鋼鐵廠周邊土壤重金屬污染特征及風險評價

田甜 楊婷 鄒縣梅 陳春樂

摘要：為了明確閩西三明鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染情況及其風險，于2019年5月在鋼鐵廠周邊采集10個表層（0～20 cm）土壤樣品，測定Pb、Cu、Zn、Cd、Hg和Ni的全量，利用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和Hk？nson潛在生態(tài)危害指數(shù)法，評價重金屬的污染水平和風險。結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域土壤重金屬含量（除Hg超標率為80%外）均超過了福建省土壤背景值。相關性分析表明，土壤Pb、Cu、Zn、Cd、Ni具有同源性。評價結(jié)果表明，鋼鐵廠周邊土壤重金屬污染程度為Cd>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg，調(diào)查區(qū)域所有土壤均達重度污染，處于很強和極強生態(tài)風險水平。因此，該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤存在的重金屬污染而產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題需引起高度重視，應優(yōu)先開展Cd和Pb元素的防控，降低其生態(tài)風險。

關鍵詞：三明鋼鐵廠；土壤；重金屬污染；污染特征；風險評價；污染指數(shù)

中圖分類號：X825文獻標志碼：A論文編號：cjas20191000246

Heavy Metals in Farmland Surrounding the Sanming Steel Plant in Western Fujian： Pollution Characteristics and Risk Assessment

Tian Tian1，2， Yang Ting2， Zou Xianmei2， Chen Chunle1，2

（1Fujian Provincial Key Laboratory of Resources and Environment Monitoring & Sustainable Management and Utilization， Sanming 365004， Fujian， China；2School of Resources and Chemical Engineering， Sanming University， Sanming 365004， Fujian， China）

Abstract： The paper aims to clarify the heavy metal pollution and risk in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant in western Fujian. We collected 10 surface soil samples （0- 20 cm） in May， 2019， determined the contents of Pb， Cu， Zn， Cd， Hg and Ni， and evaluated the levels and risks of heavy metals by the methods of the single pollution index， the Nemero pollution index， and Hk？nson potential ecological hazard index. The results showed that： the contents of heavy metals in the studied area exceeded the background value of soil environment in Fujian， except that Hg exceeded the standard rate by 80% ； correlation analysis demonstrated that： Pb， Cu， Zn， Cd， Ni in soil were homologous； the evaluation results demonstrated that： the pollution degree of heavy metals in the soil surrounding the Sanming Steel Plant was： Cd>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg； all the soils in the studied area were heavily polluted， reaching very strong and extremely strong ecological risk level. Therefore， more attention should be paid to the ecological environment problems caused by heavy metal pollution in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant， the prevention and control of Cd and Pb in soil should be the priority to reduce their ecological risks.

Keywords： Sanming Steel Plant； Soil； Heavy Metal Pollution； Pollution Characteristic； Risk Assessment； Pollution Index

0引言

工業(yè)企業(yè)周邊的土壤往往會呈現(xiàn)出多重金屬復合污染現(xiàn)象，且污染情況嚴重。因此，調(diào)查和評價工業(yè)企業(yè)周邊農(nóng)田土壤的重金屬污染程度及風險，是進行工業(yè)企業(yè)周邊農(nóng)田土壤污染管控和修復的必要基礎[1]。進入工業(yè)革命后，人類對鋼鐵的需求量越來越大大，因此有大量的制鐵煉鋼企業(yè)興起，而由于過往的工藝技術設備和管理措施落后，大量生產(chǎn)過程排放出的“三廢”給土壤環(huán)境帶來污染[1-2]。

