北京市海淀區某些重點企業周邊表層土壤重金屬污染風險評價與變化趨勢研究

胡昱欣，宋 煒，周瑞靜

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

近些年，隨著“退二進三”“產業轉移”“土十條”等政策相繼落地，北京市對生產工藝落后、生產方式粗放、污染較重的工業企業逐步采取關閉、搬遷與騰退等措施。國內外從不同研究對象與用地類型等角度已開展了大量關于重金屬健康風險、污染與來源等方面的研究（Zhao Xingqing et al., 2020；Chen Mo et al., 2017；Ahmed et al., 2016；Al-Hammad et al., 2016；Han Ping et al., 2014；Nwachukwu et al., 2010）。表層土壤為與人類接觸最密切的土壤介質，易受外界環境的污染，尤以重金屬富集最為常見。北京市從區域尺度上對城市公園用地、城區用地、城市綠地表層土壤中重金屬污染分布特征與來源進行分析（安永龍等，2016；劉軼軒等，2017；劉玲玲，2020）；從城區尺度上對順義、朝陽區五環內的綠地表層土壤重金屬地球化學特征與影響因素進行了研究（余洪慧，2019；李婧等，2019）。然而，對于目前無法關停或搬遷的在產企業內部、周邊一定范圍內表層土壤環境狀況的關注較高，對周邊環境的影響研究仍待完善。

土壤污染評價方法較多，以單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法在污染評價中應用最多（沈城等，2020；黃安林等，2020）。地累積指數法反映人類活動對土壤本底環境的影響，被廣泛應用于土壤中重金屬累積評價（常家華等，2019；徐玉霞等，2013）。潛在生態危害指數法用于定量評價重金屬污染物的生態危害程度，采用多種方法評價土壤環境質量是目前廣泛采用的手段，可更好的反應土壤環境狀況。本文以海淀區10家重點在產企業周邊表層（0～20 cm）土壤為研究對象，采用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法、地累積指數法與潛在生態危害指數法對2018—2020年企業周邊表層土壤重金屬進行污染、累積與生態風險評價，綜合分析其累積來源與時空分布特征，對深入、細化地研究北京市海淀區土壤環境污染狀況，具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海淀區位于北京市西北部，為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候（王志剛等，2020），常年主導風向為東北風。全區面積為430.77 km2（李茹茹，2017），約占北京市總面積的2.53%。本次研究選取了海淀區10家有代表性的重點在產企業，包括石油化工（ZSH）、垃圾填埋場（LLT）、半導體（RS）、醫用材料（AT）、電子所（SW）與其他5家涉密企業，主要位于海淀區中心及東部區域。具有涉密企業較多、關注度較高、敏感性較強、涵蓋行業類別較廣的特點，且企業產生的生活污水排入市政管網，生產廢水均經處理達標后方排入市政管網，部分企業運營過程中少量廢氣存在無組織排放，故主要考慮在大氣沉降等作用下企業生產對周邊環境的影響。

1.2 樣品采集與分析

以重點企業為中心構建緩沖區，在海淀區主導方向下風向（西南向）距離企業75 m、200 m、400 m緩沖區處各設置1個采樣點，在西北方向、東北方向與東南方向200 m緩沖區處各設置一個采樣點。其中2家公司由于距離較近，故合布設9個采樣點；其他企業周邊均布設了6個土壤采樣點。2018年9月、2019年6月、2020年4月，分別采集了57個表層土壤樣品，并用高精度GPS對現場采樣點位置進行定位。每個點位采集的樣品量均不少于2.0 kg，于當天送抵實驗室以備測試。土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、As、Hg元素全含量測定均嚴格按照GB 36600－2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》推薦的方法，采樣點分布見圖1。

圖1 研究區采樣點分布圖Fig. 1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 數據處理與評價方法

