衛(wèi)寧平原農(nóng)用地土壤重金屬污染特征與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究

劉志堅(jiān) ，董元華，張琇，卿成實(shí)

1. 寧夏回族自治區(qū)國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏 銀川 750002；2. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3. 北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；4. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，保障了全球約95%以上的食物（張江周等，2022），不僅是全世界人類可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的焦點(diǎn)，也是中國(guó)保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)。土壤的清潔程度是影響其生態(tài)功能健康與否的重要指標(biāo)（沈仁芳等，2020）。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速推進(jìn)，直接或間接排放到土壤中的廢棄物導(dǎo)致土壤生態(tài)功能受損的問(wèn)題日益凸顯。長(zhǎng)期以來(lái)，土壤重金屬污染成為嚴(yán)重破壞土壤健康的主要因素之一，尤為受到人們的關(guān)注，究其原因是重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化速度慢，治理難度大、周期長(zhǎng)、成本高，當(dāng)其累積超過(guò)土壤可承載的安全負(fù)荷時(shí)更易加劇糧食安全風(fēng)險(xiǎn)（孫帥等，2021）。健康的土壤事關(guān)國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，掌握土壤重金屬含量狀況，識(shí)別土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)強(qiáng)化精準(zhǔn)、有效的土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管控，具有重要意義（楊湜煙，2022）。

目前，對(duì)區(qū)域性土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)方法主要有，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)、單因子污染指數(shù)、地質(zhì)累積指數(shù)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指數(shù)及 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等。單一的評(píng)價(jià)方法存在一定局限性（劉娣等，2022），在對(duì)土壤中多個(gè)重金屬元素的污染特征進(jìn)行評(píng)價(jià)研究時(shí)，應(yīng)從綜合多個(gè)重金屬元素的綜合污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行。無(wú)論哪種方法，通常都會(huì)選用地球化學(xué)背景值或農(nóng)用地污染評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為“參比值”。然而，地球化學(xué)背景值代表不包括人類活動(dòng)影響在內(nèi)的自然物質(zhì)中元素的濃度（滕彥國(guó)等，2003），這與大多數(shù)平原地區(qū)擁有密集的城鎮(zhèn)區(qū)、工業(yè)區(qū)及農(nóng)業(yè)區(qū)的現(xiàn)實(shí)不符；而以風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為參比值，往往會(huì)存在“低地質(zhì)背景疊加一定程度的人為源污染的地球化學(xué)異常區(qū)仍然被評(píng)定為清潔區(qū)”的問(wèn)題（劉愛(ài)華，2005）。因此，選用能夠反應(yīng)當(dāng)下人類活動(dòng)正常擾動(dòng)下的土壤元素濃度的環(huán)境地球化學(xué)基線值作為參比值，更具合理性。

衛(wèi)寧平原位于黃河流域上游，不但是中國(guó)著名地理標(biāo)志產(chǎn)品“中寧枸杞”的唯一原產(chǎn)地，而且是西部?jī)?nèi)陸地區(qū)重要的糧食、蔬菜、飼料生產(chǎn)地，更享有“中國(guó)塞上硒谷”之美譽(yù)。由于地理?xiàng)l件優(yōu)越，交通便利，水源豐富，衛(wèi)寧平原擁有發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)及旅游業(yè)，緊臨其北側(cè)分布著以精細(xì)化工、鋼鐵冶煉、金屬材料及高分子材料制造為主的工業(yè)園區(qū)。隨著時(shí)間的累積，工業(yè)園區(qū)內(nèi)金屬冶煉、新材料加工排放的廢棄物必然會(huì)對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的土壤健康造成影響（曾偉斌，2021）。然而，目前還沒(méi)有關(guān)于衛(wèi)寧平原土壤重金屬污染程度與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，由人類活動(dòng)造成土壤重金屬的累積特征尚不清楚。因此，以衛(wèi)寧平原農(nóng)用地為主要對(duì)象，開(kāi)展土壤重金屬累積特征、污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略”具有重要意義。本文擬解決的科學(xué)問(wèn)題如下：（1）分析衛(wèi)寧平原土壤重金屬地球化學(xué)特征，采用標(biāo)準(zhǔn)化法計(jì)算重金屬元素環(huán)境地球化學(xué)基線值，以此用作污染評(píng)價(jià)的參比值；（2）采用污染負(fù)荷污染指數(shù)與Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)土壤重金屬?gòu)奈廴境潭扰c生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)研究；（3）基于GIS系統(tǒng)，將區(qū)域空間離散的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值并疊加富集因子評(píng)價(jià)結(jié)果，闡明非自然源成因的土壤重金屬污染的空間分布特征。本研究結(jié)果有助于全面了解衛(wèi)寧平原農(nóng)用地土壤重金屬污染狀況、空間分布及其潛在風(fēng)險(xiǎn)，并為黃河上游地區(qū)的農(nóng)用地土壤環(huán)境污染防治及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 衛(wèi)寧平原概況