國內(nèi)外針對鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染開展了大量的調(diào)查與研究，如唐山鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤存在著鉛-銅-砷-鉻的重金屬復合污染[2]；Dragovi？等[3]研究表明，在距離塞爾維亞貝爾格萊德50 km的鋼廠附近的土壤中Cd、Co、Cu、Ni、Pb和Zn的濃度高于歐洲土壤和全球土壤的平均濃度。另外，工業(yè)企業(yè)周邊土壤中富集的大量重金屬會通過作物根系向可食部位轉(zhuǎn)移，給人類帶來嚴重的健康風險[4-5]。因此，開展鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染情況及風險評價的研究對于保障人類的健康具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外發(fā)展了多種土壤重金屬生態(tài)風險評價的方法[6]，包括污染指數(shù)法、數(shù)學模型法、生態(tài)風險指數(shù)法、形態(tài)分析法以及植物培養(yǎng)法等。其中，單項污染指數(shù)法是以土壤環(huán)境質(zhì)量標準為基礎進行評價，具有較為明確的目標；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法可全面反映土壤中各種重金屬污染物對土壤的綜合作用；潛在生態(tài)風險評價法考慮重金屬污染對生物的危害性，可以反映出土壤重金屬的危害特征[7]。以上這些評價方法在國內(nèi)外得到了廣泛應用和認同[8-10]。

依福建人民政府公布的《2013年度福建省重金屬污染重點防控企業(yè)名單》，福建省重金屬污染企業(yè)主要是金屬表面處理加工業(yè)、鉛鋅礦采選業(yè)及皮革鞣制加工業(yè)，本研究區(qū)域所處的三明市的重金屬企業(yè)主要是鉛鋅礦采選企業(yè)[11]，因此前人的研究主要集中在礦區(qū)周邊土壤重金屬污染調(diào)查與評價[12-13]。此外，福建省分布著49家鋼鐵企業(yè)（包括已關停），目前對于鋼鐵企業(yè)周邊農(nóng)田土壤的研究尚不多見，對土壤重金屬污染情況更不明確。然而，調(diào)查研究鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬污染情況，可以為針對鋼鐵廠周邊土壤的重金屬污染土壤安全防控和管理措施提供依據(jù)。

因此，本研究以位于閩西地區(qū)的福建省最大鋼鐵廠——三明鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤為研究對象，調(diào)查該區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染情況，并采用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和Hk？nson潛在生態(tài)危害指數(shù)法開展了土壤重金屬風險評價，以期為該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量及安全生產(chǎn)管理提供依據(jù)，為福建省其他鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬風險評價提供參考。

1材料與方法

1.1試驗時間、地點

田間試驗樣品采集于2019年5月在三明鋼鐵廠附近農(nóng)田土壤進行；室內(nèi)試驗于2019年5—9月在三明學院校內(nèi)進行。

1.2土壤樣品的采集和制備

選取福建省三明市鋼鐵廠下風向附近具有代表性的農(nóng)田土壤進行樣品的采集，并按距離鋼鐵廠由近到遠對土壤進行順序編號（S1～S10）。采樣時去除土壤表面雜草和雜物，挖取表層土壤（0～20 cm），盡快運回實驗室。將采回的土壤置于室內(nèi)陰涼通風處，經(jīng)常翻動。待土壤自然風干后，剔除石塊和植物根莖，將土壤混合均勻后過100目篩，備用。

1.3試驗方法

1.3.1樣品分析測定土壤重金屬測定時采用微波消解法，測定步驟如下[14]：稱取待測土壤樣品（< 0.149 mm）0.25 g，置于聚四氟乙烯密閉消解罐中，加入10 mL硝酸，于趕酸儀上120℃預消解45 min，預消解完成后冷卻至室溫再將預消解完成的土樣放入微波消解儀中，按一定程序進行消解（見表1），消解結(jié)束后冷卻至室溫。打開密閉消解罐，加入1 mL HClO4和1 mL HF，將消解罐置于趕酸儀中180℃趕酸，至消解罐溶液為1 mL左右。打開密閉消解罐，用慢速定量濾紙將提取液過濾收集于50 mL容量瓶中，待提取液濾盡后，用2%硝酸溶液清洗消解罐蓋子內(nèi)壁、罐體內(nèi)壁和濾渣至少3次，濾液一并收集于容量瓶中，用超純水定容至刻度，用ICPMS測定消解液中Pb、Cd、Cu、Zn和Ni的含量，消解液中Hg的含量采用冷原子吸收分光光度法測定。

1.3.2土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法與標準土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法有很多種，本研究采用單項污染指數(shù)法以及內(nèi)羅梅綜合污染指數(shù)法來評價土壤環(huán)境質(zhì)量。