（1）評價方法

采用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法評價表層土壤重金屬污染，采用地累積指數法、潛在生態危害指數法評價重金屬蓄積程度與潛在生態風險。其中，單因子指數法評價結果分級標準為：P≤1為非污染，1 ＜P≤2為輕微污染，2 ＜P≤3為輕度污染，3 ＜P≤5為中度污染，P＞ 5為重度污染。內梅羅綜合污染指數法評價結果分級標準為：PN≤0.7為安全，0.7≤PN≤1為清潔，1≤PN≤2為輕度污染，2≤PN≤3為中度污染，PN≥3為重度污染。地累積指數法評價結果分級標準為：Igeo≤0為無污染，0 ＜Igeo≤1為輕度—中等污染，1 ＜Igeo≤2為中等污染，2 ＜Igeo≤3為中等—強污染，3 ＜Igeo≤4為強污染，4 ＜Igeo≤5為強—極嚴重污染，5 ＜Igeo≤10為極嚴重污染。潛在生態危害指數法評價結果分級標準為：RI＜ 150為輕度潛在生態風險，150≤RI＜ 300為中度潛在生態風險，300≤RI＜ 600為強潛在生態風險，RI＞ 600為很強潛在生態風險（沈城等，2020；黃安林等，2020；徐玉霞等，2013；胡昱欣等，2021）。由于企業周邊采樣點處土壤現狀用地類型為建設用地中第二類用地，故重金屬篩選值選取第二類用地相應指標的篩選值或工業/商服用地的篩選值。根據相關文獻，北京市土壤中As、Pb、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素的篩選值、北京市背景值與毒性系數取值見表1（陳同斌等，2004；李春蘭等，1984；Hakanson，1980）。

表1 各重金屬篩選值、北京市背景值與毒性系數取值Tab. 1 The screening value,background value of Beijing and toxicity coefficient value of heavy metal

（2）數據分析處理

本次統計特征采用SPSS 24.0計算，內梅羅綜合污染指數法與地累積指數法評價采用Matlab 2020實現，繪圖采用Origin 2018、ESRI ArcGIS 10.4軟件實現。

2 結果與分析

2.1 數理統計與趨勢分析

海淀區重點企業周邊表層土壤pH、土壤有機質含量與陽離子交換量3年均值范圍依次為8.09～8.33、15.10～19.00 g·kg-1、8.59～9.36 cmol·kg-1，土壤總體呈弱堿性環境。對Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As全含量進行數理統計，2018—2020年每年所取樣品數均為57，土壤中8項重金屬檢出率均為100%。由于重金屬全含量均低于第二類用地類型相應指標的篩選值，故超標樣品數和超標率均為0。2018—2020年海淀區重點企業周邊表層土壤中重金屬含量數理統計如表2所示，表層土壤中重金屬含量均值柱狀圖如圖2所示。

圖2 2018—2020年重點企業周邊土壤重金屬變化趨勢Fig. 2 Trend of soil heavy metals around key enterprises from 2018 to 2020

表2 土壤中重金屬數理統計參數（單位：mg·kg-1）Tab.2 Statistics of mathematical parameters of heavy metals in soil (unit: mg·kg-1)

變異系數可以更好地分析數據的離散程度，相較于標準偏差可消除不同單位與量綱的影響，反映重金屬空間分布差異性。結合表2與圖2可知，2018—2020年海淀區重點企業周邊表層土壤中Zn、Cr、Pb、Cd平均值逐年略有升高，Ni平均值逐年降低，其他元素存在微小幅度波動。總體上，土壤中8項重金屬元素平均水平較穩定，變化趨勢平穩，不存在大幅度波動。從監測數據離散程度看，2019年、2020年土壤中Cu、Cr、Ni、As元素含量檢測值變異系數均低于0.20，為低變異度；Hg元素檢測值在2018—2020年變異系數均相對較高。分析發現，2018—2020年，RS周邊表層土壤中重金屬的標準偏差整體大于其他企業。

2.2 相關性分析

采用Kolmogorov-Smirnov檢驗各重金屬分布態勢得出，Cu、Cr、Ni、As、Zn、Pb、Cd、Hg不完全呈正態分布，故采用Spearman非參數方法對數據進行相關性分析，結果如表3所示。由表3可知，Cu、Zn、Pb、Hg、Ni兩兩之間存在極顯著相關性，As與Cd、Ni相關性均較好；Cr與其他重金屬相關系數均低于0.22，相關性相對較弱，無極顯著相關性。總體上，除Cr外多數重金屬存在較好的相關性。

表3 土壤中重金屬相關性分析Tab.3 Correlation analysis of heavy metals in soil

2.3 重金屬污染與累積評價

采用單因子指數法與內梅羅綜合污染指數法進行土壤污染評價，采用地累積指數法對2018—2020年土壤中8項重金屬累積程度進行評價，污染評價結果見表4。重金屬全含量散點圖見圖3，重金屬各累積級別占比見圖4。

圖3 土壤8項重金屬全含量散點圖Fig. 3 Scatter diagram of total content about eight each heavy metal in soil

圖4 重金屬元素各累積級別百分比Fig. 4 Percentage of each cumulative level about heavy metal elements