衛(wèi)寧平原位于黃河上游的寧夏中衛(wèi)市與吳忠市部分地區(qū)（圖1），面積約1350 km2，其中農(nóng)用地面積約為981 km2，地貌以黃河沖、洪積平原為主，洪積傾斜臺(tái)地次之，屬于大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境脆弱。衛(wèi)寧平原所屬區(qū)域大地構(gòu)造位置為柴達(dá)木—華北板塊，阿拉善微陸塊，騰格里早古生代增生楔（王成等，2017），區(qū)內(nèi)無(wú)基巖出露，主要土地利用類型有水澆地、旱地、水田、草地、園地等，種植水稻、小麥、玉米、枸杞、蔬菜等，主要的土壤類型有灌淤土、潮土、新積土、灰鈣土、鹽土，成土母質(zhì)多為全新統(tǒng)河流沖洪積物，次為更新統(tǒng)洪積層。衛(wèi)寧平原產(chǎn)業(yè)布局以農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)為主，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)達(dá)，在其北側(cè)分布有以精細(xì)化工、鋼鐵冶煉、金屬材料及高分子材料制造為主的工業(yè)園區(qū)。

圖1 衛(wèi)寧平原區(qū)域位置示意圖Figure 1 Regional location of Weining Plain

1.2 樣品采集

采用“網(wǎng)格法”控制預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)的空間均勻性，在此基礎(chǔ)上以研究區(qū)第三次全國(guó)土地調(diào)查圖斑數(shù)據(jù)為參照依據(jù)，對(duì)樣點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，確保大部分采樣點(diǎn)布設(shè)在農(nóng)用地范圍（中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部，2016）。2021年10—11月，在衛(wèi)寧平原共采集表層土壤樣品2830件。農(nóng)用地樣品密度為每平方公里4件，共采2444件；其它用地樣品密度為每平方公里2件，共采386件。每件樣品均由5件子樣品等量均勻混合而成，各子樣點(diǎn)間距20 m。采樣工具為非金屬材質(zhì)，在剝離表層浮土后采掘地表往下20 cm范圍內(nèi)的土壤，挑揀出樣品中的石塊、蟲(chóng)體以及殘余根系等雜物，然后將各子樣品充分混合后裝入清潔布袋，送往樣品流轉(zhuǎn)中心進(jìn)行初步加工。采回的樣品首先在流轉(zhuǎn)中心陰涼處進(jìn)行自然風(fēng)干，然后過(guò)20目（孔徑0.84 mm）尼龍篩，充分混勻后縮分稱取800 g裝入清潔樣瓶，送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

1.3 樣品分析測(cè)試方法

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干，采用四分法縮分后，分取一部分樣品用于pH分析；分取一部分部樣品進(jìn)行星球磨機(jī)研磨，過(guò)100目篩（孔徑0.15 mm）用于元素分析。樣品分析測(cè)試執(zhí)行《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250000）》（DZ/T 0258—2014），樣品分析項(xiàng)目及其分析方法、檢出限見(jiàn)表1。在分析測(cè)試過(guò)程中，每500件樣品插入12個(gè)土壤國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07407、GBW07447、GBW07449、GBW07451、GBW07452、GBW07453、GBW07455、GBW07431-GBW07435）控制分析測(cè)試準(zhǔn)確度，在與其他樣品同等分析條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行 12次分析檢驗(yàn)，分別計(jì)算每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)元素平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的對(duì)數(shù)偏差；精密度控制采用4個(gè)兼顧大部分元素高、中、低含量的土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，每 45件分析樣品中，以密碼樣品插入4件國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算每種元素的4件標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)單次測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。樣品檢測(cè)在湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，通過(guò)準(zhǔn)確度和精密度控制樣品分析測(cè)試質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)數(shù)差要求小于或等于0.12，準(zhǔn)確度合格率達(dá)到98%；密碼樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)雙差要求小于或等于 25%單元素一次重復(fù)性檢驗(yàn)合格率達(dá)到96%。

