基于不同土地利用方式的土壤重金屬污染與潛在風險評價：以遼河流域(渾太水系)山水林田湖草沙一體化保護和修復工程為例

李 楠 ，曹明杰 ，郝 喆 ，侯永莉 ，陳紅丹 ，張 穎

(1.遼寧大學環境學院，遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110013)

0 引 言

為統籌推進山水林田湖草沙綜合治理、系統治理和源頭治理，我國于2021年啟動了第一批山水林田湖草沙一體化保護和修復項目，遼寧省申報的遼河流域(渾太水系)山水林田湖草沙一體化保護和修復工程，在10個獲批的“山水項目”名單之中，項目資金52.1億元，其中中央資金20億元。渾太水系“山水項目”以統籌流域上、中和下游“山水林田湖草生命共同體”為主線，位于國家重點生態功能區，涉及“三區四帶”的東北森林帶和海岸帶。項目生態保護修復單元按上、中和下游流域劃分，修復區一體化監測和評價是本項目的重要組成部分。依據修復區現場土壤環境調查監測數據，本文對渾太流域上游段開展土壤環境質量評價，為項目的進一步實施提供可靠的本底數據和客觀依據。

區域土壤重金屬的研究主要集中在污染評價、空間分布和源解析等方面[1]。近年來，土壤重金屬污染評價受到國內外學者的高度重視，研究方法主要包括地積累指數法、污染指數法、潛在生態風險指數法、污染指數法、內梅羅指數法、物元可拓模型、GIS與地統計分析法等。Marrugo-Negrete等利用污染因子、富集因子、地積累指數和風險評價指數對哥倫比亞北部錫努河流域進行土壤污染評價[2]。Wu等[3]通過計算地積累指數、污染指數和潛在生態風險指數評價某電子產品生產基地周邊城市土壤污染水平，利用危害指數評估重金屬的存在對人類健康造成的風險。胡慶海等[4]采用富集因子法和潛在生態風險法對重金屬污染程度及生態風險進行評價。趙杰等[5]利用物元可拓模型鄱陽湖區耕地土壤進行重金屬污染評價。王輝等[6]、劉洋等[7]和滑小贊等[8]采用了單因子指數法和內梅羅綜合指數法對土壤重金屬進行污染評價。陶美霞等[9]探討了GIS與地統計分析方法在土壤重金屬污染評價方面的作用。劉碩等[10]通過地統計分析、主成分分析和加權平均綜合污染評價等方法評價了礦區的土壤重金屬污染情況。趙曉光等[11]利用生態風險指數評價了不同土地利用類型下的土壤重金屬污染程度。施建飛等[12]將單因子污染指數、污染負荷指數、潛在生態風險指數和生態風險預警指數相結合對土壤重金屬污染進行評價。劉同等[13]利用地統計學、多元統計和空間分析等方法，探究了山東省沂南縣東部地區8種重金屬的空間分布及可能來源。喬雯等[14]采用頻率直方圖、相關性分析和主成分分析等多種方法對土壤重金屬含量分布特征及來源進行了分析。黃勇等[15]將空間分布分析、多元統計分析與受體模型相結合闡明了北京市延慶區土壤重金屬元素分布特征及潛在來源。杜古爾·衛衛等[16]使用絕對主成分一多元線性回歸受體模型(APCS-MLR)和反距離加權法分析了各污染源貢獻率和重金屬元素空間分布特征。Gao等[17]使用地質累積指數法、生態風險評估法和美國環保局健康風險評估模型，評估了貴州土壤中八種典型重金屬的風險。此外，Liu等[18]對我國礦區周邊土壤重金屬濃度數據進行了系統梳理，得到鎘(Cd)和汞(Hg)是主要的生態風險因子。

鑒于山水項目修復區域尺度大、自然地理環境復雜的特點，本文建立了相關性分析、單因子指數法、復合污染指數法、潛在生態危害指數法與反距離權重插值法相結合的土壤環境評價體系，選取砷、汞、鎘、銅、鉛、鎳、鋅和鉻作為特征污染元素，針對農用地和建設用地兩種土地利用類型進行土壤樣品的采集及土壤環境質量評價?；谙嚓P性分析判別不同重金屬來源的異同性，借助于ArcGIS軟件，將單因子指數法與復合指數法相結合對渾太流域上游——撫順市土壤重金屬污染狀況進行綜合評估，通過潛在生態危害指數，確定土壤重金屬生態風險等級。建立的研究思路和體系可推廣應用于含有大量監測點且不同土地利用方式下的土壤環境評價工作中，為區域合理利用土壤資源以及土壤重金屬評估提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