式中：Cf為重金屬i的污染指數(shù)；Ci為重金屬i的實測濃度；Cn為重金屬i的評價標準；Er為單項金屬i的潛在生態(tài)風險指數(shù)；Tr為重金屬毒性響應系數(shù)（Pb=Cu=Ni=5，Cd=30，Hg=40，Zn=1）[18]；RI為多項金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)。土壤中重金屬i的評價標準與1.3.2中單項污染指數(shù)法評價標準一致。

1.3.4統(tǒng)計分析采用Excel進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)相關性分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤重金屬含量特征

各采樣點土壤重金屬Pb、Cu、Zn、Cd、Ni含量均明顯大于福建省土壤背景值（見表3），其中Pb含量為土壤背景值的6.6～91.2倍，Cu含量為土壤背景值的1.52～ 4.61倍，Zn含量為土壤背景值的2.03～4.16倍， Cd含量為土壤背景值的28.5～506.7倍，Ni含量為土壤背景值的2.43～5.25倍。Hg含量為土壤背景值的0.52～1.67倍，超過土壤背景值的超標率為80%。

研究土壤中重金屬含量的相關性可以推測重金屬來源是否相同。一般而言，如果重金屬含量間有顯著的相關性，說明其很可能具有相同的來源[19]。同一來源的元素之間存在相關性，因此，可以利用元素之間的相關性來反映各個元素之間的同源關系或關聯(lián)情況[20]。表4為土壤重金屬含量的相關分析結(jié)果。由表4可知，Cu、Zn、Cd、Ni這4個元素之間具有顯著的正相關關系，Pb、Zn、Cd之間也具有顯著的正相關關系，這可能說明Pb、Cu、Zn、Cd、Ni來自相同的污染，主要是由鋼鐵廠引起的。Hg與其他元素之間相關性不顯著，主要來自于土壤的本底值，該地區(qū)的土壤母質(zhì)中Hg含量較高而使其超過福建省土壤背景值。

2.2鋼鐵廠周邊土壤重金屬污染評價

根據(jù)單項污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法得出該鋼鐵廠周邊土壤重金屬污染情況（見表5）。由單項污染指數(shù)法評價結(jié)果可知，所有采樣點的土壤，除Hg元素外，均有污染現(xiàn)象。Hg有70%的土壤樣品達到輕度污染水平，3個土壤樣品無污染。所有土壤的Pb和Cd均已達到重度污染水平；Zn和Ni處于中度和重度污染水平的樣品各占50%；Cu處于重度污染水平的樣品占50%，30%的樣品處于中度污染水平，20%的樣品為輕度污染。對于全部土壤，按單項污染指數(shù)平均值從大到小排序可得鋼鐵廠周邊土壤重金屬元素的污染程度為Cd（151.39）>Pb（30.37）>Ni（3.35）>Zn（3.15）> Cu（3.05）>Hg（1.18），說明該調(diào)查區(qū)域的土壤重金屬污染形勢不容樂觀，Cd、Pb、Ni、Zn和Cu均達到了重度污染水平，Hg達到了輕度污染水平，尤以Cd和Pb的污染最為嚴重。內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域所有土壤均達到了重度污染水平，其順序為S7>S3> S10>S6>S2>S8>S4>S1>S5>S9。