表1 土壤樣品分析項(xiàng)目及其測(cè)試方法和檢出限Table 1 Analysis items, method and detection limits of samples

1.4 環(huán)境地球化學(xué)基線值計(jì)算方法

環(huán)境地球化學(xué)基線可以評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展變化后表生環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)濃度變化及環(huán)境影響（章海波等，2010），相比較于地球化學(xué)背景值是不包含人類活動(dòng)影響在內(nèi)的自然物質(zhì)中元素的濃度，地球化學(xué)基線不排除人為干擾，是在人類擾動(dòng)地區(qū)測(cè)量的元素濃度?；诃h(huán)境地球化學(xué)基線，區(qū)分環(huán)境背景和環(huán)境異常是進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)和了解環(huán)境演變的基礎(chǔ)（滕彥國(guó)等，2001；張秀芝等，2006）。

采用標(biāo)準(zhǔn)化法計(jì)算衛(wèi)寧平原土壤重金屬環(huán)境地球化學(xué)基線值。用重金屬元素As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn與地殼穩(wěn)定元素做相關(guān)性分析（Newman et al.，2007），將相關(guān)性好的地殼穩(wěn)定元素作為標(biāo)準(zhǔn)化因子，代入基線計(jì)算模型：

Hm——重金屬的測(cè)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1；

Ce——地殼穩(wěn)定元素的測(cè)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1；

a、b——回歸常數(shù)。

通過(guò)繪制線性回歸曲線，落在95%置信區(qū)間內(nèi)的樣品代表基線的取值范圍，落在95%置信區(qū)間外的樣品代表受到人為污染的樣品，須予以剔除（Abraham，1998）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)處理可獲得回歸參數(shù)a和b的值，根據(jù)衛(wèi)寧平原地殼穩(wěn)定元素的背景含量，可以求得重金屬的平均預(yù)測(cè)值，模型如下：

Bm——土壤重金屬m的環(huán)境地球化學(xué)基線值，單位 mg·kg-1；

1.5 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

1.5.1 污染負(fù)荷指數(shù)法

污染負(fù)荷指數(shù)（P）是用于評(píng)價(jià)土壤中多種重金屬的綜合污染程度的一種評(píng)價(jià)方法（劉雪松等，2022），適用于區(qū)域土壤重金屬污染程度評(píng)價(jià)，能直觀反映各個(gè)重金屬對(duì)污染的貢獻(xiàn)程度及多個(gè)重金屬元素的綜合污染程度（張?jiān)剖|等，2019），通過(guò)實(shí)測(cè)含量與參照元素含量值之比來(lái)衡量重金屬的污染程度，將污染指數(shù)相乘再開(kāi)根可得綜合污染負(fù)荷指數(shù)（Suresh et al.，2012）。計(jì)算公式為：

Ci——重金屬i的單項(xiàng)污染指數(shù)；

wi——土壤樣品重金屬i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·kg-1；

wji——參照元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在此選用重金屬i的環(huán)境地球化學(xué)基線值，單位mg·kg-1；

P——重金屬綜合污染負(fù)荷指數(shù)；

n——參加評(píng)估的重金屬元素個(gè)數(shù)。單元素污染等級(jí)分5等：無(wú)污染（Ci≤0.7），輕微污染（0.7＜Ci≤1），輕度污染（1＜Ci≤2），中度污染（2＜Ci≤3），重度污染（Ci≥3）。污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（李一蒙等，2015）為：P≤0.7屬于無(wú)污染，0.7＜P≤1屬于輕微污染，1＜P≤2屬于輕度污染，2＜P≤3屬于中度污染，P≥3屬于重度污染。

1.5.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法是在綜合考慮重金屬元素沉積特征和毒理學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（周亞龍等，2021），評(píng)價(jià)模型如下：

R——綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值；

Ci——重金屬i的實(shí)測(cè)值；

1.6 土壤重金屬富集因子評(píng)價(jià)方法

富集因子法是定量評(píng)價(jià)污染程度與污染來(lái)源的重要指標(biāo)，選擇地殼中穩(wěn)定且未受到人為活動(dòng)擾動(dòng)的元素作為參照元素，樣品中污染元素含量與參照元素含量的比值與背景區(qū)中二者含量比值的比率即為富集因子（E）（張秀芝等，2006），計(jì)算模型如下：

