焦化廠周邊土壤重金屬分布特征及生態(tài)風(fēng)險評價

商執(zhí)峰，祝 方，劉 濤，陳 東

（太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

焦化生產(chǎn)過程中重金屬污染物會隨著產(chǎn)品的泄露、堆放、淋洗以及飛灰的沉降進(jìn)入土壤，對動植物的生長以及人類的健康造成潛在威脅，因此對焦化廠附近土壤中重金屬的調(diào)查研究對于保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)意義重大。目前對焦化廠土壤中重金屬的研究主要是張亦馳［1］和尹勇［2］等對焦化廠場地中重金屬空間分布進(jìn)行的研究，而對焦化廠土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價研究報道較少，因此需要借鑒其他土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價方法進(jìn)行研究。土壤中重金屬生態(tài)風(fēng)險評價的主要方法有Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法［3－4］、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法［5］、地累積指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法［6］和沉積物富集系數(shù)法。其中Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了多種重金屬的協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度、生態(tài)效應(yīng)以及環(huán)境對重金屬的敏感程度等因素，地累積指數(shù)法綜合考慮了人為因素、污染地球化學(xué)背景值等方面對重金屬污染程度的影響，適用于土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價。Sun Yuebing等［7］采用綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)對沈陽地區(qū)表層土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價進(jìn)行了研究，表明研究區(qū)域存在嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險，其中Pb和Cd對生態(tài)風(fēng)險的貢獻(xiàn)率較大；于云江等［8］采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對某流域農(nóng)田土壤中重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，結(jié)果表明該區(qū)域存在較嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險，Cd的風(fēng)險指數(shù)最高。此外，研究人員還通過模糊數(shù)學(xué)模型［9］、灰色聚類模型［10］和 GIS的地統(tǒng)計(jì)學(xué)評價模型［11－12］對土壤中的重金屬造成的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價。本研究對太原市某焦化廠周邊土壤3km范圍內(nèi)土壤表層采樣，研究了土樣中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度和空間分布，并采用單因子質(zhì)量指數(shù)法、地累積指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土樣中6種重金屬的生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇太原市某焦化廠（東經(jīng)112°47′，北緯37°84′）周邊土壤作為研究對象。該區(qū)域冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)或者是偏北風(fēng)。此焦化廠于1982年8月開工建設(shè)，1984年12月正式投產(chǎn)，占地面積約3.0×105m2。該廠年產(chǎn)城市煤氣1.5×108m3，冶金焦炭7.0×105t，焦油、輕苯、硫胺、粗酚等化工產(chǎn)品4.0×104t。投產(chǎn)至今，該焦化廠總計(jì)生產(chǎn)焦炭1.77×107t，生產(chǎn)城市煤氣近3.3×109m3。

1.2 土壤樣品的采集與處理

本研究采樣時間為2012年11月25號進(jìn)行，在太原市某焦化廠東、西、南和北4個方向上，在500，1 000和3 000m處表層土壤（0—20cm）各取3個土壤樣品，混合均勻后采用四分法取土壤樣品，將土壤樣品裝入無菌的采樣袋。去除土壤中的殘?jiān)?，風(fēng)干后研磨、過100目篩，樣品消解后采用原子吸收法對土壤中重金屬的含量進(jìn)行測定。所有樣品的測定過程通過空白試驗(yàn)和加標(biāo)回收試驗(yàn)兩種方法對樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，各種重金屬的加標(biāo)回收率均在國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

1.3 土壤樣品重金屬的生態(tài)風(fēng)險評價方法

本研究采用單因子指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對研究焦化廠附近土壤中重金屬的污染狀況及生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行綜合評價。

1.3.1 單因子指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法是以土壤元素背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)來評價某一種重金屬元素的累積污染程度，表達(dá)式為：

式中：Pi——土壤中重金屬i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci——重金屬i的實(shí)測濃度；Si——重金屬i的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［13］中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的臨界值。若Pi≤1.0，則土壤沒有受到人為污染；若Pi＞1.0，則土壤已受到人為污染，而且指數(shù)越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高。

1.3.2 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法是廣泛用于研究土壤和沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，綜合考慮了人為因素、污染地球化學(xué)背景值等方面的影響。其表達(dá)式為：