渾太水系屬于遼河流域，包括渾河和太子河，在遼寧省內流域總面積4.18萬 km2，流經撫順、沈陽和盤錦等7市。其東起東北森林帶——撫順新賓縣和撫順西露天礦，終入渤海灣，對陸海統籌意義重大。遼河流域(渾太水系)山水林田湖草沙一體化保護和修復工程的實施區域為上游撫順段、中游遼陽段和下游盤錦段。土壤環境監測點的布設僅針對工程實施區域，本次研究針對渾太流域上游的撫順市開展。撫順市土地總面積11271.03 km2，土地利用類型包含林地、耕地、城鎮村及工礦用地、水域及水利設施用地、草地、交通運輸用地、園地以及其他用地。撫順市耕地數量相對較少，呈條帶狀分布；土地利用類型以林地為主，集中分布在東部山區，城鄉建設用地空間分布呈山區地域特征，中心城區中城市用地與采礦用地交錯分布。煤炭開采活動對渾河流域上游撫順市的生態環境造成了不同程度的破壞，因而引發的地質災害和生態環境問題日趨嚴重，本研究以撫順市“山水工程”土壤環境本底數據為基礎進行土壤評價，為后續開展工程項目提供可靠的理論依據。研究區地理位置如圖1。

圖1 渾太流域水系分布圖(a)和撫順市行政區劃圖(b)Fig.1 Distribution map of Huntai River system (a)and zoning map of Fushun City administrative (b)

1.2 土壤監測與評價指標

1.2.1 監測點位與樣品采集

撫順市農用地與建設用地面積比例為14.6:1.0，其中農用地以旱地為主。項目選用1.5 km的網距網格布點，針對生態修復單元中涉及的農用地、建設用地的地塊布設土壤監測點，每地塊布設不少于3個點，農用地土壤點位共布設55個，建設用地土壤點位共布設122個。研究區域土壤環境監測點位分布情況如圖2。

圖2 撫順市土壤環境監測點Fig.2 Soil environment monitoring sites in Fushun City

研究區域土環境監測采樣工作于2022年3至4月進行，通過GPS定位，采樣過程中根據采樣點周邊環境合理調整實際采樣位置，采用梅花點法采樣，以木鏟采集20 cm深的表層土壤，每個土壤樣點由5個取樣點混合而成。

1.2.2 樣品測定與評價指標

建設用地監測點主要測試內容為《土地環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600—2018)中的45項基本項目，包含重金屬、無機和有機45項；農用地監測點主要測試內容為《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)中的鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅和苯并芘等11項測試指標和pH值。評價僅針對重金屬進行，故僅介紹相關重金屬及pH值的測定方法。土壤pH值測定采用電位法；砷和汞含量的測定參照HJ/T 680—2013，采用微波消解/原子熒光法；鎘和鉛含量的測定參照GB/T 17141—1997，采用石墨爐原子吸收分光光度法；鉻(六價鉻)含量的測定參照HJ 1082—2019，采用火焰原子吸收分光光度法；銅、鎳、鋅和鉻的測定參照HJ 491—2019，采用火焰原子吸收分光光度法。樣品測定采用了空白樣和平行樣，以及在測定過程中加入國家標準土壤樣品(GSS-8)進行分析質量控制，滿足質量控制要求。

若存在某監測指標在所有監測點位的數據皆低于檢出限，則該指標不進行統計計算，建設用地中鉻(六價鉻)的含量均低于檢出限。故最終確定，農用地重金屬評價特征污染元素為砷、汞、鎘、銅、鉛、鎳、鋅和鉻，建設用地重金屬評價特征污染元素為砷、汞、鎘、銅、鉛和鎳。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法是將土壤重金屬的實測值與標準值作比，根據比值的大小來確定是否存在污染及污染的程度[19]，是評價土壤重金屬污染常用的方法，計算公式如下：