X/Y——表層土壤重金屬含量相對(duì)參照元素含量的比值；

Xm/Ym——重金屬背景值相對(duì)參考元素背景值的比值。參考環(huán)境地球化學(xué)基線計(jì)算過(guò)程，選擇Al作為參照元素，通過(guò)迭代剔除大于或小于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常數(shù)據(jù)后，求出Al的背景值，即為Ym值；Xm值為上文求得的重金屬環(huán)境地球化學(xué)基線值。通常情況下，認(rèn)為E＜2代表土壤重金屬為自然源，E＞2則代表土壤重金屬的積累很大程度是受到人為源貢獻(xiàn)（N'guessan et al.，2008）。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬環(huán)境地球化學(xué)基線

將地殼穩(wěn)定元素（Al、Li、Ti、Sc）作為備選標(biāo)準(zhǔn)因子進(jìn)行地球化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表 2。這些元素的變異系數(shù)為0.11—0.14，空間分布穩(wěn)定。迭代剔除大于或小于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的“異常值”后計(jì)算 Al、Li、Ti、Sc 平均值分別為 10.97、31.8、3171.73、9.73 mg·kg-1。用 SPSS22 軟件對(duì) As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn 和 Al、Li、Ti、Sc 進(jìn)行相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表 3。Al與 As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn的相關(guān)系數(shù)（r）分別為0.77、0.80、0.58、0.78、0.87、0.90、0.88、0.92，相關(guān)性顯著優(yōu)于Li、Sc、Ti。由此確定Al為標(biāo)準(zhǔn)因子，基于環(huán)境地球化學(xué)基線模型計(jì)算 As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn 環(huán)境地球化學(xué)基線值分別為14.51、0.29、79.61、0.05、34.57、26.42、23.95、73.49 mg·kg-1，見(jiàn)表 4。

表2 土壤穩(wěn)定元素含量統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical results of stable elements contents in the soils of the research region

表3 土壤重金屬與Al、Li、Sc、Ti相關(guān)系數(shù)表Table 3 Correlation coefficients between heavy metal elements and Al, Li, Sc, Ti

表4 土壤重金屬環(huán)境地球化學(xué)基線值Table 4 The environmental geochemical baseline values of the heavy metal in the soils

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.2.1 土壤重金屬污染

衛(wèi)寧平原土壤 pH范圍為 7.72—9.64，中值為8.56，表層土壤重金屬地球化學(xué)參數(shù)特征見(jiàn)表5，土壤As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn的平均含量均低于環(huán)境地球化學(xué)基線值，但分別為黃河流域土壤背景值（奚小環(huán)等，2021）的1.12、1.68、1.03、1.76、1.02、1.04、1.02、1.05倍，超出此背景值的樣點(diǎn)比例由大到小依次為 Cd（76.61%）、Hg（70.64%）、Cr（68.48%）、As（67.24%）、Ni（53.50%）、Cu（53.46%）、Zn（53.00%）、Pb（51.38%），總體上相對(duì)富集且分布均勻。Cd、Hg表現(xiàn)為強(qiáng)分異性，其變異系數(shù)分別達(dá)到0.54及0.69，代表了人為活動(dòng)對(duì)這兩種元素在土壤中的積累造成顯著影響（張利，2020）。與《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中的“農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（pH＞7.5）”（中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2018）相比，研究區(qū)土壤重金屬僅As、Cd、Hg、Zn分別在不同的4件樣品中含量略高于“風(fēng)險(xiǎn)篩選值”，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“風(fēng)險(xiǎn)管制值”，表明研究區(qū)土壤中重金屬含對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)以及土壤生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)較低，一般情況下可以忽略。

表5 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical results of heavy metal content in soils mg·kg-1

