寧東基地不同燃煤電廠周邊土壤5種重金屬元素污染特征及生態風險

羅成科 *，張佳瑜 ，肖國舉 ，畢江濤

1. 寧夏大學環境工程研究院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏大學資源環境學院，寧夏 銀川 750021；3. 教育部中阿旱區特色資源與環境治理國際合作聯合實驗室，寧夏 銀川 750021

燃煤電廠為人類提供了電能與熱能，同時排放出煙氣、廢水以及大量的粉煤灰和脫硫石膏等（金臘華等，2003；李曉雪等，2012；趙宇明等，2017），這些廢棄物中含有多種重金屬，它們會通過大氣沉降、粉塵飄散、固體廢棄物不合理堆放等途徑進入水體和土壤（楊皓等，2016；曹人升等，2017），影響周邊生態環境并對電廠周邊地區居民和企業員工的人體健康帶來危害（陳耿等，2016；程家麗等，2016）。

中國是產煤大國，亦是燃煤大國。近年來，隨著城市快節奏的發展，煤電一體化進程加快，用電需求量和新建發電廠數量持續上升，電廠向環境排放的有害污染物隨之增多，其中的重金屬危害已引起眾多學者的廣泛關注（?uji? et al.，2016；Chung et al.，2014；司徒高華等，2016）。對燃煤電廠周邊土壤重金屬的研究，主要集中在重金屬含量、賦存形態、空間分布及污染評價等方面，涉及不同地區，如內蒙古（王道涵等，2015）、陜西（劉雯等，2013）、寧夏（付亞寧等，2011）、山西（劉平等，2010）、貴州（范明毅等，2016）、四川（郎春燕等，2011）、安徽（方鳳滿等，2010）、河北（賀弘瀅等，2013）、上海（王曉浩等，2011）、廣東（陳耿等，2016）等地。

寧東鎮位于寧夏回族自治區中東部，距首府銀川市區40 km，是第二批國家新型城鎮化綜合試點地區。坐落于寧東鎮的能源化工基地（以下簡稱“寧東基地”）是中國西部重要的大型能源化工基地，是國家重要的大型煤炭生產基地、“西電東送”火電基地、煤化工產業基地和循環經濟示范區，是寧夏煤、水、土等資源的核心地帶和富聚區。寧東基地不同電廠發電過程中的煤炭燃燒，不僅影響周邊生態環境，更危害企業員工和周邊居民的人體健康。因此，開展不同電廠周邊土壤環境調查評估，對工業用地環境保護具有重要的現實意義。本文針對寧東基地不同燃煤電廠周邊土壤環境，分析重金屬的污染特征，并對其進行污染程度和生態風險評價，旨在為基地及其周邊土壤重金屬污染防治和管理提供基礎數據，進一步為“工業寧東”、“科技寧東”以及“生態寧東”的同步發展提供科學依據。

1 研究區概況

寧東基地及其周邊土壤未開發前為農業用地和沙荒地，隨著園區不斷建設，這些土地逐步被開發為工業用地，其地理位置為 E106°21'39″～106°56'34″，N37°04'48″～38°17'41″（圖 1A）。該區域屬中溫帶干旱氣候，具有典型大陸性氣候特征，冬春季風沙多，干旱少雨，蒸發強烈，日照時間長，晝夜溫差大。年平均氣溫為 6.7～8.8 ℃，年平均降水量255.2 mm，年均蒸發量2682.2 mm，年平均風速 1.8～2.9 m·s-1，有明顯的季節性變化，春季風速最大、冬季次之，常年主導風向為西北風。土壤類型主要為灰鈣土和風沙土，土壤質地以沙壤土為主，少數為緊沙土或輕壤土，土壤pH值為7.5～8.7，有機質質量分數為 1.5～14.7 g·kg-1，陽離子交換量7.4～9.2（寧夏農業勘查設計院，1990；羅成科等，2017）。3個電廠均位于寧東基地核心區內（圖1B），電廠預計總裝機容量達到1600×104kW，所用煤炭主要來自寧東基地各大煤礦。電廠煙塵、SO2和NOx的排放量分別為 48.6～52.8、152.8～234.7 和129.3～148.2 kg·h-1，煙氣通過 210 m高的煙囪排放，是該地區的主要大氣污染源。

