工業園周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評價

雷雷佳 劉俊 劉衛國 周政 劉洋 李昕竹

摘要：采集工業園及周邊不同區域表層土壤（0～20 cm），統計分析土壤樣品中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種重金屬含量，利用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法及潛在生態風險指數法（RI）對研究區重金屬累積狀況與潛在生態風險進行綜合評價。結果表明：土壤重金屬元素Cr、Cd的平均含量均超過新疆土壤背景值。區域土壤重金屬平均值表明，重金屬累積程度由高至低依次為農田區域>工業園區及周邊區域>過渡帶區域>自然荒漠區域。8種重金屬分布規律明顯，重金屬含量較大區域大多集中在農田區域與工業園區及周邊土壤區域。單因子污染指數表明，研究區大部分區域Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線或無污染。內梅羅綜合污染指數及潛在生態風險指數表明，各區域重金屬風險程度依次為農田土壤區域>工業園區及周邊土壤區域>過渡帶區域>自然荒漠土壤區域。內梅羅綜合污染指數及RI空間分布圖表明，工業園區及周邊土壤大部分區域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平，研究區整體處于低潛在生態風險水平。

關鍵詞：土壤;重金屬污染;生態風險評價;工業區

中圖分類號：X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0227-06

土壤是人類生產生活的基礎，是生態系統重要組成部分[1]。隨工業化、城鎮化發展[2]，工業園區引發的土壤重金屬污染問題日益嚴重[3]。重金屬具有極強的污染、富集及遷移能力，容易在土壤中積累并對動植物生長造成危害[4]，也可通過食物鏈富集等方式危害人體健康[5]，對周邊生態環境造成潛在生態風險[6]。大量研究表明，重金屬在工業園區及周邊土壤中存在不同程度累積[7-8]。目前，對新疆地區區域土壤表層重金屬評價的研究多集中于對單一區域進行評價，評價結果存在一定片面性，且單一污染評價指數不能綜合考慮多種重金屬的生物毒性且多為對新疆各地區農田[9]、城市區域[10]重金屬污染評價研究。本試驗結合多種評價方法，考慮不同區域類型土壤，對4個區域土壤表層重金屬累積情況進行評價，綜合評價結果更加全面。

阜康某工業園區作為新疆維吾爾自治區第一批發展循環經濟的重點園區，取得了良好經濟效益，為天山北坡經濟帶快速提升與飛速發展提供了有力支持，但伴隨其發展產生了土壤重金屬污染問題[10]。本研究通過檢測工業園區周邊不同區域表層土壤8種重金屬的含量，利用空間插值揭示重金屬污染物空間分布特征，采用單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害指數（RI）法對土壤污染現狀進行綜合全面評價，分區域比較8種重金屬含量，揭示各區域土壤重金屬累積情況，以期為該地區重金屬污染防治提供參考，為其生態環境可持續發展、保障人群健康提供科學依據，也可為環境管理部門對土壤重金屬污染管控、治理及潛在生態風險預警提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗選擇新疆某工業園區周邊土壤為研究對象，該區域位于新疆阜康市與烏魯木齊市交界處，東臨吉木薩爾縣，西與烏魯木齊市米東區毗鄰，南至博格達峰，北入準格爾盆地[10]。試驗區為溫帶大陸性氣候區，四季分明，光照充足，熱量豐富，蒸發能力強，年均降水量 216.4 mm，年均蒸發量 2 324.6 mm[12]。

1.2 土壤樣品采集與處理

1.2.1 土壤樣品的采集 于2020年生長季，分4個區域[工業園區及周邊土壤（A）區域、自然荒漠土壤（B）區域、農田土壤（C）區域、過渡帶（D）區域]在某工業園區及周邊進行土壤樣品采集。采用網格布點與隨機布點相結合，手持全球定位系統（GPS）精確定位樣點。各樣點分樣點不少于5個，采樣深度為0～20 cm，將分樣點采集的土樣混合均勻，利用四分法取舍，制成1 kg土壤樣品，所有樣品編號后放入密封袋，帶回實驗室備用。

1.2.2 土壤樣品的處理與測定 剔除土壤樣品中雜物，自然風干磨碎，過100目孔篩，制土樣備用。稱取約0.5 g（精確至0.000 1 g）土樣于50 mL比色管中，加少許水潤濕，防止土樣消解不完全。加入10 mL硝酸-鹽酸混合試劑，加塞搖勻置沸水浴中消解2 h，取出冷卻，定容搖勻后靜置，取上清液待測。參照GB/T 22105—2008《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》，使用原子熒光光度計（BAF-2000型，北京寶德儀器有限公司）測定土樣中砷（As）、汞（Hg）含量。稱取0.5 g（精確至 0.000 1 g）土壤樣品，采用電熱板加熱消解法式微波消解法處理后，于比色管中用純水沖洗定容，靜置取上清液待測。參考HJ832—2017《土壤和沉積物金屬元素總量的消解微波消解法》，使用全譜直讀等離子體發射光譜儀（ICP-5000型，聚光科技股份有限公司）測定土樣中鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）含量。測定分析過程中，采用空白樣品、平行樣品和國家標準土壤物質 GSS-2a、GSS-8a進行質量控制，8種重金屬元素回收率均控制在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3 評價方法

