太原市污灌區(qū)土壤重金屬分布特征及風險評價

栗獻鋒

（山西省水利建設開發(fā)中心，山西太原030024）

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是與人類關系極為密切的環(huán)境介質，也是人類賴以生存的主要自然資源之一[1]。隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農用化學物質種類、數量的增加，土壤重金屬污染日益嚴重[2]。土壤重金屬污染具有污染物在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解及治理和恢復難度大等特點[3]。重金屬可經水、植物等介質最終影響人類健康。因此，加強對耕地土壤重金屬污染的調查和研究是當前進行農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護的重要方向，也是實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

太原污灌區(qū)是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區(qū)之一，長期污灌使土壤的性質發(fā)生了較大的變化。郭翠花等[4-6]于1995—1997年對太原市地表土中 Cu，Cd，Cr，Zn，Mn，Hg 和 As這7種元素的含量、分布規(guī)律、污染程度、污染原因進行了研究分析，得出Cu，Cd，Zn，Hg這4個元素的含量超過了中國土壤背景值，Cd污染最嚴重，污染面積達到100%。張乃明等[7-8]于1996—2000年對太原市污灌區(qū)土壤中的重金屬含量及空間分布特征進行了分析，結果表明，Hg，Cd含量在污灌區(qū)中部較高，分布在晉源區(qū)一帶。但是，到目前為止，對太原市大范圍的污灌區(qū)土壤重金屬積累的情況仍缺乏系統(tǒng)、全面的研究，對其土壤重金屬積累的動態(tài)變化情況至今仍缺乏了解。近年來，隨著環(huán)境保護措施的不斷完善和環(huán)保技術水平的不斷提高，污水中的重金屬水平已經發(fā)生明顯變化。污灌對土壤重金屬積累的動態(tài)影響目前仍有待研究。

本研究通過對太原市污灌區(qū)土壤重金屬的分布特征分析，用綜合污染法和潛在生態(tài)危害指數法評價污灌區(qū)內重金屬的潛在生態(tài)風險，結合當地背景值對分級標準進行了重新劃定，以使其更好地反映生態(tài)危害程度，為揭示太原市污灌區(qū)的污染特征及污染治理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 采樣區(qū)概況

太原市位于山西中部，東經 111°30′～113°09′，北緯 37°27′～38°25′，地勢南低北高，地形以山地丘陵為主，最高點海拔2 760 m，最低點海拔760 m。氣候屬中溫帶季風半干旱半濕潤氣候，年平均氣溫10.8℃，年日照時數2 550～2 870 h，年降雨量376.2 mm，無霜期170 d，河流分屬汾河流域。土壤類型以石灰性褐土和褐土性土為主。太原市的污水灌溉主要集中在清徐、小店、晉源和尖草坪區(qū)4個縣區(qū)。太原市污水灌溉始于20世紀60年代，其污灌區(qū)是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區(qū)之一，污灌區(qū)種植作物主要有水稻、玉米、小麥、蔬菜等。貫穿南北的汾河是太原市城市生活污水和工業(yè)廢水排放的總歸宿，各種污水和工業(yè)廢水經18條支流從東西兩側匯入其內，年排放量高達2.5億m3，污灌區(qū)以汾河水與污水混合灌溉為主。

1.2 樣品的采集

土樣于2008年4月采集，采樣點位按污水渠流向采用網格布點法布設，GPS定位，同時考慮污水水質、土壤類型、污灌歷史等因素，共布設150個0～20 cm表土采樣點，13個有代表性的0～100 cm深剖面點（每個點位分別設0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 共 5 層）。各區(qū)采樣點數量分布為：小店區(qū)，50個表土采樣點、4個分層采樣點；尖草坪區(qū)，15個表土采樣點、2個分層采樣點；晉源區(qū)，35個表土采樣點、3個分層采樣點；清徐縣，50個表土采樣點、4個分層采樣點（圖1）。布點后用土壤采樣器采取2 kg左右土壤編號登記后帶回實驗室進行預處理。

1.3 分析測試方法

土壤樣品風干后過0.149 mm尼龍篩，用HNO3-H2O2法（USEPA Method.3050B）消煮后測定 As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn 濃度；硝酸 - 鹽酸混合液（體積比1∶1）于沸水浴中消煮2 h后用于測定土壤中的Hg[9]。消煮液中Cd含量用石墨爐 - 原子吸收光譜法測定；Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn含量用火焰-原子吸收光譜法（AA240FSVAR IAN）測定；As，Hg含量用原子熒光法（AFS－3100雙道原子熒光光度計）測定。分析過程所用試劑均為優(yōu)級純。所有測定均由空白樣和加標回收樣進行質量控制，各種重金屬的回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

土壤重金屬污染評價標準采用《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）的二級標準和太原市土壤重金屬元素背景值，采用單項和綜合污染指數法、Hakanson潛在生態(tài)風險指數法分別對土壤重金屬污染進行評價[10]。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量分布