式中：Ci——重金屬i在土壤中的含量；Bi——該重金屬的地球化學(xué)背景值，本研究以太原市土壤中重金屬背景值為地球化學(xué)背景值［14］；k——考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數(shù)（一般取值為1.5）。地累積指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)與污染程度的劃分如表1所示。

表1 地累積指數(shù)法分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 Hakanso潛在生態(tài)危害指數(shù)法 Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法綜合考慮了多種重金屬的協(xié)同作用、毒性水平、污染濃度、生態(tài)效應(yīng)以及環(huán)境對重金屬的敏感程度等因素，適合于土壤和大區(qū)域范圍沉積物進(jìn)行評價比較。其表達(dá)式為：

表2 重金屬元素的參比值Cin以及毒性系數(shù)Tir

表3 重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中6種重金屬的分布特征與污染狀況

由焦化廠周邊土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的分布狀況分析得出，除Cu和Cr外，各方向Pb，Cd，Zn和Mn的含量均表現(xiàn)為：北部＞西部＞東部＞南部，1 000m處＞3 000m處＞500m處，而且所有采樣點(diǎn)中焦化廠1 000m處土樣中6種重金屬的含量均為最大值。結(jié)合土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的含量均未超過國標(biāo)中的相應(yīng)重金屬的臨界值，符合國家規(guī)定的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而Cd的含量為國標(biāo)Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)中Cd臨界值的2.1～7.2倍，使得焦化廠周邊土壤受到嚴(yán)重的Cd污染。

2.2 土壤重金屬Pb，Cd和Zn的富集系數(shù)

土壤的污染程度除了使用重金屬含量表征外，也可以用重金屬的富集系數(shù)Cif即污染系數(shù)表征其污染程度。圖1為焦化廠周邊土壤各采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的富集系數(shù)。圖1中可以看出，焦化廠周邊土壤中6種重金屬的富集系數(shù)大小順序?yàn)椋篊d＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn。所有采樣點(diǎn)中 Mn的富集系數(shù)均小于1；Cd，Pb，Zn，Cr和Cu分別在100%，91.7%，50%，16.7%，75%采 樣 點(diǎn) 中的富集系數(shù)大于1，說明在焦化廠3km的范圍土壤受到的不同程度的人為污染。在東南西北方向的土樣中焦化廠北面1 000m處Pb，Cd，Cr和Mn的富集系數(shù)為最大，東面1 000m處Zn和Cu的富集系數(shù)最大，即重金屬在焦化廠1 000m處存在較嚴(yán)重富集，特別是焦化廠北1 000m處Cd的富集最為嚴(yán)重，導(dǎo)致此處土壤受到的人為污染也最嚴(yán)重。

圖1 不同土壤采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的富集系數(shù)

2.3 單因子指數(shù)法評價法

表4反映了焦化廠周邊采樣點(diǎn)土壤中6種元素的單因子指數(shù)，各采樣點(diǎn)土壤中各元素的單因子指數(shù)Pi值表現(xiàn)為：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn，100%采樣點(diǎn)中Pb，Zn，Mn和Cu的Pi值小于1，Cr和Cd分別在16.7%和100%的采樣點(diǎn)中的Pi值大于1，而且1 000m處采樣點(diǎn)土壤中各元素的Pi值均為最大，同時各方向的采樣點(diǎn)中Pb，Cd和Zn的Pi值表現(xiàn)為：北部＞西部＞東部＞南部，1 000m處＞3 000m處＞500m處?？梢?，焦化廠北面1 000m受到的重金屬污染較為嚴(yán)重，而且此處Cd的富集系數(shù)和單因子指數(shù)均為最大，導(dǎo)致此處重金屬污染最為嚴(yán)重。焦化廠土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度依次為：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn。

