山西典型工業發展區土壤重金屬潛在生態風險評價

葛元英，崔 旭，馮兩蕊，張小紅

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

山西典型工業發展區土壤重金屬潛在生態風險評價

葛元英，崔 旭，馮兩蕊，張小紅

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

采用野外采樣和室內分析相結合的方法，以山西省典型工業區農田表層土壤（0～20 cm）為研究對象，分析了土壤中重金屬Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn的含量，探討了土壤中重金屬的含量與不同人類活動的關系，并進行了潛在生態風險評價。結果顯示，8種重金屬的含量均超過山西省土壤表層的背景值；表層土壤的潛在生態風險評價表明，當地的農田土壤Cr，Ni，Pb，As，Cu，Zn有輕度的生態風險，Cd和Hg存在較大的生態風險。工業區土壤的污染程度明顯高于其他地區，局部地區已出現極強污染。

農田土壤；重金屬；潛在生態風險；污染評價；山西省

重金屬是一種持久性有毒的污染物，進入土壤后不能被生物降解，并會通過地面揚塵被人體直接吸收[1]。當重金屬在土壤中累積量超過土壤本身的承受能力時，不僅會影響土壤動植物的生長發育，而且重金屬還會通過植物的吸收、富集，并最終通過食物鏈進入人體，給人體健康帶來潛在危害。工業、城市化進程和農業活動等都可能引起土壤重金屬污染[2-3]，近年來，國內的研究多集中于資源開發和污灌等導致的土壤重金屬污染及其帶來的環境及人體健康風險方面[4-8]，而從縣域尺度綜合考慮人類活動包括工業化、城市化、農業活動（畜禽養殖、施肥和污灌）等對土壤重金屬含量影響及其生態風險的研究相對較少[9]。

改革開放以來，介休市的工農業得到了迅速的發展，當前，介休市已發展成為我國重要的以焦炭、煤炭、煤化工為主的新興工業基地。工業化迅速發展的同時，也給介休市的環境帶來很大的挑戰，尤其是受人為干擾最大的表層土壤環境。

本研究以介休市不同功能區的表層土壤為研究對象，在野外調查和室內試驗分析的基礎上對土壤中重金屬Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn含量進行測定，分析了表層土壤重金屬的污染物的分布特征和現狀，并采用瑞典科學家Hakanson[10]提出的潛在生態風險評價法，對土壤重金屬進行了潛在生態危害程度的評價，旨在為今后介休市的土壤利用、環境管理以及發展規劃提供一定的科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

介休市位于山西省中南部，汾河南畔。全市總面積744 km2，人口37萬。境內平川、丘陵、山區各占1/3，從北向南梯次排列，屬暖溫帶大陸性氣候，四季交替分明，日照充裕，氣候溫和，年均氣溫10.4℃，平均降水量477.2 mm。常年以8月份為東北風，其他各月均以西南風為主導風向。主要的土壤類型是褐土。介休市農田灌溉的主要方式是河水灌溉和井灌。

1.2 樣品采集

2012年6月，根據介休市的具體情況，綜合考慮地形、灌溉、功能區分布等特點，采集了72個農田土壤樣品。采樣時，用GPS進行準確定位，采用不銹鋼鏟進行取土，去除接觸部分。所采集的樣品均為0～20 cm的耕層土壤。采集的樣品置于室內自然風干，剔除大石塊、植物根系等雜質，采用四分法反復取土至200 g左右，磨細過0.149 mm尼龍篩，裝袋密封備用。

1.3 樣品處理與分析

土壤樣品用HNO3-HCl-HClO4-HF法消解，用原子吸收光譜儀測定Cr，Pb，Cu，Ni，Zn等5種重金屬元素的含量，具體測定方法參照國家標準GB/T 17137—1997，GB/T17138—1997，GB/T17139—1997進行。用石墨爐原子吸收分光光度法測定Cd元素含量，具體方法參照國家標準GB/T17141—1997；用冷原子吸收法測定Hg元素含量，具體方法參照國家標準GB/T17136—1997；二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測定As元素含量，具體方法參照國家標準GB/T17135—1997。分析過程中加入國家標準土壤樣品GSS系列進行分析質量控制，每種元素的測定值均在國家標準參比物質的允許誤差范圍之內。分析樣品選取20%的平行雙樣進行精密度評價，平行雙樣之間的相對平均偏差小于5%。土壤測定過程中所用試劑均為優級純。

