石嘴山市不同功能區(qū)土壤重金屬污染的研究

賈 濤 江海紅

（吳忠市科信環(huán)境檢測有限公司，寧夏 吳忠 751100）

隨著我國工業(yè)化進程的不斷加速，工業(yè)排放、城市交通、大氣沉降等方式導致大量重金屬元素在土壤中累積[1]。土壤重金屬的大量對土壤生態(tài)系統造成不良的影響，導致土壤環(huán)境質量惡化。眾多國內外學者對城市的土壤重金屬分布進行研究，并取得豐碩的成果。Manta 等[2]通過對巴勒莫的重金屬分布進行研究，發(fā)現工業(yè)與交通是導致區(qū)域土壤重金屬超標的主因；李一蒙等[3]采用潛在生態(tài)風險指數對開封市土壤重金屬分布進行研究，發(fā)現開封市土壤中Cd 含量高，呈重度污染，通過研究發(fā)現Cd 含量多與化肥廠煙塵、交通運輸和以及燃煤等有關；王楨等[4]通過對日本新潟市鐵路沿線土壤的重金屬含量進行研究，發(fā)現鐵路等交通運輸線是影響土壤中重金屬的含量及分布的重要因素。

石嘴山市作為寧夏回族自治區(qū)北部重要中心城市，進入21世紀以來，隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”的推進，其工業(yè)得到了快速發(fā)展。因此該文以石嘴山市為例，對其不同功能區(qū)土壤重金屬含量進行研究，以期能為石嘴山市土壤環(huán)境保護提出對策。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石嘴山市地處中國西北地區(qū)，為寧夏回族自治區(qū)北部重要城市，東臨鄂爾多斯臺地，西踞銀川平原北部。地形以平原為主，海拔高度約1150m 左右，年均氣溫8.4℃～9.9℃，年均降水量167mm～188mm，屬典型的溫帶大陸性氣候，氣候冬冷夏熱，降水少。隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”的推進，石嘴山市步入快速發(fā)展期，隨著經濟快速發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境壓力也在增加。

1.2 樣品采集、處理與檢測

根據城市人口的分布與活動，該文把石嘴山市區(qū)劃分為工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、公園和開發(fā)區(qū)5 個功能區(qū)，每個功能區(qū)均勻設置8 個采樣點，共40 個采樣點。采樣時避開混凝土碎屑、生活垃圾、瓦礫等人工填充物，采集人為擾動相對較少的土壤。將采集的土壤樣品平鋪在塑料袋上，剔除礫石、雜草等雜物，置于通風處自然風干，將風干后的土壤樣品研磨，使其通過60 目的尼龍篩，裝入密封袋中保存?zhèn)溆?。土壤樣品經HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用ICP-OES 檢測分析Cu、Cd、Cr、Pb 和Zn 這5 種重金屬含量，每個樣品采用3 組平行試驗，取均值作為重金屬濃度。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 經典統計學分析

運用經典統計學對土壤重金屬元素進行空間變異分析，其變異特征用變異函數Cv表示，如公式（1）所示。

式中：s為標準差，x為變量平均值，通常將變異程度分為3 級，即弱變異性（Cv≤0.1），中等變異性（0.1 ＜Cv＜ 1）和強變異性（Cv≥ 1）。

1.3.2 土壤重金屬污染評價標準

單因子指數和內梅羅綜合污染指數可以全面反映出各污染物的污染狀況，同時突出較高濃度污染物對土壤環(huán)境質量的影響，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：Pi為土壤重金屬i的單因子指數；ci為重金屬i的實測值（mg·kg-1）；si為重金屬評價標準（mg·kg-1），取 GB 15618 的一級含量限值[5]。P綜為內梅羅綜合污染指數，Pimax為重金屬單因子指數最大值，Piavg是其平均值。單因子指數法評價標準見表1。內梅羅綜合指數法評價標準見表2[6]。

