城鎮化進程對沈撫新區土壤重金屬分布的影響及風險評價

臧星華，魯垠濤*，姚　宏，張士超，賈曉解

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.水中典型污染物控制與水質保障北京重點實驗室，北京100044）

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城鎮化進程對沈撫新區土壤重金屬分布的影響及風險評價

臧星華1，2，魯垠濤1，2*，姚宏1，2，張士超1，2，賈曉解1，2

（1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.水中典型污染物控制與水質保障北京重點實驗室，北京100044）

摘要：通過系統研究沈撫新區不同土地類型的58個地表土壤采樣點重金屬（Pb、Cd、Zn、Cu、Ni和As）的分布狀況，對比研究區域表層土壤背景值，評估沈撫新區城鎮化進程對土壤重金屬分布的影響及其存在的風險。結果表明：污染物濃度總體趨勢為東部地區高于西部地區；土壤中Zn、Cd和Pb的污染狀況在高速公路附近以及公路交叉點較為嚴重；Cu和Ni的污染高值區在工業區內的化工廠、鋼鐵廠和電控設備廠附近，說明工業生產對該地區的Cu和Ni的貢獻率較高；As的分布特征受土壤系統結構影響相對較大，同時人為因素或外源物質干擾也起到了一定的影響作用。采用內梅羅指數法對不同用地類型表層土壤中重金屬污染水平的評價排序為城鎮用地＞林地＞耕地＞農村居住地。

關鍵詞：重金屬；城鎮化；土壤污染；風險評價

臧星華，魯垠濤，姚宏,等.城鎮化進程對沈撫新區土壤重金屬分布的影響及風險評價[J].農業環境科學學報, 2016, 35（3）：471-477.

重金屬引起的土壤污染是世界性的重大環境問題[1]。隨著中國城鎮化進程的推進，地表土壤重金屬污染問題也日益受到人們的關注[2]。我國的城鎮化過程始于改革開放后期，進入21世紀以后開始加速，有著范圍廣、規模大、速度快和人口高度集中的特點。近30年城市中的人口、能源與資源消耗和工業產能的增長速度舉世矚目。這種高速城鎮化的過程正在我國東北渾河流域沈撫新區上演，而城鎮化的進程中不可避免地伴隨著重金屬的產生和排放。土壤中的重金屬積累受到土壤母質層等環境因素影響的同時也受人類活動的影響，其人為源主要為工業生產、交通運輸、農業活動、采礦冶煉以及垃圾焚燒等[3]。城鎮化主要表現形式為土地利用類型的轉變，根據沈撫新城政府公布的城鄉規劃部署方案與實地調研可知，2010年沈撫新區城鎮用地所占比例僅為5%，經過4年的城鄉建設，2014年這一比例上升為30%，而隨著城鎮化的進一步推進城鎮用地所占比例在2020年將達到43%。沈撫新區的土地利用類型多樣，地表結構復雜，使得城鎮化對該地區影響首當其沖。土壤質量下降，土壤中持久性毒害物質明顯累積，已經造成重金屬等有害物質通過食物鏈向人類轉移，對人類健康形成了極大威脅[4]。沈撫新城工業主要以重型裝備及配件和石化電力裝備等產業為主，新建的工廠零星分布在渾河兩岸，其生產過程中會排放一些含有Cu和Ni等金屬的廢棄物，可能會對表層土壤產生一定程度的影響[5]。

根據Wang等[6]研究，沈陽地區土壤中鉛的平均濃度為138.59 mg·kg-1，其中鐵西區土壤中Cu、Zn、Pb 和Cd等重金屬平均濃度分別為209.06、599.92、407.19、8.59 mg·kg-1。Sun等[7]研究發現，沈陽地區土壤中Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬平均濃度分別為0.42、51.26、75.29、140.02 mg·kg-1，遠高于它們的自然背景值。然而，以上這些研究采樣范圍小，監測點位普遍較少，分析方法探討不夠全面，研究城鎮化對土壤重金屬的影響所選擇的區域不典型，對于沈撫新區城鎮化進程中產生的重金屬對土壤的影響仍缺乏分析和探究。為明確沈撫新區城鎮化進程對土壤質量的影響，為該地區城鄉規劃與環境污染防治提供參考及理論依據，本文采用主成分分析、聚類分析和相關分析方法探討了沈撫新區土壤重金屬污染狀況、污染物的可能來源及風險。

