建設用地土壤元素含量、來源以及潛在生態風險評估
——以德州市德城區為例

＊劉佳煒

（石河子大學 新疆 832061）

引言

土壤是自然界中最復雜的系統之一。土壤質量的優劣對于水環境的保護、空氣質量的維穩、人類與動植物健康的保護十分關鍵[1]。近年來，由于城市化進程的不斷推進以及產業結構的加速調整，重污染工業等建設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，在經濟新常態下，如何通過深化改革和創新技術使得經濟發展與土壤健康齊頭并進尤為重要[3]。近年來，土壤重金屬問題已成為國內外學者關注的熱點。目前，國內對于土壤重金屬含量、來源以及生態風險評估的研究主要集中在農田土壤，對于建設用地土壤重金屬研究相對匱乏。因此，對于建設用地的土壤重金屬來源，相關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城市，其工業企業為德州市經濟發展作出了一定的貢獻。但同時，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個土壤采樣點位進行對比分析，依據《土壤環境質量標準》（GB 15618-1995）進行初步評價，結合地累積指數法、潛在生態風險指數法等全面評估山東省德州市土壤污染狀況，以期彌補德州市區域建設用地土壤污染防治研究空白，為德州市發展規劃提供科學的依據。

1.材料與方法

(1)研究區概況

德州市德城區地處山東省西北部，是德州市的中心城區。該市北依京津，南靠濟南，位處天津濱海新區和環渤海經濟圈，德城區屬黃河三角洲沖積平原。歷史上區域內經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。全區地貌多象，大致可分三類：高地類、坡地類、洼地類。德城區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。研究區工業企業較多，內有山東省較著名工業企業——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 研究區及采樣點示意圖

(2)樣品采集

山東省德州市典型建設用地區域采用網格布樣法，每4km2設置一個樣點。采樣時篩選重點污染區域布點采樣，建設用地周邊按《農用地土壤污染狀況詳查點位布設技術規定》作適當調整，共24個樣點。

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]。將各樣點采集的土壤樣品在室溫下自然風干，經去除雜質，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，記錄下采樣點的經緯位置、采樣地類型以及周圍環境等信息[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指標進行土壤環境質量評價。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AFS-8230對Hg、As進行（GB/T 22105-2008）測定，火焰原子吸收分光光度計AA-6880FM對Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、進行（HJ-491-2009）測定[8-10]。分析方法對土壤樣品測試的準確度以及重復樣品的精確度采用國家一級土壤標準物質（GBW系列）進行檢測，通過隨機檢查和異常點檢查進行嚴格監控。實驗分析方法測試結果均符合規范要求，確保數據分析準確可靠。

(4)數據處理與分析

①多元數據分析與地統計方法

對數據進行均值、中值、范圍、標準差、變異系數、峰度和偏度等描述性統計，然后采用相關分析、主成分分析等多元統計方法對重金屬來源進行解析。以上統計分析均利用SPSS26.0以及Excel 2016進行。

②單因子污染指數法

單因子指數法作為研究重金屬污染評價的基礎，用于評價研究區內某重金屬污染程度[11-12,17]，其計算公式為：

其中，Pi表示每個采樣點重金屬i的污染指數；Ci為每個采樣點重金屬元素i含量的實測數值（mg·kg-1）；Si為每個采樣點重金屬i的污染評價標準（mg·kg-1）。一般，當Pi＜1，說明環境質量相對良好；當Pi＞1，說明環境質量相對惡劣。Pi與環境良好態勢呈現負相關[12]。論文除Zn選用一類建設用地土壤污染風險篩選值作為污染物的評價標準[13]，單因子污染指數分級標準如表1所示[14-15]。

表1 單因子污染指數環境質量分級標準

③內梅羅綜合污染指數法

不同于單因子污染指數法對于單個重金屬元素的局限分析，內梅羅綜合污染指數法全面反映了研究區土壤環境質量。特別地，內梅羅指數法兼顧單因子指數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境的影響[14,16,17]，其計算公式為：

其中，PN為內梅羅綜合污染指數；Pimax為每個采樣點所有重金屬單因子污染指數的最大值；Piav為每個采樣點所有重金屬單因子污染指數法的平均值，上述計算中各參數均無量綱。內梅羅綜合污染分級標準如表2所示[17-18]。