1.3.1 內梅羅綜合指數法 內梅羅綜合指數法兼顧了單因子污染指數的平均值和最大值，可以綜合全面反映重金屬對土壤的影響，衡量土壤污染情況[11]。計算公式如下：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數[12];Ci為重金屬含量實測值，mg/kg;Si為重金屬含量參比值，本試驗取新疆土壤背景值[13];P綜為內梅羅綜合污染指數;Pimax為單因子污染指數最大值;Piave為單因子污染指數平均值。P綜分級標準：安全，P綜≤0.7;警戒限，0.73.0。

1.3.2 潛在生態風險指數法 Hakanson提出的潛在生態風險指數法是一種研究重金屬對環境的污染效應的生態風險評價方法[15]。其計算公式如下：

式中：Pi為重金屬i的單因子污染指數;Eir為重金屬i的潛在生態風險系數;Tir為重金屬毒性響應系數;Hakanson給出的重金屬毒性系數為 Hg=40>Cd=30>As=10>Pb=Cu=Ni=5>Cr=2>Zn=1[15];RI為潛在生態風險指數。風險評估標準見表1。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0的多元統計方法對土壤8種重金屬的含量進行統計分析和計算?；贏rcGIS 10.2平臺中的地統計分析模塊，采用空間插值法得研究區8種土壤重金屬的空間分布圖、內梅羅綜合指數圖與潛在生態風險指數圖。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量統計分析

由表2可知，所有重金屬元素的極大值高于新疆土壤背景值，并且重金屬元素Cr、Cd的平均值均超過新疆土壤背景值，分別為背景值的1.15、1.6倍;其余6種重金屬平均含量未超過新疆土壤背景值。變異系數（CV）代表總體樣本中重金屬含量的變異程度，可知8種重金屬元素變異系數范圍為 0.15～0.41，其中As、Cd、Hg變異系數為0.26、0.32、0.41，呈中等變異（0.

由表3可知，不同區域土壤重金屬含量分布差異較大，As、Cd含量的極大值在A區域，Pb含量極大值在B區域，而Cr、Hg、Cu、Zn、Ni含量的極大值出現在C區域。通過比較各區域土壤重金屬均值含量與新疆土壤背景值，計算得出超背景值百分率。Cr、Cd含量各區域超背景值百分率較高，二者超背景值百分率最大區域均為C、D區域（100%、100%），最低超百分率區域均為B區域（60%、73%）。Hg、Pb、Cu、Ni含量在C區域超背景值比率較高，分別為69.23%、7.96%、76.92%、76.92%，在D區域超背景值比率較低，均為0%。As含量在A區域超背景值百分率較高，為32%，在D區域超背景值百分率較低，為0%。從區域土壤重金屬含量平均值分析，As含量為A區域>C區域>D區域>B區域，Hg含量為C區域=A區域>D區域=B區域，Cr、Pb、Zn含量C區域>D區域>A區域>B區域，Cd、Cu、Ni為C區域>A區域>D區域>B區域。綜合表2、表3分析結果可知，與其余3個區域相比，B區域8種重金屬含量較低，D區域除Cr、Cd外的6種重金屬超過新疆土壤背景值百分率較低，但重金屬累積略高于自然荒漠區域，C區域8種重金屬超背景值百分率最高，A區域8種重金屬累積含量與C區域相比較低，但重金屬累積程度高于D區域與B區域。

2.2 土壤重金屬含量空間分布

通過使用ArcGIS 10.2.2地統計分析工具對8種重金屬含量進行插值，畫出8種土壤重金屬污染特征的空間分布圖，進一步直觀揭示研究區土壤重金屬分布特征。由圖1可得，8種重金屬分布規律明顯，空間分布呈斑塊狀，且重金屬含量較高的區域大多集中在農田區域與工業園區及周邊土壤區域。其中As含量的高值區域主要位于東部區域與中南部區域，其他區域含量較低;Cr、Zn含量空間分布相似，東北部為高值區，東部、中南部為次高值區域，西部為低值區;南部與西北部Cu、Ni含量相對較低且分布均勻，北部出現大范圍高值區，二者空

