陶瓷生產基地周邊地區土壤重金屬潛在生態環境風險評價

劉淑娟,何潤華,黃梓鈴,黃梓煌,曾煜民,王 悅

1.佛山科學技術學院 環境與化學工程學院,廣東 佛山 528000

2.廣東省西江北江流域生態文明建設與可持續發展中心,廣東 佛山 528000

土壤是各種污染物的匯聚地，相關研究發現全球大部分污染物最終都滯留在土壤中[1]，土壤重金屬污染已是當今研究的熱點。重金屬對土壤的理化性質會產生明顯的影響，且導致養分吸收水平降低，干擾到土壤微生物狀態平衡。同時又通過大氣沉降、工農業生產、固體廢棄物排放和交通運輸等途徑危害區域生態安全，從而進一步危害區域內的人體健康，具有潛在的環境風險。陶瓷產業對佛山經濟增長有著重要的支柱作用。近些年來，佛山市積極推進產業結構調整。傳統的陶瓷生產廠區——石灣、南莊等地眾多陶瓷企業逐漸外遷，其中部分生產基地遷至佛山市三水區。隨著陶瓷生產企業的遷入，三水區存在著發生土壤重金屬污染的風險。但目前此方面的研究還很薄弱，鑒于此本研究對三水區部分陶瓷廠定點取樣并對土壤樣本進行重金屬元素檢測分析，在獲取分析數據的基礎上，進行了土壤環境質量的評價，為該領域的土壤環境質量保護及生態環境治理提供理論依據。

1 樣品采集與研究方法

1.1 樣品采集和處理

采樣點主要集中在佛山市三水區中部，按照隨機取點、多點采樣的方法，共取樣20 份。其中19 個為廠區附近樣品，1 個為空白對照樣品。19 個樣品分別來自三水華納、陶揚、樂平和力馬四個廠區，采集深度為0～20 cm，每個樣點取樣1 kg 裝袋帶回，以采樣點中心位置為坐標原點進行GPS記錄。對所得樣品放在通風、干燥處，自然風干，再挑除較明顯的根須及碎小石礫后，按一定比例棄取250 g，磨碎，裝袋備用。

土壤重金屬的測定，按照國際上測定重金屬的方法先對土壤樣品進行消解，消解后再來測定土壤中的Cd、Cr、Pb、Ni 和As 含量，采用火焰原子吸收分光度法（HJ491-2009）及（GB/T17139-1997）分別測定Ni 和Cr 元素的含量水平，采用石墨爐原子吸收光譜法對Pb 和Cd 含量進行測定，采用原子熒光法（GB/T22105.2-2008）測定As 元素含量水平。

1.2 分析方法

潛在生態危害指數法是20 世紀八十年代Hakanson 提出，在應用了沉積學原理分析重金屬污染方面有較高的應用價值[2]。該方法在研究過程中綜合了重金屬的生態效應、環境效應，在此基礎上進行分級評價，涉及到的影響因素很多，主要包括毒性水平、污染濃度等因素。在分析過程中，對某區域的生態風險評價時，主要是通過單一重金屬和沉積物多種重金屬的潛在生態風險指數RI來綜合評價分析，公式如下：

式中：Pi為單個元素的污染系數，為重金屬元素的實測含量，為該元素的評價標準即其背景值，為毒性響應系數（表1）。

表1 廣東地區重金屬背景值及毒性系數[3]Table 1 Background value and toxicity coefficient of heavy metals in Guangdong province

表2 潛在生態風險系數（Ei）和潛在生態風險指數（RI）分級標準Table 2 Potential ecological risk coefficient(Ei)and potential ecological risk index(RI)classification standard

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量分布特征及分析

研究區5 種土壤重金屬元素含量范圍分別為：Cd 0.008～0.526 mg·kg-1、Cr 42.5～252 mg·kg-1、Pb 14～80.2 mg·kg-1、Ni 5.94～57.4 mg·kg-1、As 1.81～37.6 mg·kg-1（表3）。20 個土壤樣品中重金屬平均含量均明顯高于當地的環境背景值，且在國家土壤二級標準范圍內。5 種重金屬的變異系數均超過0.5，屬中等變異水平。以此推測重金屬空間分布差異明顯，可能由點源污染導致。

表3 研究區土壤重金屬含量狀況Table 3 Soil heavy metal content in the studied area

2.2 土壤重金屬潛在生態風險評價——潛在生態危害指數法

通過潛在生態危害指數法分析采樣區各樣點土壤污染，4 種重金屬元素的潛在生態風險系數平均值系數不超過40，從等級看為輕度生態危害，Cd 為175.68，屬很強程度生態危害。綜合來看采樣區域內Cd 污染比較嚴重，潛在生態危害范圍廣、程度深，是造成采樣區域內土壤重金屬污染嚴重的主要原因（表4）。從表中可知5 種重金屬元素潛在生態危害風險由強至弱依次為：Cd>As>Ni>Pb>Cr。運用潛在生態風險指數分級頻率分布情況對潛在生態危害風險進行分級（表5）。由表可見，重金屬Cr、Pb 和Ni 元素的潛在生態風險系數不超過40，均屬輕度；As 元素屬中等，因而這幾種金屬沒有顯著影響到目標區的土壤生態情況，其危害也并不明顯；而Cd 元素的75%屬中等危害，而其中極強生態危害的比例達到30%，表明采樣區土壤Cd 污染已相當嚴重。從表中可知，總體上看相應的生態風險指數均值為228.45，屬中等，且其中輕度的比例為40%，中等為30%，強度為30%。

表4 潛在生態風險指數評價結果（Ei）Table 4 Evaluation results of potential ecological risk index

表5 潛在生態風險指數分級頻率分布表/%（RI）Table 5 Potential ecological risk index rating frequency distribution

3 結論與討論

近年來，佛山市土壤重金屬污染問題已受到學者們的關注。陳豐順在對佛山市部分郊區農業土壤重金屬的調查研究中發現，Cd、Cr、Pb、Ni 及As 等5 種重金屬元素含量均超過廣東省及部分超過全國土壤環境背景值含量[4]。關共湊等[5]及王凱等[6]在對佛山市城郊菜地采集土壤樣品進行檢測發現，全市土壤整體受到輕度重金屬污染，Cd 最嚴重，可見佛山市區域內已出現了重金屬累積的現象，并且具有強變異水平的特點，說明很可能是因為工廠點源污染的存在。在本研究區內5 種重金屬的變異系數均存在較大的差異（變異系數均大于0.5），表明土壤中重金屬含量分布空間不均，存在著局部點污染的情況。其原因很可能與其周邊的陶瓷廠等工廠不合理排廢有著密切關系。

從評價結果我們可以看出，Cd 元素是采樣區土壤環境重金屬污染的主要源頭。一定程度上表明該區域內陶瓷廠等相關廠家的生產均對該區域土壤重金屬的污染及潛在生態危害有著顯著影響。且從研究中發現該地的土壤重金屬污染的狀況已比較嚴峻，應及時采取必要的防范及整治措施，從污染源頭、創新生產技術及生產環節、妥善處理三廢等途徑去有效調控及改善土壤的重金屬污染現狀。