(1)

式中：Pi為單因子污染指數；Ai為土壤重金屬含量的實際值；Bi為土壤重金屬含量的標準值；當Pi值小于1時，則表示土壤無污染，當Pi值大于等于1時則表示土壤存在污染。農用地采用《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618—2018)中依據pH值確定的風險篩選值作為評價標準，建設用地采用《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB36600—2018)中的第二類用地篩選值作為評價標準。

1.3.2 復合指數法

單因子污染指數是復合污染指數評價的基礎，通過ArcGIS對單因子評價結果賦值、疊加和插值，得到區域復合污染狀況，可獲取兩種結果：一是復合種類指數，二是復合等級指數[20]。

復合種類指數可確定研究區域是否受到污染，若受到污染，也可確定受到幾種元素污染，其計算公式如下：

(2)

式中：Ki為據單因子污染指數而定。若Pi< 1，則Ki為0，表示研究區域無污染；若Pi≥ 1，則Ki為1，表示研究區域含有污染；Pcti為復合種類指數，根據Ki的疊加情況，即可判定重金屬污染的種類數[21]。

復合等級指數是對研究區域所有重金屬單因子指數的定級值進行篩選，將同一點位單因子指數定級值的最大值作為最終的評價結果，由此可判定區域受污染等級，計算公式如下。

Pcli=PiMAX

(3)

式中：Pcli為復合等級指數，PiMAX為同一點位所有評價重金屬單因子指數定級值的最大值。單因子指數定級值如表1[22]。

表1 單因子污染指數定級[22]

1.3.3 潛在生態危害指數

潛在生態風險評價將重金屬引起的生態效應與毒理學相結合，定量的對重金屬潛在風險進行級別劃分，其計算公式如下[23]：

(4)

(5)

表2 生態風險評價指數與分級標準[24]

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量

研究區域農用地55個樣品中土壤pH值在5.3～5.9之間，平均值為5.6，土壤重金屬含量如表3和表4。重金屬含量間存在較大的差異，各元素變化范圍情況依次為：砷，0.96×10-6～2.95×10-6(農用地)、2.01×10-6～10.78×10-6(建設用地)；汞，0.002×10-6～0.02×10-6(農用地)、0.02×10-6～0.09×10-6(建設用地)；鎘，0.005×10-6～0.3×10-6(農用地)、0.01×10-6～19.3×10-6(建設用地)；銅，12×10-6～81×10-6(農用地)、7×10-6～1152×10-6(建設用地)；鉛，2.5×10-6～33.2×10-6(農用地)、40×10-6～911×10-6(建設用地)；鎳，1.5×10-6～111×10-6(農用地)、103×10-6～315×10-6(建設用地)；鋅，35×10-6～352×10-6(農用地)；鉻，102×10-6～1972×10-6(農用地)?？梢钥闯?，農用地中鎘和鎳變化幅度大，砷、鋅和鉻變化幅度??；建設用地中鎘、銅和鉛變化幅度大，鎳變化幅度小。

表3 撫順市農用地土壤重金屬含量(10-6)

表4 撫順市建設用地土壤重金屬含量(10-6)

變異系數可反映重金屬在研究區域內分布的均勻情況，也可體現出人類活動對于重金屬污染過程的干擾程度。各個重金屬元素的變異程度不同，其中農用地中鎘和鎳變異程度最大，變異系數達到138.2%和121.4%，屬于強變異程度，其他各重金屬均屬于中等變異程度，鉻的變異系數最??；建設用地6種重金屬雖變異程度不同，但均屬于中等變異程度，其中鎘的變異系數最大，鎳的變異系數最小。由此分析，農用地中鉻元素分布最均勻，各監測點的鉻含量相差不大，鎘和鎳在研究區域內各監測點的含量相差很大，分布不均勻，受人類活動干擾程度大，應多加關注；建設用地中鎳元素分布最均勻，各監測點鎳含量相差不大，鎘元素分布較不均勻，這與人類活動施加的影響有關。

