東海島重化工廠周圍土壤重金屬生態風險評價

陳梓欣，陳碧珊，楊福寧，李燁俊，紀婉薇，陳家琪

東海島重化工廠周圍土壤重金屬生態風險評價

陳梓欣，陳碧珊，楊福寧，李燁俊，紀婉薇，陳家琪

（嶺南師范學院 地理科學學院，廣東 湛江 524048）

為了解東海島重化工廠對周圍土壤環境的影響，在工廠周圍共采集26個土壤樣品，采用地累積指數法和潛在生態風險指數法對樣品中8種重金屬的質量濃度特征進行分析．結果表明，除Cr外，其余重金屬As，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn的最大質量濃度分別為15.6，0.116，53.8，0.055，76.1，31.6，103 mg·kg-1，均未達到國家規定的風險篩選值，表明東海島重化工廠周圍土壤主要受Cr污染．8種重金屬平均地累積指數都小于0，為無污染．通過綜合潛在風險指數分析得出，研究區為輕微至中等生態風險程度．東海島工業發展雖然對周圍土壤重金屬的影響較小，但仍需進行長期監測．

東海島；重化工廠；重金屬污染；生態風險評價

環境污染，特別是土壤重金屬污染已成為全球關注的焦點[1-2]．近幾年，隨著重化工生產活動的增加，土壤中的重金屬污染對生態環境造成嚴重的破壞．此類污染物還會通過食物鏈在生物體內積累，進而對人體健康產生負面影響[3]．在我國，土壤重金屬污染也常有發生，如陜西鳳翔血鉛超標，湖南瀏陽鎘中毒，四川內江鉛污染等，都會對生態環境和人體健康產生一定的影響[4]．根據2014年的國家土壤污染報告，中國土壤污染已成為一個嚴峻的問題．資料表明，超標點位中82.8%以上是由于無機污染物As，Cr，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn造成的．其中，以重工業工廠為代表的周圍土壤環境污染較為嚴重；在全國范圍內，土壤重金屬總超標率為16.1%，大約有100萬km2的土壤受到污染，以Cd，Cu，Hg，Pb等重金屬為主要元素[5-6]．

目前，湛江地區土壤重金屬的研究主要集中在農業及紅樹林等領域，如陳碧珊[7]等對湛江紅樹林土壤中重金屬的空間分布、來源和污染程度進行分析；孫志佳[8]等對湛江市農用地土壤中的重金屬質量濃度、生態風險和污染源進行評價．但是對湛江市工廠周圍土壤重金屬的研究還很少．隨著政策的支持和獨特的地理位置，東海島發展成為湛江市鋼鐵和化工工業的重要生產基地．鋼鐵和石化工廠產生的重金屬會通過大氣沉降到周圍的土壤中．重金屬污染主要特點是易富集、不可降解、強毒性，此外重金屬殘留時間久和土壤自凈能力較差等也將導致土壤肥力、環境和健康質量下降等[9]．對湛江市東海島重化工廠周圍土壤重金屬質量濃度進行測定，并對其污染特征及生態風險進行評價，可以為湛江市東海島建設鋼鐵石化基地環境風險評估提供參考，進而為東海島重化工廠周圍土壤重金屬污染的治理提供一定的理論依據．

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東海島的地理坐標范圍為20°55′～21°55′N，110°11′～110°21′E，位于雷州半島東部，是廣東省面積最大的島嶼．東海島因其優越的地理位置和豐富的海洋資源被批準建立經濟開發試驗區，今屬湛江經濟技術開發區．目前，東海島形成一個以寶鋼、中科煉化、巴斯夫為首的鋼鐵石油精細化工一體化發展格局，是湛江市乃至整個中國最典型的能夠實現重化工一體化發展的綜合片區．據統計，2021年石化產業集群產值達到1 163.34億元．近年來，東海島工業發展的大趨勢正在逐步形成，重點表現在寶鋼湛江鋼鐵產業基地、中科煉化和巴斯夫公司三大投資超一百億元級的大型工業建設項目的持續進展中．這些工程的蓬勃發展為湛江工業的發展奠定了基礎，使其成為了工業發展的主戰場[10]．