盡管土壤重金屬含量總體低于國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，為探究人為源在低地質(zhì)背景區(qū)域內(nèi)造成的土壤污染程度，以重金屬元素環(huán)境地球化學(xué)基線值為，采用污染負(fù)荷指數(shù)法進(jìn)行污染程度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，衛(wèi)寧平原土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)（Ci）平均值依次為 Cd（1.45）、Hg（1.26）、Pb（1.12）、Zn（1.01）、As（0.99）、Ni=Cu=Cr（0.98）。As、Cr、Cu、Ni屬于輕微污染水平，Zn、Pb、Hg、Cd屬于輕度污染水平。不同污染程度樣點(diǎn)數(shù)占總樣點(diǎn)數(shù)百分比見(jiàn)表6，As、Cr、Ni總體上污染程度較低，達(dá)到輕度污染的樣點(diǎn)比例分別為 39.26%、39.19%和46.71%，無(wú)中度及以上等級(jí)的污染樣點(diǎn)；Cd、Hg、Cu、Pb、Zn相對(duì)較高，達(dá)到輕度污染的樣點(diǎn)比例分別為39.30%、48.20%、44.49%、47.03%、46.78%和40.39%，達(dá)到中度污染的樣點(diǎn)比例分別為1.45%、6.47%、0.11%、0.11%和0.14%。Cd、Hg、Pb、Zn還存在重度污染的樣點(diǎn)，比例分別為0.35%、1.84%、0.07%和0.11%，相比其它元素Cd、Hg的污染貢獻(xiàn)率最高。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)（P）結(jié)果表明，衛(wèi)寧平原輕微污染樣點(diǎn)占比 39.82%，輕度污染樣點(diǎn)占比46.01%，中度污染樣點(diǎn)占比3.32%，總體以輕度污染為主，無(wú)重度污染。

表6 不同污染等級(jí)樣點(diǎn)數(shù)百分比Table 6 Percentage of sample points of different contamination levels %

2.2.2 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

圖2 土壤重金屬單指標(biāo)潛在生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)Figure 2 Potential ecological risk of individual heavy metal in soils

表7 土壤Cd、Hg潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Table 7 Potential ecological risk of Cd and Hg in soils

2.3 討論

土壤重金屬富集因子（E）評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表8，主要由人為源貢獻(xiàn)（E＞2）造成富集的樣點(diǎn)比例由大到小依次為 Hg（18.94%）、Cd（5.41%）、As（0.81%）、Cu（0.64%）、Zn（0.57%）、Pb（0.46%）、Ni（0.39%）、Cr（0.14%）。疊加土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果可知，那些達(dá)到“輕微污染”的樣點(diǎn)均為人為源造成，表明人類活動(dòng)對(duì)于土壤重金屬的輸入作用顯著。有1%的樣點(diǎn)雖然目前屬于清潔無(wú)污染，但至少一種重金屬元素富集因子（E）大于2，表明這些樣點(diǎn)重金屬元素累積主要由人類活動(dòng)輸入造成，隨著重金屬的不斷輸入，那些尚處于“清潔”狀態(tài)的樣地，土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)逐漸顯現(xiàn)。

表8 重金屬富集因子評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 The enrichment factors evaluation results of heavy metal