2 研究方法

2.1 樣品采集及預處理

據環評資料，寧東基地電廠大氣污染物最大落地濃度約為距廠界 1000～1300 m處，根據當地地形特征，結合當地的風速風向，分別以京能寧東電廠、馬蓮臺電廠和鴛鴦湖電廠煙囪為中心，采用輻射形布點法，設定西北（NW）、東北（NE）、西南（SW）和東南（SE）4個方向，每個方向分別在500、1000、1500和2000 m處各設一個樣點，共布設36個采樣點（圖1B）。針對每個采樣點，按照梅花形布點法，在樣點3 m×3 m范圍內采集5個等容小樣均勻混合，并利用GPS記錄每個樣點的位置。每個樣點采集0～20 cm的表層土壤，混合均勻后，采用四分法留取1 kg土樣裝入聚乙烯塑料袋，帶回實驗室。土壤在室溫下自然風干，去除沙礫和植物殘體等后，用瑪瑙研缽反復研磨至通過100目篩，存于干燥容器中備用。

圖1 研究區地理位置（A）和采樣點分布圖（B）Fig. 1 Location map of the study area (A) and sampling locations (B)

2.2 測定方法

土壤樣品用 HCl-HNO3-HF-HClO4消煮法進行前處理并適當稀釋后，進行5種重金屬含量測定。利用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（美國，PerkinElmer 5300V）測定Cr、Cd和Pb重金屬元素含量，利用原子熒光光譜儀（北京，吉天，AFS-9230）測定Hg和As元素含量，每個樣品平行測定3次，取平均值作為樣品測定最終含量。同時采用國家標準土壤物質[GBW07408(GSS-8)]和平行空白樣進行分析質量控制，各重金屬元素的回收率控制在90%以上。

2.3 土壤重金屬污染評價方法及分級標準

2.3.1 單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數法

采用單因子污染指數法評價土壤中某一種重金屬元素的污染狀況，其計算公式為：

式中，Pi為土壤樣品中重金屬i的環境質量指數；Ci為土壤樣品中重金屬i實測含量；Bi為該重金屬元素的參比值，《展覽會用地土壤環境質量評價標準（暫行）》（HJ350—2007）用于評價場地開發的土壤環境質量，A級標準值（中華人民共和國環境保護部，2007）代表未受污染的水平，因此本文選取該評價標準作為參比值。

內梅羅（Nemerow N L）綜合污染指數法已被廣泛用于評價土壤重金屬元素的綜合污染狀況（劉巍等，2016；羅成科等，2017）。該方法能夠全面反映各種重金屬元素對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬元素對土壤環境質量的影響，其計算公式為：

式中，PN為土壤綜合污染指數；Piave為土壤樣品中各重金屬的環境質量指數平均值；Pimax為土壤樣品中單項重金屬的最大環境質量指數。根據以上兩種評價方法制定土壤重金屬污染分級標準，詳見表1。

2.3.2 潛在生態風險指數法

采用潛在生態風險指數法（Hakanson，1980）對土壤重金屬污染狀況進行風險評價。該方法在綜合考慮土壤重金屬含量、重金屬的生態效應、環境效應以及毒理學因素的基礎上，形成了具有可比的、等價屬性指數的分級方法，其計算公式為：（劉巍等，2016）。

表1 土壤重金屬污染分級標準Table 1 The criteria for classification of soil heavy metals pollution

表2 重金屬潛在生態危害指標與分級關系Table 2 Indices and grades of potential ecological risks of heavy metals

