四平市典型工業(yè)區(qū)土壤重金屬監(jiān)測及生態(tài)風險評價

劉 鳳，關月明，車廣波，楊春維

(1.吉林師范大學 吉林省高校環(huán)境材料與污染控制重點實驗室，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學 環(huán)境科學與工程學院，吉林 四平 136000)

隨著工業(yè)“三廢”排放的增加，土壤中重金屬不斷累積，不僅阻礙了作物的生長，甚至危及人類健康，影響社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤重金屬污染與工業(yè)企業(yè)排放密切相關，研究工業(yè)區(qū)土壤重金屬的污染情況，給政府進行工業(yè)園區(qū)規(guī)劃提供科學依據(jù)[2]。區(qū)域土壤重金屬污染的調(diào)查與評價已成為目前環(huán)境領域的研究熱點[3]。常用的土壤生態(tài)風險評價方法主要有內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法等。這些評價方法能夠直觀反映土壤污染物空間變化趨勢和污染程度，根據(jù)實際情況可以將多種方法進行綜合使用，從而有效解決土壤生態(tài)風險評價中的實際問題[4]。

本研究結合四平市地區(qū)經(jīng)濟及產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點，以某化工廠作為研究對象，對土壤中重金屬進行檢測分析，并對重金屬污染進行生態(tài)風險評價，以期為土壤重金屬污染控制提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與測定

四平是東北地區(qū)重要的交通樞紐和物流節(jié)點城市。地勢東南高，西北低，城區(qū)被北、東、南丘陵環(huán)繞，形成箕形盆地，“簸箕口”朝西。集合四平的地形地貌及化工廠的具體情況，總體上采用格網(wǎng)布點的方法。土壤重金屬樣品采集按照《NYT 1121.1-2006土壤檢測第1部分: 土壤樣品的采集、處理和貯存》方法進行采集和貯存。每個樣品由4 m×4 m范圍內(nèi)采集的5個等容小樣均勻混合而成。每個樣點垂直采集0～20 cm表層土壤，混合后裝入聚乙烯袋內(nèi)。土壤樣品約為1 kg，貼簽后運回實驗室備用。

1.2 樣品處理與分析

按照HJ/T 166-2004 和GB 17378.5-2007 標準的要求，將樣品進行風干、研磨至100目，避開其他可能污染物。準確稱量0.2 g土壤于坩堝中，經(jīng)HCl-HF- HClO4消解后，采用火焰原子吸收分光光度法對鎘、銅、鉛、鋅4種重金屬進行測定，所有試劑均選用優(yōu)級純，水為超純水。為了保證分析的精度和準確度，測定3次取平均值。pH值測定時先將土樣與去離子水按質(zhì)量比1∶2.5進行混合，然后用pH計進行測定。測試過程嚴格按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 166-2004)中相關規(guī)定進行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 軟件和SPSS 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量的分析

土壤 pH值在5.87～7.01之間，大部分采樣區(qū)土壤 pH值低于7.0，表明工業(yè)區(qū)土壤呈酸性，這可能與化工生產(chǎn)中排放大量的酸性物質(zhì)有關。Zn，Cd，Cu和Pb含量均值是吉林省土壤背景值的1.16倍，2.11倍，1.92倍和18.42倍，分別是中國土壤背景值的1.06倍，2.70倍，1.45倍和17.30倍(表1)。不同元素超出背景值的程度不同，重金屬含量與背景值比值大小依次為 Pb>Cd>Cu>Zn。

與相關的標準相比較，Pb的含量均超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準值二級(GB15618-1995)和第一類建設用地土壤污染風險篩選值，未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準值三級(GB15618-1995)和第二類建設用地土壤污染風險篩選值，Zn，Cd和Cu三種重金屬的含量均未超標。對建設用地土壤中污染物含量超過風險篩選值的，應當開展進一步的詳細調(diào)查和風險評估，并結合規(guī)劃用途，判斷是否需要開展風險管控或治理修復。

