貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤重金屬垂向分布特征及風險評價*

蔡雄飛 趙 帥 王 濟# 宣 斌 趙士杰 張 帥

(1.貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550025)

經濟高速發(fā)展所帶來的土壤重金屬污染問題日趨嚴重，對人體健康造成了嚴重威脅。對于貴州省農用土地資源匱乏的山區(qū)而言，其獨特的喀斯特地貌由于利于重金屬的遷移擴散，具有載荷量小、遷移速度快、波及范圍較廣、治理困難和危害性強等特點。貴陽市白云區(qū)就屬于典型的喀斯特地貌地區(qū)，區(qū)域內鋁生產歷史久遠，為貴州省的社會經濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但在生產過程中排放的廢棄物也給鋁廠周邊耕地土壤帶來了重金屬污染。

前人對貴陽市白云區(qū)表層土壤的重金屬污染水平、富集程度和風險水平等已有相關報道[1-5]，而對貴陽市白云區(qū)土壤重金屬垂向分布特征及其風險評價的研究還較少。影響土壤重金屬垂向分布的因素很多，與成土母質和人為活動都有密切關系，而且貴陽市白云區(qū)地下水資源豐富，土層較薄，土壤中的重金屬垂向遷移可能會導致地下水受到污染，所以對于垂向分布特征的研究也不應忽視。確定重金屬污染后可對土壤重金屬污染程度進行風險評價，更有助于了解其對生態(tài)環(huán)境的危害[6-8]。

本研究以貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地為研究對象，分析其土壤垂直剖面樣品的理化性質和8種重金屬(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)的分布特征，根據(jù)相關性分析判斷重金屬之間的同源性，并利用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行污染風險評價。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在貴陽市白云區(qū)某始于20世紀60年代、規(guī)模較大鋁廠周邊選擇了兩個耕地土壤垂直剖面，分別記為LY(106°38′33″E，26°43′6″N)和BN(106°41′22″E，26°43′11″N)，采樣剖面由表層至底層每間隔10 cm采集1個樣品，每個剖面采集了10個樣品。

1.2 樣品分析

采集好的土壤樣品帶回實驗室后，去除雜質，置于牛皮紙上，鋪平后利用木錘敲碎較大塊狀土壤，避免發(fā)生膠結，室溫自然風干，研磨過篩后裝于封口袋中保存。pH測定采用電位法(水土質量比為2.5∶1.0)；土壤有機質(SOM)測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤顆粒分布使用馬爾文激光粒度分析儀(Mastersizer-2000)測定；含水率根據(jù)《土壤水分測定法》(NY/T 52—1987)測定；重金屬Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn使用火焰原子吸收分光光度計(GGX-800)測定；重金屬As和Hg使用原子雙道熒光光度計(AFS-230E)測定。

所有樣品扣除樣品空白，每10個樣品設1個平行樣品，平行樣品測定結果的標準偏差控制在5%以內，同時標準物質GBW07403(GSS-3)符合質控要求。實驗用水均為超純水，玻璃儀器和聚四氟乙烯坩堝在HNO3(體積分數(shù)20%)中浸泡12 h后使用。

1.3 土壤重金屬污染風險評價方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法[9]通常可根據(jù)地累積指數(shù)(Igeo)取值，對重金屬污染風險進行評價，本研究利用貴陽市土壤重金屬背景值[10]計算Igeo，計算公式見式(1)，風險分級見表1。

表1 地累積指數(shù)與重金屬污染風險分級

(1)

式中：C為重金屬的質量濃度，mg/kg；B為重金屬的背景值，mg/kg。

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)法可以評價重金屬的生態(tài)危害情況，定量劃分重金屬潛在生態(tài)危害程度，單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)(E)計算公式見式(2)。多種重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(RI)由各單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)加和得到。重金屬潛在生態(tài)風險等級根據(jù)表2[11]進行評價。

表2 土壤重金屬潛在生態(tài)風險分級

(2)

式中：T為單一重金屬的毒性響應參數(shù)，Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn的毒性響應參數(shù)分別取40、30、10、5、5、5、2、1[12]。

2 結果與分析

2.1 土壤基本理化性質的垂向分布特征

貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤垂直剖面的基本理化性質見表3。土壤剖面LY和BN的pH分別為6.05～7.55、7.43～8.02，均值分別為6.98、7.72，整體偏弱堿性，有隨著深度的增加而增大的趨勢。LY和BN的SOM分別為14.43～60.81、15.46～54.62 g/kg，均值分別為33.08、25.97 g/kg，有隨深度增加而減小的趨勢，SOM主要來源于動植物分解，因而表層含量更高，同時會受到農業(yè)生產過程中深耕翻作的影響。LY和BN的含水率分別為2.14%～4.04%、3.20%～5.37%，均值分別為2.85%、4.37%。兩個土壤剖面的不同粒徑土壤顆粒含量大小表現(xiàn)為粉粒>黏粒>砂粒。

表3 土壤基本理化性質的垂向分布特征

2.2 土壤重金屬含量垂向分布特征

從表4可見，貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤垂直剖面重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn質量濃度平均值分別為8.33、0.39、116.37、43.40、0.52、56.57、48.45、72.29 mg/kg，Cd超過了GB 15618—2018的農用地重金屬風險篩選值。與背景值相比，Cu、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb質量濃度平均值分別是背景值的1.01、1.30、1.55、2.36、1.48、1.12倍，而Hg、Cr、Ni、Cd和Pb累積較為嚴重。CV可以反映重金屬含量的空間離散程度[13]，一般認為CV≤16%為輕度變異，16%36%為高度變異[14]。貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤垂直剖面中As的CV為5%，輕度變異；Cr和Pb的CV分別為30%、25%，中等變異；而Cd、Cu、Hg、Ni和Zn的CV分別達到39%、52%、41%、48%、38%，已經達到高度變異，可能存在點源污染影響[15]。