表2 內梅羅綜合環境質量分級標準

值得注意的是，環境質量指數0.7＜PN=1.0為警戒線[18]，高于警戒線表明研究區受到環境污染。

④地累積指數

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

式中，Igeo為采樣點重金屬i的地累積指數；Ci為采樣點重金屬i在土壤中的實測含量（mg·km-1）；k為校正系數，為消除各地巖石差異導致的背景值不同，一般選用k=1.5[20-21]；Bi為采樣點重金屬i的背景值，論文選用一類建設用地土壤污染風險篩選值作為污染物的評價標準[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地累積指數分級

⑤潛在生態風險評價

Hakanson法是土壤重金屬污染程度以及潛在生態評價最常用方法之一[24-25]。潛在生態指數法是Hakanson根據重金屬的形態以及特點建立的一套重金屬潛在生態危害的評價方法[26]。潛在生態風險指數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風險程度。單個重金屬潛在生態風險因子計算公式為：

表4 潛在生態風險評價風險等級標準

2.結果與討論

(1)土壤重金屬含量描述性統計

由表5可以看出，研究區土壤重點測定元素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用地土壤篩選值；研究區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，說明其在研究區土壤中存在明顯的富集現象，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，研究區中Cd、Hg變異系數明顯高于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生的特異值。偏度反映正態分布雙尾特征，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 研究區土壤重金屬描述性統計結果

(2)相關分析

重金屬元素之間的相關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，研究區重金屬含量的相關性除來自元素本身影響外，與元素所處的環境及其人類活動有著相當的關系。

由表6分析可知，Hg-Cd、Pb-Cd、Ni-As相關性在?=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之間的相關性指示著受人類干擾程度，高相關代表受人類活動干擾大[31-32]，這與戴彬[4]等對山東典型工業城市土壤重金屬來源研究成果一致，Pb-Cd存在高相關。Hg和其他所有本研究中的本文已研究元素相關性不高。

表6 研究區土壤重金屬兩兩相關性

(3)聚類分析

本文選用系統聚類方法對研究區土壤重金屬元素相關性做進一步分析。按照聚類變量分為樣品聚類（Q型聚類）以及指標聚類（R型聚類），本文采用基于Wards法的R型聚類分析對研究區土壤重金屬元素進行分析[33-35]。

聚類分析結果表明，研究區內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，此結論與相關性分析結論近乎一致。其中，對于Hg、Pb、Zn這三種元素分類略為不同。當聚類分析分為三類時,有：As-Ni，Cd-Pb-Hg-Zn，Cu，這與相關性分析結果一致，在相關性分析結果基礎上證明了Hg-Cd-Pb之間兩兩相關，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，以一類建設用地土壤污染風險篩選值作為土壤環境質量標準評價標準時，重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Ni污染指數均小于1，屬輕度污染。研究區內六種重金屬Igeo從大到小依次排列為：As＞Ni＞Pb＞Hg＞Cu＞Cd。其中，研究區內所有重金屬除Zn外，其Igeo均小于0，為無污染狀態。

表7 基于單因子污染指數法下的重金屬元素污染占比

②重金屬的生態風險

整體來看，由表8可知，研究區內各采樣點的內梅羅綜合污染指數均小于0.7，在警戒線之內，采用一類建設用地土壤污染風險管制值作為污染物的評價標準時。研究區重金屬清潔水平，對人體健康風險可以忽略，不需采取風險管控以及修復措施。

表8 基于內梅羅綜合污染指數法下的各重金屬污染占比

研究區域內生態風險評估如表9所示，評估結果顯示，選用一類建設用地土壤污染風險篩選值時，研究區域內As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni均為輕微生態污染。其中，As貢獻率為65.26%，其次為Hg、Ni。由此可知，研究區域內，土壤主要重金屬污染元素為As。

表9 潛在生態風險評價下的重金屬元素單一生態風險分級占比

3.結論

研究區域內土壤環境質量總體呈現良好態勢，全部采樣點土壤重金屬含量均在一類建設用地土壤污染風險篩選值范圍內，但明顯超出山東省土壤背景值。其中，Cd、Hg變異系數明顯高于As、Cu、Pb、Zn、Ni，受外界干擾強烈或受土壤本底值的影響，需進一步展開研究。

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

研究區域內土壤重金屬生態風險顯示As貢獻率最高，為65.26%。內梅羅指數法研究結果說明各采樣點均屬輕微污染。各重金屬環境質量指數屬清潔水平，對人類健康無危害。根據土地利用規劃，研究區不需要采取管控手段。但建議展開區域環境調查，對于As集中分布的區域展開詳細調查以期查明是否存在污染源并采取相應的解決措施。