南水北調中線工程（鄭州市區段）沿線土壤質量調查與評價

李林記，石勇麗，曲亞輝，曹寧寧，劉素青，曹 翠，張 凱

（1.河南省地質研究院，河南 鄭州 450052；2.河南省自然資源科技創新中心（水土生態修復治理研究），河南 鄭州 450052）

南水北調工程是實現我國水資源合理配置、保障國家經濟社會可持續發展的重大工程，保障水質安全是南水北調工程的底線［1］。在長距離輸水過程中，南水北調濱河地帶生態系統具有廊道功能、緩沖功能和植被護岸功能［2］。同時濱河地帶作為連接水生和陸生生態系統的重要樞紐，對來自河流和陸地的重金屬有匯集作用，直接影響水質安全、生態環境保護以及社會發展［3-4］。因此，調查與評價南水北調干渠沿線土壤中重金屬含量，對保障南水北調水質安全至關重要。

南水北調沿線濱河地帶，雖然周圍的土壤污染物與封閉式水體不存在直接交換的可能性［5］，但是仍不排除其可能對干渠存在的潛在風險，眾多關于南水北調水質風險源防控的相關措施更是驗證了這一可能性［6］。本研究對南水北調中線工程（鄭州市區段）濱河地帶土壤中Pb、Cd、Cr、Hg、As、Ni、Cu、Zn 含量進行分析，并在此基礎上，運用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態危害指數法對濱河地帶土壤污染狀況進行評價，并結合成分分析和相關性分析法解析土壤重金屬來源，為南水北調濱河地帶生態系統的保護和改善提供針對性措施，對加強南水北調工程沿線水系生態建設以及鄭州市區域性可持續發展規劃建設提供借鑒和參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

南水北調中線工程（鄭州市區段）西北起隴海鐵路與干渠交叉處，東南至京廣鐵路與干渠交叉處，全長約35 km，水面平均寬80.09 m，渠底寬30.39 m，水深7 m，堤寬5 m，過水流量300 m3/s，沿線經過的鐵路和橋梁較多，干渠兩側各有非機動車道和人行道。干渠明渠段一級保護區范圍自總干渠管理范圍邊線外延50 m，二級保護區外延150～2 000 m。

1.2 樣品采集和分析

依據《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）和《土壤質量土壤采樣技術指南》（GB/T 36197—2018）確定南水北調中線工程（鄭州市區段）沿線調查點位并制定土壤樣品采集實施方案。以干渠岸邊為中心，在0.5 km×2.0 km 采樣單元格內距離干渠兩側沿線50～500 m的緩沖區進行勘察布點，選用蛇形布點法采集0～20 cm 表層土壤。為研究公路、鐵路等交通干線對干渠沿線土壤重金屬污染影響，在主要路橋兩側采用梅花布點法采集0～20 cm 表層土壤。將所采集的土壤樣品去除石塊與雜草后混合均勻，共采集混合土壤樣品50個。樣品置于室溫下通風陰干后研磨過0.147 mm（100目）尼龍篩，待測。

稱取適量土樣，采用HNO3-HF-HClO4（體積比為5 ∶10 ∶2）消解。依據《土壤質量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）測定鉛、鉻、鎘、鎳、鋅、銅的含量，依據《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解原子熒光法》（HJ 680—2013）測定砷、汞的含量。土壤標準物質GBW07426（GSS-12）用于質控，標準物質測定值在控制范圍之內。

1.3 研究方法

1.3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法對單項指標進行逐項分析評價［7-8］，可以清晰地判斷出評價樣本與評價標準的比值關系，其數學表達式如下：

式中，Ci為i項因子的實測值；Si為i項因子的標準值（見表1），其中Pb、Cd、Hg、As、Ni、Cu參照《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）第一類用地篩選值，Cr、Zn 參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）篩選值；Pi為第i項因子的相對污染值，其評價標準見表2。

表1 土壤重金屬評價標準值mg/kg

表2 土壤重金屬污染指數評價標準

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數法可總體反映各類污染物對土壤的綜合作用，重點突出高濃度污染物對環境質量的影響［9-10］。其計算公式如下：

式中：P綜為內梅羅綜合污染指數；（Ci/Si）max為某項污染物單因子污染指數的最大值；（Ci/Si）ave為單因子污染指數的平均值。根據單因子污染指數法和綜合污染指數大小，將土壤質量劃分為5 個等級，土壤污染指數分級標準見表2。

1.3.3 潛在生態風險指數法

Hakanson提出的潛在生態危害指數法是根據重金屬性質及環境行為特點，從沉積學角度提出的對沉積物或土壤中重金屬污染進行評價的方法［11-12］。目前該方法在環境風險評價中得到了廣泛應用，計算公式如下：

式中：Cfi為單一重金屬i相對參比值的污染系數；Csi為重金屬i的實測值；Cni為重金屬i的評價參比值，以河南表層土壤環境背景值（見表3［12］）為參考；Eir為第i種重金屬環境風險指數，評價標準見表4；Tir為重金屬i毒性響應系數，主要反映重金屬毒性水平和環境對重金屬污染的敏感程度，參考徐爭啟等［13］研究結果（見表3）；RI為潛在生態風險綜合指數，評價標準見表4。