2.2 土壤重金屬相關性

采用SPSS中的Pearson相關系數分析土壤重金屬間的相關性，可通過相關性的高低判別重金屬來源是否相似[25]。由相關性分析結果(表5和6)可知，農用地中砷與汞、鉛和鎳存在顯著正相關，汞與鎘、鉛和鎳存在顯著正相關，鎘與鋅存在顯著正相關，鉛與鎳存在顯著正相關，銅除與鋅呈顯著負相關，與其他重金屬不存在顯著關系，鉻除與鎘呈顯著負相關，與其他重金屬不存在顯著性關系。由此可知，砷、汞、鉛和鎳兩兩相關，汞與鎘、鎘與鋅間也存在協同作用，因此砷、汞、鉛、鎳、鎘和鋅可能有相似來源，銅和鉻的污染源與其他重金屬有所不同。

表5 撫順市農用地土壤重金屬相關性

表6 撫順市建設用地土壤重金屬相關性

建設用地中砷與汞、鉛存在顯著正相關，汞除與砷顯著正相關，與其他重金屬不存在顯著關系，鎘與砷、鎳存在顯著負相關，與其他重金屬不存在顯著關系，銅與其他重金屬均不存在顯著關系，鉛與砷以外的其他重金屬不存在顯著關系，鎳與鎘以外的重金屬不存在顯著關系。由此分析可知，砷、汞和鉛可能有相似來源，鎘、銅和鎳可能來自不同污染源。

2.3 單因子指數評價

研究區域內農用地共有采樣點位55個，建設用地共有采樣點位122個，通過公式(1)計算采樣點各重金屬的單因子指數，整理結果如表7。由各重金屬元素的含量范圍可知，農用地中不含有砷、汞和鉛污染，建設用地中除存在鉛污染外，不存在其他污染指標。進一步對單個污染元素進行了可視化分析。

表7 撫順市土壤重金屬單因子指數

鉛、銅、鋅、鎘、鉻和鎳存在污染區域，污染分布情況如圖3。其中鉛警戒面積7816.59 hm2，輕度污染面積2520.39 hm2；銅警戒面積90801.08 hm2，輕度污染面積838.75 hm2；鋅警戒面積47000.79 hm2，輕度污染面積806.63 hm2；鎘警戒面積10.84 hm2，輕度污染面積1.49 hm2；鉻警戒面積236026.40 hm2，輕度污染面積64344.72 hm2；鎳警戒面積178.65 hm2，輕度污染面積54.70 hm2。重金屬污染面積排序為：鉻>鉛>銅>鋅>鎳>鎘。鉻污染分布在農用地中，污染面積最大，鉛污染分布在建設用地中，污染面積在鉻之后。由此可知，研究區域應控制農用地中重金屬鉻的含量以及建設用地中重金屬鉛的含量。綜合來看，重金屬污染主要存在于研究區域的西部和東南部，存在重金屬復合污染情況。

圖3 撫順市土壤代表性重金屬元素污染空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of heavy metal pollution of soils in Fushun City

2.4 復合指數法評價

2.4.1 復合種類指數評價

通過單因子指數評價結果，對污染監測點進行賦值、疊加，在ArcGIS中通過反距離權重法實現復合污染種類的可視化，結果如圖4。研究區域內復合污染種類存在Ⅰ類(無污染)、Ⅱ類(單一元素污染)、Ⅲ類(雙元素污染)和Ⅳ類(三元素污染)。復合污染主要存在于研究區域的東南部以及西部區域。從行政區來看，除順城區和望花區以外其他行政區均存在重金屬污染現象，其中新撫區和清原滿族自治縣均為單元素污染；新賓滿族自治縣為單元素污染和雙元素污染；東洲區和撫順縣單元素污染、雙元素污染和三元素污染均存在。

圖4 撫順市土壤重金屬復合污染種類空間分布Fig.4 Spatial distribution of heavy metal composite pollutiontypes of soils in Fushun City

對復合種類結果進行統計分析，結果如表8。其中Ⅰ類區域為1919412.02 hm2，占研究區面積91.83%；Ⅱ類區域為150156.83 hm2，占研究區面積的7.18%，主要為銅、鉛、鋅和鉻的單元素污染，分布在建設用地和農用地；Ⅲ類區域為20471.83 hm2，占研究區面積的0.98%，有4種污染情況，分別為銅和鉻、鋅和鉻、鎳和鉻以及銅和鎳的雙元素復合污染，分布在農用地；Ⅳ類區域為12.12 hm2，占研究區面積的0.01%，主要為鉻、銅和鎘的三元素復合污染，分布在農用地。