2.3鋼鐵廠周邊土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

以Hk？nson潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價的該鋼鐵廠周邊土壤重金屬生態(tài)風險結(jié)果見表6。各采樣點的Cu、Zn和Ni這3種元素的單項潛在生態(tài)風險指數(shù)（Er）均小于40，其生態(tài)風險為輕度。Hg的生態(tài)風險指數(shù)介于20.74～66.67之間，70%土壤樣品的生態(tài)風險為中等。Cd的生態(tài)風險指數(shù)介于854.44～15200之間，均達到極強生態(tài)風險。Pb的生態(tài)風險指數(shù)介于33.08～ 456.00之間，不同采樣點的生態(tài)風險級別存在較大差異，S3為極強（456.00），S10和S7為很強，S8為中等，其余5個土壤為強生態(tài)風險。對于全部土壤，按單因子生態(tài)風險指數(shù)評價值從大到小排序可得該鋼鐵廠周邊土壤重金屬元素的風險順序為Cd（4541.50） >Pb（151.87） >Hg（47.26） >Ni（16.73） >Cu（15.25） >Zn（3.15）?？芍?，該鋼鐵廠周邊土壤Cd的風險程度達到極強水平，Pb的風險程度為強風險水平，Hg的風險程度為中等水平，其他3種重金屬存在輕度風險。各采樣點重金屬的綜合生態(tài)風險指數(shù)介于94929～15522.38之間，除S9點屬于很強生態(tài)風險外，其余9個均為極強生態(tài)風險。各個采樣點的綜合生態(tài)風險指數(shù)大小順序為S7>S3>S10>S6>S2>S8>S4>S1>S5>S9。進一步結(jié)合采樣布點的實際情況，各采樣點的重金屬潛在生態(tài)風險隨著離鋼鐵廠距離的增加而減少。該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤的重金屬對環(huán)境存在著嚴重的生態(tài)風險，從Hk？nson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果來看，當對該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤進行利用時，應優(yōu)先開展Cd和Pb元素的防控，降低其生態(tài)風險，而后考慮其他元素的防控，從而保證農(nóng)田土壤的安全利用。

3討論與結(jié)論

根據(jù)福建省土壤重金屬背景值評價結(jié)果，該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬Pb、Cu、Zn、Cd、Ni含量均明顯大于背景值，說明土壤受到了嚴重的人為污染，而其中尤以Cd和Pb的超標倍數(shù)最多，污染最為嚴重。陳軼楠[2]對晉南某鋼廠周邊農(nóng)田土壤重金屬調(diào)查結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，Pb、Cu、Zn、Cd、Ni超過當?shù)赝寥辣尘爸档默F(xiàn)象[2]；謝團輝等[1]對閩西某特鋼廠周邊農(nóng)田土壤重金屬含量調(diào)查結(jié)果也得到類似結(jié)果。此外，結(jié)合重金屬含量相關性分析結(jié)果認為，鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬Pb、Cu、Zn、Cd、Ni具有同源性，很大程度上是來自于鋼鐵廠廢水和粉塵的污染。土壤中Hg與以上5種重金屬相比，污染程度相對較低，跟其他元素之間的相關性不顯著，調(diào)查區(qū)域農(nóng)田不存在其他工業(yè)企業(yè)，說明該鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤Hg主要來自于土壤本底值。單項污染指數(shù)結(jié)果表明該調(diào)查區(qū)域的土壤重金屬污染形勢較為嚴峻，Cd、Pb、Ni、Zn和Cu均達到了重度污染水平，Hg達到了輕度污染水平，尤以Cd和Pb的污染最為嚴重。內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域所有土壤均達到了重度污染水平。Hk？nson潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果也表明，不同采樣點的生態(tài)風險級別存在較大差異，該鋼鐵廠周邊土壤Cd的風險程度達到極強水平，Pb的風險程度為強風險水平，Hg的風險程度為中等水平，其他3種重金屬存在輕度風險，各采樣點重金屬的綜合生態(tài)風險均達到很強或極強生態(tài)風險水平。

有研究報道還表明，在工礦區(qū)周邊的作物出現(xiàn)了重金屬富集超標現(xiàn)象，上虞某鉛鋅礦區(qū)周邊土壤種植的蘿卜中As和Pb含量嚴重超標[21]，黃石市某鋼鐵廠周邊苔蘚植物富集著大量的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb元素[22]?？傊?，過往由于環(huán)保意識較弱，生產(chǎn)工藝落后，監(jiān)督管理機制薄弱，工礦區(qū)周邊土壤存在著較為嚴重的污染和生態(tài)風險。調(diào)查區(qū)域農(nóng)田土壤由于長期受到鋼鐵廠廢水和粉塵污染源的影響，土壤中已經(jīng)有大量的重金屬的累積，勢必會對土壤功能造成一定影響，該鋼鐵廠周邊的農(nóng)田土壤對環(huán)境和人類健康存在的風險需引起高度重視，其中應優(yōu)先開展Cd和Pb元素的防控，降低其生態(tài)風險。

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