表1 單因子指數法對土壤污染程度的分級標準

表2 內梅羅指數法對土壤綜合污染程度的分級標準

1.3.3 潛在生態(tài)風險評價

潛在生態(tài)風險指數法是目前污染物生態(tài)風險研究中應用最廣泛的評價方法之一[7]，其計算方法如下。

多個重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數（RI）可按式（5）確定。

表3 重金屬潛在生態(tài)風險分級標準

2 結果與分析

2.1 石嘴山市土壤重金屬描述性統計分析

石嘴山市土壤重金屬含量的描述性統計分析結果見表4。由表4 可知，石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的含量分別為18.56～103.46mg/kg、54.78～112.89mg/kg、45.03～121.72mg/kg、0.08～0.39mg/kg 與19.04～71.96mg/kg，其均值分別為42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32mg/kg，除Cu 的極大值超過國家土壤污染風險篩選值，其余均未超過國家的土壤污染風險篩選值，這表明石嘴山市區(qū)的部分地區(qū)出現了Cu 元素的聚集趨勢。從變異系數看，Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 這5 種重金屬的變異系數均介于0.1～1，均屬于中等變異，其變異系數大小排序為Cr＜Zn＜Pb＜ Cd＜Cu。其中Cu 的變異系數最大，這說明在石嘴山市的Cu 含量有較大的差異。從K-S 檢驗看，Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 這5種重金屬的分布均屬于正態(tài)分布。

表4 土壤重金屬含量描述性統計（單位：mg/kg）

2.2 石嘴山市不同功能區(qū)土壤重金屬分布特征

運用SPSS22.0 對石嘴山市5 個功能區(qū)土壤重金屬含量進行分析，具體結果見表5。由表5 可知，土壤重金屬含量在石嘴山市5 個功能區(qū)存在比較明顯的差異。從各重金屬元素看，土壤中Cu 含量在工業(yè)區(qū)最高，為51.16mg/kg，在公園最低，為31.04mg/kg，總體趨勢為工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞開發(fā)區(qū)＞公園，土壤中Cr 含量在工業(yè)區(qū)最高，為96.27mg/kg，在開發(fā)區(qū)最低，為62.41mg/kg，總體趨勢為工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞公園＞開發(fā)區(qū)，土壤中Zn 含量在工業(yè)區(qū)最高，為95.42mg/kg，在公園最低，為52.18mg/kg，總體趨勢為工業(yè)區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞開發(fā)區(qū)＞公園，土壤中Cd 含量在工業(yè)區(qū)最高，為0.18mg/kg，在開發(fā)區(qū)與公園最低，均為0.14mg/kg，總體趨勢為工業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞公園=開發(fā)區(qū)，土壤中Pb 含量在工業(yè)區(qū)最高，為38.99mg/kg，在公園最低，為20.85mg/kg，總體趨勢為工業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞開發(fā)區(qū)＞公園?？傮w來看，工業(yè)區(qū)5 種重金屬元素的含量明顯高于其他功能區(qū)，而公園與開發(fā)區(qū)的重金屬含量較低，土壤相對無污染。

表5 不同功能區(qū)土壤重金屬含量水平（單位：mg/kg）

2.3 石嘴山市土壤重金屬元素空間分布特征

對石嘴山市土壤重金屬進行統計，雖然可以反映該區(qū)域重金屬含量狀況，但是無法反映其空間結構性與隨機性。因此，為進一步研究石嘴山市的土壤重金屬分布情況，還須利用地統計學的半方差函數公式對其重金屬的空間分布進行研究。結果見表6。由表6 可知，從擬合模型看，石嘴山市土壤重金屬中Cu、Cr、Zn 元素的最佳擬合模型是球狀模型，Cd 與Pb 元素的最佳擬合模型分別為高斯模型和指數模型，從塊金值與基臺值的比值看，Cu 的塊金值與基臺值比值為0.39，介于0.25～0.75，具有中等空間相關性，受到隨機和結構因素共同影響，說明在石嘴山市，Cu 元素的分布受到比較明顯的人為因素的影響。而Cr、Zn、Cd 與Pb 元素的塊金值與基臺值比值均小于0.25，說明其具有強烈的空間相關性，主要受結構因素影響。從變程看，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 與Pb 5 種重金屬的空間自相關距離存在比較明顯的差別，其變程范圍介于551m～5440m，相差接近10 倍，其原因可能是城市的生態(tài)系統受人類活動的影響比較強烈，特別是在不同的功能區(qū)，土壤重金屬的輸入量與輸入方式存在一定的差別，導致在石嘴山市土壤重金屬存在不同空間結構性。

