區(qū)屬黃河三角洲沖積平原。歷史上區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷過兩次黃河大遷徙，上千次決口，從而造就了西南高、東北低的地形。由于泛道與流速因素加之風(fēng)力堆積，造成了平原之中起伏不平的地形，崗、坡、洼相間分布等特點(diǎn)。全區(qū)地貌多象，大致可分三類：高地類、坡地類、洼地類。德城區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫13.1℃、年均光照2660h、光照率61%，年均降水556.2mm，無霜期204d。研究區(qū)工業(yè)企業(yè)較多，內(nèi)有山東省較著名工業(yè)企業(yè)——山東華魯恒升化工股份有限公司、山東雙一科技股份有限公司等。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意圖

(2)樣品采集

山東省德州市典型建設(shè)用地區(qū)域采用網(wǎng)格布樣法，每4km2設(shè)置一個樣點(diǎn)。采樣時(shí)篩選重點(diǎn)污染區(qū)域布點(diǎn)采樣，建設(shè)用地周邊按《農(nóng)用地土壤污染狀況詳查點(diǎn)位布設(shè)技術(shù)規(guī)定》作適當(dāng)調(diào)整，共24個樣點(diǎn)。

垂直采集0～20cm深度的表層土壤，等量混合均勻后，四分法留取1kg裝入干凈樣品袋[4]。將各樣點(diǎn)采集的土壤樣品在室溫下自然風(fēng)干，經(jīng)去除雜質(zhì)，敲碎后碾碎，使其全部過20目尼龍篩后待測[4-6]。采集完成后，記錄下采樣點(diǎn)的經(jīng)緯位置、采樣地類型以及周圍環(huán)境等信息[6-7]。

(3)樣品分析

本文選取了土壤中鎘、汞、砷、銅、鉛、鋅、鎳，七種重金屬元素評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)。樣品分析方法主要有原子熒光分光光度法以及火焰原子吸收分光光度法。其中，采用原子熒光光度計(jì)AFS-8230對Hg、As進(jìn)行（GB/T 22105-2008）測定，火焰原子吸收分光光度計(jì)AA-6880FM對Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、進(jìn)行（HJ-491-2009）測定[8-10]。分析方法對土壤樣品測試的準(zhǔn)確度以及重復(fù)樣品的精確度采用國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW系列）進(jìn)行檢測，通過隨機(jī)檢查和異常點(diǎn)檢查進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)分析方法測試結(jié)果均符合規(guī)范要求，確保數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確可靠。

(4)數(shù)據(jù)處理與分析

①多元數(shù)據(jù)分析與地統(tǒng)計(jì)方法

對數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、中值、范圍、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、峰度和偏度等描述性統(tǒng)計(jì)，然后采用相關(guān)分析、主成分分析等多元統(tǒng)計(jì)方法對重金屬來源進(jìn)行解析。以上統(tǒng)計(jì)分析均利用SPSS26.0以及Excel 2016進(jìn)行。

②單因子污染指數(shù)法

單因子指數(shù)法作為研究重金屬污染評價(jià)的基礎(chǔ)，用于評價(jià)研究區(qū)內(nèi)某重金屬污染程度[11-12,17]，其計(jì)算公式為：

其中，Pi表示每個采樣點(diǎn)重金屬i的污染指數(shù)；Ci為每個采樣點(diǎn)重金屬元素i含量的實(shí)測數(shù)值（mg·kg-1）；Si為每個采樣點(diǎn)重金屬i的污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg·kg-1）。一般，當(dāng)Pi＜1，說明環(huán)境質(zhì)量相對良好；當(dāng)Pi＞1，說明環(huán)境質(zhì)量相對惡劣。Pi與環(huán)境良好態(tài)勢呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[12]。論文除Zn選用一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]，單因子污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[14-15]。

表1 單因子污染指數(shù)環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)

③內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

不同于單因子污染指數(shù)法對于單個重金屬元素的局限分析，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法全面反映了研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量。特別地，內(nèi)梅羅指數(shù)法兼顧單因子指數(shù)法中的重金屬含量平均值和極值，突出高含量重金屬元素對于環(huán)境的影響[14,16,17]，其計(jì)算公式為：

