慶陽市市區及環江—涇河沿岸土壤重金屬含量生態風險評價

劉 芳 ，劉向軍，張鵬博，唐道斌 ，張勝強

1.西北師范大學 甘肅省綠洲資源環境與可持續發展重點實驗室，蘭州 730070

2.西北師范大學 地理與環境科學學院，蘭州 730070

3.嘉應學院 地理科學與旅游學院，梅州 514015

4.西北師范大學 教育學院，蘭州 730070

土壤是人類生存的基本要素，為人類提供食物等生產資料和生活空間，也持續容納環境中其余污染物質，例如氣溶膠的沉淀、廢棄污水的排放等。重金屬作為土壤主要的持久性有毒污染物質，具有難降解等特性，并不斷在土壤中累積，成為對生態系統和人類構成潛在風險的全球性問題（夏星輝和陳靜生，1997；陳懷滿等，1999；崔德杰和張玉龍，2004）。通過各種途徑進入環境中的Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu和Zn元素及其化合物，會對農作物帶來直接傷害，導致植物的死亡，使農產品中重金屬含量增加，導致農產品污染，威脅農產品質量安全；也會通過各種食物鏈，經過逐級生物富集對人體健康產生危害，還可以通過影響水體和大氣環境質量間接對人類健康造成威脅，誘發腦、血管、腎等疾病，并具有致癌性（張婷等，2019；李茸，2020）。土壤重金屬污染問題受到國內外學者的重視，已有廣泛的研究，土壤重金屬污染評價常用的方法是內梅羅綜合指數法、生態風險評價等方法或者利用主成分分析法和相關模型對污染源進行解析，闡明土壤重金屬的污染程度及其對相關地區生態環境可持續發展的影響（Marr et al，1999；和莉莉等，2008；陳秀端等，2011；郭偉等，2013；Chen and Lu，2018）。Bortey-Sam et al（2015）對加納 Tarkwa農業土壤中重金屬進行了研究，認為采礦活動是該區域主要的污染源；宋明義等（2009）通過對寧波市城市土壤重金屬綜合異常區Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cu化學形態的研究，認為該市區表層土壤中重金屬相對于深層土壤富集系數高，其原因除主要與該市工業“三廢”的排放密切相關外，與所處的地質背景也有一定聯系；李春亮和劉文輝（2012）對甘肅省白銀市區土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的分布、存在形式和在水體中的含量進行分析，認為該區土壤、水體已受到Cu、Pb、Zn、Cd、Hg等重金屬污染。

慶陽市位于陜甘寧三省的交匯處，域內的董志塬被譽為隴東糧倉，但近十幾年來慶陽市大規模的石油開采已對土壤健康造成影響，因此需密切關注慶陽市市區內土壤環境的健康狀況，目前這方面的研究工作開展較少，亟待加強（陳麗華等，2011）。梁俊寧（2011）對隴東塬區的土壤重金屬含量進行了分析及土壤質量評價，以油田為切入點進行了分析，發現土壤中Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的含量均屬于未污染狀態，土壤質量清潔，但土壤Cd污染程度嚴重，油田重金屬含量整體關系為：華慶＜馬嶺＜西峰，他們的研究缺少對城區和河流的研究。本研究將慶陽市市區及環江 — 涇河沿岸作為研究對象，使用單因子污染指數、地累積指數、內梅羅綜合污染指數及潛在生態風險評價方法分析慶陽市市區和環江 — 涇河沿岸的表層土壤中重金屬的含量、污染分布特征及潛在生態風險等問題，并采用皮爾遜相關系數法和主成分分析法進行源解析，為后續的重金屬污染土壤修復和城市發展規劃提供相關依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

慶陽市市區（107°27′42″ — 107°52′48″E，35°25′55″ — 35°51′11″N）地處甘肅省東部、涇河上游，位于隴東黃土高原董志塬北部，平均海拔1421 m，主要土壤類型有黃綿土、灰褐土、黑壚土、新積土、水稻土、紅黏土、潮土7類。研究區屬溫帶大陸性半干旱氣候，年日照時數2400 —2600 h，年降水量400 — 600 mm，年平均氣溫10℃，年無霜期160 — 180 d，光照充足，四季分明。環江發源于慶陽市北部，自西北向西南流至董志塬東側，匯入馬蓮河，蒲河位于董志塬西側，蒲河和馬蓮河在董志塬南側匯合，形成涇河，流向東南匯入渭河（潘峰等，2012）。慶陽市以農業為主，種植小麥、玉米等抗旱作物，工業主要以石油產業為主，本文的采樣點不涉及石油區域，故影響可忽略，第三產業旅游業正在起步階段。研究區市區采樣點的土地利用方式主要為商業用地，附近無大型工業的存在，而環江 — 涇河沿岸的土地利用以農業為主。