1.4 土壤重金屬的單項及綜合潛在生態風險評價方法

采用潛在生態風險指數法評價土壤重金屬污染的潛在生態風險。潛在生態風險指數法是國際上土壤/沉積物重金屬研究方法之一，該方法不僅將土壤重金屬的含量考慮在內，而且將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，定量地劃分出重金屬的潛在風險程度，其應用廣泛[9，11-12]。

式中，Ci表層表示沉積物中污染物的實測參數；表示全球工業化前沉積物中污染物含量（本研究選擇土壤自然背景值作為標準）；表示單個污染物的毒性響應參數。

根據瑞典科學家Hakanson[10]制定的標準化重金屬毒性響應參數值分別為Hg（40）＞Cd（30）＞As（10）＞Pb（5）＝Ni（5）＝Cu（5）＞Cr（2）＞Zn（1）。重金屬的潛在生態風險指標與分級關系如表1所示。

表1 土壤重金屬的潛在生態風險分級標準[13]

1.5 數據分析

數據采用Excel 2003和SPSS 13.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 農田土壤重金屬含量特征分析

從表2可以看出，介休市農田土壤中Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn經單樣本的正態分布檢驗發現，8種重金屬元素的含量均符合正態分布。因此，用算術平均值來描述8種重金屬含量的大小。所測土壤pH值全部大于7.5。

表2 介休市土壤重金屬含量統計分析 mg/kg

以20世紀90年代山西省重金屬元素的背景水平作為該區土壤重金屬元素的背景參考值[14]。由表2可知，與山西省土壤背景值相比，介休市土壤中Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Zn的均值均顯著高于背景值，其中，Hg的均值約為背景值的5倍，Cd的均值約為背景值的2倍。各采樣點Cd和Pb含量均高于背景值，各樣點中Hg，As，Cr，Cu，Ni，Zn含量高于背景值的樣點占總樣點的比例分別為95.71%，77.14%，84.29%，77.14%，67.14%，71.43%，這與以往的研究結果相符[15-19]。表明人類活動已導致土壤中Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn含量的升高。

介休市農田土壤Hg，As，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn的平均含量均低于我國土壤環境質量標準（GB 15618—1995）一級標準，而Cd的平均含量高于一級標準，但低于二級標準。各元素含量的最大值除As接近于國家二級標準外，其他元素均低于國家二級標準。因此，應當注意介休市農田土壤重金屬含量的增加，尤其是土壤As含量的增加及其帶來的生態風險。

對不同人類活動區域表層土壤Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni和Zn含量進行了統計（表3），以探討介休市表層土壤重金屬的可能來源。介休市土壤重金屬最大值均未超過國家二級標準，但8種重金屬含量均超過山西省土壤背景值，說明人為的干擾活動導致了農田土壤重金屬含量升高。由表3可知，介休市表層土壤Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu和Zn含量的最大值出現在工業區，而Ni的最大值出現在城郊。就不同人類活動而言，表層土壤中Hg，As，Cd，Pb，Ni，Cu，Cr和Zn平均含量的大小均為工業區＞城郊＞污灌區＞井灌區（圖1）。經單因素方差分析發現，除元素Hg外，工業區與其他人類活動區域土壤元素含量呈顯著性差異（P＜0.05）（表4），說明工業化過程已導致了表層土壤重金屬含量的升高。

表3 不同人類活動區域農田土壤重金屬含量 mg/kg

表4 不同人類活動區域農田土壤重金屬含量均值差異性 mg/kg

2.2 土壤重金屬的單項及綜合潛在生態風險評價

多種重金屬的綜合潛在生態風險指數（RI）的范圍為129.36～552.83（表5）。從其頻數分布可以看出，62.9%的土壤樣點處于中等生態風險程度，34.3%的土壤處于較強的潛在生態風險水平（表6），這主要與Hg和Cd潛在生態危害系數較大有關。說明介休市農田土壤可能遭受較強的Hg和Cd的生態危害，進而導致共有68個（97.1%）土壤樣點達到了中等及其以上的風險程度，應引起充分關注。

