河北省某市工業用地土壤重金屬污染現狀及風險評估

摘 要：采集研究區表層土壤、深層土壤樣品共232個，分析樣品中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni含量，運用地累積指數（Igeo）、潛在生態風險指數（Eri 和RI）對土壤重金屬進行生態風險評價。結果顯示：土壤樣品中6種重金屬的平均值均低于國家建設用地土壤污染風險篩選值；表層土壤中Cd、Cu、Pb、Hg及深層土壤中Cu、Hg的平均值均高于河北平原區土壤背景值。富集程度分析顯示，土壤中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集為主，受人為活動影響較大。相關性分析顯示，表層土壤除了Hg元素外，其他元素間均呈現顯著正相關，表層—深層土壤中除Cd外，其他元素間均呈現顯著正相關，表層土壤存在復合污染。地累積指數Igeo顯示，研究區整體處于無污染和輕度污染。土壤重金屬生態風險顯示，Hg在表層和深層土壤中的Eri平均值分別為118.13（強生態風險）和61.08（中等生態風險）；重金屬RI平均值在表層和深層土壤中分別為190.57（中等生態風險）和113.70（輕微生態風險）。研究區土壤Hg的污染和風險水平較高，今后應加強對重金屬Hg的監管。

關鍵詞：工業用地；重金屬；污染現狀；風險評估

Status and risk assessment of heavy metals pollution in industrial land in a City of Hebei Province

SONG Wei

（Environmental Geological Survey Institute of Hebei Coalfield Geological Bureau， Shijiazhuang 050091， Hebei， China）

Abstract： Contents of heavy metals （As， Cd， Cu， Pb， Hg， Ni） were detected from 232 top soil samples and deep samples and the geoaccumulation index and potential ecological risk index were selected to assess the environmental risk of heavy metals in the soil. The results show that the average contents of the 6 heavy metals are lower than the screening values of soil pollution risk in the construction land. The average values of Cd， Cu， Pb， Hg in the top soil and Cu， Hg in the deep soil were higher than their background values in the soil of the Hebei Plain. The analysis of soil enrichment degree shows that the content ratio of Cd and Hg in top soil to those in deep soil in the study area is >2.0， which are mainly enriched and greatly affected by human activities. Analysis shows that there is a strong correlation between other heavy metals in the top soil except Hg， and there is a strong correlation between other heavy metals except Cd in the top and deep soil. Compound pollution exists in the surface soil. The geoaccumulation index shows that the study area is in general pollution-free or lightly polluted. Ecological risk assessment reveals the average Eri of Hg is 118.13 in the top soil and 61.08 in the deep soil， belonging to the strong and middle ecological risk level. The average RI of soil heavy metals is 190.57 in the top soil and 113.70 in the deep soil， belonging to the middle and minor ecological risk level. The pollution level and risk level of Hg in the soil of the study area are higher than that of other heavy metals. It is suggested that supervision of heavy metal Hg should be strengthened in the future.

Keywords： industrial soils; heavy metals; pollution level; risk evaluation

土壤是一種重要的自然資源，土壤環境的質量關系到人體健康、生態環境的安全（王蕊等，2017）。隨著經濟的發展，工業廢氣、違法排污、化肥和農藥的施用、生活垃圾、礦產資源的開采及排放等產生的有毒有害物質（駱永明等，2018；莊國泰，2015）不斷進入到土壤中，造成了土壤污染。根據《全國土壤污染狀況調查公報》（2014年發布），土壤污染物中以重金屬污染為主。由于重金屬進入土壤后易對土壤生物產生毒性，且不能為微生物所分解，易于積累，修復難度大，從而危害環境生態系統，同時重金屬可通過不同途徑進入食物鏈，最終影響人們的身體健康（孫清斌等，2013；Mao et al.，2019）。目前，對于土壤中重金屬污染及風險評估的研究已有報道，其中：姚紅勝等（2022）運用3種指數法評估了滇東喀斯特鎘砷高背景值區耕地土壤中的重金屬污染狀況，結果表明該區土壤重金屬As、Cd、Cr、Pb超標較嚴重，評價方法顯示Cd、As污染較嚴重；余飛等（2022）分析了重慶汞礦區耕地土壤中8 種重金屬的含量，結果表明8種重金屬的平均含量均高于重慶市的土壤背景值，以Hg的含量最高，且Igeo結果顯示，以Hg作為研究區土壤的主要危害元素，RI結果顯示，研究區的重金屬以強風險（占比33.7%）和很強風險（占比50.5%）為主；趙君等（2022）分析了典型煤礦周邊土壤中的6種重金屬含量并進行了生態風險評估，重金屬Zn、Cu、Cr的含量相對較高，重金屬Cd的風險性較強。大量的研究成果顯示我國土壤重金屬污染狀況較為嚴重。

