寶雞市不同功能區土壤重金屬污染特征、來源及風險評價

易文利 ，董奇，楊飛，朱嬋園

1. 寶雞文理學院/陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013；2. 寶雞文理學院地理與環境學院，陜西 寶雞 721013

城市土壤重金屬污染問題已成為國內外環境科學等領域研究的熱點（張慧等，2017；李小平等，2015）。工業發達、交通擁擠、人類活動等因素導致城市土壤重金含量高、種類多，同時重金屬的殘留時間長、不易降解、毒性強、易積累、來源廣，進入土壤環境后易在城市環境介質中發生遷移轉化，進而影響城市環境質量和人體健康（Zhong et al.，2011；徐福銀等，2014；汪權方等，2003）。國外學者關于城市土壤重金屬的研究也取得了豐富的成果（Manta et al.，2002；Manno et al.，2006；Madrid et al.，2002），得出城市重金屬的累積污染程度與城市建設時間、工業化程度有關。國內學者的研究主要集中于大中型城市，如廈門（李方舟等，2017）、西安（陳秀端等，2017）、洛陽（劉亞納等，2016）、哈爾濱（張慧等，2017）、石家莊（崔邢濤等，2016）、銀川（王幼奇等，2016）、開封（李一蒙等，2015）等，而對中西部小城鎮的關注較少。

寶雞市位于陜西省關中西部，是首批國家生態園林城市、也是中國重點建設的老工業基地、河谷型城市。截至 2017年底，寶雞市規模以上工業總產值達 3196.35億元，工業增加值較去年增長26.4%，全市五大支柱產業汽車及零部件增長 1.0倍，能源化工增長29.8%，裝備制造業增長19.8%，鈦及鈦合金產業增長3.3%，民用汽車增長了15.2%。快速城市化進程和經濟發展引起的城市土壤重金屬污染問題日趨嚴重。前人的研究主要集中在街塵、小尺度區域土壤重金屬污染研究（李小平等，2015；王利軍等，2012），而對寶雞市城市不同功能區土壤重金屬污染特征、空間分布、源解析等研究鮮有報道。因此，本研究以寶雞市不同功能區土壤為研究對象，評價土壤重金屬含量、空間分布特征、污染來源解析、潛在生態風險，以期為河谷型城市土壤重金屬污染防治與管理等方面的研究提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與前處理

為盡量客觀地反映出寶雞市城市布局的空間分布特征，保證采樣點布設的科學性與代表性，在結合前期現場的實際調查情況的基礎下，于 2017年3—5月，依據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166—2004）（國家環境保護局，2005）進行采樣布點。以寶雞交通干線為主軸，東西向每隔 1500 m，南北向每隔500 m共采集交通樣品114個；采集寶雞市老工業區（姜譚工業區）樣品 26個；高新工業區（高新技術開發區西部企業為主）采集土壤樣品14個；商業區（經二路與經一路附近商業點為基礎）采集土壤樣品16個；居民區采集土壤樣品30個。采樣點如圖 1所示。其中每個點樣品均按照“S”形采集3～5個子樣點表層土壤（采樣深度0～20 cm）現場混合后裝入聚乙烯自封袋密封保存。土樣于室內自然風干，適時翻動取出植物殘體及碎石等雜物，四分法取樣，研磨使其全部過0.149 mm尼龍篩，裝袋備用。

1.2 樣品測定

稱取土壤樣品0.5000 g，采用HNO3-HCl-HFHClO4四酸消解法，利用 Deena Ⅱ全自動消解儀（Thomas Cain，美國）進行樣品消解，消解后樣品用超純水定容至50 mL。參考《固體廢物 重金屬元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》（HJ766—2015），采用Nexion 350電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS（珀金埃爾默 PerkinElmer，美國）對土壤樣品中的Cr、Mn、Cd、Ni、Pb、Cu和Zn 7種重金屬進行測定。實驗所用試劑均為優級純。在測定過程中，為保證數據的準確性，每個樣品進行2次平行試驗，每測試 20個樣品后用重金屬標準溶液進行標準曲線的校正，并做空白對照，兩個平行樣的相對偏差小于 5%。實驗所用試劑均為優級純，水為超純水。

