太原市污灌區(qū)土壤重金屬分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

栗獻(xiàn)鋒

（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，山西太原030024）

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是與人類關(guān)系極為密切的環(huán)境介質(zhì)，也是人類賴以生存的主要自然資源之一[1]。隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類、數(shù)量的增加，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重[2]。土壤重金屬污染具有污染物在土壤中移動(dòng)性差、滯留時(shí)間長、不能被微生物降解及治理和恢復(fù)難度大等特點(diǎn)[3]。重金屬可經(jīng)水、植物等介質(zhì)最終影響人類健康。因此，加強(qiáng)對耕地土壤重金屬污染的調(diào)查和研究是當(dāng)前進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

太原污灌區(qū)是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區(qū)之一，長期污灌使土壤的性質(zhì)發(fā)生了較大的變化。郭翠花等[4-6]于1995—1997年對太原市地表土中 Cu，Cd，Cr，Zn，Mn，Hg 和 As這7種元素的含量、分布規(guī)律、污染程度、污染原因進(jìn)行了研究分析，得出Cu，Cd，Zn，Hg這4個(gè)元素的含量超過了中國土壤背景值，Cd污染最嚴(yán)重，污染面積達(dá)到100%。張乃明等[7-8]于1996—2000年對太原市污灌區(qū)土壤中的重金屬含量及空間分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，Hg，Cd含量在污灌區(qū)中部較高，分布在晉源區(qū)一帶。但是，到目前為止，對太原市大范圍的污灌區(qū)土壤重金屬積累的情況仍缺乏系統(tǒng)、全面的研究，對其土壤重金屬積累的動(dòng)態(tài)變化情況至今仍缺乏了解。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)措施的不斷完善和環(huán)保技術(shù)水平的不斷提高，污水中的重金屬水平已經(jīng)發(fā)生明顯變化。污灌對土壤重金屬積累的動(dòng)態(tài)影響目前仍有待研究。

本研究通過對太原市污灌區(qū)土壤重金屬的分布特征分析，用綜合污染法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價(jià)污灌區(qū)內(nèi)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)乇尘爸祵Ψ旨墭?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新劃定，以使其更好地反映生態(tài)危害程度，為揭示太原市污灌區(qū)的污染特征及污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 采樣區(qū)概況

太原市位于山西中部，東經(jīng) 111°30′～113°09′，北緯 37°27′～38°25′，地勢南低北高，地形以山地丘陵為主，最高點(diǎn)海拔2 760 m，最低點(diǎn)海拔760 m。氣候?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)半干旱半濕潤氣候，年平均氣溫10.8℃，年日照時(shí)數(shù)2 550～2 870 h，年降雨量376.2 mm，無霜期170 d，河流分屬汾河流域。土壤類型以石灰性褐土和褐土性土為主。太原市的污水灌溉主要集中在清徐、小店、晉源和尖草坪區(qū)4個(gè)縣區(qū)。太原市污水灌溉始于20世紀(jì)60年代，其污灌區(qū)是我國污灌歷史較長、面積較大的典型污灌區(qū)之一，污灌區(qū)種植作物主要有水稻、玉米、小麥、蔬菜等。貫穿南北的汾河是太原市城市生活污水和工業(yè)廢水排放的總歸宿，各種污水和工業(yè)廢水經(jīng)18條支流從東西兩側(cè)匯入其內(nèi)，年排放量高達(dá)2.5億m3，污灌區(qū)以汾河水與污水混合灌溉為主。

