焦化廠周邊土壤重金屬分布特征及生態風險評價

商執峰，祝 方，劉 濤，陳 東

（太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 太原030024）

焦化生產過程中重金屬污染物會隨著產品的泄露、堆放、淋洗以及飛灰的沉降進入土壤，對動植物的生長以及人類的健康造成潛在威脅，因此對焦化廠附近土壤中重金屬的調查研究對于保護當地生態意義重大。目前對焦化廠土壤中重金屬的研究主要是張亦馳［1］和尹勇［2］等對焦化廠場地中重金屬空間分布進行的研究，而對焦化廠土壤中重金屬的生態風險評價研究報道較少，因此需要借鑒其他土壤中重金屬的生態風險評價方法進行研究。土壤中重金屬生態風險評價的主要方法有Hakanson潛在生態危害指數法［3－4］、內梅羅綜合污染指數法［5］、地累積指數法、污染負荷指數法［6］和沉積物富集系數法。其中Hakanson潛在生態危害指數法綜合考慮了多種重金屬的協同作用、毒性水平、污染濃度、生態效應以及環境對重金屬的敏感程度等因素，地累積指數法綜合考慮了人為因素、污染地球化學背景值等方面對重金屬污染程度的影響，適用于土壤中重金屬的生態風險評價。Sun Yuebing等［7］采用綜合污染指數和潛在生態危害指數對沈陽地區表層土壤中重金屬的生態風險評價進行了研究，表明研究區域存在嚴重的生態風險，其中Pb和Cd對生態風險的貢獻率較大；于云江等［8］采用地累積指數法和潛在生態危害指數法對某流域農田土壤中重金屬污染的生態風險進行評價，結果表明該區域存在較嚴重的潛在生態風險，Cd的風險指數最高。此外，研究人員還通過模糊數學模型［9］、灰色聚類模型［10］和 GIS的地統計學評價模型［11－12］對土壤中的重金屬造成的生態風險進行了評價。本研究對太原市某焦化廠周邊土壤3km范圍內土壤表層采樣，研究了土樣中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度和空間分布，并采用單因子質量指數法、地累積指數法以及潛在生態危害指數法對土樣中6種重金屬的生態風險進行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

選擇太原市某焦化廠（東經112°47′，北緯37°84′）周邊土壤作為研究對象。該區域冬季主導風向為西北風或者是偏北風。此焦化廠于1982年8月開工建設，1984年12月正式投產，占地面積約3.0×105m2。該廠年產城市煤氣1.5×108m3，冶金焦炭7.0×105t，焦油、輕苯、硫胺、粗酚等化工產品4.0×104t。投產至今，該焦化廠總計生產焦炭1.77×107t，生產城市煤氣近3.3×109m3。

1.2 土壤樣品的采集與處理

本研究采樣時間為2012年11月25號進行，在太原市某焦化廠東、西、南和北4個方向上，在500，1 000和3 000m處表層土壤（0—20cm）各取3個土壤樣品，混合均勻后采用四分法取土壤樣品，將土壤樣品裝入無菌的采樣袋。去除土壤中的殘渣物，風干后研磨、過100目篩，樣品消解后采用原子吸收法對土壤中重金屬的含量進行測定。所有樣品的測定過程通過空白試驗和加標回收試驗兩種方法對樣品進行質量控制，各種重金屬的加標回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3 土壤樣品重金屬的生態風險評價方法

本研究采用單因子指數法、地累積指數法和潛在生態危害指數法對研究焦化廠附近土壤中重金屬的污染狀況及生態風險進行綜合評價。

1.3.1 單因子指數法 單因子污染指數法是以土壤元素背景值為評價標準來評價某一種重金屬元素的累積污染程度，表達式為：

式中：Pi——土壤中重金屬i的環境質量指數；Ci——重金屬i的實測濃度；Si——重金屬i的土壤環境質量標準［13］中Ⅱ類標準的臨界值。若Pi≤1.0，則土壤沒有受到人為污染；若Pi＞1.0，則土壤已受到人為污染，而且指數越大則表明土壤重金屬累積污染程度越高。

