基于Meta分析的中國工礦業(yè)場地土壤重金屬污染評價

晏利晶，姜 淼，趙慶良，王 琨*，王維業(yè)，黨金霞，于成龍

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090

2. 黑龍江省庫恩環(huán)境修復(fù)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)生活最基本的自然資源. 2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示：我國工礦業(yè)地土壤環(huán)境問題突出，以無機(jī)型污染為主；采礦區(qū)、工業(yè)園區(qū)土壤的超標(biāo)率分別為36.3%和29.4%. 大氣沉降、采礦冶煉、工業(yè)“三廢”排放、過量使用農(nóng)藥和化肥等人為活動以及環(huán)境背景值較高是土壤重金屬污染的主要原因[1]. 由于早期我國土壤修復(fù)技術(shù)不成熟、管理體系不完善、環(huán)保意識較薄弱等原因，導(dǎo)致大部分工礦業(yè)場地未得到妥善管理，生產(chǎn)廢料露天堆放、隨意排污等事件頻發(fā)[2-4]，對土壤環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅.

現(xiàn)階段，我國工礦業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)的研究通常僅針對單一場地或幾個相鄰場地[5-7]，其研究尺度難以為全國土壤重金屬污染防治提供可靠支持. 大尺度的土壤重金屬污染調(diào)查需要消耗大量的人力物力，而基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是一種有效的解決辦法[8]. 例如，Shao等[9]基于已發(fā)表的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，長三角地區(qū)各省份農(nóng)業(yè)土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、Ni含量均超過了當(dāng)?shù)乇尘爸担珻d污染最嚴(yán)重，且近10年來土壤Cd含量呈上升趨勢；Wang等[10]研究表明，江蘇省食品加工、造紙、印染、冶金場地及周邊土壤存在較嚴(yán)重的Cd、Pb污染；Hu等[11]基于文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，我國東部和中部土壤重金屬污染較嚴(yán)重，尤其是廣東、湖南、云南等省份. Meta分析方法能將有同一研究目的多個試驗進(jìn)行整合，并依據(jù)其各試驗的變異情況賦予不同的權(quán)重，從而得出更可靠的結(jié)論，為解決環(huán)境領(lǐng)域的大尺度問題提供了途徑. 不同地區(qū)、不同行業(yè)場地的污染特征對工礦業(yè)土壤重金屬污染防控具有重要意義[12]，然而目前從全國范圍分析我國工礦業(yè)土壤重金屬污染區(qū)域分布及行業(yè)差異的研究較少. 鑒于此，該文基于全國尺度，對2005-2022年中國知網(wǎng)、萬方、Web of Science等數(shù)據(jù)庫發(fā)表的關(guān)于工礦業(yè)土壤重金屬污染的138篇文獻(xiàn)(包含141處場地)進(jìn)行Meta分析，并通過地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，評價有色金屬礦、黑色金屬礦、化石燃料開采、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn)5類典型行業(yè)場地及周邊土壤重金屬污染的區(qū)域分布及污染情況，旨在為我國工礦業(yè)土壤重金屬污染管理及整治提供可靠支撐.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

該文以有色金屬礦、黑色金屬礦、化石燃料開采、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn)5類典型行業(yè)場地及周邊土壤為研究對象，通過中國知網(wǎng)、萬方、Web of Science等數(shù)據(jù)庫，以“‘土壤(soil)’&‘重金屬(heavy metal)’&‘工 業(yè) 園 區(qū) (industrial park)’or‘礦 區(qū)(mining)’”作為關(guān)鍵詞初步檢索；再以“‘土壤(soil)’&‘重金屬(heavy metal)’&‘化工(chemical industry)’or‘機(jī)械加工(machining)’or‘紡織(textile industry)’”等進(jìn)一步細(xì)化檢索，檢索時段為2005-2022年，最終獲得文獻(xiàn)232篇.

文獻(xiàn)篩選原則：①污染場地的地理位置信息明確(至少精確至縣/區(qū)一級)；②土壤采樣點位于場地或場地周邊的農(nóng)田、城鎮(zhèn)、村莊等；③文獻(xiàn)記錄了土壤采樣深度及樣品數(shù)量，以表層土(0～10 cm或0～20 cm、0～50 cm)為研究對象；④文獻(xiàn)提供了土壤重金屬含量統(tǒng)計特征值的數(shù)據(jù)表. 文獻(xiàn)篩選流程如圖1所示.