1.2 樣品采集與測定

本文以慶陽市市區和環江—涇河沿岸為研究對象，共采集18個現代表土樣品（采樣深度為0 —3 cm），其中：慶陽市市區采集9個樣品（編號為C1 — C9，圖1a）；環江沿岸采集6個樣品，涇河沿岸采集3個樣品（編號為R1 — R9，圖1b），市區樣品采集篩選人流量較大的特征點，如隴東學院、市人民醫院、小什字、九龍路等公共場所；河流樣品采集河流節點及沿岸特征點，如堡子電廠、慶城馬蓮河供水站、長武亭口河流、環縣環江邊等。樣品采集好后用塑料自封袋密封，在實驗室取出樣品并在烘箱中（40℃）烘干。用GPS記錄采樣點經緯度坐標，采樣時間為2015年5月。烘干的樣品先壓碎，挑揀出樣品中的異物，之后用瑪瑙研缽將樣品磨成粉末，過200目尼龍篩后送往實驗室進行前處理和重金屬含量測定（曾方明，2017）。樣品的重金屬元素含量在中國科學院西北高原生物研究所分析測試中心進行前處理和測定，測定的重金屬共包括Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu、Zn 7 種。Pb、As、Cd、Cr的總量采用HNO3-HF-H2O2濕法消解，用石墨爐原子吸收光譜法測定；Hg用王水 （V王水∶V水=1∶1）消解后用原子熒光光譜法測定；Cu、Zn采用HF濕法消解后用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）測試。采用國家標準物質GBW07405、空白和20%的平行樣進行質量控制，平行樣品的相對標準偏差均小于 10%，回收率為 81% — 128%。

圖1 研究區概況圖及采樣點位置圖Fig.1 Overview map of research area

1.3 數據分析方法

1.3.1 單因子指數法

單項污染評價可采用單項污染分級指數法，用于評價土壤中某一重金屬元素富集和污染等級（范拴喜等，2010）。根據下式計算單項污染分級指數，并對單項污染程度進行分級：

式中：Ci為實測土壤重金屬含量（mg · kg?1），Si為土壤背景值（mg · kg?1），本研究選取甘肅省土壤背景值作為參照（中國環境監測總站，1990；郭平等，2005；劉勇等，2011）。若Pi≤1，則為無污染，等級為1；若1＜Pi≤2，則為輕微污染，等級為2；若2＜Pi≤3，則為輕度污染，等級為3；若3＜Pi≤5，則為中度污染；若Pi＞5，則為重度污染。

1.3.2 地累積指數法

地累積指數法是一種用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標，近年來被國內外學者應用于土壤重金屬污染評價（Müller，1969；郭笑笑等，2011）。其計算公式如下：

式中：Igeo為地質累積指數；Cn為樣品中元素n的測定濃度（mg · kg?1）；Bn為沉積物中該元素的地球化學背景值（mg · kg?1），本文選用甘肅省土壤重金屬背景值；k為修正指數（一般取值1.5）（Islam et al，2018）。根據Igeo的計算結果，若Igeo≤0，則無污染；0＜Igeo≤1，為輕度污染，等級為1；1＜Igeo≤2，為偏中度污染，等級為2；2＜Igeo≤3，為中度污染，等級為3；3＜Igeo≤4，為偏重污染，等級為4；4＜Igeo≤5，為重污染，等級為5；5＜Igeo≤10，則為嚴重污染，等級為6。

1.3.3 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法是在單因子指數評價基礎上進行的一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數（張汪壽等，2010；Yang et al，2019）。具體公式如下所示：

式中：Pn為綜合污染指數；Pimax為單項污染指數中的最大值；Piavg為土壤中所有單項污染指數的平均值，本文選用土壤重金屬元素污染物的評價標準《HJ / T 166 — 2004，土壤環境監測技術規范》（國家環境保護總局，2004）。內梅羅綜合污染指數評價標準為Pn≤0.7，污染等級安全，污染水平清潔（1級）；0.7＜Pn≤1，污染等級處于警戒限，污染水平尚清潔（2級）；1＜Pn≤2，污染等級處于輕度污染，土壤處于輕度污染水平（3級）；2＜Pn≤3，污染等級處于中度污染，土壤處于中度污染水平（4級）；Pn＞3，污染等級處于重度污染，土壤處于很嚴重的污染水平（5級）。