1.2 樣品的采集

土樣于2008年4月采集，采樣點(diǎn)位按污水渠流向采用網(wǎng)格布點(diǎn)法布設(shè)，GPS定位，同時(shí)考慮污水水質(zhì)、土壤類型、污灌歷史等因素，共布設(shè)150個(gè)0～20 cm表土采樣點(diǎn)，13個(gè)有代表性的0～100 cm深剖面點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)位分別設(shè)0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 共 5 層）。各區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)量分布為：小店區(qū)，50個(gè)表土采樣點(diǎn)、4個(gè)分層采樣點(diǎn)；尖草坪區(qū)，15個(gè)表土采樣點(diǎn)、2個(gè)分層采樣點(diǎn)；晉源區(qū)，35個(gè)表土采樣點(diǎn)、3個(gè)分層采樣點(diǎn)；清徐縣，50個(gè)表土采樣點(diǎn)、4個(gè)分層采樣點(diǎn)（圖1）。布點(diǎn)后用土壤采樣器采取2 kg左右土壤編號登記后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理。

1.3 分析測試方法

土壤樣品風(fēng)干后過0.149 mm尼龍篩，用HNO3-H2O2法（USEPA Method.3050B）消煮后測定 As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn 濃度；硝酸 - 鹽酸混合液（體積比1∶1）于沸水浴中消煮2 h后用于測定土壤中的Hg[9]。消煮液中Cd含量用石墨爐 - 原子吸收光譜法測定；Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn含量用火焰-原子吸收光譜法（AA240FSVAR IAN）測定；As，Hg含量用原子熒光法（AFS－3100雙道原子熒光光度計(jì)）測定。分析過程所用試劑均為優(yōu)級純。所有測定均由空白樣和加標(biāo)回收樣進(jìn)行質(zhì)量控制，各種重金屬的回收率均在國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。

土壤重金屬污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）的二級標(biāo)準(zhǔn)和太原市土壤重金屬元素背景值，采用單項(xiàng)和綜合污染指數(shù)法、Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法分別對土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量分布

經(jīng)監(jiān)測分析，太原市污灌區(qū)不同區(qū)域土壤中重金屬含量分布差別較大（表1），采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中的二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析。

由表 1 可知，Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量分別在 16.8～52.5，52.4～259.0，14.9～48.9，17.8～46.7，409.0～926.0，48.0～99.7，5.3～21.3，0.02～1.30，0.11～0.45 mg/kg范圍內(nèi)，均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。總體上，9種重金屬含量的均值大小依次為：Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。但從不同研究區(qū)域看，除重金屬Hg外，小店區(qū)的土壤其他重金屬含量較高，其余3個(gè)區(qū)域重金屬含量之間差異不大。清徐縣 Pb，Zn，Cu，Hg，Cd 均值最低，分別為 21.80，72.07，24.34，0.057，0.157 mg/kg。尖草坪區(qū) Ni，Mn均值最低，分別為29.81，626.13 mg/kg。重金屬Hg含量在晉源區(qū)為最大，因?yàn)闀x源區(qū)分布有多家化工廠、太原市第一熱電廠、造紙廠、醫(yī)藥園區(qū)等企業(yè)，Hg污染除了與這些廠礦企業(yè)的高耗能有關(guān)外，工業(yè)三廢排放灌溉土壤也是Hg污染的重要來源；清徐縣為最小，兩地含量分別為0.161，0.057 mg/kg。

表1 太原市污灌區(qū)土壤重金屬含量特征 mg/kg

變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度[11]，其數(shù)值越大，土壤差異越大；反之，土壤差異越小。該區(qū)域變異系數(shù)分布在6.22%～129.83%之間，Hg的變異系數(shù)最大，達(dá)到135.20%，Cr的變異系數(shù)最小，為9.53%；平均變異系數(shù)由大到小的順序?yàn)椋篐g，Cd，Zn，As，Cu，Pb，Ni，Mn，Cr。從土壤中重金屬的變異系數(shù)來看，除了Hg變異系數(shù)較高外，其他都較小，表明樣點(diǎn)重金屬指數(shù)值的平均變異程度均較小。