圖1 文獻(xiàn)篩選流程Fig.1 Literature selection flow chart

我國工礦業(yè)土壤污染中常見的重金屬有Cu、Zn、As、Pb、Cd、Hg、Ni、Cr等. Qin等[13]研 究 表 明，2005-2017年，我國土壤中Cd、As含量呈上升趨勢，Cu、Zn、Pb含量變化不明顯，仍有待治理. 以Cd、Zn、Pb、Cu、As五種重金屬元素為研究對象，按照圖1所示流程篩選文獻(xiàn)，并進(jìn)行信息摘錄. 最終納入138篇文獻(xiàn)，包含141個工礦業(yè)污染場地的調(diào)查數(shù)據(jù). 所收集到的場地位置分布情況見圖2. 其中，化石燃料開采(石油、煤)23處、有色金屬礦(鉛鋅礦、鉬礦、銅礦等)63處、黑色金屬礦(鐵礦、錳礦等)17處、重工業(yè)生產(chǎn)(化工原料、金屬加工等)22處、輕工業(yè)生產(chǎn)(印染、造紙、醫(yī)藥等)14處、礬礦1處、雄黃礦1處.

圖2 已收集的全國141處工礦業(yè)污染場地分布Fig.2 Distribution of 141 collected industrial and mining sites in China

1.2 Meta分析

Meta分析指利用統(tǒng)計學(xué)方法，將有同一研究目的不同研究的結(jié)果進(jìn)行合并，擴(kuò)大樣本量，從而得出更可信的結(jié)論的方法[14]. Meta分析過程包括效應(yīng)值選擇和計算、效應(yīng)模型的選擇、合并效應(yīng)值計算以及模型驗證等步驟.

1.2.1效應(yīng)值選取和計算

效應(yīng)值(effect size，ES)用于比較試驗組與對照組平均值[15]，在環(huán)境領(lǐng)域，以對數(shù)響應(yīng)比作為效應(yīng)值的Meta分析運用最為廣泛[16-18]. 對數(shù)響應(yīng)比可以量化不同試驗條件下樣品平均值的比例變化[19]，從而更直觀地反映平均值間的差異，與Hedges’d指數(shù)相比更具優(yōu)越性. 該研究中，效應(yīng)值及其對應(yīng)方差的計算公式[20]分別為

式中：ESi表示工礦業(yè)場地土壤重金屬含量的效應(yīng)值；υi表示ESi對應(yīng)的方差分別表示納入文獻(xiàn)中所提及的各場地土壤重金屬含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和樣本數(shù)，為Meta分析試驗組，若文獻(xiàn)中未給出標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，則以平均值的1/10作為標(biāo)準(zhǔn)差的估計值[21]；Xc、Sc、Nc表示各省份土壤重金屬背景含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及樣本數(shù)，為Meta分析對照組，對照組數(shù)據(jù)依《中國土壤元素背景值(1990年)》[22]確定.

1.2.2模型選擇與合并效應(yīng)值計算

考慮到行業(yè)、土壤理化特征及重金屬背景含量等差異，該文選擇隨機(jī)效應(yīng)模型估計合并效應(yīng)值(E++)，具體方法：通過限制性最大似然估計法(REML)估算模型的研究間方差(τ2)，從而確定模型中各納入研究的權(quán)重，再根據(jù)加權(quán)平均法計算合并效應(yīng)值(E++) . 各納入研究的權(quán)重及合并效應(yīng)值(E++)的計算公式為

同時，合并效應(yīng)值的置信區(qū)間的計算公式：

合并效應(yīng)值可依據(jù)式(7)實現(xiàn)與變化百分比的轉(zhuǎn)化[8]：

式中，per表示土壤重金屬含量超過土壤背景值的百分比，%.

1.2.3模型驗證

異質(zhì)性檢驗：I2表示模型中各研究間變異占總變異的百分比，用于衡量模型異質(zhì)性. 若I2＞50%，認(rèn)為模型計算結(jié)果存在異質(zhì)性，需進(jìn)行分組分析或Meta回歸分析. 分組時，每個亞組內(nèi)研究數(shù)量最好大于10個，或至少包含8個研究且其數(shù)據(jù)摘錄自3篇及以上文獻(xiàn)[23-24].

Meta分析依據(jù)合并效應(yīng)值的95% CI是否包含0來判斷試驗組與對照組間是否存在顯著差異. 若合并效應(yīng)值的95% CI包含0，表明試驗組與對照組沒有顯著差異；若合并效應(yīng)值95% CI的下限大于0，表明試驗組相較對照組顯著提高；反之，則表明試驗組較對照組顯著下降[25-26].

1.3 土壤重金屬污染風(fēng)險評價

為進(jìn)一步定量評價我國工礦業(yè)土壤重金屬污染，分別以地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法反映土壤重金屬元素的富集情況及潛在危害.