2.4 地累積指數(shù)法（Mull指數(shù)）評價

表5為不同采樣點(diǎn)土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的地累積指數(shù)（Igeo）。采樣區(qū)土壤中6種重金屬的地累積指數(shù)大小依次為：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Mn。土壤所有采樣點(diǎn)中Zn，Cr，Cu和Mn的地累積指數(shù)小于0，生態(tài)風(fēng)險等級為0級，無生態(tài)風(fēng)險；50%的采樣點(diǎn)中Pb的地累積指數(shù)在0～1之間，生態(tài)風(fēng)險等級為1級，存在輕微的生態(tài)風(fēng)險；100%的采樣點(diǎn)土壤中Cd的地累積指數(shù)均在2～4之間，風(fēng)險級別為3～4，其中風(fēng)險級別為3的采樣點(diǎn)數(shù)占75%，風(fēng)險級別為4的采樣點(diǎn)數(shù)占25%，即焦化廠北1 000和3 000m和西面1 000m處Cd的風(fēng)險級別為4，存在偏重度累積。結(jié)合圖2和表4可知，在焦化廠北1 000m處Cd在土壤中的累積程度最大，對土壤的污染也最嚴(yán)重。

表4 土壤采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的單因子指數(shù)Pi

表5 采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu、Cr和 Mn的地累積指數(shù)（Igeo）以及風(fēng)險等級

2.5 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價

焦化廠周邊土壤中不同采樣點(diǎn)中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態(tài)危害指數(shù)詳見表6。由表6可得，焦化廠周邊3km范圍內(nèi)所有樣點(diǎn)土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)和風(fēng)險程度依次為：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，1 000m＞3 000m＞500m。所有采樣點(diǎn)的土壤中Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態(tài)危害系數(shù)均低于40，風(fēng)險級別為A級，存在極低的潛在生態(tài)風(fēng)險；而所有采樣點(diǎn)土壤中Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)均大于160，風(fēng)險級別為D級和E級，存在嚴(yán)重和極嚴(yán)重的潛在生態(tài)危害，其中75%的采樣點(diǎn)存在嚴(yán)重的潛在生態(tài)危害，25%的采樣點(diǎn)存在極嚴(yán)重的潛在生態(tài)危害。

表6 采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態(tài)危害系數(shù)（）以及潛在生態(tài)危害指數(shù)RI

表6 采樣點(diǎn)中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態(tài)危害系數(shù)（）以及潛在生態(tài)危害指數(shù)RI

注：風(fēng)險級別A，B，C，D和E分別表示低、中等、重、嚴(yán)重和極嚴(yán)重潛在生態(tài)風(fēng)險。

采樣點(diǎn)位置Zn級別500 0.79 A 4.85 A 188.69 D 1.67 A 4.85 A 0.073 A 200 Pb Cd Cr Cu Mn Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別 RI.89 B東部 1 000 1.31 A 7.28 A 283.15 D 1.43 A 6.69 A 0.083 A 299.90 B 3 000 1.12 A 6.68 A 235.94 D 1.32 A 5.22 A 0.019 A 250.26 B 500 0.92 A 6.07 A 188.81 D 1.54 A 4.92 A 0.075 A 202.34 B西部 1 000 1.25 A 7.28 A 471.78 E 1.26 A 5.59 A 0.099 A 487.25 C 3 000 0.96 A 6.68 A 283.18 D 1.04 A 4.99 A 0.084 A 296.91 B 500 0.75 A 5.46 A 235.87 D 1.72 A 4.63 A 0.089 A 248.54 B南部 1 000 1.30 A 7.28 A 283.15 D 2.05 A 5.81 A 0.091 A 298.85 B 3 000 0.98 A 5.46 A 188.75 D 1.86 A 5.44 A 0.080 A 202.58 B 500 0.98 A 7.29 A 283.24 D 1.84 A 5.81 A 0.085 A 299.24 B北部 1 000 1.29 A 9.62 A 654.48 E 2.22 A 6.17 A 0.100 A 673.89 D 3 000 1.23 A 8.48 A 565.23 E 1.97 A 5.96 A 0.086 A 582.92 C RI 12.88 69.69 1 449.95 19.92 66.08 0.929 Cd生態(tài)風(fēng)險達(dá)A A E A A A 到嚴(yán)重程度級別