1.3.2 地累積指數法 地累積指數法是廣泛用于研究土壤和沉積物中重金屬污染程度的定量指標，綜合考慮了人為因素、污染地球化學背景值等方面的影響。其表達式為：

式中：Ci——重金屬i在土壤中的含量；Bi——該重金屬的地球化學背景值，本研究以太原市土壤中重金屬背景值為地球化學背景值［14］；k——考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數（一般取值為1.5）。地累積指數的分級標準與污染程度的劃分如表1所示。

表1 地累積指數法分級標準

1.3.3 Hakanso潛在生態危害指數法 Hakanson潛在生態危害指數法綜合考慮了多種重金屬的協同作用、毒性水平、污染濃度、生態效應以及環境對重金屬的敏感程度等因素，適合于土壤和大區域范圍沉積物進行評價比較。其表達式為：

表2 重金屬元素的參比值Cin以及毒性系數Tir

表3 重金屬潛在生態危害指數的分級標準

2 結果與討論

2.1 土壤中6種重金屬的分布特征與污染狀況

由焦化廠周邊土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的分布狀況分析得出，除Cu和Cr外，各方向Pb，Cd，Zn和Mn的含量均表現為：北部＞西部＞東部＞南部，1 000m處＞3 000m處＞500m處，而且所有采樣點中焦化廠1 000m處土樣中6種重金屬的含量均為最大值。結合土壤環境質量標準發現，Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的含量均未超過國標中的相應重金屬的臨界值，符合國家規定的土壤環境質量標準，而Cd的含量為國標Ⅱ級標準中Cd臨界值的2.1～7.2倍，使得焦化廠周邊土壤受到嚴重的Cd污染。

2.2 土壤重金屬Pb，Cd和Zn的富集系數

土壤的污染程度除了使用重金屬含量表征外，也可以用重金屬的富集系數Cif即污染系數表征其污染程度。圖1為焦化廠周邊土壤各采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的富集系數。圖1中可以看出，焦化廠周邊土壤中6種重金屬的富集系數大小順序為：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn。所有采樣點中 Mn的富集系數均小于1；Cd，Pb，Zn，Cr和Cu分別在100%，91.7%，50%，16.7%，75%采 樣 點 中的富集系數大于1，說明在焦化廠3km的范圍土壤受到的不同程度的人為污染。在東南西北方向的土樣中焦化廠北面1 000m處Pb，Cd，Cr和Mn的富集系數為最大，東面1 000m處Zn和Cu的富集系數最大，即重金屬在焦化廠1 000m處存在較嚴重富集，特別是焦化廠北1 000m處Cd的富集最為嚴重，導致此處土壤受到的人為污染也最嚴重。

圖1 不同土壤采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的富集系數

2.3 單因子指數法評價法

表4反映了焦化廠周邊采樣點土壤中6種元素的單因子指數，各采樣點土壤中各元素的單因子指數Pi值表現為：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn，100%采樣點中Pb，Zn，Mn和Cu的Pi值小于1，Cr和Cd分別在16.7%和100%的采樣點中的Pi值大于1，而且1 000m處采樣點土壤中各元素的Pi值均為最大，同時各方向的采樣點中Pb，Cd和Zn的Pi值表現為：北部＞西部＞東部＞南部，1 000m處＞3 000m處＞500m處。可見，焦化廠北面1 000m受到的重金屬污染較為嚴重，而且此處Cd的富集系數和單因子指數均為最大，導致此處重金屬污染最為嚴重。焦化廠土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度依次為：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn。

2.4 地累積指數法（Mull指數）評價

表5為不同采樣點土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的地累積指數（Igeo）。采樣區土壤中6種重金屬的地累積指數大小依次為：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Mn。土壤所有采樣點中Zn，Cr，Cu和Mn的地累積指數小于0，生態風險等級為0級，無生態風險；50%的采樣點中Pb的地累積指數在0～1之間，生態風險等級為1級，存在輕微的生態風險；100%的采樣點土壤中Cd的地累積指數均在2～4之間，風險級別為3～4，其中風險級別為3的采樣點數占75%，風險級別為4的采樣點數占25%，即焦化廠北1 000和3 000m和西面1 000m處Cd的風險級別為4，存在偏重度累積。結合圖2和表4可知，在焦化廠北1 000m處Cd在土壤中的累積程度最大，對土壤的污染也最嚴重。