1.2 樣品采集處理

為分析寶鋼和中科煉化工廠周圍土壤重金屬的質量濃度，結合野外現場調查，在寶鋼東北、東南、西南方向共設置9個樣點，在中科煉化西南、東南方向共設置6個樣點，位于寶鋼上風方向的大村設置11個樣點，共26個采樣點（見圖1）．每個點位采用梅花采樣法，采樣深度為20 cm，每次采樣先去除表面雜物，共采集5個樣品混合成一個點位樣品，密封袋中裝入1 kg土壤樣品后密封，同時使用GPS對各樣點的經度和緯度進行記錄，并做好采樣區周圍環境信息記錄．

圖1 東海島工廠周圍土壤采樣點分布

對所采集的土樣進行初步處理，并將其送至廣州澳實礦物實驗室測試．稱量兩份土樣，一份土樣使用硝酸、鹽酸、高氯酸、氫氟酸分三個階段進行消解，然后將該溶液蒸發至接近干燥狀態，除去其中氫氟酸的殘留，將余液稀釋，用鹽酸定容后，采用等離子體發射光譜和質譜儀進行分析．另取一份土樣，加入王水，在石墨爐進行消解，然后冷卻溶液，將其裝入容量瓶中，使用去離子水定容，混合均勻，再使用等離子體發射光譜和質譜儀進行全面分析．用硝酸、鹽酸、高氯酸、氫氟酸對As，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn元素進行消解，用王水對Cd，Hg元素進行消解．

1.3 研究方法

1.3.1 地累積指數法 本文選取雷州半島典型的磚紅壤重金屬背景值作為參考值，通過計算工廠周圍土壤中的重金屬地累積指數，能夠在自然背景條件下對人為因素造成的重金屬污染以及重金屬蓄積程度進行分析[11]．公式為

geo=log2[c/1.5B]

式中：c為土壤中元素的質量濃度；B為元素的背景值；1.5一般被用來表示沉積特征、巖石地質和其他相關因素[12-13]．根據地累積指數的大小，重金屬污染程度可分為7級[14]194（見表1）．

表1 地累積指數分級標準

1.3.2 潛在生態風險指數法 對于研究區表層土壤重金屬質量濃度，運用瑞典學者Hakanson[15]的潛在生態風險指數法進行潛在生態風險評價．該方法把重金屬的生物毒性作為出發點，對多種污染物的影響進行全面反映，將重金屬的潛在生態風險以定量化的方法進行劃分[16-17]．公式為

表2 潛在生態風險指數分級標準

2 結果與分析

2.1 東海島重化工廠周圍土壤重金屬質量濃度特征

本文將As，Cr，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn等8種重金屬質量濃度與廣東省土壤背景值以及《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600—2018）中“第二類用地”的風險篩選值進行比較．東海島重化工廠周圍土壤中重金屬質量濃度見表3．由表3可見，重金屬質量濃度表現出Zn > Cr > Ni > Pb > Cu > As > Cd > Hg的特點．其中Cd，Hg，Pb的質量濃度平均值低于廣東省背景值，其它重金屬質量濃度均高于廣東省背景值，表明研究區內Cd，Hg，Pb不存在顯著的富集，As，Cr，Cu，Ni，Zn的富集度較高．Cr，Ni，Pb，Zn的平均質量濃度明顯高于中位數，這意味著這些元素的質量濃度整體偏向于較高值；As，Cd，Cu，Hg的質量濃度平均值與其中位數相近，說明研究區土壤中As，Cd，Cu，Hg的質量濃度總體上呈現出較低的趨勢．所有采樣點的Cr質量濃度均高于國家規定的風險篩選值，其余各重金屬質量濃度都低于國家規定的風險篩選值，表明東海島重化工廠周圍土壤主要受Cr污染．

