貴陽市觀山湖區(qū)喀斯特城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤重金屬的分布特征及風(fēng)險評價*

崔瀚文，楊廣斌 ，崔文剛

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學(xué)，貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

城鄉(xiāng)交錯區(qū)是由城鎮(zhèn)化產(chǎn)生的具有城市和鄉(xiāng)村雙重特性的過渡地帶，交通便利，往往是工業(yè)和農(nóng)業(yè)的復(fù)合區(qū)[1]，該區(qū)域土壤在工業(yè)化和城市化的影響下易受到工業(yè)“三廢”、生活垃圾以及農(nóng)藥和化肥等污染[2]。重金屬污染具有長期隱蔽性、不可逆性以及富集后毒性增強(qiáng)等特點，易在農(nóng)產(chǎn)品中富集，并通過食物鏈進(jìn)入人體，是人類健康的潛在威脅[3]。同時，土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系到農(nóng)作物生產(chǎn)安全性，是保障人民糧食安全的基礎(chǔ)[4-5]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量污染特征及其空間分布，是城市化進(jìn)一步發(fā)展、規(guī)劃和設(shè)計的基礎(chǔ)，對促進(jìn)社會穩(wěn)定和平穩(wěn)完成國家戰(zhàn)略發(fā)展需要尤為重要[6]。

城鄉(xiāng)交錯區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量研究集中在平原區(qū)[7-9]，而喀斯特地區(qū)具有獨特的地質(zhì)背景和氣候條件，土層環(huán)境較為敏感，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，具有較高的重金屬元素背景值[10-11]；此外，喀斯特地區(qū)富有礦產(chǎn)和能源，隨著工礦行業(yè)的發(fā)展需求，該區(qū)域的土壤環(huán)境污染狀況愈發(fā)復(fù)雜[12-13]。姚成斌等[14]對喀斯特石漠化治理示范區(qū)土壤的研究發(fā)現(xiàn)：土壤中Cd 和As 含量均高于背景值，在不同作物系統(tǒng)中的遷移能力有差異；張家春等[15]對喀斯特地區(qū)林地土壤評價指出：研究區(qū)土壤受Cd 和As 復(fù)合污染，且重金屬長期積聚在土壤中，無法徹底清除；陳拙等[16]研究認(rèn)為：喀斯特地區(qū)的地質(zhì)背景是造成貴州清虛洞組土壤重金屬元素累積的主要因素，而礦化帶的出現(xiàn)加重了累積效應(yīng)。

目前，評價土壤重金屬污染的方法較多，且各有優(yōu)劣。本研究以喀斯特地區(qū)城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤為研究對象，為準(zhǔn)確了解重金屬分布及污染情況，選用單因子和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價法對Cd、Hg、As、Pb 和Cr 等元素含量進(jìn)行分析，研究區(qū)域內(nèi)主要污染元素；使用潛在生態(tài)污染評價法預(yù)測研究區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)的高度致污元素，從而在城市建設(shè)中采取干預(yù)措施，有針對性地加強(qiáng)污染物管控；基于相關(guān)分析和主成分分析對重金屬污染物來源進(jìn)行探討，從而為城市發(fā)展中的土地安全利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以貴陽市觀山湖區(qū)某典型城鄉(xiāng)交錯區(qū)為研究區(qū)，其地處N26°32′～26°45′，E106°29′～106°36′，東西向長約10 km，南北向?qū)捈s25 km，總面積約125 km2，東臨5個城市社區(qū)服務(wù)中心和3個農(nóng)村社區(qū)服務(wù)中心。區(qū)域內(nèi)山地和丘陵相間分布，地勢自東北向西南逐漸升高，平均海拔1 200 m，以高原地貌為主。地質(zhì)年代屬于寒水系和石灰系，巖石類型以灰?guī)r和白云巖為主。區(qū)域內(nèi)有大量黃壤、石灰土和紅壤分布，具有典型的喀斯特土壤特性。氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行南風(fēng)，年平均溫度15 ℃，年平均降雨量1 160 mm，天氣環(huán)境質(zhì)量達(dá)到國家一類標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 樣品采集及分析測定

在研究區(qū)按1 km×1 km 的網(wǎng)格布設(shè)150個樣方，在2020 年秋季基于研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀、地形及土壤類型等特點實際采集57個樣方的土樣。按照雙對角線法采集0～20 cm 的表層土壤，采集過程中使用GPS 記錄經(jīng)緯度，在每個樣點周圍采集3 份土壤樣品各50 g，并進(jìn)行分袋與編號。土壤樣品采用 HNO3—HCl—HF—HClO4四酸消解法[17]進(jìn)行處理并稀釋，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7900，美國)測定Cd、As、Pb 和Cr 元素含量；使用雙道原子熒光光度計(吉天AFS-920，北京)測定Hg 元素含量。分析過程中采用國家一級標(biāo)樣土壤進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3 評價方法