其中，PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為每個采樣點(diǎn)所有重金屬單因子污染指數(shù)的最大值；Piav為每個采樣點(diǎn)所有重金屬單因子污染指數(shù)法的平均值，上述計(jì)算中各參數(shù)均無量綱。內(nèi)梅羅綜合污染分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[17-18]。

表2 內(nèi)梅羅綜合環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)

值得注意的是，環(huán)境質(zhì)量指數(shù)0.7＜PN=1.0為警戒線[18]，高于警戒線表明研究區(qū)受到環(huán)境污染。

④地累積指數(shù)

地累積指數(shù)法（Muller指數(shù)）作為研究沉積物及其他重金屬污染程度的指標(biāo)，反映重金屬分布的自然變化及人為因素對其的影響[19]。其計(jì)算公式為：

式中，Igeo為采樣點(diǎn)重金屬i的地累積指數(shù)；Ci為采樣點(diǎn)重金屬i在土壤中的實(shí)測含量（mg·km-1）；k為校正系數(shù)，為消除各地巖石差異導(dǎo)致的背景值不同，一般選用k=1.5[20-21]；Bi為采樣點(diǎn)重金屬i的背景值，論文選用一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]。Igeo按照值的通常污染等級劃分為0～6共7個等級[20,22-23]如表3所示。

表3 MULLER地累積指數(shù)分級

⑤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

Hakanson法是土壤重金屬污染程度以及潛在生態(tài)評價(jià)最常用方法之一[24-25]。潛在生態(tài)指數(shù)法是Hakanson根據(jù)重金屬的形態(tài)以及特點(diǎn)建立的一套重金屬潛在生態(tài)危害的評價(jià)方法[26]。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法主要用于綜合分析重金屬的含量、種類等影響因素，定量地劃分重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。單個重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子計(jì)算公式為：

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)

2.結(jié)果與討論

(1)土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

由表5可以看出，研究區(qū)土壤重點(diǎn)測定元素Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn、Ni、Cr平均含量為0.144mg/kg、0.262mg/kg、11.516mg/kg、27.96mg/kg、26.33mg/kg、61.96mg/kg、33.79mg/kg；本文所研究的土壤重金屬元素平均含量均低于一類建設(shè)用地土壤篩選值；研究區(qū)土壤重金屬元素最大值均超過山東省土壤背景值。值得注意的是，Cd、Hg含量平均值分別為0.144mg/kg、0.262mg/kg，分別為背景值的2.057、16.375倍，說明其在研究區(qū)土壤中存在明顯的富集現(xiàn)象，這與徐夕博[30]等對山東省土壤重金屬含量研究一致。特別是，研究區(qū)中Cd、Hg變異系數(shù)明顯高于As、Cu、Pb、Zn、Ni，說明Cd、Hg受外界因子影響較大，尤其是人為影響而產(chǎn)生的特異值。偏度反映正態(tài)分布雙尾特征，其按大小排列依次為：Hg、As、Cd、Ni、Pb、Zn、Cu，其中，Hg偏度較高，受人類活動影響較大。

表5 研究區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)相關(guān)分析

重金屬元素之間的相關(guān)性分析有助于其來源識別[4,31]。土壤重金屬元素來源主要分為自然因素和人為活動兩種，研究區(qū)重金屬含量的相關(guān)性除來自元素本身影響外，與元素所處的環(huán)境及其人類活動有著相當(dāng)?shù)年P(guān)系。

由表6分析可知，Hg-Cd、Pb-Cd、Ni-As相關(guān)性在?=0.05水平上顯著，說明Hg和Cd，Pb和Cd，Ni和As有一定的同源性。一般來說，Cd和Pb之間的相關(guān)性指示著受人類干擾程度，高相關(guān)代表受人類活動干擾大[31-32]，這與戴彬[4]等對山東典型工業(yè)城市土壤重金屬來源研究成果一致，Pb-Cd存在高相關(guān)。Hg和其他所有本研究中的本文已研究元素相關(guān)性不高。