變異系數（）可以表示土壤重金屬質量濃度分布的均勻度，變異系數越大，表明重金屬在空間上分布越不均勻，也能反映該元素受人類活動的影響程度越大[19]．變異系數可分為三類，分別是弱變異（<10%），中等變異（10%≤≤100%），高度變異（>100%）[20]．東海島重化工廠周圍土壤中重金屬按變異系數大小進行排序：Ni（120.8%）>Cd（103.4%）>Cu（103.3%）> 100%>Cr（79%）>As（78.2%）>Zn（73.6%）>Hg（65.4%）>Pb（62%）> 10%．Ni，Cd，Cu為高度變異，表示其空間高度分散，受人為影響大．

表3 東海島重化工廠周圍土壤中重金屬質量濃度

注：背景值為廣東省磚紅壤背景值[7]925；風險篩選值為《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600—2018）[21]．

2.2 東海島重化工廠周圍土壤重金屬污染狀況

運用地累積指數法得到東海島重化工廠周圍土壤的地累積指數評價結果（見表4）．由表4可見，平均地累積指數情況為：Zn > Cu > Ni > As = Cr > Hg > Cd > Pb，所有值都小于0，說明它們的污染程度非常低，即為無污染．在寶鋼東南方向的樣點，Ni和Cu的污染等級為三級，屬于中等-強污染，推測是受工廠廢水排放或廢棄物的影響．Pb的污染等級相差最小，其地累積指數為-2.67～-0.15，污染等級為0，污染程度為無污染．盡管所有采樣點的Cr質量濃度都超過了國家規定的風險篩選值，但是Cr的地累積指數范圍為-3.18～1.03，平均值為-1.02，等級為無污染．根據地累積指數評價結果可知，8種重金屬污染程度均較小，只有Ni和Cu的污染等級有很大變化，一些點位的污染等級較高，表明這2種重金屬在土壤中存在超標的風險．

表4 東海島重化工廠周圍土壤的地累積指數評價結果

2.3 東海島重化工廠周圍土壤重金屬生態風險評價

對東海島重化工廠周圍土壤中的重金屬進行潛在生態風險評價，得到東海島重化工廠周圍土壤的潛在生態風險結果（見表5）．由表5可見，土壤潛在生態風險指數由高到低為Hg，Cd，As，Ni，Cu，Pb，Cr，Zn，土壤中的所有重金屬都屬于輕微風險．但Hg平均潛在生態風險指數最高，為34.67，因此需重視東海島Hg的潛在生態危害問題．

表5 東海島重化工廠周圍土壤重金屬潛在生態風險評價結果

從綜合潛在生態危害指數看，東海島重化工廠周圍土壤的風險指數為27.35～224.17，在輕微至中等風險之間．8種重金屬對綜合潛在生態危害貢獻率見表6．Hg對綜合潛在生態危害的貢獻率為36％，Cd對綜合潛在生態危害的貢獻率為28％，其他元素在綜合潛在生態危害中的貢獻率較小，說明東海島采樣區土壤污染來源主要是Hg和Cd．此外，基于8種重金屬平均質量濃度計算的東海島的土壤綜合潛在生態危害值為96.10，表明東海島工廠周圍土壤總體處于中等危害程度．以上數據表明，東海島重化工廠周圍的土壤存在中等的生態風險，且生態污染的主要貢獻因子為Hg和Cd，因此需要重視東海島的土壤環境問題．