1.3.1地累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)[27](Igeo)綜合考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值影響以及人為活動對土壤重金屬污染的影響，是判別人為活動影響的重要參數(shù)：

式中：Cn為土壤重金屬含量，mg/kg；Bn為土壤重金屬的背景含量，mg/kg.

Forstner等[28]將地累積指數(shù)分為7個級別：Igeo≤0，表示無污染；0＜Igeo≤1，表示無污染到中度污染；1＜Igeo≤2，表示中度污染；2＜Igeo≤3，表示中度污染到強(qiáng)污染；3＜Igeo≤4，表示強(qiáng)污染；4＜Igeo≤5，表示強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染；Igeo＞5，表示極強(qiáng)污染.

1.3.2潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[29]在考慮重金屬含量的同時，也關(guān)注了生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)的影響，在國際上運用廣泛[30]. 該方法分為單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，計算公式為

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價應(yīng)根據(jù)研究目的選擇合適的參比值[32]，常以土壤風(fēng)險篩選值或背景值作為參比值. 為嚴(yán)格管控，選擇土壤背景值作為參比值，由于該文只考慮Cd、As、Pb、Zn、Cu五種重金屬，需要對Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分的界限值進(jìn)行調(diào)整. 調(diào)整后的潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分如表1所示.

表1 調(diào)整后的潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分Table 1 Adjusted classification of potential ecological risk levels

1.4 數(shù)據(jù)處理

Meta分析通過開源軟件OPPENMEE完成，土壤重金屬污染評價的相關(guān)計算通過Excel 2016完成，圖片使用ArcGIS 10.3及Origin 2019繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 合并效應(yīng)值計算

我國工礦業(yè)場地及周邊土壤中Pb、Cd、As、Zn、Cu含量的合并效應(yīng)值(E++)如表2所示，各元素納入研究的數(shù)量分別為115、115、78、105、110個.

表2 隨機(jī)效應(yīng)模型計算結(jié)果Table 2 The calculation result of the stochastic effect model

由表2可見，5種重金屬元素的合并效應(yīng)值均大于0，且95% CI不包含0，表明我國工礦業(yè)場地及周邊土壤的重金屬含量顯著高于其背景含量. 5類重金屬元素的合并效應(yīng)值表現(xiàn)為Cd(2.300)＞Pb(1.204)＞Zn(1.201)＞Cu(1.088)＞As(0.998)，與土壤背景值相比，上述5種重金屬元素含量分別平均增加了約897.42%、233.34%、232.34%、196.83%和171.29%. 由于各元素的隨機(jī)效應(yīng)模型的I2值大于50%，異質(zhì)性顯著，進(jìn)行分組分析.

2.2 區(qū)域土壤重金屬污染特征

2.2.1區(qū)域分組分析

基于土壤類型、氣候及經(jīng)濟(jì)因素，將我國分為長三角地區(qū)、華南地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)、中南部地區(qū)和華北地區(qū)，進(jìn)行區(qū)域分組分析. 分析結(jié)果(見圖3)表明，華南地區(qū)、中南地區(qū)、長三角地區(qū)及西北地區(qū)5種重金屬元素的效應(yīng)值均為正，且95% CI不包含0，表明以上區(qū)域工礦業(yè)場地及周邊土壤重金屬含量顯著高于土壤背景值，污染較嚴(yán)重. 華北地區(qū)As元素合并效應(yīng)值的95% CI包含0，表明該區(qū)域土壤As含量與背景值差異不顯著. 東北地區(qū)工礦業(yè)土壤污染的首要元素是Cd，其次為Cu、Zn；而土壤As、Pb污染并不顯著，這是由于部分點位設(shè)于廠區(qū)(或礦區(qū))周邊農(nóng)田，土壤Cu、Zn污染也受有機(jī)肥、化肥、農(nóng)藥施用等影響[33].

圖3 不同區(qū)域工礦業(yè)場地土壤中各重金屬含量的合并效應(yīng)值(E++)Fig.3 Combined effect value of soil heavy metal contents in different regions

我國不同地區(qū)Cd的合并效應(yīng)值表現(xiàn)為長三角地區(qū)(3.045)＞華南地區(qū)(2.455)＞中南地區(qū)(2.362)＞西北地區(qū)(2.114)＞華北地區(qū)(2.090)＞東北地區(qū)(1.606). 總體上，南方地區(qū)Cd污染更嚴(yán)重. 華南地區(qū)、中南地區(qū)和西北地區(qū)工礦業(yè)場地及周邊土壤As的合并效應(yīng)值較高. 根據(jù)《中國土壤元素背景值》[22]，上述區(qū)域(如廣西壯族自治區(qū)、陜西省、貴州省、湖南省等)土壤As背景值也較高，推斷土壤環(huán)境背景值高也是引起土壤As污染的重要原因[34-35].

