四平市典型工業區土壤重金屬監測及生態風險評價

劉 鳳，關月明，車廣波，楊春維

(1.吉林師范大學 吉林省高校環境材料與污染控制重點實驗室，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學 環境科學與工程學院，吉林 四平 136000)

隨著工業“三廢”排放的增加，土壤中重金屬不斷累積，不僅阻礙了作物的生長，甚至危及人類健康，影響社會經濟的可持續發展[1]。土壤重金屬污染與工業企業排放密切相關，研究工業區土壤重金屬的污染情況，給政府進行工業園區規劃提供科學依據[2]。區域土壤重金屬污染的調查與評價已成為目前環境領域的研究熱點[3]。常用的土壤生態風險評價方法主要有內梅羅綜合污染指數法、地積累指數法和潛在生態風險指數法等。這些評價方法能夠直觀反映土壤污染物空間變化趨勢和污染程度，根據實際情況可以將多種方法進行綜合使用，從而有效解決土壤生態風險評價中的實際問題[4]。

本研究結合四平市地區經濟及產業發展特點，以某化工廠作為研究對象，對土壤中重金屬進行檢測分析，并對重金屬污染進行生態風險評價，以期為土壤重金屬污染控制提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與測定

四平是東北地區重要的交通樞紐和物流節點城市。地勢東南高，西北低，城區被北、東、南丘陵環繞，形成箕形盆地，“簸箕口”朝西。集合四平的地形地貌及化工廠的具體情況，總體上采用格網布點的方法。土壤重金屬樣品采集按照《NYT 1121.1-2006土壤檢測第1部分: 土壤樣品的采集、處理和貯存》方法進行采集和貯存。每個樣品由4 m×4 m范圍內采集的5個等容小樣均勻混合而成。每個樣點垂直采集0～20 cm表層土壤，混合后裝入聚乙烯袋內。土壤樣品約為1 kg，貼簽后運回實驗室備用。

1.2 樣品處理與分析

按照HJ/T 166-2004 和GB 17378.5-2007 標準的要求，將樣品進行風干、研磨至100目，避開其他可能污染物。準確稱量0.2 g土壤于坩堝中，經HCl-HF- HClO4消解后，采用火焰原子吸收分光光度法對鎘、銅、鉛、鋅4種重金屬進行測定，所有試劑均選用優級純，水為超純水。為了保證分析的精度和準確度，測定3次取平均值。pH值測定時先將土樣與去離子水按質量比1∶2.5進行混合，然后用pH計進行測定。測試過程嚴格按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166-2004)中相關規定進行質量控制和質量保證。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 軟件和SPSS 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量的分析

土壤 pH值在5.87～7.01之間，大部分采樣區土壤 pH值低于7.0，表明工業區土壤呈酸性，這可能與化工生產中排放大量的酸性物質有關。Zn，Cd，Cu和Pb含量均值是吉林省土壤背景值的1.16倍，2.11倍，1.92倍和18.42倍，分別是中國土壤背景值的1.06倍，2.70倍，1.45倍和17.30倍(表1)。不同元素超出背景值的程度不同，重金屬含量與背景值比值大小依次為 Pb>Cd>Cu>Zn。

與相關的標準相比較，Pb的含量均超過土壤環境質量標準值二級(GB15618-1995)和第一類建設用地土壤污染風險篩選值，未超過土壤環境質量標準值三級(GB15618-1995)和第二類建設用地土壤污染風險篩選值，Zn，Cd和Cu三種重金屬的含量均未超標。對建設用地土壤中污染物含量超過風險篩選值的，應當開展進一步的詳細調查和風險評估，并結合規劃用途，判斷是否需要開展風險管控或治理修復。

變異系數可以表征數據的離散程度，變異系數越大，表明土壤重金屬分布受到干擾活動越強[7]。4種重金屬平均變異程度大小順序為Cu>Pb>Cd>Zn，其中 Cu和Pb的變異系數均在 0.4 以上，說明研究區這 2 種元素相對于其他重金屬來說具有更強的空間變異性，更易受到人類活動的影響。

表1 工業區土壤重金屬含量(mg/kg)

2.2 重金屬的風險評價

2.2.1 內梅羅綜合污染指數法

通過計算單因子污染指數來確定重金屬在土壤中的污染程度[5]。計算公式為：

Pij=Cij/Sj

式(1)

式中：Pij—污染指數；

Cij—污染物的測量值，mg/kg；

Sj—評價標準。

內梅羅綜合污染指數是一種兼顧平均值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數，可以綜合反映出不同污染物在土壤中的污染程度。計算公式為[6]：

式中：P—綜合指數；

Pmax—最大單項污染指數值；

Pavg—所有污染物單項指數平均值。

分級標準見表2。

表2 內梅羅綜合污染指數分級標準

統計結果顯示，Zn的污染指數為0.7，污染水平為尚清潔，Cu和Cd的污染指數分別為1.1和1.2，這兩種重金屬超過背景值，三種重金屬污染程度達到警戒限，而Pb的污染指數為15.0，達到了重污染的程度。

2.2.2 地累積指數評價法

地累積指數由Muller于20世紀60年代提出，也稱Muller指數。該方法考慮自然地質過程造成的背景值影響，也考慮人類活動過程產生的重金屬影響，直觀反映外源重金屬富集程度[7]。計算公式為：

Igeo=log2(Cn/KBn)

式(3)

式中，Cn為重金屬實測值，mg/kg；

k為修正系數，一般取1.5；

Bn為背景值。地累積指數分為7級，分級情況見表3。

表3 地累積指數(Igeo)分級情況

通過公式計算后得出(表4)，鉛為中度污染，其他三種重金屬地累積指數等級均為清潔。該方法缺點是不能判別重金屬對生物的毒性以及對生態環境的危害程度。因此，需要運用其他方法來進一步評價重金屬對生態環境的危害。

表4 重金屬地累積指數(Igeo)

2.2.3 潛在生態危害指數法

瑞典科學家Hakanson 應用沉積學原理，提出了潛在生態風險指數[8]，該方法將重金屬含量與生態及毒理效應聯系在一起，有效的體現了重金屬的潛在生態危害程度[9]。其公式為(4)和(5)。

RI—潛在生態危害指數。

生態危害程度劃分標準：

由表5可得出，Cu、Zn、Cd均為輕微生態危害，Pb的潛在生態危害指數最高值為187.0344，對環境具有很強生態危害，在以后的生產活動中要采取適當的風險管控和污染源管理措施。

表5 重金屬的單項和綜合潛在生態危害指數

3 結論

四平市典型工業區土壤pH值在5.87～7.01之間，大部分采樣區土壤pH值低于7.0，表明土壤呈酸性，這可能與化工生產中排放大量的酸性物質有關。不同重金屬元素超出背景值的程度不同，重金屬含量與背景值比值大小依次為 Pb>Cd>Cu>Zn。Zn污染水平為尚清潔，Cu和Cd的污染超過背景值，三種重金屬污染程度達到警戒限，而Pb達到了重污染的程度。Cu、Zn、Cd均為輕微生態危害，Pb的潛在生態危害指數最高值為187.0344，對環境具有很強生態危害，因此研究區需要根據評價等級，制定相應降低生態風險的防治措施，從源頭上減少有害重金屬元素的生物有效性。