3 結果與討論

3.1 電廠周邊土壤重金屬元素含量特征

寧東基地不同燃煤電廠周邊表層土壤重金屬含量如表 3所示，5種重金屬（Cr、Cd、Pb、As和 Hg）含量的平均值均未超過《國家土壤環境質量標準》（GB15618—1995）二級標準（pH 7.5）和《展覽會用地土壤環境質量評價標準（暫行）》（HJ350—2007）A級標準限值。利用寧夏土壤背景值（中國環境監測總站，1990）對各重金屬含量作進一步分析評價，發現研究區域內 As元素含量的平均值低于背景值，Cr元素含量的平均值與背景值相當，Pb元素含量的平均值略高于背景值，Cd和Hg元素含量的平均值明顯高于背景值，分別是背景值的4.6～5.1和6.0～9.0倍。燃煤電廠周邊表層土壤重金屬元素富集的原因，可能主要來源于電廠自身的廢水、廢渣和煙氣粉塵（范明毅等，2016）、電廠附近煤化工企業排放的廢水、廢渣和煙氣粉塵（張凱等，2017），另外，電廠外圍礦區煤炭開采過程中煤礦粉塵（劉巍等，2016）、交通運輸中原料或固體廢棄物泄漏（厲炯慧等，2014）以及輪胎磨損和汽車尾氣排放（張一修等，2012）等因素也不可忽視。

表3 電廠周邊土壤重金屬質量分數特征Table 3 The content characteristics of heavy metal in soil around different coal-fired power plants mg·kg-1

通常認為，土壤重金屬含量的離散以及受人為活動影響的程度可通過變異系數（CV）來反映，變異系數越大，表明受外界活動干擾越強烈（張連科等，2016）。根據 Wilding（1985）對變異系數的分類，CV＜15%屬于弱變異，15%＜CV＜36%屬于中等變異，36%屬于強變異。由表3可知，不同電廠周邊土壤中，As的變異系數均小于 15%屬于弱變異，Cd和Pb的變異系數均介于15%～36%之間，屬于中等變異；Cr和Hg的變異系數在京能電廠和馬蓮臺電廠中屬于中等變異，而在鴛鴦湖電廠中大于36%，表現為強變異。與已有研究報道（范明毅等，2016；付亞寧等，2011）較為一致的是，本研究結果同樣表明，Cr、Cd、Pb和Hg這4種重金屬含量在不同電廠周邊表層土壤中呈不均勻分布狀態。

3.2 電廠周邊不同風向上土壤重金屬含量分布規律

燃煤電廠周邊不同風向土壤重金屬含量如圖 2所示。由圖可知，Cr、Cd、Pb和As這4種重金屬元素在不同燃煤電廠周邊各風向上的含量變化無明顯規律，這與李曉雪等（2012）的研究結果較為相似，說明主導風向并不是影響4種土壤重金屬元素空間分布的重要因素。本研究中，京能寧東電廠位于臨河工業園區內，馬蓮臺電廠位于寧東鎮中心，且其東側毗鄰煤化工園區，而鴛鴦湖電廠西北距離靈州工業園區較近，3個工業園區內的化石燃料燃燒、金屬冶煉、三廢排放以及交通運輸中的燃料泄露、輪胎磨損和汽車尾氣排放等多方面因素可能是共同造成土壤4種重金屬元素空間分布不規律的原因（張一修等，2012；厲炯慧等，2014；張凱等，2017）。已有研究表明，燃煤電廠是最重要的大氣Hg排放源（王書肖等，2013），電廠周邊土壤汞污染主要來源于電廠燃煤廢氣排放（王道涵等，2015）。本研究中，Hg元素在 3個不同燃煤電廠4個風向上的含量變化趨勢最為明顯，均呈現上風向（西北方向）最小，下風向（東南方向）最大的規律，引起這種空間分布差異的原因可能是Hg元素隨大氣污染物以下風向擴散，最終通過大氣緩慢沉降于電廠東南方向，這與王道涵（2015）等、方鳳滿等（2010）研究不同燃煤電廠周邊土壤中汞的分布特征時所得的結論一致。

3.3 電廠周邊土壤重金屬污染評價

寧東基地不同燃煤電廠周邊土壤 5種重金屬元素的單項污染指數（Pi）的平均值均小于0.7，其中Cd元素的Pi相對較大，其次為As和Cr，Pb和Hg元素的 Pi較小（表 4），統計各重金屬元素不同污染級別樣點數占樣點總數的比例，發現所有樣點中各重金屬元素的Pi等級為清潔（安全）狀態，土壤未受到5種重金屬元素的污染。

