長春市建成區(qū)土壤重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王天欣，陸繼龍，趙威，劉洋，李彤，來雅文

吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

城市土壤對(duì)城市的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)具有重要作用，在城市的可持續(xù)發(fā)展中扮演著重要的角色[1--3]。在城市化和工農(nóng)業(yè)的極速發(fā)展進(jìn)程中，城市土壤重金屬的污染情況越來越嚴(yán)重，給城市生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來了極大的危害[4--6]，近年來，城市土壤重金屬的污染情況受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，并且對(duì)此展開了研究。1980年，瑞典環(huán)境學(xué)家Hakanson[7]提出了潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，此方法結(jié)合應(yīng)用毒理學(xué)及重金屬生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面，使重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫程度表現(xiàn)的更加直觀。楊忠平等[8]對(duì)于長春市城區(qū)表層土壤重金屬污染來源進(jìn)行解析。沈夢(mèng)楠等[9]對(duì)長春市不同功能區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

長春市是中國重要的工業(yè)城市、東北亞經(jīng)濟(jì)中心城市，是中國綜合交通樞紐。其擁有的大型企業(yè)經(jīng)營范圍多樣，例如一汽集團(tuán)、熱電廠、機(jī)械廠、建材廠和塑料廠等企業(yè)，這些工業(yè)雖然帶動(dòng)了長春市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時(shí)也給長春市帶來了巨大的環(huán)境問題。因此，為了解長春市建成區(qū)土壤重金屬含量分布情況并對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，筆者以長春市建成區(qū)表層土壤為研究對(duì)象，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法等方法，對(duì)土壤中7種重金屬(As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的污染特征及土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分析，并且利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)長春市建成區(qū)土壤存在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)城市建設(shè)的規(guī)劃、人類健康的保障、城市環(huán)境質(zhì)量的改善等提供參考。

1 研究區(qū)概況

長春市是吉林省省會(huì)，位于吉林省的中北部，總面積為20 593.14 km2，其中建成區(qū)面積為660.19 km2。長春市位于東北交通的網(wǎng)絡(luò)中心，處于遼、吉、黑、內(nèi)蒙古4省區(qū)通衢的十字要沖。長春市作為老重工業(yè)基地，工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，擁有一汽集團(tuán)和長春客車廠等多家大中型企業(yè)，工業(yè)體系主要為機(jī)械制造業(yè)，同時(shí)兼?zhèn)涫称贰⑨t(yī)藥和光電等眾多工業(yè)：蓄電池廠、有色金屬加工廠、機(jī)械廠、熱電廠、印刷廠和小型鋼廠等。長春市建成區(qū)土壤類型主要為黑鈣土、黑土及暗棕壤等，土質(zhì)較肥沃。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與測(cè)試

筆者以長春市建成區(qū)為研究區(qū)域，嚴(yán)格按照規(guī)范[10]要求對(duì)長春市建城區(qū)土壤樣品進(jìn)行采集。采樣點(diǎn)的布點(diǎn)方法采用網(wǎng)格化均勻的分布方法，以 1個(gè)點(diǎn)/4 km2設(shè)點(diǎn)，取地表0～20 cm的土壤，共取得156個(gè)土壤樣品，采樣點(diǎn)分布圖如圖1所示。用鏟子取1 kg±土壤樣品放置于布袋內(nèi)寫好標(biāo)簽，置于室內(nèi)背光處自然風(fēng)干，風(fēng)干后取出樣品，剔除植物殘?bào)w和石塊，磨碎并過100目篩，用四分法取出100 g作為待測(cè)樣品[11--13]。

圖1 樣品采集點(diǎn)在長春市建成區(qū)的分布Fig.1 Distribution of sample collection points in built-up area of Changchun City

采用環(huán)保部HJ830—2016推薦方法[14]進(jìn)行土壤樣品的重金屬測(cè)定。測(cè)試分析As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等7種重金屬的含量，各元素均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP--MS)測(cè)定。試驗(yàn)中所用到的As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的標(biāo)準(zhǔn)溶液購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。其余藥品購于北京化學(xué)研究所，均為優(yōu)級(jí)純，用王水(鹽酸--硝酸溶液)浸泡玻璃器皿和塑料器皿24 h，再用超純水洗滌。實(shí)驗(yàn)過程中均設(shè)置空白樣品，且在分析過程中利用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS--1)進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