變異系數(shù)可以表征數(shù)據(jù)的離散程度，變異系數(shù)越大，表明土壤重金屬分布受到干擾活動越強[7]。4種重金屬平均變異程度大小順序為Cu>Pb>Cd>Zn，其中 Cu和Pb的變異系數(shù)均在 0.4 以上，說明研究區(qū)這 2 種元素相對于其他重金屬來說具有更強的空間變異性，更易受到人類活動的影響。

表1 工業(yè)區(qū)土壤重金屬含量(mg/kg)

2.2 重金屬的風險評價

2.2.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

通過計算單因子污染指數(shù)來確定重金屬在土壤中的污染程度[5]。計算公式為：

Pij=Cij/Sj

式(1)

式中：Pij—污染指數(shù)；

Cij—污染物的測量值，mg/kg；

Sj—評價標準。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)是一種兼顧平均值或突出最大值的計權型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，可以綜合反映出不同污染物在土壤中的污染程度。計算公式為[6]：

式中：P—綜合指數(shù)；

Pmax—最大單項污染指數(shù)值；

Pavg—所有污染物單項指數(shù)平均值。

分級標準見表2。

表2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級標準

統(tǒng)計結果顯示，Zn的污染指數(shù)為0.7，污染水平為尚清潔，Cu和Cd的污染指數(shù)分別為1.1和1.2，這兩種重金屬超過背景值，三種重金屬污染程度達到警戒限，而Pb的污染指數(shù)為15.0，達到了重污染的程度。

2.2.2 地累積指數(shù)評價法

地累積指數(shù)由Muller于20世紀60年代提出，也稱Muller指數(shù)。該方法考慮自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，也考慮人類活動過程產(chǎn)生的重金屬影響，直觀反映外源重金屬富集程度[7]。計算公式為：

Igeo=log2(Cn/KBn)

式(3)

式中，Cn為重金屬實測值，mg/kg；

k為修正系數(shù)，一般取1.5；

Bn為背景值。地累積指數(shù)分為7級，分級情況見表3。

表3 地累積指數(shù)(Igeo)分級情況

通過公式計算后得出(表4)，鉛為中度污染，其他三種重金屬地累積指數(shù)等級均為清潔。該方法缺點是不能判別重金屬對生物的毒性以及對生態(tài)環(huán)境的危害程度。因此，需要運用其他方法來進一步評價重金屬對生態(tài)環(huán)境的危害。

表4 重金屬地累積指數(shù)(Igeo)

2.2.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

瑞典科學家Hakanson 應用沉積學原理，提出了潛在生態(tài)風險指數(shù)[8]，該方法將重金屬含量與生態(tài)及毒理效應聯(lián)系在一起，有效的體現(xiàn)了重金屬的潛在生態(tài)危害程度[9]。其公式為(4)和(5)。

RI—潛在生態(tài)危害指數(shù)。

生態(tài)危害程度劃分標準：

由表5可得出，Cu、Zn、Cd均為輕微生態(tài)危害，Pb的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高值為187.0344，對環(huán)境具有很強生態(tài)危害，在以后的生產(chǎn)活動中要采取適當?shù)娘L險管控和污染源管理措施。

表5 重金屬的單項和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)

3 結論

四平市典型工業(yè)區(qū)土壤pH值在5.87～7.01之間，大部分采樣區(qū)土壤pH值低于7.0，表明土壤呈酸性，這可能與化工生產(chǎn)中排放大量的酸性物質(zhì)有關。不同重金屬元素超出背景值的程度不同，重金屬含量與背景值比值大小依次為 Pb>Cd>Cu>Zn。Zn污染水平為尚清潔，Cu和Cd的污染超過背景值，三種重金屬污染程度達到警戒限，而Pb達到了重污染的程度。Cu、Zn、Cd均為輕微生態(tài)危害，Pb的潛在生態(tài)危害指數(shù)最高值為187.0344，對環(huán)境具有很強生態(tài)危害，因此研究區(qū)需要根據(jù)評價等級，制定相應降低生態(tài)風險的防治措施，從源頭上減少有害重金屬元素的生物有效性。