城市是一個地區的經濟發展中心，對周邊區域具有強大的影響力，隨著城市化進程的加快，大批工業企業的搬遷改造，遺留下的工業場地及企業運營過程中可能排放的有毒物質，進一步加重了土壤中重金屬的污染程度，重金屬在土壤中的沉淀積累，對工業場地周邊的生態環境安全造成嚴重威脅。目前對于土壤中重金屬的污染研究多以耕地（黎健萍等，2022；鮑麗然等，2020）、林地（葉俊等，2020）、化工廠和礦區等污染場地（叢鑫等，2017；任文會等，2017；胡昱欣等，2021）為主，對于城市中工業用地的報道相對較少。本文研究選取河北省某市的工業場地，以6種常見的土壤重金屬含量為基礎，分析土壤中重金屬的分布特征，利用地累積指數和潛在生態風險指數對重金屬的污染狀況進行評估，為今后市區內工業用地土壤的安全利用和修復提供依據。

1? 材料與方法

1.1? 樣品采集與測定

根據市中心城區工業用地范圍內的企業位置布設土壤采樣點（圖1），布設密度為每個企業布設1個點，另加2個點為背景值參考點。每個點取2個樣品，分別采集表層土壤樣品116個（采樣深度0～0.2 m）和深層土壤樣品116個（采樣深度1.5 m），測試項目包括砷（As）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鎳（Ni）。

土壤樣品的分析測試委托河北省煤田地質局新能源地質隊能源礦產檢測中心完成，土壤樣品采集時盡量減少土壤擾動，保證樣品在采集過程中不被二次污染，并填寫土壤樣品采集記錄卡，嚴格按照檢測中心要求進行土壤采集。

1.2? 土壤重金屬的富集程度

根據表層土壤重金屬含量與深層土壤重金屬含量的比值可以判斷表層土壤重金屬的富集程度（張明等，2012），計算公式如下：

k表深比=Ci表 /Ci深 （1）

式中，Ci表為表層土壤重金屬i的實測值（mg?kg-1），Ci深為深層土壤重金屬i的實測值（mg?kg-1）。按k表深比值劃分富集程度級別（邢潤華等，2022），k表深比≤0.5時，為貧乏；0.52.0時，為富集。

1.3? 地累積指數法

地累積指數法是判別土壤中重金屬污染程度的一種常用的定量方法，由德國漢德堡大學Muller提出（肖文勝等，2008），其綜合考慮了人為污染和自然背景的共同影響。計算公式（Gans et al.，2005；白江偉等，2023）如下：

Igeo=log2（Ci /kBi） （2）

式中：Igeo為重金屬的地累積指數；Ci為重金屬i的實測值（mg?kg-1）；k為變動系數，此處取值1.5；Bi為重金屬i的環境背景值，本研究采用河北平原區土壤背景值為參考值。按Igeo將重金屬污染劃分為7個等級（鄭飛等，2022），見表1。

1.4? 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法是結合重金屬含量、多元素協同作用、毒性響應系數等因素來評價重金屬潛在生態風險，也是評價土壤重金屬污染狀況的常用方法之一。計算公式（El-Fawal et al.，1999）如下：

式中：RI和Eri分別為多種重金屬和單一重金屬i的潛在生態風險指數；Tri為重金屬i的污染系數（As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni分別為10、30、5、5、40、5）（徐爭啟等，2008）；Ci為重金屬i的實測值（mg?kg-1）；Bi為重金屬i的參比值，本研究采用河北平原區土壤背景值為參比值。按RI和Eri將重金屬強制生態風險劃分為不同等級，見表2。

2? 結果與討論

2.1? 土壤重金屬元素特征

研究區土壤重金屬的含量如表3所示。重金屬As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni在表層土壤中的平均值為8.61、0.16、32.96、26.08、0.05、24.39 mg?kg-1，在深層土壤中的平均值為8.32、0.11、24.59、18.43、0.03、21.65 mg?kg-1。與土壤背景值相比，表層土壤中除了As和Ni的平均值低于土壤背景值外，Cd、Cu、Pb、Hg的平均值均超過了背景值，分別是背景值的1.45倍、1.54 倍、1.32倍、2.94倍，且As有2個樣點含量高于GB 36600－2018土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）中一類用地的篩選值，分別為32 mg?kg-1、35.2 mg?kg-1，其他重金屬各樣點含量均低于一類建設用地篩選值，若以后該地塊以建設第一類用地規劃所需的話，需要對As進行進一步的詳查工作；深層土壤中只有Cu和Hg的平均值超過了背景值，各樣點中所有重金屬的含量均低于一類用地的篩選值，且各元素平均含量均低于表層土壤元素平均含量。