2.4 石嘴山市土壤重金屬單因子指數評價

該文對石嘴山市土壤重金屬進行單因子指數評價，評價結果見表7。從表7 可知，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數的平均值分別為0.68、0.55、0.60、0.54 與0.59，其單因子指數平均值從大到小依次為Cu ＞Zn ＞Pb ＞Cr ＞Cd，且5 種重金屬單因子指數平均值小于1，說明石嘴山市土壤無重金屬污染。Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數的范圍分別為0.32～1.09、0.31～0.84、0.42～0.83、0.35～0.70 和0.41～0.85。。其中Cu的單因子指數最大值大于1，這說明在局部地區(qū)存在比較嚴重的Cu 元素污染。

表7 單因子指數評價結果

為更好地分析石嘴山市土壤重金屬的污染情況，該文對各采樣點土壤重金屬不同污染級別所占比例進行分析。具體結果見表8。由表8 可知，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 與Pb 這5 種重金屬均未出現污染情況。

表8 土壤重金屬污染指數

2.5 石嘴山市土壤重金屬的內梅羅指數評價

運用單因子指數法對石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 這5 種元素的情況進行評價，只能反映該地區(qū)這5 種元素的單項污染狀況，不能明確綜合污染狀況。因此，為更好地研究石嘴山市土壤重金屬的綜合污染狀況，該文運用內梅羅指數法對石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 這5 種重金屬進行評價。評價結果見表9。由表9 可知，石嘴山市土壤重金屬污染程度屬于安全、警戒線的采樣點個數分別為35、5 個，分別占87.5%、12.5%，無輕微污染、中度污染和重度污染。

表9 內梅羅綜合污染指數法評價結果

2.6 石嘴山市土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價

為進一步評價研究區(qū)土壤環(huán)境生態(tài)風險，根據Hakanson 制定的標準化重金屬毒性響應系數，以國家土壤污染風險篩選值為評價標準，計算潛在生態(tài)危害單項系數和復合系數。由表10 可知，石嘴山市土壤中Zn、Cd、Pb、Cu、Cr 的潛在生態(tài)危害單項系數均小于40，為輕微的生態(tài)風險等級水平。從潛在生態(tài)危害復合系數看，輕度、中度、重度風險等級占比分別為80%、20%、0%，表明石嘴山土壤重金屬生態(tài)風險仍處于不安全范圍。

表10 土壤重金屬生態(tài)危害系數

3 結論

由描述性統計可知，石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的均值分別為42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32 mg/kg，均未超過國家的土壤污染風險篩選值，且5 種重金屬均屬于中等變異，其中Cu 的變異系數最大，這說明在石嘴山市的Cu 含量有較大的差異。從不同功能區(qū)土壤重金屬分布看，工業(yè)區(qū)5 種重金屬元素的含量明顯高于其他功能區(qū)，而公園的重金屬含量較低，土壤相對污染程度低。從空間分布特征看，在石嘴山市，Cu 元素的分布受到較明顯的人為因素影響。而Cr、Zn、Cd 與Pb 元素的分布主要受結構因素影響。從單因子分析看，石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數平均值小于1，說明石嘴山市土壤重金屬無污染。其中Cu 的單因子指數最大值大于1，這說明在局部地區(qū)存在比較嚴重的Cu 元素污染。從內梅羅指數看，石嘴山市土壤重金屬全部屬于安全、警戒線，無輕微污染、中度污染和重度污染。從潛在生態(tài)危害評價看，石嘴山土壤重金屬輕度、中度、重度風險等級占比分別為80%、20%、0%，生態(tài)風險處于不安全范圍。