基于ArcGIS 10.2進(jìn)行空間分析，采用反距離權(quán)重空間插值法對(duì)衛(wèi)寧平原范圍內(nèi)所有地類圖斑進(jìn)行元素含量數(shù)據(jù)插值、賦值，將圖斑的富集因子評(píng)價(jià)與重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊加后與空間信息關(guān)聯(lián)，由此提取出由人為源輸入（E＞2）所導(dǎo)致的土壤重金屬富集的地塊圖斑，面積共計(jì) 190 km2。再將富集因子評(píng)價(jià)結(jié)果疊加重金屬污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果，得到“土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)圖”（圖 3）。結(jié)果顯示，“無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”面積為7.0 km2；“低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”面積為176.2 km2，集中分布在城鎮(zhèn)—農(nóng)用地交錯(cuò)帶與工業(yè)園區(qū)-農(nóng)用地交錯(cuò)帶，其污染因子組合分別為 Cd、Hg、Pb、Zn、Cu 與 Cd、Hg、Pb、Zn?！爸卸蕊L(fēng)險(xiǎn)區(qū)”面積為9.8 km2，零星分布于工業(yè)園區(qū)—農(nóng)用地交錯(cuò)帶及城區(qū)—農(nóng)用地交錯(cuò)帶，污染因子組合為Cd、Hg。排除自然背景的因素，土壤重金屬污染主要由工礦廢棄物排放、城市生活廢棄物排放、交通污染及農(nóng)業(yè)活動(dòng)污染等因素造成（紀(jì)小鳳等，2016）。相比而言，那些遠(yuǎn)離城市和工業(yè)園區(qū)的農(nóng)用地，均為“清潔區(qū)”，說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、施肥、農(nóng)藥噴灑等對(duì)土壤重金屬的貢獻(xiàn)作用有限，而且隨著中國(guó)國(guó)民環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)、城市管理能力提升、人居環(huán)境改善，幾乎不存在城市生活廢棄物的隨意排放現(xiàn)象。衛(wèi)寧平原污染地塊呈現(xiàn)出沿黃河以北城鎮(zhèn)周?chē)?、工業(yè)園區(qū)周?chē)芗植嫉奶卣鳎@些區(qū)域人口密度大、大型工業(yè)企業(yè)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)達(dá)、公路及鐵路交通路線密集，這些都是造成衛(wèi)寧平原土壤重金屬污染的主要原因。有大量研究表明，城鎮(zhèn)及密集的交通路線是車(chē)流量較大的地區(qū)，交通運(yùn)輸過(guò)程中汽車(chē)尾氣排放、輪胎磨損顆粒釋放、潤(rùn)滑油燃燒的廢氣排放及剎車(chē)機(jī)械磨損的顆粒物釋放等都是土壤中Cd、Cu、Zn、Pb的主要來(lái)源（張磊等，2004；史正軍等，2007；馬建華等，2008；李偉迪等，2019）；緊鄰衛(wèi)寧平原北側(cè)的工業(yè)園區(qū)分布有鋼鐵冶煉、金屬材料加工制造企業(yè)，這類企業(yè)在生產(chǎn)中排放的廢氣及煙塵含有大量的Cd、Pb、Zn（王喬林等，2021；胡杰等，2022）；在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，聚集在鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊的企業(yè)都存在燃煤及大量?jī)?chǔ)煤現(xiàn)象，工業(yè)園區(qū)的鋼鐵冶煉企業(yè)生產(chǎn)中常年需要燃燒大量的煤，而工業(yè)燃煤正是導(dǎo)致Hg的大量釋放典型因素（李夢(mèng)婷等，2021）。這些企業(yè)地勢(shì)略高于平原區(qū)，排放的廢棄物經(jīng)由大氣及水系沉積物會(huì)持續(xù)地補(bǔ)充到衛(wèi)寧平原北側(cè)的農(nóng)用地土壤中，致使這些重金屬元素在附近的土壤中不斷積累。

圖3 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)Figure 3 The risk zone subarea of heavy metals contamination in soils

3 結(jié)論

（1）衛(wèi)寧平原土壤 As、Cd、Cr、Hg、Ni、Cu、Pb、Zn環(huán)境地球化學(xué)基線值分別為 14.51、0.29、79.61、0.05、34.57、26.42、23.95、73.49 mg·kg-1；各重金屬元素平均含量顯著高于黃河流域土壤背景值，但均未超出《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，表明現(xiàn)階段土壤重金屬含量水平對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的風(fēng)險(xiǎn)可以忽略；Cd與 Hg空間分異性強(qiáng)，其它重金屬元素分布較為均勻。

（2）污染負(fù)荷指數(shù)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致。土壤As、Cr、Ni污染程度較低，Cu、Pb、Zn污染程度相對(duì)較高，Cd、Hg污染程度最高；綜合污染指數(shù)（P）達(dá)到輕度污染的樣點(diǎn)比例為46.01%，中度污染樣點(diǎn)比例為3.32%，總體以輕度污染為主，無(wú)重度污染。土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（R）值介于33.39—588.94，平均值128.85，總體以“中度風(fēng)險(xiǎn)”為主，無(wú)“很強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)”級(jí)別的樣點(diǎn)，土壤Cd與Hg是導(dǎo)致衛(wèi)寧平原綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)比例較高的最主要因子。

（3）污染地塊集中分布在城市—農(nóng)用地交錯(cuò)帶和工業(yè)園區(qū)—農(nóng)用地交錯(cuò)帶，Cd、Cu、Pb和Zn主要來(lái)源于密集的交通運(yùn)輸活動(dòng)和工業(yè)園區(qū)鋼鐵冶煉、金屬材料加工制造排放的廢氣及煙塵；Hg主要來(lái)源于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及工業(yè)園區(qū)鋼鐵冶煉生產(chǎn)中的燃煤煙塵。相比而言，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)土壤重金屬的貢獻(xiàn)作用有限。

本研究基于以上分析，劃定出土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)空間范圍，研究成果能夠提升對(duì)受人為活動(dòng)影響的農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的管控水平。