1　區域研究概況

沈撫新城位于遼寧省沈陽、撫順兩市接壤地帶，是沈陽經濟區的中心區域，有良好的地理位置和優越的交通條件。新城地處東經123°55'，北緯41°52'，地勢平坦開闊，由北向南漸高，海拔在60～70 m之間，屬中溫帶大陸性氣候，常年主導風向為西南風，冬季為東北風，年平均氣溫為7℃。土壤類型主要有棕壤、草甸土和水稻土。棕壤可按土層厚薄及發育程度分為棕壤性土、棕壤和潮棕壤三個亞類；草甸土可按碳酸鹽含量分為碳酸鹽草甸土與非碳酸鹽草甸土等亞類；水稻土均為淹育性水稻土。沈撫新城規劃面積約400 km2，其中北部生態旅游功能區約300 km2，南部產業區和人居功能區約100 km2。

2　材料與方法

2.1樣品采集

2014年12月，對沈撫新區周邊表層土壤進行了采樣（圖1）。本次地表土壤采樣點的選擇主要考慮沈撫新區的地形狀況和土地利用等情況，構建0.01°× 0.01°經緯度網格系統進行布點，均勻選取58個樣點（耕地33個，林地6個，農村用地9個，城鎮用地10個）。每個采樣點采用梅花五點法取樣并將土樣充分混合，采樣深度為0～20 cm。

圖1　研究區土壤采樣點分布Figure 1 Distribution of soil sampling sites

2.2研究

2.2.1分析方法

土壤樣品完全風干后，研磨并過100目篩，收集篩下土樣，貼上標簽備用。稱取0.25 g土壤樣品放入50 mL的聚四氟乙烯燒杯，然后加入5 mL濃度為65%的優級純HNO3、10 mL濃度為40%的分析純HF以及2 mL濃度為60%的分析純HClO4，200℃加熱3 min后，冷卻至室溫，再加入5 mL的HNO3、10 mL HF 和2 mL HClO4，于200℃加熱10 min；在燒杯上加蓋靜置12 h，然后加熱至HClO4煙霧完全消失；再加入8 mL王水，加熱直到體積剩余2～3 mL，加入10 mL超純水沖洗燒瓶內壁，定容至25 mL再轉移到塑料瓶中[8]。使用ICP-MS（Agilent Technologies 7500a）測定Pb、Cd、Zn、Cu、Ni和As的濃度。

分析質量采取平行樣、空白樣和標準物質來控制。采用國家土壤標準樣品GSS-2和GSS-3，采樣點土壤預處理分三批完成，回收率見表1。

2.2.2評價

土壤污染評價標準以沈陽土壤環境背景值為參照標準。土壤污染評價方法采用目前國內外普遍應用的內梅羅綜合指數法。內梅羅綜合指數法能夠全面、綜合地反映土壤的污染程度[9]，計算公式如下：

式中：PN為內梅羅綜合污染指數；Piave為土壤中各污染指數的平均值，Pimax為所有重金屬元素污染指數中的最大值。

土壤內梅羅綜合評價分級標準：PN≤0.7，安全清潔；0.7＜PN≤1，警戒級尚清潔；1＜PN≤2，輕污染；2＜PN≤3，中度污染；PN＞3，重污染。

2.2.3數據處理

土壤重金屬基本統計參數采用SPSS19.0進行分析。各類重金屬可能來源分析用相關矩陣和多元分析法，通過計算相關系數來探究各重金屬元素之間的相關性，再用主成分分析和聚類分析來進一步確定重金屬元素之間類似的分布模式。其他數據的處理采用Excel2010。土壤重金屬空間分布圖使用地理信息系統（GIS）軟件（ArcGIS 10.0）中的空間分析工具，采用克里金插值方法進行解析。

3　結果與討論

3.1土壤重金屬污染狀況

表2為重金屬濃度的基本統計情況。本文土壤中各重金屬的平均濃度均低于《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）的二級標準值，該地區城鎮化剛剛起步，區域內工廠均處于剛建成狀態，所以重金屬對整個研究區域土壤污染還不顯著。土壤中Pb、Cd、Zn、Cu、Ni和As的平均濃度分別為沈陽市土壤背景值的0.83、1.33、0.99、1.13、0.92和0.80倍，其中Pb、Zn、Cu、Ni和As 5種金屬元素接近背景值的平均水平，而Cd的濃度則明顯高于沈陽市土壤重金屬背景值。Pb、Cd、Zn、Cu、Ni和As的含量超過沈陽市土壤背景值采樣點個數分別為11、9、15、7、13和10個，所占采樣點總量百分比分別為18.9%、15.5%、25.8%、12.1%、22.4%和17.2%，說明城鎮化進程中研究區域的部分地區可能有大量污染物進入。