雖然研究區重金屬的平均含量均低于國家建設用地中的篩選值，目前對人體健康的風險可以忽略，但由于篩選值是造成風險的土壤臨界值，一般較高，且表層區Cd、Cu、Pb、Hg及深層區Cu、Hg的平均值含量高于元素背景值，說明研究區內土壤重金屬已積累到一定程度，有必要對重金屬的污染程度及潛在的生態風險進行評估。

變異系數代表重金屬在土壤中的變異程度，變異系數越大，重金屬的空間分布差異就越大。由表3可知，研究區表層土壤和深層土壤中重金屬元素的變異系數分別為41.42%～212.12%和22.98%～350.97%，表層土壤中6種元素的變異系數均大于36%，屬于高度變異（郭志娟等，2020），說明表層土壤中6種重金屬含量受人類活動影響較大（Ji et al.，2021）；深層土壤中Cd、Cu、Hg元素的變異系數大于36%，As、Pb、Ni的變異系數較小，說明Cd、Cu、Hg含量受到表層土壤中人為因素影響，發生遷移，在深層土壤中形成元素的累積，而深層土壤中As、Pb、Ni的含量更易受自然源的影響較大，這與前人（Zhang et al.，2005；Xiao et al.，2014；Tang et al.，2018）的研究結論相同。

研究區內表層土壤中，重金屬As的高值區主要分布在東北方向，結合高值區周邊有化工、石油、橡膠等工業區，長期工業活動會使周邊土壤中重金屬產生累積，可初步判斷As的高值區重金屬來源于工業源；Cd、Cu、Pb、Ni的高值區分布趨勢大體一致，分布較廣，東北方向分布較集中，說明這4種重金屬高值區污染的來源可能相同，結合4種重金屬的變異系數均較高，初步判斷這4種重金屬在高值區的污染多來源于工業疊加和人為活動；Hg的高值區與其余5種重金屬的空間分布差異較大，主要分布在研究區的中部，交通位置便利，且高值區周邊化工等工業區較少，考慮Hg高值區的污染來源主要與交通源有關。

2.2? 土壤重金屬元素富集程度分析

表層土壤樣品與深層土壤樣品相比，易受工業活動、農業活動等人為因素的影響，造成表層土壤中重金屬的含量整體高于深層土壤樣品。表層土壤重金屬含量與深層土壤重金屬含量的比值（k表深比）越大，代表表層土壤重金屬含量受人為因素的影響越大。表4顯示，研究區As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的k表深比的平均值分別為1.09、2.12、1.90、1.43、2.80、1.15，其中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集為主。從各元素在不同富集程度的占比情況來看，Cd和Hg的k表深比值達到富集的樣點數量分別為36和59個，占比相對較大，受人為活動影響較大。

2.3? 土壤重金屬的相關性分析

研究區土壤重金屬的相關性分析（表5）顯示，表層土壤中除了Hg元素外，其他元素間均呈現顯著正相關，其中Cu與Pb、Ni之間，Cd與Pb之間的相關系數都超過了0.8，存在極強相關性，說明表層土壤存在重金屬的復合性污染，來源相似且相對復雜；深層土壤中As與Ni的相關系數大于0.8，存在極強相關性，且As和Ni在表層土壤和深層土壤中平均含量差異不大，且均低于背景值，考慮主要與自然源有關；表層、深層土壤重金屬的相關性分析顯示，除Cd外，As、Cu、Pb、Hg、Ni間均呈現顯著正相關，說明表層土壤中這5種重金屬的來源均與自然源有關，結合土壤重金屬的含量及空間分布、富集程度分析和相關性分析結果，表層土壤As、Ni的主要來源與自然源有關，高值區主要與工業源有關，Cd的主要來源與工業源有關，Cu、Pb的主要來源與自然源、工業源有關，Hg的主要來源與自然源、交通源等人為因素有關。