1.3 重金屬污染評價方法

1.3.1 污染負荷指數法

污染負荷指數法是單因子污染指數和污染負荷指數相結合的方法，既反映單個因子的污染狀況，又反映全部污染因子的總體水平（張文娟等，2017；Suresh et al.，2012）。

式中，Ci為重金屬i的實測值（mg·kg-1）；C0為重金屬i的參比值（mg·kg-1），選擇陜西省A層土壤重金屬元素的背景值（國家環境保護局，1990）；n為評價重金屬的個數；CFi為重金屬i的污染指數；PLI為某點重金屬綜合因子污染負荷指數。其分級標準見表1。

表1 重金屬污染負荷指數分級標準Table 1 Criteria for classification of soil heavy metal pollution

1.3.2 潛在生態風險評價法

潛在生態風險指數法（Hakanson，1980）綜合考慮了重金屬的含量、毒性、多種污染物的綜合生態效應以及重金屬背景值的差異等因素。其計算公式如下：

（吳勁楠等，2018；熊秋林等，2017）

圖1 寶雞市土壤樣品采樣點分布圖Fig. 1 Sketch map for sampling positions in Baoji City

式中，Ci為第i種元素的污染系數；Ei是第ifin

種重金屬元素的潛在生態風險程度；Tn為毒性系數（Yi et al.，2011），7種重金屬元素毒性系數分別為：Cu=Pb=Ni=5，Cr=2，Zn=Mn=1，Cd=30；Ci為第 i種元素實測值（mg·kg-1）；C0為第i種元素背景值（mg·kg-1）；RI為重金屬綜合潛在生態風險指數。其分級標準見表2。

表2 重金屬潛在生態風險指數分級標準Table 2 Classification criteria of soil heavy metal potential ecological risk index

1.4 數據分析

采用統計軟件SPSS 22.0對土壤樣品中重金屬質量分數進行描述性統計分析、Pearson相關性分析及主成分分析，并采用ArcGIS 10.0軟件的地統計分析模塊運用普通克里格插值法對寶雞市城市土壤重金屬元素進行空間特征分析。

2 結果與討論

2.1 寶雞市土壤重金屬含量分析

由表3可知，寶雞市城市土壤重金屬Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb質量分數變化范圍分別為44.24～241.72、 449.96～2621.30、 28.68～207.59、21.38～184.65、59.30～1238.13、0.24～3.45、19.14～237.5 mg·kg-1，對應的平均質量分數分別為93.63、1097.19、58.23、59.22、311.20、0.76、50.86 mg·kg-1，是陜西省土壤背景值1.50、1.97、2.02、2.77、4.48、8.04、2.38倍。7種重金屬元素樣點的超標率均高于90%，說明研究區的土壤已經受到了普遍污染，以Cd超標為最大，超標率達到100%，Cd積累最為明顯。重金屬Ni、Cu、Cd、Pb的平均質量分數均未超出建設用地土壤風險篩選值的標準（生態環境部，2018）。

變異系數能夠反映不同采樣點之間的平均變異程度（范明毅等，2016），同時也可以反映該元素受人為因素的影響程度。變異系數越小，表明該重金屬以本地自然背景含量為主；變異系數越大，則表明其分布受人為因素影響程度較大（戴彬等，2015）。由表3可知，7種重金屬的變異系數大小為 Zn＞Cd＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni＞Mn。Cu、Zn、Cd、Pb 變異系數達到高度變異水平（36%以上），重金屬含量空間分布不均勻，受人為活動的干擾大（郭彥海，2017）。Mn的變異系數較小，小于30%，屬于中等變異，各采樣點Mn的含量比較集中，在研究區的空間分異性相對其他幾種重金屬不顯著（田華等，2018）。