2.2.2土壤重金屬污染的區(qū)域分布

為直觀地了解我國工礦業(yè)場地及周邊土壤重金屬的累積情況，通過地累積指數(shù)法對文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評價. 土壤重金屬地累積指數(shù)(Igeo)的空間分布如圖4所示.

由圖4可見，我國工礦業(yè)場地及周邊土壤Cd污染達(dá)到中度以上的點位占60.87%，在湖南省、貴州省、云南省、廣東省一帶更密集. Cd是我國工礦業(yè)場地及周邊土壤中的首要污染元素，與相關(guān)研究[36-37]結(jié)論一致. Cu、Zn污染達(dá)中度及以上的點位分別僅占17.20%、17.24%，集中于華南地區(qū)和長三角地區(qū)，污染相對較輕. 工礦業(yè)場地及周邊土壤Pb污染達(dá)中度以上的點位占30.43%，集中于南方地區(qū)，如廣東省、廣西壯族自治區(qū)及長三角一帶，與寧銀中等[38-39]的研究結(jié)論一致，可進(jìn)行有針對性的監(jiān)管. 土壤重金屬污染的區(qū)域差異是自然過程和人為活動共同作用的結(jié)果[40-41]，在資源型省份(如湖南省、廣西壯族自治區(qū)、貴州省等)及沿海地區(qū)工礦業(yè)活動污染更嚴(yán)重[42]，北方地區(qū)污染相對較輕，東北三省以遼寧省污染較為突出. 分別計算各地區(qū)工礦業(yè)場地及周邊土壤重金屬的平均地累積指數(shù)，結(jié)果如圖5所示.

圖4 土壤重金屬地累積指數(shù)(Igeo)的空間分布Fig.4 Distribution of accumulation index (Igeo) for soil heavy metals

由圖5可見，長三角地區(qū)污染較嚴(yán)重，該地區(qū)制造業(yè)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)資源豐富，有多個著名礦區(qū)，如富陽鉛鋅礦(杭州市)[43]、銅陵銅礦(安徽省)[44]、棲霞山鉛鋅礦(南京市)[45]等，導(dǎo)致土壤重金屬污染較為嚴(yán)重.長三角地區(qū)工礦業(yè)場地及周邊土壤中Cd元素的平均地累積指數(shù)為3.776，屬強(qiáng)污染，污染尤為突出. 北方以重工業(yè)生產(chǎn)及能源開采為主，金屬開采加工較少，污染比南方地區(qū)輕. 東北工礦業(yè)場地及周邊土壤Cd、Cu、Zn三種元素的平均地累積指數(shù)分別為1.736、1.093和1.303，均屬中度污染. 整體來看，東北地區(qū)的污染與其他地區(qū)相比較輕[46].

圖5 區(qū)域平均地累積指數(shù)Fig.5 Regional average geo-accumulation index

2.3 行業(yè)土壤重金屬污染特征

2.3.1行業(yè)分組分析

礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、化工生產(chǎn)等人為活動是引起土壤重金屬污染的主要原因[47]. 礦區(qū)由于污染時間長、情況復(fù)雜、隱患高，需要優(yōu)先控制區(qū)[39]. 按研究所涉及的5類行業(yè)(化石能源開采、有色金屬礦、黑色金屬礦、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn))進(jìn)行分組分析，各組研究數(shù)量及合并效應(yīng)值計算結(jié)果見圖6.

圖6 不同行業(yè)場地土壤重金屬含量的合并效應(yīng)值(E++)Fig.6 Combined effect value (E++) of soil heavy metal content in various industrial sites

由圖6可見，有色金屬礦污染最嚴(yán)重，Cd、Zn、As、Cu、Pb五種元素合并效應(yīng)值的95% CI下限均大于0，表明有色金屬礦場地及周邊土壤重金屬含量顯著高于背景值. 土壤Cd、Zn、As、Cu、Pb含量的增幅分 別為964.40%、487.09%、352.67%、311.24%和310.83%，Cd污染十分突出. 化石燃料開采場地及周邊土壤重金屬的合并效應(yīng)值較小，且As、Pb的95% CI均包含0，表明土壤Pb、As含量與背景值差異不顯著. 研究[48-50]表明，我國煤礦開采通常導(dǎo)致土壤Cd、Pb、Zn、As、Cu、Hg、Ni等重金屬元素富集，通常Cd污染最嚴(yán)重，Pb污染常源于燃煤過程中的降塵，As則常源于地質(zhì)背景成因，且大多數(shù)煤礦開采區(qū)土壤重金屬污染較輕微.