從采樣點(diǎn)土壤中單一重金屬的角度分析可得，焦化廠周圍土壤中6種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)大小順序依次為：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，除Cd外其余5種重金屬產(chǎn)生潛在生態(tài)風(fēng)的程度險極低。所有土樣中Cd的風(fēng)險級別均在D級以上，存在嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險。在焦化廠西1 000m、北1 000和3 000m處土樣中Cd的風(fēng)險級別甚至達(dá)到了E級，存在極嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險；綜合6種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)分析可知，在焦化廠3km的范圍內(nèi)東、西、南和北方向上的6種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)分別為751.05，986.50，749.97和1 556.05，潛在風(fēng)險級別為嚴(yán)重、嚴(yán)重、嚴(yán)重和極嚴(yán)重風(fēng)險，說明該研究區(qū)域土壤中重金屬存在嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險，而且在焦化廠北重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險達(dá)到極嚴(yán)重的程度，需要重點(diǎn)治理。在焦化廠土壤如此嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險中，Cd導(dǎo)致的生態(tài)風(fēng)險程度（貢獻(xiàn)率）分別占94.24%，95.87%，94.37%和93.18%，可見 Cd是該區(qū)域中產(chǎn)生潛在生態(tài)風(fēng)險的主導(dǎo)因子。

3 結(jié)論

（1）焦化廠周邊土壤中重金屬Cd含量超過（GB15618—1995）Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，其余5種元素未超過其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，而且各重金屬含量均在焦化廠1 000m處達(dá)到最大值。

（2）焦化廠周圍土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險程度達(dá)到嚴(yán)重的程度，特別是焦化廠北面存在極嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險，其中Cd是產(chǎn)生風(fēng)險的主導(dǎo)因子，應(yīng)該對焦化廠北面進(jìn)行重點(diǎn)治理。

［1］ 張亦弛，于玲紅，王培俊，等.某焦化生產(chǎn)場地典型污染物的垂向分布特征［J］.煤炭學(xué)報，2012，37（7）：1211-1218.

［2］ 尹勇，戴中華，蔣鵬，等.蘇南某焦化廠場地土壤和地下水特征污染物分布規(guī)律研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（8）：1525-1531.

［3］ Fang Shubo，Jia X B，Yang Xiaoying，et al.A method of identifying priority spatial patterns for the management of potential ecological risks posed by heavy metals［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，237：290-298.

［4］ 楊凈，王寧.夾皮溝金礦開采區(qū)土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險評價［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2013，32（3）：595-600.

［5］ 陳濤，常慶瑞，劉京，等.長期污灌農(nóng)田土壤重金屬污染及潛在環(huán)境風(fēng)險評價［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31（11）：2152-2159.

［6］ Mohammad A H B，Parvez L，Islam M A，et al.Heavy metal pollution of coal mine-affected agricultural soils in the northern part of Bangladesh［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，173（1／3）：384-392.

［7］ Sun Yuebing，Zhou Qixing，Xie Xiaokui，et al.Spatial，sources and risk assessment of heavy metal contamination of urban soils in typical regions of Shenyang，China［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，174（1／3）：455-462.

［8］ 于云江，胡林凱，楊彥，等.典型流域農(nóng)田土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險評價［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2010，23（12）：1523-1527.

［9］ Li Weixin，Zhang Xuxiang，Wu Bing，et al.A comparative analysis of environmental quality assessment methods for heavy metal-contaminated soils［J］.Pedosphere，2008，18（3）：344-352.

［10］ 何廳廳，趙艷玲，李建華，等.基于GCM＿CB模型的土壤重金屬污染評價［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2012，6（10）：3781-3786.

［11］ Wang Meie，Bai Yanying，Chen Weiping，et al.A GIS technology based potential eco-risk assessment of metals in urban soils in Beijing，China［J］.Environmental Pollution，2012，161：235-2422.

［12］ 張直，曹英蘭，蔡超，等.基于GIS的菜園土壤重金屬空間分布及其風(fēng)險評［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2013，13（1）：129-133.

［13］ 環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［14］ 吳啟祥，陳陽.太原市土壤重金屬元素背景值研究［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1988，8（2）：205-211.

［15］ 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：112-115.

［16］ 魏復(fù)盛，陳靜生，吳燕玉，等.中國土壤環(huán)境背景值研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1991，12（4）：12-20.