表4 土壤重金屬質量濃度統(tǒng)計特征

相關研究表明，土壤重金屬垂向分布特征較為復雜，影響因素眾多，表層與深層的情況有時相差甚遠[16-18]。貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤8種重金屬的垂向分布見圖1至圖8?？傮w來看，兩個垂直剖面的重金屬含量隨深度變化的趨勢比較一致，雖然有波動，但還是表現(xiàn)出隨著深度的增加重金屬含量減少的趨勢，底層重金屬含量低于或接近背景值。土壤剖面BN中Cr在20～30、70～80 cm深度出現(xiàn)峰值，分別達到背景值的2.44、2.30倍；土壤剖面BN中Hg在50～60 cm深度處出現(xiàn)峰值，是背景值的3.09倍；而土壤剖面LY和BN中Ni都在30～40 cm深度處出現(xiàn)峰值，分別達到背景值的2.75、1.54倍。如果中層土壤結構較為疏松且擁有良好的通透性，深層土壤的緊實度和保水性能較好，那么在垂向分布上重金屬含量會出現(xiàn)先降低再升高的被動趨勢[19]。Pb在中下層含量較高的原因可能是因為Pb具有很高的可溶性，容易淋溶下滲[20]。兩個垂直剖面中不少樣品超過了背景值，說明鋁廠的生產活動有一定的污染，但重金屬含量垂向分布可能還與重金屬自身性質和土壤理化性質有關[21-22]。

圖1 As的垂向分布特征Fig.1 Vertical distribution feature of As

圖2 Cd的垂向分布特征Fig.2 Vertical distribution feature of Cd

圖3 Cr的垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution feature of Cr

圖4 Cu的垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution feature of Cu

圖5 Hg的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution feature of Hg

圖6 Ni的垂向分布特征Fig.6 Vertical distribution feature of Ni

圖7 Pb的垂向分布特征Fig.7 Vertical distribution feature of Pb

圖8 Zn的垂向分布特征Fig.8 Vertical distribution feature of Zn

2.3 重金屬間的相關性分析

人為活動和成土母質對土壤中重金屬來源和含量具有關鍵影響，相似的來源會使重金屬表現(xiàn)出一定的相關特點[23]。因此，土壤重金屬間的相關性分析可對重金屬間的同源性進行判別，為重金屬污染的來源分析提供重要線索[24-27]。由表5可知，在P<0.05水平上Hg與Ni、Cr與Cu之間呈顯著正相關關系，而Cu與Hg之間呈顯著負相關關系；在P<0.01水平上Cu與Cd之間呈極顯著正相關關系，而Cr與Ni、Cr與Hg之間呈極顯著負相關關系。因此，Cr、Cu、Cd可能具有較大的同源性，Hg與Ni也可能具有較大的同源性，但這兩組重金屬間的主要來源可能不同。

表5 土壤重金屬間的相關性1)

2.4 重金屬風險評價

8種重金屬的地累積指數(shù)見圖9。從地累積指數(shù)的平均值來看，重金屬污染風險為無污染的重金屬有Ni、Cr、Zn和As，其中As和Zn在垂直剖面LY和BN中的地累積指數(shù)都小于0；重金屬污染風險為無污染到中污染的重金屬有Cd、Cu和Pb；而Hg處于1

圖9 8種重金屬的地累積指數(shù)Fig.9 Geoaccumulative index of 8 heavy metals

由圖10中單一重金屬的生態(tài)危害指數(shù)平均值可知，8種重金屬的潛在生態(tài)風險順序為：Hg>Cd>Ni>Cu>Pb>As>Cr>Zn。兩個垂直剖面中Hg的生態(tài)危害指數(shù)平均值達到了很強的潛在生態(tài)風險，最大值已經達到了極強的潛在生態(tài)風險；Cd的生態(tài)危害指數(shù)也總體達到了中等或較強的潛在生態(tài)風險；不過，其他單一重金屬的生態(tài)危害指數(shù)都處于輕度生態(tài)風險。垂直剖面LY的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為193.57～491.04，平均值為379.26，總體處于中等或較強生態(tài)風險。垂直剖面BN的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)為141.92～398.64，均值為267.89，總體也處于中等或較強生態(tài)風險。

圖10 單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.10 Single heavy metal’s potential ecological hazard index

3 結 論

(1) 貴陽市白云區(qū)某鋁廠周邊耕地土壤垂直剖面pH呈弱堿性，不同粒徑土壤顆粒含量表現(xiàn)為粉粒>黏粒>砂粒，SOM含量呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢；重金屬含量雖然有波動，但還是表現(xiàn)出隨著深度的增加而減少的趨勢，逐漸趨近于或低于貴陽市土壤重金屬背景值。

(2) As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn質量濃度平均值分別為8.33、0.39、116.37、43.40、0.52、56.57、48.45、72.29 mg/kg，Cd超過了GB 15618—2018的農用地重金屬風險篩選值。Cu、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb質量濃度平均值分別是貴陽市土壤重金屬背景值的1.01、1.30、1.55、2.36、1.48、1.12倍，而Hg、Cr、Ni、Cd和Pb累積較為嚴重。Cr、Cu、Cd可能具有較大的同源性，Hg與Ni也可能具有較大的同源性。

(3) 風險評價結果表明，8種重金屬中Hg的平均地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)都最高，為最主要的污染重金屬，研究區(qū)總體處于中等或較強生態(tài)危害。