2.3.2土壤重金屬污染的行業(yè)分布

我國早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依賴資源開發(fā)和重工業(yè)，如采礦、冶金、化工等. 這些行業(yè)耗能高，污染物排放量大，涉重金屬原料多，易導(dǎo)致土壤污染[51]. 為進(jìn)一步了解不同行業(yè)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，通過綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對5類行業(yè)土壤重金屬的污染情況進(jìn)行評價，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可見，化石能源開采、有色金屬礦開采、黑色金屬礦開采、重工業(yè)生產(chǎn)和輕工業(yè)生產(chǎn)土壤重金屬污染達(dá)強(qiáng)風(fēng)險以上的點位占比分別為39.13%、73.02%、64.29%、59.09%和52.94%. 49.21%的有色金屬礦開采場地及周邊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險為極強(qiáng)等級，情況不容樂觀[52]. 化石能源礦產(chǎn)開采造成的土壤重金屬污染相對較輕，中等風(fēng)險及以下的點位占60.87%.

圖7 不同行業(yè)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險等級分布Fig.7 Class distribution of comprehensive potential ecological risk for heavy metals of in different industry soils

由圖8可見，工礦業(yè)場地及周邊土壤Cd污染最嚴(yán)重，5類行業(yè)土壤Cd的平均(單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù))大于240，為極強(qiáng)等級，Pb、As污染次之，有色金屬礦污染尤為突出. 其他4類行業(yè)場地及周邊土壤Pb、As元素的平均小于30，為輕微污染；總體而言，Cu、Zn污染較輕，5類行業(yè)場地及周邊土壤單因子潛在生態(tài)風(fēng)險都為輕微等級. 根據(jù)3.3.1節(jié)，Zn相對于背景值的平均升高倍數(shù)比Cu大，但由于其金屬毒性響應(yīng)系數(shù)較小，潛在生態(tài)風(fēng)險較輕；Cd的毒性響應(yīng)系數(shù)較高，且平均累積含量相對于背景值的升高倍數(shù)最大，應(yīng)重點管制.

圖8 不同行業(yè)土壤重金屬平均單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)()及風(fēng)險等級Fig.8 Comparison of average one-factor potential ecological risk index for heavy metals in different industry soils

3 結(jié)論

a) 我國工礦業(yè)活動使土壤Cd、Pb、Zn、Cu、As元素含量顯著高于其背景值，其合并效應(yīng)值(E++)計算結(jié)果表現(xiàn)為Cd(2.300)＞Pb(1.204)＞Zn(1.201)＞Cu(1.088)＞As(0.998)，表明與土壤背景值相比，我國工礦業(yè)場地及周邊土壤中上述5種重金屬元素含量分別平均增加了約897.42%、233.34%、232.34%、196.83%和171.29%.

b) 土壤重金屬污染的區(qū)域分布差異是自然過程和人為活動共同作用的結(jié)果，我國南方地區(qū)工礦業(yè)土壤污染更嚴(yán)重，尤其是沿海地區(qū)和資源型省份，如廣東省、江蘇省、湖南省、貴州省等；而北方地區(qū)工礦業(yè)土壤重金屬污染相對較輕，東北地區(qū)以遼寧省更為突出. 部分區(qū)域工礦業(yè)場地及周邊土壤As污染的形成與土壤母質(zhì)有關(guān)(如貴州省、云南省等). Cd是首要污染物.

c) 不同行業(yè)活動導(dǎo)致的土壤重金屬污染情況不同. 根據(jù)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果，化石能源開采、有色金屬礦開采、黑色金屬礦開采、重工業(yè)生產(chǎn)和輕工業(yè)生產(chǎn)土壤重金屬污染達(dá)強(qiáng)風(fēng)險以上的點位占比分別為39.13%、73.02%、64.29%、59.09%和52.94%，有色金屬礦土壤重金屬污染最嚴(yán)重. 根據(jù)平均單因子潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)計算結(jié)果，Cd的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險最高，5類行業(yè)都為極強(qiáng)等級；Pb、As次之，除有色金屬礦以外，其他行業(yè)為輕微等級；Cu、Zn較低，5類行業(yè)都為輕微等級；由于Cd元素的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)較高，且相對于元素背景值累積最大，應(yīng)重點管制.