南水北調(diào)中線工程（鄭州市區(qū)段）沿線土壤質(zhì)量調(diào)查與評價

李林記，石勇麗，曲亞輝，曹寧寧，劉素青，曹 翠，張 凱

（1.河南省地質(zhì)研究院，河南 鄭州 450052；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心（水土生態(tài)修復(fù)治理研究），河南 鄭州 450052）

南水北調(diào)工程是實(shí)現(xiàn)我國水資源合理配置、保障國家經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重大工程，保障水質(zhì)安全是南水北調(diào)工程的底線［1］。在長距離輸水過程中，南水北調(diào)濱河地帶生態(tài)系統(tǒng)具有廊道功能、緩沖功能和植被護(hù)岸功能［2］。同時濱河地帶作為連接水生和陸生生態(tài)系統(tǒng)的重要樞紐，對來自河流和陸地的重金屬有匯集作用，直接影響水質(zhì)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及社會發(fā)展［3-4］。因此，調(diào)查與評價南水北調(diào)干渠沿線土壤中重金屬含量，對保障南水北調(diào)水質(zhì)安全至關(guān)重要。

南水北調(diào)沿線濱河地帶，雖然周圍的土壤污染物與封閉式水體不存在直接交換的可能性［5］，但是仍不排除其可能對干渠存在的潛在風(fēng)險，眾多關(guān)于南水北調(diào)水質(zhì)風(fēng)險源防控的相關(guān)措施更是驗(yàn)證了這一可能性［6］。本研究對南水北調(diào)中線工程（鄭州市區(qū)段）濱河地帶土壤中Pb、Cd、Cr、Hg、As、Ni、Cu、Zn 含量進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對濱河地帶土壤污染狀況進(jìn)行評價，并結(jié)合成分分析和相關(guān)性分析法解析土壤重金屬來源，為南水北調(diào)濱河地帶生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和改善提供針對性措施，對加強(qiáng)南水北調(diào)工程沿線水系生態(tài)建設(shè)以及鄭州市區(qū)域性可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃建設(shè)提供借鑒和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南水北調(diào)中線工程（鄭州市區(qū)段）西北起隴海鐵路與干渠交叉處，東南至京廣鐵路與干渠交叉處，全長約35 km，水面平均寬80.09 m，渠底寬30.39 m，水深7 m，堤寬5 m，過水流量300 m3/s，沿線經(jīng)過的鐵路和橋梁較多，干渠兩側(cè)各有非機(jī)動車道和人行道。干渠明渠段一級保護(hù)區(qū)范圍自總干渠管理范圍邊線外延50 m，二級保護(hù)區(qū)外延150～2 000 m。

1.2 樣品采集和分析

依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）和《土壤質(zhì)量土壤采樣技術(shù)指南》（GB/T 36197—2018）確定南水北調(diào)中線工程（鄭州市區(qū)段）沿線調(diào)查點(diǎn)位并制定土壤樣品采集實(shí)施方案。以干渠岸邊為中心，在0.5 km×2.0 km 采樣單元格內(nèi)距離干渠兩側(cè)沿線50～500 m的緩沖區(qū)進(jìn)行勘察布點(diǎn)，選用蛇形布點(diǎn)法采集0～20 cm 表層土壤。為研究公路、鐵路等交通干線對干渠沿線土壤重金屬污染影響，在主要路橋兩側(cè)采用梅花布點(diǎn)法采集0～20 cm 表層土壤。將所采集的土壤樣品去除石塊與雜草后混合均勻，共采集混合土壤樣品50個。樣品置于室溫下通風(fēng)陰干后研磨過0.147 mm（100目）尼龍篩，待測。

稱取適量土樣，采用HNO3-HF-HClO4（體積比為5 ∶10 ∶2）消解。依據(jù)《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）測定鉛、鉻、鎘、鎳、鋅、銅的含量，依據(jù)《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》（HJ 680—2013）測定砷、汞的含量。土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07426（GSS-12）用于質(zhì)控，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定值在控制范圍之內(nèi)。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法對單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)分析評價［7-8］，可以清晰地判斷出評價樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)的比值關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，Ci為i項(xiàng)因子的實(shí)測值；Si為i項(xiàng)因子的標(biāo)準(zhǔn)值（見表1），其中Pb、Cd、Hg、As、Ni、Cu參照《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）第一類用地篩選值，Cr、Zn 參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）篩選值；Pi為第i項(xiàng)因子的相對污染值，其評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 土壤重金屬評價標(biāo)準(zhǔn)值mg/kg