2.4? 土壤重金屬污染程度評價

研究區土壤重金屬Igeo平均值（表6）顯示，表層土壤和深層土壤中重金屬Igeo平均值從高到低依次分別為Hg>Pb>Cd>Cu>As>Ni和Hg>Pb>As>Cd>Cu、Ni，其中，Hg在表層土壤中Igeo平均值為0.39，在0～1之間，整體表現為輕度污染，其余重金屬Igeo平均值均小于0，整體表現為無污染。從單元素的污染程度來看，表層土壤中6種重金屬均有偏中度污染及以上的樣點，占比分別為1.72%（As）、3.45%（Cd）、4.31%（Cu）、2.59%（Pb）、25.86%（Hg）、0.86%（Ni），存在復合污染情況；深層土壤中Cd、Cu、Hg存在偏中度及以上的樣點，占比分別為3.45%（Cd）、1.72%（Cu）、9.48%（Hg），和表層土壤相比，深層土壤中重金屬整體污染程度較輕。整體來看研究區土壤以Hg的污染程度較高。

2.5? 土壤重金屬潛在生態風險評價

研究區土壤重金屬生態風險評價結果見表7。表層土壤和深層土壤重金屬Eri平均值從高到低均為Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni，其中：Hg在表層和深層土壤中的Eri平均值分別為118.13（風險等級：強）和61.08（風險等級：中等），處于中等風險以上的樣點占比分別為81.03%（表層）和46.55%（深層）；Cd在表層土壤中的Eri平均值為44.94（風險等級：中等），處于中等風險以上的樣點占28.45%；其余重金屬在表層和深層土壤中的Eri平均值均小于40，表現為輕微生態風險。土壤重金屬RI值顯示，重金屬RI平均值在表層和深層土壤中分別為190.57（風險等級：中等）和113.70（風險等級：輕微），中等風險以上的樣點占比分別為41.38%（表層）和14.66%（深層）。

地累積指數Igeo和潛在生態風險指數Eri、RI表明，研究區土壤Hg的污染和風險水平較高，Hg的普遍污染是造成研究區中等以上污染的主要原因。造成Hg普遍污染的原因主要與2方面因素有關，一方面與Hg在土壤中的累積程度有關，市區的土地利用類型分類較多，環境背景較復雜，區內重金屬易受多種因素影響，導致重金屬的來源復雜，從而造成重金屬的累積，污染環境；另一方面Hg的污染還與土壤背景值有關，相比其他重金屬，Hg的背景值較低，得出的Eri值就較大。另外，Hg的毒性系數較高，受地質自然因素和人為因素影響使土壤中Hg已有一定程度的累積，潛在生態風險較大，因此要加強對Hg的監管，降低Hg的生態風險水平。

3? 結論

1）研究區表層土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均值分別為8.61、0.16、32.96、26.08、0.05、24.39 mg?kg-1，均低于國家建設用地土壤污染風險篩選值，除了As和Ni外，其余重金屬元素的平均值均高于土壤背景值；深層土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的平均值分別為8.32、0.11、24.59、18.43、0.03、21.65 mg?kg-1，均低于表層土壤對應元素的平均值，均低于風險篩選值，且只有Cu和Hg的平均值超過了土壤背景值。

2）富集程度分析顯示，研究區土壤中As、Cd、Cu、Pb、Hg、Ni的k表深比的平均值分別為1.09、2.12、1.90、1.43、2.80、1.15，其中Cd和Hg的k表深比>2.0，以富集為主，受人為活動影響較大。

3）相關性分析顯示，表層土壤中Cu與Pb、Ni之間，Cd與Pb之間的相關系數都超過了0.8，存在極強相關性，說明研究區表層土壤存在重金屬的復合性污染，來源相似且相對復雜。深層土壤中As與Ni的相關系數大于0.8，存在極強相關性，主要與成土母質有關。表層-深層相關性分析顯示，除Cd外，As、Cu、Pb、Hg、Ni間均呈現顯著正相關，說明表層土壤中這5種重金屬的來源與自然源有關。

4）地累積指數Igeo顯示，研究區Hg在表層土壤中Igeo平均值為0.39，在0～1之間，整體為輕度污染；其余重金屬Igeo平均值均小于0，整體為無污染。

5）土壤重金屬生態風險顯示，Hg在表層和深層土壤中的Eri平均值分別為118.13（風險等級：強）和61.08（風險等級：中等），Cd在表層土壤中的Eri平均值為44.94（風險等級：中等）；重金屬RI平均值在表層和深層土壤中分別為190.57（風險等級：中等）和113.70（風險等級：輕微）。研究區土壤Hg的污染和風險水平較高，今后應加強對重金屬Hg的監管。

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收稿日期：2023-04-25；修回日期：2023-07-13

作者簡介：宋煒（1986- ），女，碩士，工程師，主要從事環境地質的保護與檢測工作。E-mail：weiwei19860531@126.com

引用格式：宋煒，2023.河北省某市工業用地土壤重金屬污染現狀及風險評估［J］.城市地質，18（4）：24-31