表1　土壤標準物質回收率Table 1 Recovery of heavy metals in soil reference materials

表2　沈撫新城表層土壤重金屬含量Table 2 Content of heavy metals in topsoils of Shenfu new city

根據Wilding對變異程度的分類[10]可知：Pb和Cu（變異系數分別為33.65%和30.27%）為中等變異（介于15%～36%），而Cd、Zn、Ni和As（變異系數分別為52.92%、37.98%、38.347%和46.735%）為高度變異。Pb、Cd、Zn、Cu、Ni和As的變異系數均較大，說明這些金屬元素在不同程度上分布不均勻，可能受到人為來源的控制。

3.2土壤重金屬分布特征與來源

3.2.1土壤重金屬元素的空間分布特征

城鎮化進程中用地類型和經濟產業結構的改變對沈撫新城周圍的水環境、大氣環境和土壤環境產生影響，其中耕地土壤重金屬含量受此影響也具有明顯的地域特征[11]。從圖2可見，研究區東北部的Cd、Zn 和Pb的平均含量均高于其他地區，中部地區渾河兩岸和東南部的Ni和Cu平均含量明顯高于其他區域，而As在研究區西北部和南部地區平均含量較高。重金屬高值區大多處于城鎮化發展建設區域和工業區附近，說明城鎮化和工業化對重金屬的分布起到了一定作用[12]。

在所有采樣點中可以看出，Pb、Cd、Zn、Cu和Ni主要分布在城鎮化建設區和渾河兩岸，而As以斑點狀分布在研究區域的西北部和南部地區。從總體上來看，Cd、Zn和Pb等元素除在研究區東南部有一個高值分配點外，在其他地區分布較為均勻，總體上未體現出較大的空間分布差異，而高值分配點多位于交通樞紐地帶，并且常年的西南風將中部附著有重金屬的沙塵帶到該區域，使得重金屬逐漸累積[13]；Ni和Cu元素的高值分配點主要在渾河兩岸和南部地區，可能與該地區工業生產排放有關（圖1）；而As元素則在研究區域的東北部和南部出現較高的分配，此特點明顯不同于其他元素，可能與地質背景有關。

3.2.2重金屬元素來源解析

土壤中的重金屬除來自土壤母質層外，主要還有農業活動（包括灌溉水、農藥、化肥）、大氣降塵以及工業污染等多種來源[14]。沈撫新城的成土母質性質大致相同，但不同區域的污染來源差異性導致重金屬分布空間的差異性。從表3可見，Cd和Zn、Pb和Zn、Pb和Cd、Cu和Ni相關系數分別為0.789、0.687、0.672、 0.648，說明它們有很好的線性相關性，因而它們很可能來源于同一種污染源；而As與其他重金屬的相關系數均小于0.3，相關性很弱，說明它的來源與其他金屬不同。

表3　土壤重金屬元素之間的相關性Table 3 Correlations between heavy metals in soil

為了進一步分析土壤中各重金屬元素的污染來源，本文采用聚類分析和主成分分析進一步驗證各土壤重金屬元素之間的相互關系，結果如圖3所示。通過對6種土壤重金屬的聚類分析，得到一個層次化的聚類樹圖。距離集群值越低，數據間的相關性越高，金屬元素在同一個集群則表明其源于一個共同的人為源或自然源。通過分析得到三大集群，第一類集群包括Zn、Cd和Pb；第二類集群包括Ni和Cu；第三類集群包括As。其中第一類集群和第二類集群距離都小于5，說明Zn、Cd和Pb的污染來源相同，Ni和Cu的污染來源也相同，而As與其他5種元素的集群距離均大于20，說明As與其他金屬元素的污染來源不同[15]。從主成分分析散點圖中可以看出，Zn、Cd和Pb位于第四象限，Ni和Cu位于第一象限，As位于縱向象限軸上。這與聚類分析中金屬的分類是相一致的。

圖3　重金屬元素之間相互關系的聚類樹圖和散點圖Figure 3 Cluster tree and scatter plots of elements showing interrelationships between heavy metals

表4　沈撫新城表層土壤重金屬元素的因子載荷Table 4 Factor loadings of heavy metals in topsoils of Shenfu new city