表2 土壤重金屬污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可總體反映各類污染物對土壤的綜合作用，重點(diǎn)突出高濃度污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響［9-10］。其計算公式如下：

式中：P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；（Ci/Si）max為某項(xiàng)污染物單因子污染指數(shù)的最大值；（Ci/Si）ave為單因子污染指數(shù)的平均值。根據(jù)單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)大小，將土壤質(zhì)量劃分為5 個等級，土壤污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法是根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的對沉積物或土壤中重金屬污染進(jìn)行評價的方法［11-12］。目前該方法在環(huán)境風(fēng)險評價中得到了廣泛應(yīng)用，計算公式如下：

式中：Cfi為單一重金屬i相對參比值的污染系數(shù)；Csi為重金屬i的實(shí)測值；Cni為重金屬i的評價參比值，以河南表層土壤環(huán)境背景值（見表3［12］）為參考；Eir為第i種重金屬環(huán)境風(fēng)險指數(shù)，評價標(biāo)準(zhǔn)見表4；Tir為重金屬i毒性響應(yīng)系數(shù)，主要反映重金屬毒性水平和環(huán)境對重金屬污染的敏感程度，參考徐爭啟等［13］研究結(jié)果（見表3）；RI為潛在生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)，評價標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 土壤重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)及河南表層土壤環(huán)境背景值

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用軟件SPSS 22.0對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，污染指數(shù)和生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)的統(tǒng)計在Excel 2019中進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)土壤重金屬含量特征

研究區(qū)內(nèi)土壤中8 種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表5，其中Cd 和Hg 平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于河南省表層土壤背景值，其他6 種重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于河南省表層土壤背景值，8 種重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）建設(shè)用地第一類用地土壤污染風(fēng)險篩選值，總體土質(zhì)較好。

表5 研究區(qū)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計分析 mg/kg

研究區(qū)內(nèi)土壤中8 種重金屬含量變異系數(shù)由大到 小 依 次 為Hg （58.50%）、Cd （26.80%）、As（15.20%）、 Cu （15.00%）、 Zn （13.30%）、 Ni（13.20%）、Pb（11.50%）、Cr（10.20%）。8 種重金屬含量變異系數(shù)大致呈現(xiàn)3個層次：Hg的變異系數(shù)在36%以上，為強(qiáng)變異性；Cd 的變異系數(shù)在16%～26%，中等變異性，說明Cd 和Hg 離散程度較高，分布不均勻，受人類活動影響較大，在土壤中有一定積累；Cu、Zn、Ni、Pb、Cr 的變異系數(shù)在16%以下，為弱變異性，離散程度較低，反映該元素分布相對較均勻，推測目前受人類活動干擾不明顯。

2.2 空間分布

研究區(qū)域內(nèi)50 個表層土壤樣品根據(jù)所處環(huán)境不同，可分為鐵路、高速公路、城市主干道、村莊周邊4 種類型片區(qū)。分析4 種不同環(huán)境因子條件下土壤重金屬含量空間分布（見表6），Pb 含量整體處于較低水平，在高速公路、鐵路兩側(cè)含量相比總體均值較高，其中高速公路兩側(cè)Pb 含量約為總體均值的1.2 倍，說明重金屬Pb 有一定累積，可能與汽車尾氣排放有一定的關(guān)系。Cd 含量整體處于較高水平，所有樣品含量均高于河南省表層土壤背景值，高速公路和鐵路兩側(cè)Cd 含量明顯高于總體均值，分別約為總體均值的1.5 與1.2 倍。研究區(qū)域內(nèi)土壤Hg 含量分布變化范圍較大，高速公路兩側(cè)Hg 含量明顯高于總體均值。As、Zn、Cr、Ni、Cu 重金屬含量整體處于較低水平，所有樣品Cr、Ni、Cu 含量均低于河南省表層土壤背景值，并且在高速公路和鐵路等敏感區(qū)域兩側(cè)含量無明顯異常。