2.2 寶雞市城市土壤重金屬含量空間分布

利用ArcGIS地統計學直方圖對數據進行檢驗，各種重金屬數據均符合對數正態分布，對寶雞市城市土壤重金屬含量進行空間插值，繪制寶雞市城市土壤重金屬空間分布圖（圖 2）。研究區城市土壤重金屬Cu、Zn、Cd、Pb的空間分布趨勢具有高度一致性，高值區均主要分布于火車站、高鐵站與老工業區附近，說明Cu、Zn、Cd、Pb極大可能存在同一污染源，可能受交通和工業污染影響較大。Cr高值區主要位于商業密集區和人口居民活動密集區，這些地區居民活動集中，商鋪林立，私人小煤爐、小作坊、小門市集中分布，生活廢棄物排放量高可能是造成Cr污染的主要原因。Mn與Ni的高值區分布與其他幾種重金屬相比以呈不規則斑塊狀分散分布為主，但高值基本分布是以老工業區、商業密集區和火車站店和汽車站點為主。

從整體上看，寶雞市城市土壤重金屬含量分布高值區均主要位于城市西南部、西北部與東北部，低值區則主要位于城市東南部。城市西南部采樣點主要位于老工業區附近，區內鋼管廠、氮肥廠、石油機械廠等企業單位較多（劉立常，2013），發展時間較長，污染累積嚴重。這與李小平等（2015）的研究結果一致。西北部主要屬于寶雞市老城區與寶雞市商業活動比較頻繁的地域，采樣點主要集中在開源大廈、華康大廈、火車站、汽車站、華通商廈、老工業品市場等區域附近。由于較大的人流與車流量、復雜的商業活動、居民活動、餐飲活動等，產生了大量生活污染與交通污染，從而使得該區重金屬污染比較嚴重；東北部采樣點主要分布在陳倉區的虢鎮、建材市場、陜西北方動力運輸公路等附近，歷史悠久，屬于寶雞市的老區；而東南部主要分布在高新技術開發區內，區內企業為以寶鈦集團、陜汽集團等新材料、新能源研發利用為主的企業，且該區內大部分企業的建設時間較短，均處在起步發展階段，且部分工廠周圍配套設施不夠完善，對周圍環境影響時間較短，故使得該區與其他區域相比污染較輕。

表3 研究區表層土壤重金屬描述性結果Table 3 Descriptive statistics of the heavy metals in surface soils of the study area

圖2 寶雞市城市土壤重金屬空間分布Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in surface soils of Baoji City

2.3 寶雞市不同功能區土壤重金屬污染負荷危害評價

寶雞市土壤各個重金屬平均 CF值大小順序為：Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Ni＞Mn＞Cr。Cd 和 Zn 屬于重度污染，Cu、Pb為中度污染，Ni、Mn和Cr為輕度污染。同時由表4可知，各功能區以Cd的重金屬污染指數最大，達到了重度污染。這與Cd的毒性系數相對較大且各功能區Cd的污染富集程度高度一致。其次是 Zn，除高新工業區外，其余功能區Zn達到重度污染。各功能區綜合污染負荷指數PLI值大小順序為：老工業區＞商業區＞交通區＞居住區＞高新工業區。老工業區和商業區達到重度污染，其余功能區為輕度污染。而寶雞市城市土壤7種重金屬綜合污染負荷指數PLI的平均值為2.71，屬于中度污染。Cd是寶雞市城市土壤重金屬污染的最主要因子。

表4 寶雞市不同功能區污染級負荷指數Table 4 The pollution load index in different land use areas of Baoji City

2.4 寶雞市不同功能區土壤重金屬潛在生態危害評價

綜合圖2～圖3可知，寶雞市城市土壤重金屬空間分布及潛在生態風險空間分布圖趨勢大致相同，基本為城市西部明顯高于城市東部，渭河北岸明顯高于渭河南岸，老城區、老工業區明顯高于新城區、新開發區。生態風險最高值出現在老工業區、寶雞站附近，污染系數在656.42以上，屬于很強生態危害級別；最低值主要出現在高新技術開發區附近，污染系數在280.08以下，處于輕度生態危害與中度生態危害之間。根據劉立常（2013）對寶雞空間結構演變的研究可知，早期的寶雞市城市用地主要集中在渭河和金陵河交叉地帶并沿渭河北岸分布，商業發展在經二路形成了“十字形”的城市商業與行政中心，工業區主要在清姜片區，《寶雞市城市總體規劃（2008—2020）》提出了“東擴南移北上”的城市發展格局。這說明了寶雞市城市土壤重金屬污染的空間分布變化特征與寶雞市城市布局結構演變趨勢有關。