從表4可見，Zn、Cd、Pb和Cu在PC1上有較大載荷，分別為0.945、0.846、0.755和0.621。研究區域東北部Zn、Cd、Pb和Cu的濃度遠超過土壤背景值，說明該地區主要受人為源控制。許多研究表明，Zn、Cd和Pb是公路附近土壤污染的指標[16-19]。經實地調查并結合圖1和圖2可以看出，Zn、Cd和Pb 3種重金屬濃度主要高值區位于高速公路附近，其他點狀高值區多位于道路交叉口附近，應該是東北部地區Zn、Cd和Pb等3種元素高分配的主要原因；與其他三種金屬相比，PC1中Cu的載荷較小，說明僅有部分Cu來源與Zn、Cd和Pb相近，而Cu的部分高值點多在鐵路附近，則說明部分研究區域土壤中Zn、Cd、Pb和 Cu的濃度水平可能受到鐵路運輸影響。這與Ma等[20]和Malawska等[21]對土壤重金屬源解析的研究結論一致。Cu和Ni在PC2上有較大載荷，分別為0.683和0.823。經實地調查并結合圖1可以看出，重金屬濃度高值區位于工業區內，附近有化工廠、鋼鐵廠和電控設備廠，而Cu和Ni恰為其生產原料或廢料中的成分，故此應該是Cu和Ni 2種元素高分配的主要原因。As在PC2中有較大載荷，但相對于Cu和Ni較小，故其污染來源不同于其他金屬。從圖2可見，As的高值區主要在研究區域的東北部和南部，而且呈斑點狀分布，但其中大部分區域As的濃度低于土壤背景值。這表明As的分布特征受土壤系統結構影響相對較大，同時人為因素或外源物質干擾也起到了一定的影響作用[22-23]。

3.3土壤重金屬的污染評價

圖4展示了內梅羅指數法評價的不同用地類型表層土壤中重金屬污染水平，從中可以看出：城鎮用地中30%的監測點受到輕微污染，60%的監測點受到中度污染，10%的監測點受到重度污染；農村用地中50%的監測點受到輕微污染，其余監測點受到中度污染；林地中33.3%的監測點受到輕微污染，66.6%的監測點受到中度污染；耕地中43.4%的監測點受到輕微污染，56.5%的監測點受到中度污染。所有用地類型污染水平排序如下：城鎮用地＞林地＞耕地＞農村用地。這說明城鎮化進程中工業排放和交通運輸等因素對城鎮用地土壤重金屬含量影響最大，由于林地內修建公路及周邊人類活動的影響使得該區域土壤內重金屬積累，農藥的使用、施肥和污灌等農業活動使得耕地內重金屬含量上升，農村居住地內人類活動使重金屬逐漸累積。

圖4　內梅羅指數法評價不同用地類型表層土壤重金屬污染水平Figure 4 Levels of heavy metal pollution in surface soils from different use types of land indicated by Nemerow pollution index

4　結論

沈撫新區土壤重金屬濃度總體趨勢是東部地區高于西部地區。土壤中Zn、Cd和Pb的污染狀況在高速公路附近以及公路交叉處較為嚴重，Cu和Ni的污染高值區在工業區內的化工廠、鋼鐵廠和電控設備廠附近，工業生產對該地區的Cu和Ni的貢獻率較高，此外鐵路運輸對Cu的貢獻率也不容忽視。As的分布特征受土壤系統結構影響相對較大，同時人為因素或外源物質干擾也起到了一定的影響作用。

不同用地類型表層土壤中重金屬污染水平排序為城鎮用地＞林地＞耕地＞農村居住地。

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ZANG Xing-hua, LU Yin-tao, YAO Hong, et al. Distribution and risk assessment of soil heavy metals in Shenfu new city during urbanization process[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）: 471-477.

Distribution and risk assessment of soil heavy metals in Shenfu new city during urbanization process

ZANG Xing-hua1,2, LU Yin-tao1,2*, YAO Hong1,2, ZHANG Shi-chao1,2, JIA Xiao-jie1,2
（1.School of Civil Engineering Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing Key Laboratory of Aqueous Typical Pollutants Control and Water Quality Safeguard, Beijing 100044, China）

Abstract：We mapped the spatial distribution of heavy metals（Pb, Cd, Zn, Cu, Ni and As）in 58 surface soil samples from different land use types of Shenfu new city and evaluated the impact of urbanization on the distribution and risks of heavy metals by comparing with their background values. Results showed that the concentrations of heavy metals in the east part were higher than those in the west part of the region. Soil Zn, Cd and Pb mainly concentrated in the vicinity of the highways and crossover, while high concentrations of Cu and Ni were mainly found in the industrial area with Chemical Plants, Steel Plants and Electrical Control Equipment Plants. These indicated that industrial activities contributed a lot to the Cu and Ni pollution. The As distribution was affected relatively greatly by the soil system structure and at the same time by human factor or exogenous substances to certain extent. We evaluated the level of heavy metals in surface soils from different land types using the Nemerow pollution index. The pollution levels followed order of urban land＞woodland＞farmland＞rural land.

Keywords：heavy metals; urbanization; soil pollution; risk assessment

*通信作者：魯垠濤E-mail：yintaolu@hotmail.com

作者簡介：臧星華（1990—），男，在讀碩士研究生，研究方向為大流域面源污染監測評估，E-mail：Jeffreybjtu@163.com

基金項目：國家重大水專項（2014ZX07202）

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號：X820.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0471-07

doi:10.11654/jaes.2016.03.009