間分布相似;Cd、Hg、Pb在西南部、東北部含量較高，西北部區域含量較低且分布均勻?？傮w比較后表明，東北部農田區域為8種元素含量較高區域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工業園區及周邊土壤區域存在高值區域，這說明這些區域可能存在一定污染源。對采樣點及周邊環境調查分析發現，研究區農田區域種植玉米、棉花、向日葵、小麥等農作物，可能存在肥料澆灌、污水灌溉等污染源導致重金屬累積[17]，且部分農田采樣點靠近公路，存在交通運輸帶來重金屬疊加累積的可能[18]。

2.3 土壤重金屬含量污染評價

由表4可見，4個區域單因子污染指數范圍為0.58～1.83，8種重金屬單因子污染指數平均值從大到小依次為Cd>Cr>Zn>Cu>Ni=As>Hg>Pb。根據表1、表2分級標準，各區域8種重金屬污染風險程度不同，由單因子污染指數可知，C區域中Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Hg均為輕度污染，As、Pb含處于污染警戒線;A區域Cr、Cd處于輕度污染，其他6種元素處于污染警戒線;D區域Cr、Cd處于輕度污染，其余6種元素處于污染警戒線;B土壤區域Cr、Cd處于輕度污染，其余6種元素處于污染警戒線。研究區A、B、D區域Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線程度，C區域除As、Pb為輕度污染，其余6種重金屬均輕度污染。根據表1分級標準，內梅羅綜合污染指數評價表明，不同區域土壤內梅羅綜合污染指數平均值由低至高分別為B區域、D區域、A區域、C區域。結合表4與圖2分析可得，C區域中部及下部、A區域西南部污染風險較高，A區域中部、中南部及D區域存在一定程度風險，B區域大部分相較其他區域風險低。研究區大部分區域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平，極小區域處于中度污染區域。

表5評價結果表明，8種重金屬潛在生態風險系數（Eir）平均值依次為Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。結合表2分級標準，C區域Cd、Hg含量處于潛在中生態風險，A區域及D區域Cd含量處于潛在中生態風險，其余區域剩余元素均為潛在輕生態風險。4個區域潛在生態風險指數由大到小為C區域>A區域>D區域>B區域。

結合圖2潛在生態風險指數評價結果空間分布圖可知，研究區整體處于低潛在生態風險水平，極小區域存在中潛在生態風險。C區域中部及下部、A區域西南部重金屬累積較高，存在中潛在生態風險。各個重金屬對潛在生態風險指數的貢獻率等于其單項潛在生態風險指數與總潛在生態風險指數的比值。計算8種重金屬對潛在生態風險指數RI的貢獻率，Cd的貢獻率為45.56%，Hg的貢獻率為30.16%，比例較高，Hg、Cd為潛在生態風險指數的主要貢獻因子。

相比其他區域，C區域與A區域重金屬風險程度略高，這與陳宗娟等的研究結論[17-18]一致。由于研究區部分工業園區建成時間較短或還在建設中，且采樣點部分布設于企業外部等原因，A區域表層土壤重金屬累積時間較短，潛在生態風險低于C區域。C區域存在施用農藥化肥等情況，可能導致重金屬累積過高，且C區域部分采樣點靠近公路，可能受到交通運輸、車輛尾氣排放等因素影響，導致C區域重金屬風險評估指數大于其他區域。

3 結論

本試驗基于工業園區及周邊不同區域表層土壤8種重金屬含量，分析并直觀展現不同區域8種土壤重金屬累積程度，綜合評價不同區域重金屬污染風險程度及可能存在的潛在生態風險，所得結論如下：

（1）研究區重金屬元素Cr、Cd的平均值均超過新疆土壤背景值，分別為背景值的1.15、1.6倍，其余6種重金屬含量未超過新疆土壤背景值。As、Cd、Hg呈現中等變異，其他5種重金屬變異系數均處于弱變異。

（2）各區域土壤重金屬平均值表明重金屬累積程度由高至低分別為農田區域>工業園區及周邊區域>過渡帶區域>自然荒漠區域。8種重金屬空間分布呈斑塊狀，東北部農田區域為8種元素含量較高區域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工業園區及周邊土壤區域存在高值區域。

（3）單因子污染指數評價，大部分研究區Cr、Cd為輕度污染程度，其余6種重金屬處于污染警戒線程度。內梅羅綜合污染指數評價，不同區域土壤內梅羅綜合污染指數平均值由低至高分別為自然荒漠土壤區域、過渡帶區域、工業園區及周邊土壤區域、農田土壤區域。研究區大部分區域處于污染警戒線范圍，部分處于輕度污染水平。

（4）4個區域潛在生態風險指數（RI）平均值為農田土壤區域>工業園區及周邊土壤區域>過渡帶區域>自然荒漠土壤區域。研究區整體處于潛在低生態風險。Cd、Hg對潛在生態風險指數的貢獻率較高，為主要貢獻因子。

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