表5 寶雞市不同功能區潛在生態風險評價Table 5 Levels of heavy metals of potential ecological risk in different functional areas of Baoji City

圖3 寶雞市城市土壤重金屬潛在生態風險空間分布Fig. 3 Spatial distribution of the heavy metals potential ecological risk index in surface soils of Baoji City

2.5 寶雞市城市土壤重金屬源解析

Pearson相關分析結果表明（表6），寶雞市城市土壤 7種重金屬因子之間存在顯著的兩兩相關性，除Cr和Cd在0.05水平上顯著相關外，其余金屬元素均在0.01水平上顯著相關，表明這些重金屬具有同源性。

利用 KMO（Zong et al.，2016）與 Bartlett（Ma et al.，2016）法對數據進行效度與球度檢驗，可知KMO檢驗值為0.81，Bartlett檢驗P值為0.00，說明研究數據充分滿足因子分析的條件。根據特征值大于1的原則，選取2個主成分對各變量的貢獻分別為 36.57%和 34.17%，累計貢獻率為70.74%（表7）。

表6 寶雞市城市土壤重金屬相關分析Table 6 Correlation analysis in surface soils of Baoji City

第一主成分包括Cu、Zn、Cd和Pb，貢獻率為36.57%。根據相關性分析可知，這4種重金屬元素兩兩相關，具有同源性。結合上述描述性統計分析可知，這些重金屬平均質量分數均高于本地區土壤背景值，表明其主要受人為污染源影響。再由圖2可知，這4種重金屬元素的空間分布特征相近，主要分布于火車站、高鐵站與老工業區附近，電子制造、汽車尾氣的排放、輪胎磨損或燃料泄露等會產生Cu、Zn、Cd和Pb等重金屬污染（郭彥海等，2017；崔邢濤等，2016；李一蒙等，2015；陳秀端等，2017），從而造成重金屬在周邊土壤中的累積，因而可判斷主成分 1主要受工業生產活動、交通運輸等人為活動影響。

表7 寶雞市城市土壤重金屬相主成分分析Table 7 Principal components analysis in surface soils of Baoji City

第二主成分Cr、Mn、Ni，貢獻率為34.17%。Mn通常作為土壤自然源標識元素（Bentum et al.，2011），其受外界干擾影響較小，主要受成土過程和土壤流失影響。Ni是我國城市土壤污染程度最低的重金屬之一（Sun et al.，2013；郭彥海等，2017)。結合表3和表4分析可知，這3種元素重金屬為輕度污染，變異系數為中等變異，受人類活動影響較小，可認為主成分2主要來源于成土母質。

3 結論

（1）寶雞市城市土壤重金屬Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb平均質量分數均高于陜西省土壤背景值，為背景值的1.5～8.04倍。其中，Cd污染最嚴重。

（2）寶雞市各功能區重金屬的污染特征表現為老工業區＞商業區＞交通區＞居住區＞高新工業區，其中老工業區和商業區表層土壤重金屬污染最嚴重，達到強生態風險水平。

（3）7種重金屬的平均潛在生態風險程度大小順序為：Cd＞Cu＞Pb＞Ni＞Zn＞Cr＞Mn，綜合生態風險RI為286.58，為中等生態風險水平。其中，Cd對研究區 RI貢獻率最大，應引起重視。空間分布特征表明，城市西部重金屬污染高于城市東部，渭河北岸高于南岸，老城區、老工業區高于新城區、新開發區。

（4）主成分源解析表明，Cu、Zn、Pb和Cd主要來源于工業生產、交通運輸、燃煤排放等人為活動影響；Cr、Ni和Mn主要受成土母質影響。