表6 東海島工廠周圍土壤重金屬元素對綜合潛在生態危害的貢獻率

2.4 東海島重化工廠周圍土壤重金屬來源分析

2.4.1 東海島重化工廠周圍土壤重金屬相關性分析 常見的土壤重金屬來源分析方法是相關性分析[22]．相關性強，表示土壤中的重金屬元素成因比較穩定和單一；相關性弱，表示土壤中重金屬元素具有不穩定性和多種來源，這可能是受到人類活動的影響[23]．東海島重化工廠周圍土壤中重金屬質量濃度的相關系數見表7．由表7可見，8種重金屬質量濃度之間的相關性系數顯示，在＜0.01水平上，東海島重化工廠周圍土壤中Cd-Zn，As-Pb，Cu-Ni，Cu-Zn，Cu-Cr，Ni-Zn，Ni-Cr，Zn-Cr之間存在極顯著的正相關，說明可能有同樣或類似的來源，推測這些來源可能是由于冶煉技術現代工業快速發展所導致的，可能存在一定的富集規律；而Cu-Hg，Ni-Hg間呈弱負相關，說明Hg與Cu，Ni的來源不同．工廠使用、排放含有Hg的廢物是土壤中Hg的主要來源．

表7 東海島重化工廠周圍土壤中重金屬質量濃度的相關系數

注：**表示在0.01級別（雙尾）相關性顯著；*表示在0.05級別（雙尾）相關性顯著．

2.4.2 東海島重化工廠周圍土壤重金屬主成分分析 土壤重金屬來源由于處于不同的地質背景及環境條件而不同[24]．本文使用主成分分析法探究研究區的重金屬污染成因（見表8）．由表8可見，前三個主成分的累積貢獻率高達90.483%，表明這三個主成分的分析結果能夠代表整個數據的分析結果．主成分因子1在Cr，Zn，Cu，Ni上表現出較高正載荷，其貢獻率達到51.380%，表明來源類似，主要來自工業和交通的混合源[25]．Cd，Pb質量濃度上有正載荷，但質量濃度較低，來源類似且可能為工業污染廢水的直接排放．主成分因子2的貢獻率為28.946%，在As，Pb質量濃度的正載荷較高，反映As，Pb相關性顯著，來源途徑相似．主成分因子3在Cd上具有較高的正載荷，貢獻率達到10.157%．在自然環境中，游離態的自然鉻較為稀少，主要存在于鉻鉛礦中．

表8 土壤重金屬主成分分析結果

3 討論

3.1 不同工業區周圍土壤重金屬質量濃度對比

工農業等方面會導致土壤殘留重金屬．在工業方面，包括采礦和燃煤等活動；在生活方面，包括運輸和生活垃圾等；在農業方面，包括肥料和農藥等的使用．因此，不同地區土壤中重金屬殘留水平會有所不同．不同工業區周圍土壤重金屬質量濃度見表9．由表9可見，廣州市某工業區、長江經濟帶工業區和河南省典型工業區土壤中各重金屬元素質量濃度均比東海島重化工廠周圍土壤重金屬元素質量濃度高．據此分析發現，廣州市某工業區內分布著一些高風險企業，包括國有發電廠、石化儲油庫、金屬加工廠、混凝土廠和粉煤灰廠等[26]；長江經濟帶是中國經濟高速增長的一個重要區域，改革開放以來，其工業迅速發展嚴重影響當地生態環境，土壤重金屬污染程度明顯[27]；鳳泉區大塊鎮位于河南省典型的工業區，這里電池企業眾多，同時也有少量規模龐大的銅管和銅線生產廠，導致土壤重金屬污染較嚴重[28]．

表9 不同工業區周圍土壤重金屬質量濃度 mg·kg-1

可以看出，東海島重化工廠周圍土壤重金屬質量濃度相比不同工業區周圍土壤重金屬質量濃度較低，但仍需加強對本地土壤重金屬污染的監測、預防和治理，以提高土壤質量．

3.2 與上風向大村周圍土壤重金屬質量濃度對比

為了分析工廠對周圍土壤的影響，選擇位于上風方向的村莊——大村土壤重金屬質量濃度進行分析．東海島重化工廠寶鋼、中科煉化及大村周圍土壤重金屬的平均質量濃度見圖2．由圖2可見，大村土壤中除As，Pb外，其他重金屬平均質量濃度均高于工廠周圍土壤，可能是因為大村農業生產和生活歷史比工廠悠久，受農業和生活污染大．寶鋼周圍土壤的重金屬As，Pb平均質量濃度高于中科煉化和大村，其分別是大村重金屬平均質量濃度的1.46，1.06倍．中科煉化周圍土壤重金屬質量濃度都較低，僅Hg的平均質量濃度超過寶鋼，為寶鋼平均質量濃度的1.5倍，這可能得益于中科煉化致力于采用先進的生產和治理技術，對生產過程進行嚴格環保管理和風險管控，數據顯示，2021年中科煉化排放總量比全年許可排放總量的一半還低．與大村相比，工廠周圍土壤的重金屬污染較小，其中寶鋼需要特別關注As，Pb 2種重金屬的質量濃度．