表8 撫順市土壤重金屬復合污染元素統計

2.4.2 復合等級指數評價

基于單因子指數通過公式(3)獲得各監測點的復合等級指數，再進行空間插值獲得整個研究區域的復合等級狀況，如圖5所示。流域復合污染等級分為3級：清潔、警戒和輕度污染。其中清潔區域1712760.48 hm2，占評價區域面積的81.9%；警戒區域331764.53 hm2，占評價區域面積的15.9%；輕度污染區域47148.16 hm2，占評價區域面積的2.2%。警戒和輕度污染等級主要分布在撫順市的新賓滿族自治縣、東洲區和撫順縣。復合污染等級整體處于較低水平，有81.9%的區域未受到污染，土壤環境質量較好。

圖5 撫順市土壤重金屬復合污染等級空間分布Fig.5 Spatial distribution of heavy metal composite pollution levels of soils in Fushun City

2.5 潛在生態風險評價結果

建設用地和農用地的潛在生態風險指數分析結果見表9。建設用地中單一重金屬潛在生態風險指數均值由小到大依次為：砷<汞<銅<鎳<鉛<鎘；農用地中單一重金屬潛在生態風險指數均值由小到大依次為：汞<砷<鋅<鉛<鎳<鉻<銅<鎘。根據單因素重金屬生態風險等級判別，均為輕微危害等級。建設用地的綜合潛在生態風險指數在2.13～15.23之間，農用地的綜合潛在生態風險指數在5.79～41.99之間，根據綜合潛在生態風險等級判別，屬于輕微生態危害?？傮w來看，研究區域土壤存在輕微的重金屬生態危害，鎘元素的生態風險水平要明顯高于其他重金屬；鎘元素雖污染點位較少，但由于其具有較高的毒性系數，對研究區域土壤環境依然具有較大的生態威脅。研究區域鎘污染分布在農用地中，因此鎘污染主要源于農業灌溉以及農藥、化肥和塑料薄膜的使用，應密切關注和監測污染區周邊金屬鎘的分布以及含量，保證土壤環境質量安全。

表9 撫順市土壤潛在生態風險指數及危害程度

3 結 論

(1)農用地中鎘和鎳屬強變異，其他重金屬均屬為中等變異，鉻變異系數最??；建設用地中重金屬均為中等變異，其中鎘變異系數最大，鎳變異系數最小。農用地中砷、汞、鉛、鎳、鎘和鋅有相似污染源，銅和鉻的污染源與其他重金屬不同；建設用地中砷、汞和鉛有相似污染源，鎘、銅和鎳來自不同污染源。

(2)農用地中含有鎘、銅、鎳、鋅和鉻污染，建設用地中僅存在鉛污染，重金屬污染面積排序為鉻>鉛>銅>鋅>鎳>鎘；復合污染種類存在Ⅰ類(無污染)、Ⅱ類(單一元素污染)、Ⅲ類(雙元素污染)和Ⅳ類(三元素污染)，面積排序為Ⅰ類>Ⅱ類>Ⅲ類>Ⅳ類；復合污染等級分為3級，清潔、警戒和輕度污染，面積排序為清潔>警戒>輕度污染。重金屬污染主要存在于研究區域的東南部和西部。

(3)建設用地和農用地單一重金屬潛在生態風險指數均值由小到大依次為砷<汞<銅<鎳<鉛<鎘，汞<砷<鋅<鉛<鎳<鉻<銅<鎘，均為輕微危害等級；建設用地的綜合潛在生態風險指數在2.13～15.23之間，農用地的綜合潛在生態風險指數在5.79～41.99之間，均屬于輕微生態危害。

(4)渾太流域上游撫順市土壤環境質量整體較好，但應控制農用地污染區域中重金屬鉻的含量以及建設用地污染區域中重金屬鉛的含量，同時也應密切關注和監測生態風險較高的金屬鎘的分布以及含量，保證研究區域土壤環境質量安全。

致謝：審稿人和編輯部提出了寶貴的意見和建議，使文章得以完善，在此一并致以誠摯的謝意。