以相關(guān)元素背景值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)最基本的依據(jù)之一，也是判別土壤污染程度與否的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[10]。通過與太原市土壤重金屬背景值[11]比較（表 2），土壤 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量均極顯著高于背景值（P＜0.01）。其中，土壤Hg含量與背景值的差別最為明顯，其平均值為背景值的2.73倍，最高達(dá)到背景值的40倍左右；土壤Cd含量平均值為背景值的2.47倍，最小值為背景值的1.43倍。Pb，Cd 超標(biāo)率為 100%，Zn，Cu，Mn，Cr，As 的超標(biāo)率都在94%以上，Hg，Ni超標(biāo)率分別為89%，72%。可見，由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市化的加快，常年使用污水灌溉，太原市污灌區(qū)土壤已表現(xiàn)出不同程度的重金屬累積現(xiàn)象。

表2 土壤重金屬含量平均值與太原市背景值比較 mg/kg

2.2 污染評價(jià)

分別用單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評價(jià)，單項(xiàng)污染指數(shù)評價(jià)可以體現(xiàn)每一個(gè)評價(jià)指標(biāo)的污染狀況，單項(xiàng)污染指數(shù)越高，對綜合污染指數(shù)的貢獻(xiàn)率和影響就越大。

綜合污染指數(shù)全面反映了各污染物對土壤污染的不同程度，并且充分考慮了高濃度物質(zhì)對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，其是單項(xiàng)污染指數(shù)評價(jià)法的綜合和改進(jìn)。

單項(xiàng)污染指數(shù)評價(jià)法以單項(xiàng)因子實(shí)測含量（Ci，mg/kg）與其標(biāo)準(zhǔn)或背景值（C0，mg/kg）進(jìn)行對比（Ci/C0），作為該因子的污染指數(shù)（Pi）。該指數(shù)小則表明污染物污染程度較輕，指數(shù)大則表示污染物污染程度較重[1]。本研究所用重金屬的背景值是根據(jù)文獻(xiàn)[11]選取（表2）。

綜合污染指數(shù)的算法有多種，一般采用內(nèi)梅羅指數(shù)法Nemerow’s Pollution Index計(jì)算。內(nèi)梅羅指數(shù)反映了各污染物對土壤的作用，同時(shí)突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，評價(jià)公式為：

式中，Pave為單因子污染指數(shù)平均值，Pmax為污染指數(shù)最大值。

土壤污染評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 土壤污染評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)

以相關(guān)元素背景值為評價(jià)參照標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算研究區(qū)域150個(gè)樣點(diǎn)表層土壤9種重金屬的單因子污染指數(shù)值和綜合污染指數(shù)值，分析結(jié)果列于表4。

表4 太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)

從表4可以看出，根據(jù)單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，土壤均受到重金屬污染。在研究區(qū)中的重金屬 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)變化范圍分別為1.58～2.00，1.28～1.76，1.32～1.81，1.02～1.31，1.24～1.47，1.34～1.48，1.37～1.90，1.72～4.89，2.04～3.09；其均值分別為 1.81，1.49，1.54，1.14，1.35，1.40，1.64，2.74，2.42，均大于 1。太原市污灌區(qū)綜合污染指數(shù)均值為2.72，說明土壤受到重金屬中度污染。Hg和Cd的污染指數(shù)相對較高，對環(huán)境的污染也較大。太原市污灌區(qū)表層土壤重金屬的平均單因子污染指數(shù)從大到小依次為：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni。由綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果看，晉源區(qū)重金屬污染程度明顯高于清徐縣，而尖草坪區(qū)與小店區(qū)的污染程度相當(dāng)，即晉源區(qū)＞尖草坪區(qū)＞小店區(qū)＞清徐縣。但也不排除外來因素對土壤重金屬的影響。

2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

目前，土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法很多，但往往沒有將污染物與其生物毒性、生態(tài)危害有機(jī)地結(jié)合。潛在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法可以彌補(bǔ)這一缺陷，潛在生態(tài)危害指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hankanson根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的對土壤中重金屬污染評價(jià)的方法。該方法考慮了重金屬含量，將重金屬生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用等價(jià)屬性指數(shù)分級法評價(jià)，反映某一特定環(huán)境中各種污染物的影響和多種污染物綜合影響，定量劃分了潛在生態(tài)危害的程度。Hankanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法計(jì)算公式為：