1.3.1 統(tǒng)計學(xué)分析

使用Excel 2016 計算各項污染指數(shù)，并進(jìn)行重金屬含量描述性統(tǒng)計分析，其中變異系數(shù)(CV)按照CV＜10%為弱變異性、10%＜CV≤100%為中等變異性、CV＞100%為強(qiáng)變異性的標(biāo)準(zhǔn)對重金屬元素含量進(jìn)行劃分[18]。使用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行土壤樣本相關(guān)性分析和主成分分析，以判斷2個變量之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)越大則變量間相關(guān)性越強(qiáng)，就本研究而言，可表征污染來源相似或污染程度相近[6]。利用GS+9.0 軟件中的半變異函數(shù)擬合各項同性的最適土壤空間模型，若基底效應(yīng)小于25%，則表明空間自相關(guān)性強(qiáng)烈；若介于25%～75%，則為中等程度的空間自相關(guān)性；大于75%時，則屬于弱相關(guān)[19]。使用Arc-GIS 中的地統(tǒng)計分析模塊對研究區(qū)土壤環(huán)境背景下的重金屬污染狀況及其空間分布特征進(jìn)行區(qū)域分析。

1.3.2 單因子評價法和內(nèi)梅羅綜合評價法

單因子評價法是根據(jù)污染物環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的一種評價方法，可以反映樣品受單一污染物的污染程度[15]。其計算公式為：Pi=Ci/Si。式中：Pi為重金屬元素i的污染程度指數(shù)；Ci是土壤中重金屬元素i含量的實測值；Si是該土壤環(huán)境背景下i元素含量的標(biāo)準(zhǔn)值。本研究選用貴州省背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)[20]，Pi＜1 表示土壤環(huán)境中未受i元素污染，Pi＞1 表示土壤中已受i元素污染；Pi越大，表示受污染狀況越嚴(yán)重[21]。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在多種污染物對農(nóng)產(chǎn)品或土壤造成污染時，需使用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)對單因子指數(shù)進(jìn)行綜合評價，以反映該區(qū)域若干污染因子導(dǎo)致的土壤質(zhì)量狀況及受污染程度[22]。其計算公式為：

式中：Pc為土壤受多種污染物的綜合污染程度指數(shù)；表示Pi的平均值，即土壤中所有重金屬元素污染程度指數(shù)平均值；Pimax為所有元素污染程度指數(shù)的最大值。Pc≤0.7 為清潔，0.7＜Pc≤1.0 為尚為清潔，1.0＜Pc≤2.0 為輕微污染，2.0＜Pc≤

3.0 為中度污染，Pc＞3.0 為重度污染[22]。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價法是根據(jù)重金屬性質(zhì)及其環(huán)境效應(yīng)特點，綜合考慮污染程度及生態(tài)效應(yīng)，采用量化的等價指數(shù)分級法進(jìn)行土壤重金屬污染評價[23]，其計算公式為：

式中：RI 為區(qū)域內(nèi)綜合風(fēng)險指數(shù)；Ei為單項重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險因子系數(shù)；Ti為單項重金屬污染程度的毒理系數(shù)；Fi為單項重金屬元素的污染系數(shù)；Ci為元素i的實測值；Cc為該元素在研究區(qū)的背景值。本研究選用貴州省背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)[20]，Cd、Hg、As、Pb 和Cr 的毒理系數(shù)分別為30、40、10、5 和2[24]。潛在生態(tài)污染風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 潛在生態(tài)污染風(fēng)險等級Tab.1 Assessment grade of potential ecological pollution risk

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量及分布特征

由表2 可知：重金屬Hg、As、Cr 和Pb 的平均含量均已超過研究區(qū)背景值，且分別為背景值的2.55 倍、1.69 倍、1.12 倍和1.11 倍。Cr、Pb和Cd 含量的變異系數(shù)均小于50%，其中Cr 含量的變異系數(shù)最小；As 含量的變異系數(shù)大于70%，表明該元素含量變化較為劇烈；所有元素均屬于中等變異。