經監(jiān)測分析，太原市污灌區(qū)不同區(qū)域土壤中重金屬含量分布差別較大（表1），采用《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）中的二級標準進行對比分析。

由表 1 可知，Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量分別在 16.8～52.5，52.4～259.0，14.9～48.9，17.8～46.7，409.0～926.0，48.0～99.7，5.3～21.3，0.02～1.30，0.11～0.45 mg/kg范圍內，均未超過土壤環(huán)境質量二級標準。總體上，9種重金屬含量的均值大小依次為：Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。但從不同研究區(qū)域看，除重金屬Hg外，小店區(qū)的土壤其他重金屬含量較高，其余3個區(qū)域重金屬含量之間差異不大。清徐縣 Pb，Zn，Cu，Hg，Cd 均值最低，分別為 21.80，72.07，24.34，0.057，0.157 mg/kg。尖草坪區(qū) Ni，Mn均值最低，分別為29.81，626.13 mg/kg。重金屬Hg含量在晉源區(qū)為最大，因為晉源區(qū)分布有多家化工廠、太原市第一熱電廠、造紙廠、醫(yī)藥園區(qū)等企業(yè)，Hg污染除了與這些廠礦企業(yè)的高耗能有關外，工業(yè)三廢排放灌溉土壤也是Hg污染的重要來源；清徐縣為最小，兩地含量分別為0.161，0.057 mg/kg。

表1 太原市污灌區(qū)土壤重金屬含量特征 mg/kg

變異系數反映了總體樣本中各采樣點的平均變異程度[11]，其數值越大，土壤差異越大；反之，土壤差異越小。該區(qū)域變異系數分布在6.22%～129.83%之間，Hg的變異系數最大，達到135.20%，Cr的變異系數最小，為9.53%；平均變異系數由大到小的順序為：Hg，Cd，Zn，As，Cu，Pb，Ni，Mn，Cr。從土壤中重金屬的變異系數來看，除了Hg變異系數較高外，其他都較小，表明樣點重金屬指數值的平均變異程度均較小。

以相關元素背景值為評價標準，該標準是土壤環(huán)境質量評價最基本的依據之一，也是判別土壤污染程度與否的重要標準之一[10]。通過與太原市土壤重金屬背景值[11]比較（表 2），土壤 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量均極顯著高于背景值（P＜0.01）。其中，土壤Hg含量與背景值的差別最為明顯，其平均值為背景值的2.73倍，最高達到背景值的40倍左右；土壤Cd含量平均值為背景值的2.47倍，最小值為背景值的1.43倍。Pb，Cd 超標率為 100%，Zn，Cu，Mn，Cr，As 的超標率都在94%以上，Hg，Ni超標率分別為89%，72%?？梢?，由于工農業(yè)的發(fā)展和城市化的加快，常年使用污水灌溉，太原市污灌區(qū)土壤已表現出不同程度的重金屬累積現象。

表2 土壤重金屬含量平均值與太原市背景值比較 mg/kg

2.2 污染評價

分別用單項污染指數法和綜合污染指數法對重金屬污染現狀進行了評價，單項污染指數評價可以體現每一個評價指標的污染狀況，單項污染指數越高，對綜合污染指數的貢獻率和影響就越大。

綜合污染指數全面反映了各污染物對土壤污染的不同程度，并且充分考慮了高濃度物質對土壤環(huán)境質量的影響，其是單項污染指數評價法的綜合和改進。

單項污染指數評價法以單項因子實測含量（Ci，mg/kg）與其標準或背景值（C0，mg/kg）進行對比（Ci/C0），作為該因子的污染指數（Pi）。該指數小則表明污染物污染程度較輕，指數大則表示污染物污染程度較重[1]。本研究所用重金屬的背景值是根據文獻[11]選取（表2）。

綜合污染指數的算法有多種，一般采用內梅羅指數法Nemerow’s Pollution Index計算。內梅羅指數反映了各污染物對土壤的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質量的影響，評價公式為：

式中，Pave為單因子污染指數平均值，Pmax為污染指數最大值。

土壤污染評價等級劃分標準如表3所示。

表3 土壤污染評價分級標準

以相關元素背景值為評價參照標準，計算研究區(qū)域150個樣點表層土壤9種重金屬的單因子污染指數值和綜合污染指數值，分析結果列于表4。

表4 太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染評價

從表4可以看出，根據單項污染指數法和綜合污染指數法，土壤均受到重金屬污染。在研究區(qū)中的重金屬 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd的單項污染指數變化范圍分別為1.58～2.00，1.28～1.76，1.32～1.81，1.02～1.31，1.24～1.47，1.34～1.48，1.37～1.90，1.72～4.89，2.04～3.09；其均值分別為 1.81，1.49，1.54，1.14，1.35，1.40，1.64，2.74，2.42，均大于 1。太原市污灌區(qū)綜合污染指數均值為2.72，說明土壤受到重金屬中度污染。Hg和Cd的污染指數相對較高，對環(huán)境的污染也較大。太原市污灌區(qū)表層土壤重金屬的平均單因子污染指數從大到小依次為：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni。由綜合污染指數評價結果看，晉源區(qū)重金屬污染程度明顯高于清徐縣，而尖草坪區(qū)與小店區(qū)的污染程度相當，即晉源區(qū)＞尖草坪區(qū)＞小店區(qū)＞清徐縣。但也不排除外來因素對土壤重金屬的影響。