1.3.4 潛在生態風險評價

潛在生態風險評價法是一種對土壤中重金屬污染評價的方法，考慮了土壤的重金屬含量，并且將重金屬的生態效應、環境效應和毒理學綜合考慮，采用等價屬性指數分級法評價（Hakanson，1980）。RI為多種重金屬綜合潛在生態風險指數，其數值等于各個重金屬潛在生態危險系數之和（徐爭啟等，2008）：

2 結果及討論

2.1 土壤重金屬含量特征分析

本研究主要從變異系數、峰度進行土壤重金屬含量特征分析，具體結果如表1所示，而變異系數是對概率分布分散程度的標準化度量?？傮w上看，7種重金屬中絕大多數為中到高變異性，表明研究區土壤重金屬的變異性較高，空間分散程度較大（Chai et al，2020）。而峰度能很好地反映所測數值在均值附近的集中程度，本研究中峰度最大的為Cd（8.76），表明其與均值的差值較大，離散程度高，其次是Pb（0.84），其余重金屬的峰度均小于0，數據與均值差異較小。

2.2 與國家土壤環境質量標準的對比

中國土壤環境質量標準規定了不同類型土壤中重金屬含量的篩選值和管制值，因此，本文將慶陽市市區和環江—涇河沿岸土壤分別按照《GB 36600 — 2018，土壤環境質量：建設用地土壤污染風險管控標準》（中華人民共和國生態環境部和國家市場監督管理總局，2018a）和《GB 15618 — 2018，土壤環境質量：農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（中華人民共和國生態環境部和國家市場監督管理總局，2018b）對比研究（表2）。環江 — 涇河沿岸的土壤重金屬含量值遠低于農用地土壤污染篩選值，故可推斷環江 — 涇河沿岸的土壤重金屬為非富集狀態，并未達到污染水平，其最大值與農用地土壤污染篩選值相差最小的為As，相差最大的為Hg，并對比環江 — 涇河從上游至下游采樣點的重金屬含量，發現并沒有累積或者減小的趨勢；而慶陽市市區的土壤重金屬含量除Zn 沒有可對照標準值外，Cr含量遠大于建設用地土壤污染篩選值，均值為第一類用地的10倍，超第二類用地篩選值5倍，說明該區域Cr存在一定范圍內的富集，其余土壤重金屬含量均處于安全值之內。

2.3 土壤重金屬污染各類指數分析

研究區表層土壤各類污染指數評價結果如表3所示。單因子污染指數大小排序為：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg＞Cr。 Cd 的單因子污染指數最大，介于2 — 3，為輕度污染；Pb的單因子污染指數大于1，為輕微污染；其他重金屬的污染指數均小于1，無污染，最小為Cr。地累積污染指數大小排序為：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg＞Cr，其與單因子污染指數結果相同，Cd和Pb均大于0，為輕度污染，其余重金屬的污染指數均小于0，無污染。內梅羅綜合污染指數大小排序為：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Hg＞As＞Cr，與前兩個污染指數的結果略有差別，其中污染指數最大的依舊為Cd，污染等級為重度污染，土壤污染已很嚴重；Pb污染等級處于中度污染，土壤處于中度污染狀態，其余重金屬污染等級處于警戒限下，土壤污染水平為清潔，富集量最小的元素為Cr。潛在生態風險因子大小排序為Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cu＞Cr＞Zn，最大值依舊為Cd，Hg次之，最小值為Zn，與前述污染指數評價結果有所區別，將其計算得到潛在生態風險指數RI為104.27，等級為1，潛在生態危機程度為輕微生態危害。從各個土壤重金屬富集程度的評價結果來看，慶陽市市區和環江 — 涇河沿岸的土壤重金屬污染情況不嚴峻，但需要注意防范Cd和Pb的累積對環境和人體造成危害。

表1 慶陽市市區及環江—涇河沿岸樣品重金屬含量Tab.1 Heavy metal content of samples from the urban area of Qingyang City and Huanjiang — Jinghe River