表2 研究區(qū)土壤重金屬含量Tab.2 Soil heavy metal content in study area

半變異函數(shù)擬合模型(表3)顯示：基底效應(yīng)介于25%～75%，說明研究區(qū)土壤重金屬含量具有中等程度的空間自相關(guān)性。地統(tǒng)計分析(圖1)結(jié)果表明：各元素含量在空間上的分布有差異。研究區(qū)西部Cd 含量較高，總體上呈現(xiàn)西南和東北高、中間低的態(tài)勢；研究區(qū)北部Hg 含量較高，且成片分布；研究區(qū)北部As 含量最高，其余地區(qū)含量相對較低；研究區(qū)北部Pb 含量相對較高，中部及南部地區(qū)含量降低；Cr 含量分布總體上呈現(xiàn)中部偏高、兩端偏低的態(tài)勢。5 種重金屬元素在土壤中的積聚具有空間分異的特征，Cd 和Cr 元素的分布存在較大差異，Hg、As 和Pb 元素的含量分布在中部區(qū)域均表現(xiàn)為低值區(qū)。

圖1 重金屬元素空間分布Fig.1 Spatial distribution of heavy metal elements

表3 半變異函數(shù)模型及其參數(shù)Tab.3 Semivariogram model and the parmeters

2.2 土壤重金屬污染程度評價

單因子評價法結(jié)果 (表4)表明：在調(diào)查樣品中各元素的污染程度為Cd＜As＜Pb＜Cr＜Hg，所有重金屬元素均對研究區(qū)土壤造成不同程度的污染，其中Hg 元素污染程度最大。內(nèi)梅羅綜合污染程度指數(shù)為5.67，表明研究區(qū)受多種重金屬元素復(fù)合污染，綜合污染程度為重度污染，土壤中主要污染元素為Hg。

表4 土壤重金屬污染程度評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of heavy metal pollution in soil

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險評價

由表5 可知：土壤中重金屬Cd、Hg、As、Pb 和Cr 的潛在生態(tài)風(fēng)險因子系數(shù)(Ei)平均值分別為23.57、103.62、16.86、5.53 和2.24，除Hg元素的潛在污染等級為Ⅲ級外，其余元素的Ei值均小于40，污染等級均為Ⅰ級。該區(qū)域潛在生態(tài)風(fēng)險因子系數(shù)從低到高依次是：Cr＜Pb＜As＜Cd＜Hg，各元素的潛在生態(tài)風(fēng)險差異較大；Pb和Cr 的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)低于10，產(chǎn)生的環(huán)境污染最小。研究區(qū)的綜合風(fēng)險指數(shù)為151.82，等級為Ⅱ級，處于中等風(fēng)險程度，Hg 是造成區(qū)域內(nèi)潛在生態(tài)污染的主要因子。

表5 潛在生態(tài)風(fēng)險評價Tab.5 Potential ecological risk evaluation

2.4 土壤重金屬來源初步分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表6)顯示：Pb、Hg 和As之間相關(guān)性顯著，說明其污染來源、污染程度相近；Cd 和Cr 與其他元素的相關(guān)性不顯著，說明其污染來源和程度與其他元素不一致。主成分分析結(jié)果(表7)顯示：提取出的2個主成分能夠解釋65.24%的信息，可以反映研究區(qū)內(nèi)重金屬主要污染物的情況，其中第1 主成分的貢獻(xiàn)率為45.00%，Hg、As 和Pb 的載荷相對較高，說明這3 種元素具有同源性；第2 主成分的貢獻(xiàn)率為20.24%，重金屬Cd 和Cr 的載荷明顯大于其他元素，說明這2 種元素與其他元素不具有同源性，這與相關(guān)性分析的結(jié)果一致，即Hg、As 和Pb具有相同的污染源，而Cd 和Cr 的污染源相同。