本文采用單因子污染指數(shù)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[15--16]兩種污染評(píng)價(jià)方法，結(jié)合當(dāng)前工作所得長春市建成區(qū)土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，對(duì)長春市建成區(qū)進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，污染評(píng)價(jià)方法計(jì)算公式為：

(1) 單因子污染指數(shù)法

(1)

式中：Pi表示單因子污染指數(shù)，Ci表示重金屬i的實(shí)際測(cè)量濃度；Si表示各元素土壤環(huán)境背景值，本研究選用吉林省土壤重金屬元素的平均背景值[17]作為污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將污染程度標(biāo)準(zhǔn)分為：Pi≤1，沒有受到污染；13，污染程度為重度。

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

(2)

式中：Pi為第i個(gè)土壤樣品點(diǎn)的單因子污染指數(shù)值，Pimax表示為單因子污染指數(shù)值的最大值，n表示長春市建成區(qū)土壤樣品點(diǎn)的數(shù)量，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[18--20]評(píng)價(jià)其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式為：

(3)

表2 重金屬污染潛在生態(tài)危害指數(shù)法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤重金屬含量特征分析

統(tǒng)計(jì)分析長春市建成區(qū)表層土壤重金屬的含量(表3)，可以看出重金屬As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni這7種重金屬的平均含量依次為28.63、0.11、33.34、124.75、22.19、48.33和23.19 mg/kg。As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的平均含量分別是吉林省土壤背景值的3.58、1.15、1.16、2.67、1.30和0.60倍，其中Cd、Pb、Zn、Ni的平均含量與吉林省土壤背景值差別不大，As、Cr的平均含量遠(yuǎn)超過吉林省土壤背景值。Pb、Cu、Zn這3種重金屬中均出現(xiàn)了極端異常值，說明長春市建成區(qū)表層土壤重金屬的含量及其分布情況受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重，并且不同區(qū)域間重金屬含量有明顯的差異。土壤變異系數(shù)可表示長春市表層土壤樣品中采樣點(diǎn)的變異程度，各金屬的變異系數(shù)可劃分成以下3個(gè)層次: Pb、Cu的變異系數(shù)超過100%，Cd、Zn、Cr的變異系數(shù)為50%～100%，As、Ni的變異系數(shù)<50%，反映不同地點(diǎn)的Pb、Cu、Cd、Zn、Cr含量均有較大的差異，各采樣點(diǎn)As、Ni分布相對(duì)較集中。7種重金屬元素變異系數(shù)大小依次是Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>As>Ni，其中Pb的變異系數(shù)最高，達(dá)184%，說明重金屬Pb含量空間分布差異最大，存在區(qū)域異常點(diǎn)。

表3 長春市建成區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)

3.2 土壤重金屬污染特征和空間分布

采用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，表4、表5為數(shù)據(jù)計(jì)算分析結(jié)果。長春市建成區(qū)表層土壤中各重金屬單因子指數(shù)值依次為As>Cr>Cu>Cd>Pb>Ni>Zn。除Ni外均出現(xiàn)了污染樣點(diǎn)，As、Cr、Cd、Pb、Cu、Zn的污染樣點(diǎn)分別占長春市建成區(qū)總面積的59.62%、42.95%、3.85%、2.56%、1.92%、1.28%(表4)，重金屬As、Cr、Cd、Pb的環(huán)境質(zhì)量分布情況如圖2 所示，其中As元素污染樣點(diǎn)占長春市建成區(qū)總面積最大(圖2a)，污染形成可能與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。

表4 長春市建成區(qū)土壤重金屬單因子評(píng)價(jià)指數(shù)

內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)顯示(表5)，長春市建成區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)中清潔、安全狀態(tài)約占長春市建成區(qū)總面積的6.41%和21.15%，警戒狀態(tài)約占25.64%，污染狀態(tài)約占46.79%，受污染面積相對(duì)較大(圖3)。達(dá)到污染狀態(tài)區(qū)域分布在長春市建城區(qū)的南部地區(qū)，在這些污染較嚴(yán)重區(qū)域內(nèi)分布著眾多的工業(yè)企業(yè)，如第二污水廠、一汽集團(tuán)、護(hù)欄廠、熱電廠、能源研究所、電池公司和機(jī)械廠等，對(duì)長春市建成區(qū)土壤重金屬的含量產(chǎn)生影響。