2.4 慶陽市市區及環江沿岸土壤重金屬污染來源分析

2.4.1 相關性分析

河流沿岸土壤重金屬含量分析是評價河流人為污染的重要途徑之一，河流生態也是一個非常重要的指示劑（Soares et al，1999；馬媛媛，2016）。利用SPSS 26.0軟件對樣品重金屬含量進行相關性分析，重金屬間的相關性可以推測其來源是否相同，是否具有較強的伴生關系（Bor?vka et al，2005）。對環江 — 涇河沿岸樣品土壤重金屬進行相關性分析可得（表4）：Pb與Cd、Cr，As與Cd、Cu，Cr與Zn在0.05水平上具有顯著相關性；Pb、Cr、Zn與Cu在0.01水平上具有顯著相關性，具有相關伴生關系。由于環江 — 涇河沿岸附近沒有工商業活動的痕跡，大多為農業用地的灌溉生產，可推測土壤重金屬富集來源主要為母巖風化和施用農藥化肥（Varol，2011；匡薈芬，2020）。為進一步揭示和識別土壤中重金屬來源，用主成分分析對表土中7種重金屬含量進行特征因子提取，可提取出兩個特征值大于1的因子，其最大旋轉后特征值占總方差的82.313%（表5），故可以解釋7種重金屬的大部分信息。第一主成分因子貢獻率為63.687%，各元素貢獻率依次為：Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞As＞Cd＞Hg，各個重金屬所占比例大體相似，可以佐證相關性分析的結果，推測為自然來源，即成土母質的風化過程對土壤重金屬基底含量的影響和風力、水力搬運的自然物理和化學遷移過程；第二主成分因子貢獻率為18.627%，載荷較高的是Hg、As和Cr等土壤重金屬，推測為施用農藥化肥等農業活動導致污染，即人類活動所導致的土壤重金屬富集。從主成分因子分析中可推測環江 — 涇河沿岸大部分樣品土壤重金屬富集主要是自然來源，并且伴有一定的人為因素影響。

表2 慶陽市市區及環江 — 涇河沿岸樣品重金屬含量與國家土壤環境質量標準的對比Tab.2 Comparison of heavy metal contents for samples of the urban area of Qingyang City and Huanjiang — Jinghe River with quality standards of national soil environments

表3 表層土壤各類污染指數評價結果Tab.3 Evaluation results of various pollution indexes of surface soil

表4 環江 — 涇河沿岸樣品土壤重金屬的相關性系數Tab.4 Correlation coefficient of soil heavy metals along the Huanjiang — Jinghe River

表5 環江 — 涇河沿岸樣品土壤重金屬的總方差解釋Tab.5 The total variance is explained of soil heavy metals along the Huanjiang — Jinghe River

由于KMO 和 Bartlett 的檢驗小于判別值，故不對城區的土壤重金屬進行主成分分析。對所得樣品進行相關性分析如表6所示：Pb與Cd、Cr、Cu和Zn，Cr與Pb、As和Zn均在0.05水平上具有顯著相關性；Cu與Zn、Cr在0.01水平上具有顯著相關性，即具有較強的伴生性。就樣點而言，土壤重金屬污染最嚴重的地點是小什字東口，接下來是市人民醫院、慶陽賓館、隴東學院和九龍路北口，均為城市交通活動主要地點，故而Pb、Cr、Cd、Zn、Cu和As所產生的復合型污染應多為汽車尾氣排放過多所致，即交通污染占比較大，可能為汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損等交通運輸影響所致（Huang et al，2018；王菲菲，2019；Xiao et al，2019；周怡等，2020）。城市土壤中重金屬元素的含量除與成土母質成分有關外，在很大程度上與強烈的人類活動密切相關，但慶陽市市區并沒有大型工礦業的存在，多為商業娛樂教育辦公等場所，人流量大，商業活動密集，交通流動頻繁，城市生活垃圾的堆砌和電子廢舊產品回收處理不當也會影響土壤環境，從而造成土壤重金屬污染（張軍等，2019；劉宇峰等，2020）。

表6 慶陽市市區土壤重金屬的相關性系數Tab.6 Correlation coefficient of soil heavy metals in the urban area of Qingyang City

3 結論

通過測定慶陽市市區和環江 — 涇河沿岸表層土壤7種重金屬（Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu、Zn）元素的含量，并利用單因子指數法、內梅羅綜合污染指數法、地累積指數和潛在生態風險評價方法，評估了慶陽市市區與環江 — 涇河沿岸表層土壤中重金屬富集含量與生態風險狀況，得出以下結論：（1）利用變異系數和峰度對土壤重金屬含量進行特征分析，顯示人類活動干擾土壤環境比較明顯；（2）與國家土壤環境標準對比，發現慶陽市市區Cr元素存在一定的富集，其余元素均處于安全范圍之內；（3）各類污染指數表明Cd和Pb在研究區的污染最為突出，其余土壤重金屬基本無污染；（4）對慶陽市市區各土壤重金屬相關性分析后，發現慶陽市市區的土壤重金屬除與母質成分有關外，在很大程度上與強烈的人類活動密切相關；環江 — 涇河沿岸的土壤重金屬元素間也具有相關伴生關系，經過主成分分析發現土壤重金屬富集主要是自然來源和農業生產。后續需要對重金屬遷移性和生物利用性進行更細致的研究，為城市建設和整個區域的發展規劃提出科學建議。