表6 土壤重金屬各元素的相關(guān)性Tab.6 Correlation of heavy metal elements in soil

表7 重金屬含量主成分分析Tab.7 Principal component analysis of heavy metal contents

3 討論

變異系數(shù)可反映土壤中重金屬元素在空間分布上的均勻性，變異系數(shù)越大，其變異性越強(qiáng)，則區(qū)域內(nèi)的土壤重金屬含量受人為干擾越強(qiáng)[26]，5 種重金屬元素的變異系數(shù)介于22%～78%之間，元素含量存在空間分異的特征，推測是由人類活動對土壤組分造成干擾所導(dǎo)致[27]。半變異函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的理論模型，其中基底效應(yīng)可反映研究區(qū)重金屬元素的空間異質(zhì)性是受結(jié)構(gòu)性因素還是隨機(jī)性因素控制[28]，本研究5 種重金屬元素的基底效應(yīng)介于25%～75%，在空間分布上具有中等程度的自相關(guān)性，說明研究區(qū)土壤的空間分布不僅受到結(jié)構(gòu)性因素(地質(zhì)、地形和氣候條件等原始自然條件)的控制，還受隨機(jī)性因素(種植方式和施肥等人類活動)影響[29]。Hg、As 和Pb 元素含量的空間插值結(jié)果均顯示：土壤的污染程度最大處均出現(xiàn)在研究區(qū)北部，中部的污染程度較??；而Cd 和Cr 元素含量的分布呈現(xiàn)一定的過渡規(guī)律。相關(guān)性分析在一定程度上可以反映重金屬元素來源的一致性[30]，主成分分析可以反映主變量和次變量之間的相互關(guān)系，對系統(tǒng)內(nèi)土壤組分的聯(lián)系做出判斷，進(jìn)而推測重金屬元素的來源，并解釋主要的重金屬污染物[31]。根據(jù)相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果以及前人對城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤的研究[6,32]可知：Hg、As 和Pb 具有相關(guān)性，且來源于同一污染源；Cd 和Cr 元素污染程度分布情況同其他元素差異較大，推測可能與喀斯特地區(qū)土壤背景有關(guān)[31]。

研究區(qū)土壤中Cd、Hg、Pb 和Cr 含量與貴陽市中心區(qū)[25]土壤元素含量接近，而As 含量較高。中心區(qū)已具有完備的城市面貌，耕地較少，而研究區(qū)處于城市化發(fā)展階段，建設(shè)用地明顯增多，但仍有一部分土地為耕地，長期使用含As 磷肥會使土壤中As 累積[29]；Pb 元素污染大部分是由工礦企業(yè)生產(chǎn)時燃燒煤炭等能源造成大氣污染物沉降所導(dǎo)致；中國Hg 元素的釋放源主要來自Hg 礦化帶的土壤中，而西南地區(qū)是中國主要的Hg 礦化帶地區(qū)[33]，同時Hg 亦是受人類活動影響最大的重金屬元素，往往通過化工生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)污水灌溉和大氣污染層降等人類活動而積聚在土壤中[34]。由于研究區(qū)處于城鄉(xiāng)交錯區(qū)，城市擴(kuò)張使交通運輸業(yè)和建筑業(yè)迅速發(fā)展，所以推測該區(qū)域土壤中重金屬含量積累是交通污染、施用化學(xué)肥料和工業(yè)生產(chǎn)污染等[24]協(xié)同作用的結(jié)果。同時，西南喀斯特地區(qū)地貌受巖石風(fēng)化影響，重金屬元素擴(kuò)散遷移能力強(qiáng)于非喀斯特地區(qū)，導(dǎo)致土壤背景值高于其他地區(qū)[35]。研究區(qū)Cd 含量超過國家農(nóng)用地土壤篩選值的比率最高，但其平均值低于研究區(qū)背景值，說明土壤中Cd 含量可能主要受成土母質(zhì)影響，而受人類活動的影響較小[36]；伍海聞等[31]研究表明：西南喀斯特?zé)熖锿寥繡d含量背景值為0.64 mg/kg，是中國Cd 背景值的3.3 倍，與本研究結(jié)果相似。綜上所述，研究區(qū)土壤中重金屬含量積累是人為活動與自然條件雙重作用的結(jié)果。

內(nèi)梅羅綜合評價法可以反映土壤受復(fù)合污染的情況[15]。本研究結(jié)合主成分分析，通過單因子和內(nèi)梅羅綜合評價法進(jìn)行分析，推測研究區(qū)以Hg、As 和Pb 復(fù)合污染為主，同時潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價法與單因子評價法的結(jié)果均顯示該城鄉(xiāng)交錯區(qū)Hg 元素為主要的生態(tài)風(fēng)險影響因子，綜合風(fēng)險程度為中等。城鄉(xiāng)交錯區(qū)具有城市和農(nóng)村的雙重職能，在城市化擴(kuò)張進(jìn)程中應(yīng)考慮環(huán)境狀況，采取適當(dāng)措施加強(qiáng)土壤重金屬風(fēng)險管控。

4 結(jié)論

喀斯特城鄉(xiāng)交錯區(qū)各重金屬元素含量及其空間分布差異較大，Cd 和Cr 元素分布呈帶狀過渡分布，重金屬Hg、As 和Pb 含量均在北部地區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的積聚性；除As 元素外，其余元素的平均含量均與貴陽中心區(qū)土壤中元素含量接近，但Cd 含量平均值未超過研究區(qū)背景值。研究區(qū)受不同元素的復(fù)合污染，存在中等程度的綜合潛在風(fēng)險，且以Hg 為主要的風(fēng)險因子。