2.3 潛在生態(tài)風險評價

目前，土壤環(huán)境質量評價方法很多，但往往沒有將污染物與其生物毒性、生態(tài)危害有機地結合。潛在風險評價法可以彌補這一缺陷，潛在生態(tài)危害指數法是瑞典科學家Hankanson根據重金屬性質及環(huán)境行為特點，從沉積學角度提出的對土壤中重金屬污染評價的方法。該方法考慮了重金屬含量，將重金屬生態(tài)效應、環(huán)境效應與毒理學聯(lián)系在一起，采用等價屬性指數分級法評價，反映某一特定環(huán)境中各種污染物的影響和多種污染物綜合影響，定量劃分了潛在生態(tài)危害的程度。Hankanson提出的潛在生態(tài)危害指數法計算公式為：

式中，Cif為單一重金屬污染系數；CiD為樣品實測濃度（mg/kg）；CiR為土壤的背景參考值（mg/kg，采用太原市土壤背景值[11]）；Eir為某單個重金屬潛在生態(tài)危害系數；Tir為不同重金屬生物毒性響應系數；RRI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數值。Hankanson給出的重金屬毒性響應系數分 別為 Pb（5），Zn（1），Cu（5），Ni（5），Mn（1），Cr（2），As（10），Hg（40）和 Cd（30）。

重金屬污染潛在生態(tài)危害分級標準如表5所示。

表5 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標與分級情況

由表6可知，太原市不同污灌區(qū)土壤中Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As單因子潛在生態(tài)危害系數（Eir）均小于40，為輕度生態(tài)危害。尖草坪區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣污灌土壤中Cd單因子潛在生態(tài)危害系數（Eir）在40～80之間，為中度生態(tài)危害；小店區(qū)污灌土壤中Cd單因子潛在生態(tài)危害系數（Eir）在80～160之間，為較強生態(tài)危害。清徐縣污灌土壤Hg單因子潛在生態(tài)危害系數（Eir）在40～80之間，為中度生態(tài)危害；小店區(qū)和尖草坪區(qū)污灌土壤Hg為較強生態(tài)危害，晉源區(qū)污灌土壤Hg生態(tài)危害系數為195.57，為很強生態(tài)危害。研究區(qū)土壤重金屬含量多因子潛在生態(tài)危害指數（RI）在150～300之間，處于中度生態(tài)危害級別，其中，晉源區(qū)最高，小店區(qū)和尖草坪區(qū)相差不大，清徐縣為最小。

表6 潛在生態(tài)危害系數和危害指數

總體上，潛在生態(tài)風險最高的元素是Hg，反映了重金屬元素Hg對生態(tài)的毒性高于其他元素；其次是Cd的潛在生態(tài)危害系數相對較大，污染程度也較高；而 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As屬于輕微水平，平均生態(tài)危害系數從大到小為：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn。

3 結論與討論

（1）對太原市污灌區(qū)土壤重金屬 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg 和 Cd 的含量狀況及分布特征進行調查和研究，結果表明，該地區(qū)重金屬含量均值分別為 24.95，83.86，28.33，33.30，682.16，80.08，12.46，0.09，0.19 mg/kg，均未超過《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995），但其平均值均顯著高于太原市土壤背景值。

（2）太原市污灌區(qū)土壤重金屬單因子污染指數（Pi）值由大到小順序為：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni，單項生態(tài)危害系數（Eir）排序為：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn，說明Hg，Cd在構成土壤環(huán)境污染的同時，也構成了相應的生態(tài)危害。

農田土壤中重金屬的來源除受成土母質的影響外，主要受化肥農藥施用、大氣沉降和污水灌溉等人類活動的影響。造成太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染，尤其是Hg和Cd污染的主要原因，首先是工業(yè)排放廢水灌溉土壤，對土壤造成了不同程度的污染。如在污染最嚴重的晉源區(qū)主要分布有多家化工廠、太原市第一熱電廠、造紙廠、醫(yī)藥園區(qū)；尖草坪區(qū)有太原鋼鐵公司、太原第二熱電廠、山西新華化工廠、山西興安化學材料廠、東方機械廠、太原江陽化工廠、太原軌枕廠；小店區(qū)有太原橡膠廠、太原線織印染廠、山西針織廠和山西毛紡廠，這些廠礦企業(yè)的高耗能及工業(yè)三廢的排放是Hg，Cd和As污染的重要來源。其次是農業(yè)和化肥的大量使用。另外，Hg污染與汽車尾氣的排放也有很大關系。太原市污灌區(qū)土壤Hg污染程度較重，加之土壤Hg污染具有較強的累積性，所以應對其加以控制。

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