表5 介休市農田土壤潛在生態危害系數（）及潛在的生態風險指數（RI）統計特征

表5 介休市農田土壤潛在生態危害系數（）及潛在的生態風險指數（RI）統計特征

項目最小值最大值均值標準差潛在生態危害系數EirCd35.59 95.88 61.13 10.83Cr1.21 2.90 2.27 0.31As7.53 24.67 14.52 4.11Hg22.61 443.48 178.31 79.62Pb5.85 13.07 8.92 1.43Cu3.75 9.74 6.36 1.46Zn0.78 1.46 1.12 0.14Ni3.32 7.39 5.55 0.99RI129.36 552.83 278.18 79.10

表6 介休市農田土壤重金屬潛在生態危害系數及潛在生態風險指數頻數分布

2.3 不同人類活動區域土壤重金屬潛在生態風險評價

為進一步研究介休市表層土壤重金屬潛在生態風險的來源，探討了土壤重金屬含量低于國家二級標準但高于區域背景值時產生高生態風險的原因，本研究從不同的人類活動類型出發，比較了不同人類活動影響下土壤Cd，Hg及重金屬潛在風險指數的大小（圖2）。

從圖2可以看出，Cd的潛在生態風險系數大小為工業區＞城郊＞污灌區＞井灌區，說明工業化過程、城市化進程、農業活動是造成土壤Cd含量超過背景值的主要因素，Hg的生態風險系數大小也為工業區＞城郊＞污灌區＞井灌區，說明工業生產導致了土壤表層Hg含量的增加，城市化進程、農業活動也可能會引起土壤中Hg含量的提高，如農藥的使用等。

從綜合潛在生態風險指數來看，其大小順序為工業區＞城郊＞污灌區＞井灌區，因此，介休市工業的發展、城市化進程的加快和農業活動已導致土壤中重金屬一定程度的累積。為進一步說明當地土壤的潛在生態風險水平，本研究還在這70個土壤樣品采集處采集了20個小麥樣品。由于當地土壤中Cd和Hg的生態風險指數較高，因此，本研究對小麥樣品中Hg和Cd的含量進行了測定，得出小麥中Hg和Cd的平均含量分別為0.012，0.022 mg/kg。盡管Hg和Cd的均值遠低于我國糧食中Hg和Cd的限量標準值（0.02，0.1 mg/kg），但是工業區附近的樣點Hg含量接近Hg的限量值，Cd含量接近Cd的限量值，可能是由于大量工業廢棄物的處理或存放導致Hg和Cd釋放到土壤及大氣中，進而導致麥粒Cd和Hg的暴露，如果不嚴加控制，最終可能會對人體健康造成一定的影響。

3 結論

本研究結果表明，介休市土壤中Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn的均值均顯著高于山西省背景值，各元素含量的最大值除As接近于國家二級標準外，其他元素含量的最大值均低于國家二級標準。

不同人類活動會導致土壤重金屬元素含量上升，工業活動、城市化和農業生產是導致土壤重金屬元素含量升高的主要原因，其中，工業生產會導致重金屬含量顯著增加。

土壤Hg和Cd存在較大的潛在生態風險，這與2種元素的特性有關，也與工業生產、城市化過程所帶來的污染有關。其中，工業生產是造成土壤Cd高生態風險的主要原因。介休市工業生產、城市化、農業生產已造成土壤中重金屬一定程度的累積，且土壤Cd和Hg高潛在風險也可能是麥粒中Cd和Hg接近糧食限量值的主要原因。今后將進一步重視介休市農田土壤的安全監控和生態風險。

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Assessment on the Potential Ecological Risk of Heavy Metals in the Soil of Typical Industrial Development Area of Shanxi Province

GE Yuan-ying，CUI Xu，FENG Liang-rui，ZHANG Xiao-hong
（College of Resources&Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The contents of toxic metal Hg，As,Cd,Cr,Pb,Cu,Ni and Zn were investigated by sampling the topsoil（0-20 cm）from suburb cropland in Jiexiu city,and their relations with different human activities were discussed.The potential ecological risks of these heavy metals were assessed.The results showed that the content of the eight metals in all of the soil samples exceeded the background value of the soil surface of Shanxi province.The potential ecological risks of Cr,Ni,Pb,As,Cu,Zn were at lower level,while that of Cd and Hg were at a higher level.Industrial areas pollution of soil was significantly higher than other areas,some areas had emerged highly contaminated.

farmland soil;heavy metal;potential ecological risk;pollution assessment;Shanxi province

X53

A

1002-2481（2016）05-0635-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.16

2015-11-19

葛元英（1977-），女，江蘇泗陽人，實驗師，碩士，主要從事環境質量監測與評價研究工作。