表6 研究區(qū)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計分析 mg/kg

2.3 研究區(qū)土壤重金屬污染評價

2.3.1 研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價

采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價，結(jié)果如表7 所示。表7 結(jié)果顯示，不同片區(qū)內(nèi)土壤中8 種重金屬單因子污染指數(shù)處于0.003 1 ～0.450 0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤污染程度處于清潔狀態(tài)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)反應(yīng)研究區(qū)域內(nèi)8 種重金屬綜合污染狀況，由表7 可知，研究區(qū)域內(nèi)鐵路、高速公路、城市主干道、村莊周邊片區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別為0.45、0.47、0.47、0.44，遠(yuǎn)低于土壤重金屬綜合污染指數(shù)法評價指數(shù)第一級的0.7。依據(jù)土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，所有樣點(diǎn)的生態(tài)風(fēng)險等級為無污染等級。

表7 研究區(qū)土壤中重金屬污染指數(shù)

2.3.2 土壤潛在風(fēng)險評價

將各樣點(diǎn)不同片區(qū)重金屬實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)代入公式，得到不同片區(qū)各元素環(huán)境風(fēng)險指數(shù)，如表8 所示。結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)重金屬Cd 和Hg 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較高，Cd 達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險程度以上的點(diǎn)位數(shù)占采集樣品總數(shù)的92%，達(dá)到較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險程度的點(diǎn)位數(shù)占總采集樣的12%。土壤樣品中Hg達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險程度以上的點(diǎn)位數(shù)占采集樣品總數(shù)的52%，有12%的采樣點(diǎn)Hg 達(dá)到較強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險程度。另外，Cd 和Hg 在潛在生態(tài)中占有較大的貢獻(xiàn)率，分別為46.84%和35.80%。各重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險大小順序?yàn)椋篊d ＞Hg ＞As ＞Ni=Pb ＞Cu ＞Cr ＞Zn。

表8 研究區(qū)土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

研究區(qū)域內(nèi)8 種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI） 的 范 圍 為107.75～199.60，平 均 值 為125.15。研究區(qū)域內(nèi)有78%的采樣點(diǎn)潛在生態(tài)風(fēng)險為輕微生態(tài)風(fēng)險水平，有22%的采樣點(diǎn)達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險水平，并且只有高速公路周邊的采樣點(diǎn)達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險水平。總體上研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險不高，高速公路、鐵路、城市主干道片區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)明顯高于村莊周邊區(qū)，這可能與汽車尾氣和粉塵影響有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）南水北調(diào)中線工程（鄭州市區(qū)段）沿線土壤樣品8 種重金屬中，Cd 和Hg 平均含量高于河南省表層土壤背景值，其他6 種重金屬平均含量均低于河南省表層土壤背景值，8 種重金屬平均含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）建設(shè)用地第一類用地土壤污染風(fēng)險篩選值，總體土質(zhì)較好。

（2）通過變異系數(shù)分析得出，Cd 和Hg 離散程度較高，分布不均勻，受周邊環(huán)境影響較大。Cu、Zn、Ni、Pb、Cr，離散程度較低，反映該元素分布相對較均勻，目前受人類活動干擾不明顯。

（3）從空間分布上來看，在高速公路與鐵路兩側(cè)Pb、Cd、Hg、Zn 含量明顯高于總體均值，在該區(qū)域有一定累積。As、Cr、Ni、Cu 含量整體處于較低水平，自西北至東南呈降低趨勢。

（4）8 種重金屬元素不同樣品單因子污染指數(shù)均遠(yuǎn)低于1，所有樣品8 種重金屬元素均沒有明顯污染；各樣品內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均小于0.7，所有點(diǎn)位的土壤均處于清潔水平；雖然8 種重金屬含量均未達(dá)到土壤環(huán)境污染篩選值，但Cd 和Hg 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)較高，高速公路片區(qū)RI＞150，達(dá)到多種重金屬中等生態(tài)風(fēng)險水平，后期要加強(qiáng)對Hg和Cd的持續(xù)監(jiān)測。