表5 長春市建成區(qū)表層土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量各等級(jí)面積的百分比

(a)As；(b)Cr；(c)Cd；(d)Pb。圖2 As，Cr，Cd和Pb元素污染評(píng)價(jià)結(jié)果空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of assessment results of As,Cr,Cd and Pb element pollution

圖3 長春市建成區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of soil environmental quality in built-up area of Changchun City

3.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)長春市建成區(qū)表層土壤重金屬污染程度，選擇吉林省土壤背景值[17]為參考，以反映區(qū)域間的差異性。長春市建成區(qū)表層土壤重金屬單一潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大小依次為As(36.03)>Cd(34.86)>Cu(6.49)>Pb(5.79)>Cr(5.46)>Ni(2.17)>Zn(0.60)，整體危險(xiǎn)程度為輕微污染，重金屬As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)普遍較高(表6)。長春市建成區(qū)表層土壤重金屬中Cd最高,潛在生態(tài)危險(xiǎn)達(dá)到很強(qiáng)的生態(tài)危害，占長春市建成區(qū)面積的1.28%，并且其潛在生態(tài)危害指數(shù)的最大值達(dá)到283.97，是土壤重金屬中污染較為嚴(yán)重的元素(表7)。這7種重金屬元素在長春市建成區(qū)土壤重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)的平均值為90.83，生態(tài)危害級(jí)別為輕微生態(tài)危害。土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯示(表7)，重金屬Cr、Zn、Ni 全部樣點(diǎn)為輕微生態(tài)危害，重金屬Cu、Pb為0.64%樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)危害，重金屬Cd強(qiáng)生態(tài)危害、很強(qiáng)生態(tài)危害的百分比分別為4.49%和1.28%，這7種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小，整體為輕微生態(tài)危害。

表6 長春市土壤重金屬元素潛在生態(tài)危害指數(shù)

表7 長春市建成區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量各等級(jí)面積比

綜合長春市建成區(qū)表層土壤重金屬所存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，長春市建成區(qū)土壤中污染程度達(dá)到輕微、中等和強(qiáng)生態(tài)危害所占的百分比分別為94.23%、4.49%、1.28%，可知長春市建成區(qū)大部分區(qū)域存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，只有少數(shù)區(qū)域存在強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布見圖4。其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高區(qū)域主要分布在長春市建成區(qū)的中部地區(qū)，這些潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高區(qū)域內(nèi)分布著若干工廠：護(hù)欄廠、建筑工地、建材市場、熱電廠、第二污水廠、生物制藥所、材料市場和塑料廠等，這些污染源會(huì)對(duì)長春市建成區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量造成不同程度的影響，其形成可能與工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)。

圖4 長春市建成區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)空間分布Fig.4 Spatial distribution of RI of soil heavy metals in built-up area of Changchun City

4 結(jié)論

(1)長春市建成區(qū)土壤重金屬除Zn外各元素的平均含量均高于吉林省土壤背景值，Pb、Cu、Zn出現(xiàn)了極端異常值，區(qū)域差異明顯；平均變異程度依次為Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>As>Ni，其中Pb的變異系數(shù)最高，達(dá)184%，不同區(qū)域Pb的含量有較大差異。

(2)通過單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)可知，重金屬污染程度為As>Cr>Cu>Cd>Pb>Ni>Zn，其中Zn、Cd、Pb主要為清潔狀態(tài)，Cu、Ni主要為安全狀態(tài)，As、Cr主要為污染狀態(tài)，且As元素污染樣點(diǎn)占長春市建成區(qū)總面積最大。通過內(nèi)梅羅綜合污染評(píng)價(jià)可知，長春市建成區(qū)整體有較大面積受到污染，受污染地區(qū)的產(chǎn)生可能與工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)有關(guān)。

(3)通過潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果可知，這7種重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小，整體為輕微生態(tài)危害，部分樣點(diǎn)中重金屬Cd達(dá)到很強(qiáng)生態(tài)危害程度，是最重要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子，其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高區(qū)域主要分布在長春市建成區(qū)的中部及南部地區(qū)，區(qū)域內(nèi)分布著眾多工廠，其形成可能與工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)有關(guān)。