式中，Cif為單一重金屬污染系數(shù)；CiD為樣品實(shí)測濃度（mg/kg）；CiR為土壤的背景參考值（mg/kg，采用太原市土壤背景值[11]）；Eir為某單個(gè)重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tir為不同重金屬生物毒性響應(yīng)系數(shù)；RRI為多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)值。Hankanson給出的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)分 別為 Pb（5），Zn（1），Cu（5），Ni（5），Mn（1），Cr（2），As（10），Hg（40）和 Cd（30）。

重金屬污染潛在生態(tài)危害分級標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級情況

由表6可知，太原市不同污灌區(qū)土壤中Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)（Eir）均小于40，為輕度生態(tài)危害。尖草坪區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣污灌土壤中Cd單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)（Eir）在40～80之間，為中度生態(tài)危害；小店區(qū)污灌土壤中Cd單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)（Eir）在80～160之間，為較強(qiáng)生態(tài)危害。清徐縣污灌土壤Hg單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)（Eir）在40～80之間，為中度生態(tài)危害；小店區(qū)和尖草坪區(qū)污灌土壤Hg為較強(qiáng)生態(tài)危害，晉源區(qū)污灌土壤Hg生態(tài)危害系數(shù)為195.57，為很強(qiáng)生態(tài)危害。研究區(qū)土壤重金屬含量多因子潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）在150～300之間，處于中度生態(tài)危害級別，其中，晉源區(qū)最高，小店區(qū)和尖草坪區(qū)相差不大，清徐縣為最小。

表6 潛在生態(tài)危害系數(shù)和危害指數(shù)

總體上，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高的元素是Hg，反映了重金屬元素Hg對生態(tài)的毒性高于其他元素；其次是Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)相對較大，污染程度也較高；而 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As屬于輕微水平，平均生態(tài)危害系數(shù)從大到小為：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn。

3 結(jié)論與討論

（1）對太原市污灌區(qū)土壤重金屬 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg 和 Cd 的含量狀況及分布特征進(jìn)行調(diào)查和研究，結(jié)果表明，該地區(qū)重金屬含量均值分別為 24.95，83.86，28.33，33.30，682.16，80.08，12.46，0.09，0.19 mg/kg，均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995），但其平均值均顯著高于太原市土壤背景值。

（2）太原市污灌區(qū)土壤重金屬單因子污染指數(shù)（Pi）值由大到小順序?yàn)椋篐g＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni，單項(xiàng)生態(tài)危害系數(shù)（Eir）排序?yàn)椋篐g＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn，說明Hg，Cd在構(gòu)成土壤環(huán)境污染的同時(shí)，也構(gòu)成了相應(yīng)的生態(tài)危害。

農(nóng)田土壤中重金屬的來源除受成土母質(zhì)的影響外，主要受化肥農(nóng)藥施用、大氣沉降和污水灌溉等人類活動(dòng)的影響。造成太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染，尤其是Hg和Cd污染的主要原因，首先是工業(yè)排放廢水灌溉土壤，對土壤造成了不同程度的污染。如在污染最嚴(yán)重的晉源區(qū)主要分布有多家化工廠、太原市第一熱電廠、造紙廠、醫(yī)藥園區(qū)；尖草坪區(qū)有太原鋼鐵公司、太原第二熱電廠、山西新華化工廠、山西興安化學(xué)材料廠、東方機(jī)械廠、太原江陽化工廠、太原軌枕廠；小店區(qū)有太原橡膠廠、太原線織印染廠、山西針織廠和山西毛紡廠，這些廠礦企業(yè)的高耗能及工業(yè)三廢的排放是Hg，Cd和As污染的重要來源。其次是農(nóng)業(yè)和化肥的大量使用。另外，Hg污染與汽車尾氣的排放也有很大關(guān)系。太原市污灌區(qū)土壤Hg污染程度較重，加之土壤Hg污染具有較強(qiáng)的累積性，所以應(yīng)對其加以控制。

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