圖2 電廠周邊不同風向土壤重金屬質量分數特征Fig. 2 The heavy metal content characteristics of different directions in soil around power plants

表4 電廠周邊土壤重金屬單項污染污染指數和綜合污染指數Table 4 The comprehensive pollution indexes and individual pollution index of heavy metals in soil around different power plants

從表4還可以看出，3個電廠周邊表層土壤中5種重金屬元素的綜合污染指數（PN）均小于0.7，PN為0.45左右，所有樣點PN均呈現清潔（安全）等級，土壤總體表現為無污染狀態。付亞寧等（2010；2011）也利用內梅羅指數法先后對同類地區的大武口電廠和馬蓮臺電廠周圍土壤重金屬進行污染評價，盡管研究的重金屬元素（Cu、Zn、Pb和Cr）和選用的評價標準（國家二級標準）與本研究不同，但所得結論與本研究一致，即寧夏地區電廠周邊土壤尚未受到重金屬污染。盡管目前不同電廠周邊表層土壤總體處于無污染狀態，但研究區域內表層土壤中Pb、Cd和Hg元素含量已超出當地背景值，尤其是Cd和Hg元素存在明顯富集現象，說明電廠周邊表層土壤中的Cd、Pb和Hg仍存在潛在危害性，需加大電廠消煙除塵、脫汞以及臨時堆渣場防塵等措施，搞好電廠周邊綠化降塵等工作。

3.4 電廠周邊土壤重金屬潛在生態風險評價

如表5所示，不同電廠周邊表層土壤重金屬中Cd元素的潛在生態風險系數（）的平均值相對較大，As和Hg元素的 次之，Pb和Cr的 平均值較小，各重金屬元素的大小順序為 Cd＞As＞Hg＞Pb＞Cr。與表2中的分級標準相比，5種重金屬的平均值均小于 40，說明不同電廠周邊表層土壤均表現為輕微風險等級。進一步對各重金屬元素不同潛在生態風險級別樣點數占樣點總數的比例進行統計，發現所有樣點中各重金屬元素的均屬于輕微生態風險水平。對研究區域表層土壤中 5種重金屬元素的綜合潛在生態風險指數（RI）進行統計分析，結果表明3個電廠周邊表層土壤重金屬元素的RI值均在25左右，明顯小于150，所有樣點 RI均處于輕微生態風險，表明研究區域表層土壤重金屬生態風險低。

表5 電廠周邊土壤重金屬潛在生態風險系數和潛在生態風險指數Table 5 The potential ecological risk indexes and potential ecological risk factor of heavy metals in soil around different power plants

4 結論

（1）寧東基地不同燃煤電廠周邊表層土壤中Cr、Cd、Pb、As和Hg含量的平均值均未超過《國家土壤環境質量標準》（GB15618—1995）二級標準（pH＞7.5）和《展覽會用地土壤環境質量評價標準（暫行）》（HJ350—2007）A級標準限值，但Cd和 Hg含量平均值明顯超出寧夏土壤背景值，Pb含量平均值略高于背景值，As含量平均值明顯低于背景值。

（2）在不同燃煤電廠周邊不同風向上，Cr、Cd、Pb和As元素含量變化無明顯規律，而Hg元素含量受主導風向影響呈現西北方向最小，東南方向最大的分布規律。

（3）單項污染指數評價結果表明，研究區域內各重金屬元素的Pi平均值均小于0.7，污染等級為清潔（安全）水平。綜合污染程度評價結果也表明，相比于其他元素，Cd的Pi平均值較大，但PN平均值仍小于 0.7，不同燃煤電廠周邊表層土壤均呈現無污染狀態。

（4）潛在生態風險指數評價結果表明，研究區域內各重金屬元素的平均值均小于 40，生態風險程度為輕微生態風險。綜合潛在生態風險評價結果也表明，相比于其他元素，Cd的平均值相對較大，但RI平均值小于150，不同燃煤電廠周邊表層土壤均存在輕微生態風險。