表4 土壤采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的單因子指數Pi

表5 采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu、Cr和 Mn的地累積指數（Igeo）以及風險等級

2.5 潛在生態危害指數法評價

焦化廠周邊土壤中不同采樣點中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態危害指數詳見表6。由表6可得，焦化廠周邊3km范圍內所有樣點土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態風險系數和風險程度依次為：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，1 000m＞3 000m＞500m。所有采樣點的土壤中Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態危害系數均低于40，風險級別為A級，存在極低的潛在生態風險；而所有采樣點土壤中Cd的潛在生態危害系數均大于160，風險級別為D級和E級，存在嚴重和極嚴重的潛在生態危害，其中75%的采樣點存在嚴重的潛在生態危害，25%的采樣點存在極嚴重的潛在生態危害。

表6 采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態危害系數（）以及潛在生態危害指數RI

表6 采樣點中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潛在生態危害系數（）以及潛在生態危害指數RI

注：風險級別A，B，C，D和E分別表示低、中等、重、嚴重和極嚴重潛在生態風險。

采樣點位置Zn級別500 0.79 A 4.85 A 188.69 D 1.67 A 4.85 A 0.073 A 200 Pb Cd Cr Cu Mn Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別Eir 級別 RI.89 B東部 1 000 1.31 A 7.28 A 283.15 D 1.43 A 6.69 A 0.083 A 299.90 B 3 000 1.12 A 6.68 A 235.94 D 1.32 A 5.22 A 0.019 A 250.26 B 500 0.92 A 6.07 A 188.81 D 1.54 A 4.92 A 0.075 A 202.34 B西部 1 000 1.25 A 7.28 A 471.78 E 1.26 A 5.59 A 0.099 A 487.25 C 3 000 0.96 A 6.68 A 283.18 D 1.04 A 4.99 A 0.084 A 296.91 B 500 0.75 A 5.46 A 235.87 D 1.72 A 4.63 A 0.089 A 248.54 B南部 1 000 1.30 A 7.28 A 283.15 D 2.05 A 5.81 A 0.091 A 298.85 B 3 000 0.98 A 5.46 A 188.75 D 1.86 A 5.44 A 0.080 A 202.58 B 500 0.98 A 7.29 A 283.24 D 1.84 A 5.81 A 0.085 A 299.24 B北部 1 000 1.29 A 9.62 A 654.48 E 2.22 A 6.17 A 0.100 A 673.89 D 3 000 1.23 A 8.48 A 565.23 E 1.97 A 5.96 A 0.086 A 582.92 C RI 12.88 69.69 1 449.95 19.92 66.08 0.929 Cd生態風險達A A E A A A 到嚴重程度級別

從采樣點土壤中單一重金屬的角度分析可得，焦化廠周圍土壤中6種重金屬的潛在生態危害指數大小順序依次為：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，除Cd外其余5種重金屬產生潛在生態風的程度險極低。所有土樣中Cd的風險級別均在D級以上，存在嚴重的生態風險。在焦化廠西1 000m、北1 000和3 000m處土樣中Cd的風險級別甚至達到了E級，存在極嚴重的潛在生態風險；綜合6種重金屬的潛在生態危害指數分析可知，在焦化廠3km的范圍內東、西、南和北方向上的6種重金屬的潛在生態危害指數分別為751.05，986.50，749.97和1 556.05，潛在風險級別為嚴重、嚴重、嚴重和極嚴重風險，說明該研究區域土壤中重金屬存在嚴重的潛在生態風險，而且在焦化廠北重金屬的潛在生態風險達到極嚴重的程度，需要重點治理。在焦化廠土壤如此嚴重的生態風險中，Cd導致的生態風險程度（貢獻率）分別占94.24%，95.87%，94.37%和93.18%，可見 Cd是該區域中產生潛在生態風險的主導因子。

3 結論

（1）焦化廠周邊土壤中重金屬Cd含量超過（GB15618—1995）Ⅱ級標準規定的標準值，其余5種元素未超過其相應的標準值，而且各重金屬含量均在焦化廠1 000m處達到最大值。

（2）焦化廠周圍土壤中重金屬的生態風險程度達到嚴重的程度，特別是焦化廠北面存在極嚴重的潛在生態風險，其中Cd是產生風險的主導因子，應該對焦化廠北面進行重點治理。

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