表6 研究區(qū)土壤重金屬兩兩相關(guān)性

(3)聚類分析

本文選用系統(tǒng)聚類方法對研究區(qū)土壤重金屬元素相關(guān)性做進(jìn)一步分析。按照聚類變量分為樣品聚類（Q型聚類）以及指標(biāo)聚類（R型聚類），本文采用基于Wards法的R型聚類分析對研究區(qū)土壤重金屬元素進(jìn)行分析[33-35]。

聚類分析結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)Cd、Hg、As、Cu、Pb、Zn、Ni這七種重金屬元素可分為四類：As-Ni，Cd-Pb，Hg-Zn，Cu。這說明這四類元素間相似程度較大，可聚為一類，此結(jié)論與相關(guān)性分析結(jié)論近乎一致。其中，對于Hg、Pb、Zn這三種元素分類略為不同。當(dāng)聚類分析分為三類時(shí),有：As-Ni，Cd-Pb-Hg-Zn，Cu，這與相關(guān)性分析結(jié)果一致，在相關(guān)性分析結(jié)果基礎(chǔ)上證明了Hg-Cd-Pb之間兩兩相關(guān)，即Hg含量一定程度上受人類干擾影響。

圖2 基于Wards法的土壤重金屬聚類分析結(jié)果

(4)重金屬污染評估

①土壤重金屬污染程度

由表7分析可知，以一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Ni污染指數(shù)均小于1，屬輕度污染。研究區(qū)內(nèi)六種重金屬Igeo從大到小依次排列為：As＞Ni＞Pb＞Hg＞Cu＞Cd。其中，研究區(qū)內(nèi)所有重金屬除Zn外，其Igeo均小于0，為無污染狀態(tài)。

表7 基于單因子污染指數(shù)法下的重金屬元素污染占比

②重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

整體來看，由表8可知，研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均小于0.7，在警戒線之內(nèi)，采用一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值作為污染物的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。研究區(qū)重金屬清潔水平，對人體健康風(fēng)險(xiǎn)可以忽略，不需采取風(fēng)險(xiǎn)管控以及修復(fù)措施。

表8 基于內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法下的各重金屬污染占比

研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估如表9所示，評估結(jié)果顯示，選用一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni均為輕微生態(tài)污染。其中，As貢獻(xiàn)率為65.26%，其次為Hg、Ni。由此可知，研究區(qū)域內(nèi)，土壤主要重金屬污染元素為As。

表9 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)下的重金屬元素單一生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級占比

3.結(jié)論

研究區(qū)域內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)良好態(tài)勢，全部采樣點(diǎn)土壤重金屬含量均在一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值范圍內(nèi)，但明顯超出山東省土壤背景值。其中，Cd、Hg變異系數(shù)明顯高于As、Cu、Pb、Zn、Ni，受外界干擾強(qiáng)烈或受土壤本底值的影響，需進(jìn)一步展開研究。

研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬Hg和Cd、Pb和Cd、Ni和As間相關(guān)顯著。特別地，Hg和其他所研究重金屬相關(guān)性不高。Cd和Pb的高相關(guān)指示著受人類干擾程度較大。地累積指數(shù)顯示研究區(qū)域內(nèi)As、Cu、Pb、Ni、Cd、Hg污染程度均屬無污染等級，單因子污染指數(shù)法顯示各重金屬元素均呈現(xiàn)輕微污染態(tài)勢。

研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)顯示As貢獻(xiàn)率最高，為65.26%。內(nèi)梅羅指數(shù)法研究結(jié)果說明各采樣點(diǎn)均屬輕微污染。各重金屬環(huán)境質(zhì)量指數(shù)屬清潔水平，對人類健康無危害。根據(jù)土地利用規(guī)劃，研究區(qū)不需要采取管控手段。但建議展開區(qū)域環(huán)境調(diào)查，對于As集中分布的區(qū)域展開詳細(xì)調(diào)查以期查明是否存在污染源并采取相應(yīng)的解決措施。