圖2 東海島重化工廠與大村周圍土壤重金屬平均質量濃度

注：BG為寶鋼；ZK為中科煉化；DC為大村．

4 結論

（1）湛江市東海島重化工廠表層土壤中，除Cr外，其他7種重金屬質量濃度均未達到國家規定的風險篩選值．Cr的超標率為100%，表明東海島重化工廠周圍土壤重金屬污染小，主要受到Cr污染．

（2）地累積指數評價結果表明，研究區內8種重金屬geo均值情況為：Zn（-0.06）> Cu（-0.47）> Ni（-0.84）> As = Cr（-1.02）> Hg（-1.15）> Cd（-1.27）> Pb（-1.52），東海島采樣區土壤中的8種重金屬的地累積指數平均值均小于0，污染程度為無污染．

（3）根據潛在生態風險評估，8種重金屬對環境的潛在危害程度情況為：Hg（34.67）> Cd（27.13）> As（11.40）> Ni（7.94）> Cu（7.93）> Pb（3.09）> Cr（2.01）> Zn（1.93），8種重金屬均屬于輕微風險水平，但仍需重視東海島Hg，Cd的潛在生態危害問題．

（4）基于東海島重化工廠周圍表層土壤重金屬質量濃度的相關性系數得出，在＜0.01水平上，土壤樣品中重金屬Cd-Zn，As-Pb，Cu-Ni，Cu-Zn，Cu-Cr，Ni-Zn，Ni-Cr，Zn-Cr間呈極顯著正相關，說明它們之間可能具有相同或相近來源，存在一定的富集規律；Cu-Hg，Ni-Hg間呈弱負相關，說明Hg的來源與Cu，Ni不同．

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Ecological risk assessment of heavy metals in soils around a heavy chemical plant on Donghai Island

CHEN Zixin，CHEN Bishan，YANG Funing，LI Yejun，JI Wanwei，CHEN Jiaqi

（School of Geographical Sciences，Lingnan Normal University，Zhanjiang 524048，China）

In order to understand the impacts of heavy chemical factories on the surrounding soil environment on Donghai Island，collected 26 soil samples around the factories and analyzed the content characteristics of 8 heavy metal elements in the samples using the geoaccumulation index method and the potential ecological risk index method．The results showed that except for Cr，the maximum mass concentrations of As，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb and Zn were 15.6，0.116，53.8，0.055，76.1，31.6，103 mg·kg-1，respectively，which did not reach the national risk screening value，indicating that the soil around the Donghai Island heavy chemical plant was mainly contaminated by Cr．All others did not meet the national risk screening value，indicating that they were mainly contaminated by Cr．The average cumulative index of 8 heavy metals is less than 0，which is non-polluting．The analysis of the combined potential risk index concluded that the study area is of slight to moderate ecological risk．Although the impact of industrial development on Donghai Island on heavy metals in the surrounding soil is relatively small，long-term monitoring is needed．

Donghai Island；heavy chemical plant；heavy metal pollution；ecological risk assessment

X53

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.01.014

1007-9831（2024）01-0078-08

2023-08-26

嶺南師范學院大學生創新創業訓練計劃項目（X202210579022）

陳梓欣（2002-），女，廣東深圳人，在讀本科生．E-mail：979968785@qq.com

陳碧珊（1982-），女，廣東汕頭人，副教授，博士，從事土壤地理學、環境演變與對策研究．E-mail：chenbishan2008@126.com