表4 土壤污染評價結果Tab. 4 Results of pollution evaluation in soil

由表4可知，各重點企業周邊調查點處表層土壤中8項重金屬檢測值均低于篩選值，不存在上述重金屬污染。2018—2020年表層土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As元素單因子指數最大值（Pi,max）為0.77，小于1；內梅羅綜合污染指數（PN）最大值為0.55，小于0.7，各企業周邊采樣點處土壤環境質量屬于安全等級。土壤中Cr含量連續3年均高于背景值；2018—2020年土壤中Hg元素超背景值倍數最大值均較高，依次為9.18、5.69、6.25，2018年RS-D-1調查點處表層土壤Hg元素超背景值倍數為9.18。RS周邊表層土壤中超背景值百分比接近100%，與地累積污染指數法評價結果一致，可見污染風險相對較大。

由圖4可知，2019—2020年表層土壤中Cr累積率均為100%。除Cr、Cu外，2018—2020年間其他重金屬元素地累積指數平均值均小于零。總體上，2018—2020年土壤中8項重金屬累積百分比變幅較小，各元素累積程度表現為ICr＞IHg＞ICu＞IZn＞IAs＞I(Cd,Pb,Ni)。Hg元素在RS周邊表層土壤中累積程度相對較高，最高為中等—強累積；Cu、Zn、As含量存在輕度—中等累積，其他元素累積風險可忽略。

2.4 生態風險評價

采用潛在生態危害指數法對2018—2020年海淀區重點企業周邊表層土壤中重金屬進行評價，各污染風險級別占比見圖5。

圖5 各污染風險級別所占百分比Fig. 5 Percentage of each pollution risk level about heavy metal elements

由圖5可知，2018—2020年RI各風險級別占比存在小幅度波動，輕度潛在生態風險占比各年均最高；中等風險點位數占比存在一定波動，強風險點位數呈減小趨勢。分析企業評價結果得出，RS、SW和LLT周邊點位土壤中潛在生態風險相對較高。結合前述累積評價結果發現，RS表層土壤累積程度亦相對較高，需要加強對上述3家企業周邊土壤環境監測，加強企業內部自行監測監管等。

3 討論

3.1 評價方法對比

單因子指數法與內梅羅綜合污染指數法的優勢在于方法簡單，多用于評價土壤是否存在重金屬污染；地累積指數法側重于反映人類活動對土壤本底環境的影響；潛在生態危害指數法則從重金屬的毒性角度評價土壤的潛在生態風險，各方法可相互補充、綜合反映土壤環境狀況。通過評價可知，海淀區重點企業周邊表層土壤重金屬含量均低于篩選值，企業周邊采樣點處土壤不存在重金屬污染，但部分企業周邊表層土壤存在不同程度的重金屬累積，如RS、SW點等，重點企業周邊僅RS-D-3、LLT-O-3點位存在強生態風險。

3.2 累積來源淺析

土壤重金屬累積一般包括自然源和人為源，自然源包括大氣沉降、成土母質等；人為源種類較多，如工業生產、汽車尾氣、污水灌溉等。2018—2020年土壤中Cr元素全含量變異系數0.11～0.25，空間分布差異性較小，分析Cr累積主要受成土母質影響，這與前人研究結果一致（安永龍等，2016）。2018—2020年土壤Hg的變異系數均大于0.5，最大為1.1；在RS周邊表層土壤中最高為中等—強累積，超背景值倍數亦較高，分析Hg累積主要由于人為源中的點源污染造成。由于該公司主要生產半導體電子產品，存在涉重金屬生產工藝，會對周邊土壤Hg累積產生一定的影響。

4 結論

通過前述研究，獲得如下結論：

（1）從土壤重金屬污染和生態風險管控看，海淀區重點企業周邊采集的表層土壤樣品中8項重金屬元素全含量均低于篩選值，各企業周邊采樣點處土壤質量為安全等級。RS、SW、LLT周邊土壤潛在生態風險相對略高，建議加強土壤監測和生產監管。

（2）從土壤重金屬含量變化趨勢看，所有點位土壤中Zn、Cr、Pb、Cd歷年檢測平均值逐年略有升高，土壤中Ni平均值逐年略有降低，其他元素存在微小幅度波動，總體上變化趨勢平穩。2018—2020年，RS周邊表層土壤中重金屬的標準偏差整體大于其他企業，其中Cu、Zn、Hg元素標準偏差相對更大。

（3）從重金屬累積程度分析，表層土壤中Cr、Cu、Zn、Hg、As為主要累積元素，尤以Cr、Cu元素，且RS土壤累積程度相對較高。

（4）從重金屬相關性和累積來源看，Cu、Zn、Pb、Hg、Ni兩兩之間存在極顯著相關性，As與Cd、Ni相關性均較好，Cr與其他重金屬元素相關性相對較弱。分析企業周邊土壤中Cr累積主要受成土母質影響，Hg累積主要由點源污染造成。