表3 土壤重金屬毒性響應系數及河南表層土壤環境背景值

表4 潛在生態風險指數評價標準

1.4 數據處理與分析

使用軟件SPSS 22.0對測試數據進行線性分析，污染指數和生態風險評價指標的統計在Excel 2019中進行。

2 結果與討論

2.1 研究區土壤重金屬含量特征

研究區內土壤中8 種重金屬質量分數見表5，其中Cd 和Hg 平均質量分數高于河南省表層土壤背景值，其他6 種重金屬平均質量分數均低于河南省表層土壤背景值，8 種重金屬平均質量分數均遠遠低于《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）建設用地第一類用地土壤污染風險篩選值，總體土質較好。

表5 研究區土壤中重金屬質量分數統計分析 mg/kg

研究區內土壤中8 種重金屬含量變異系數由大到 小 依 次 為Hg （58.50%）、Cd （26.80%）、As（15.20%）、 Cu （15.00%）、 Zn （13.30%）、 Ni（13.20%）、Pb（11.50%）、Cr（10.20%）。8 種重金屬含量變異系數大致呈現3個層次：Hg的變異系數在36%以上，為強變異性；Cd 的變異系數在16%～26%，中等變異性，說明Cd 和Hg 離散程度較高，分布不均勻，受人類活動影響較大，在土壤中有一定積累；Cu、Zn、Ni、Pb、Cr 的變異系數在16%以下，為弱變異性，離散程度較低，反映該元素分布相對較均勻，推測目前受人類活動干擾不明顯。

2.2 空間分布

研究區域內50 個表層土壤樣品根據所處環境不同，可分為鐵路、高速公路、城市主干道、村莊周邊4 種類型片區。分析4 種不同環境因子條件下土壤重金屬含量空間分布（見表6），Pb 含量整體處于較低水平，在高速公路、鐵路兩側含量相比總體均值較高，其中高速公路兩側Pb 含量約為總體均值的1.2 倍，說明重金屬Pb 有一定累積，可能與汽車尾氣排放有一定的關系。Cd 含量整體處于較高水平，所有樣品含量均高于河南省表層土壤背景值，高速公路和鐵路兩側Cd 含量明顯高于總體均值，分別約為總體均值的1.5 與1.2 倍。研究區域內土壤Hg 含量分布變化范圍較大，高速公路兩側Hg 含量明顯高于總體均值。As、Zn、Cr、Ni、Cu 重金屬含量整體處于較低水平，所有樣品Cr、Ni、Cu 含量均低于河南省表層土壤背景值，并且在高速公路和鐵路等敏感區域兩側含量無明顯異常。

表6 研究區土壤中重金屬質量分數統計分析 mg/kg

2.3 研究區土壤重金屬污染評價

2.3.1 研究區土壤環境質量評價

采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對研究區域內土壤重金屬污染狀況進行評價，結果如表7 所示。表7 結果顯示，不同片區內土壤中8 種重金屬單因子污染指數處于0.003 1 ～0.450 0，遠遠低于1，說明研究區域內土壤污染程度處于清潔狀態。內梅羅綜合污染指數反應研究區域內8 種重金屬綜合污染狀況，由表7 可知，研究區域內鐵路、高速公路、城市主干道、村莊周邊片區內梅羅綜合污染指數分別為0.45、0.47、0.47、0.44，遠低于土壤重金屬綜合污染指數法評價指數第一級的0.7。依據土壤重金屬內梅羅綜合污染指數評價標準，所有樣點的生態風險等級為無污染等級。

表7 研究區土壤中重金屬污染指數

2.3.2 土壤潛在風險評價

將各樣點不同片區重金屬實測質量分數代入公式，得到不同片區各元素環境風險指數，如表8 所示。結果表明研究區域內重金屬Cd 和Hg 潛在生態風險指數較高，Cd 達到中等生態風險程度以上的點位數占采集樣品總數的92%，達到較強生態風險程度的點位數占總采集樣的12%。土壤樣品中Hg達到中等生態風險程度以上的點位數占采集樣品總數的52%，有12%的采樣點Hg 達到較強生態風險程度。另外，Cd 和Hg 在潛在生態中占有較大的貢獻率，分別為46.84%和35.80%。各重金屬的潛在生態風險大小順序為：Cd ＞Hg ＞As ＞Ni=Pb ＞Cu ＞Cr ＞Zn。

表8 研究區土壤中重金屬潛在生態風險評價

研究區域內8 種重金屬的綜合潛在生態風險指數（RI） 的 范 圍 為107.75～199.60，平 均 值 為125.15。研究區域內有78%的采樣點潛在生態風險為輕微生態風險水平，有22%的采樣點達到中等生態風險水平，并且只有高速公路周邊的采樣點達到中等生態風險水平。總體上研究區域內土壤重金屬生態風險不高，高速公路、鐵路、城市主干道片區的綜合潛在生態風險指數明顯高于村莊周邊區，這可能與汽車尾氣和粉塵影響有關。

3 結論

（1）南水北調中線工程（鄭州市區段）沿線土壤樣品8 種重金屬中，Cd 和Hg 平均含量高于河南省表層土壤背景值，其他6 種重金屬平均含量均低于河南省表層土壤背景值，8 種重金屬平均含量均遠遠低于《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）建設用地第一類用地土壤污染風險篩選值，總體土質較好。

（2）通過變異系數分析得出，Cd 和Hg 離散程度較高，分布不均勻，受周邊環境影響較大。Cu、Zn、Ni、Pb、Cr，離散程度較低，反映該元素分布相對較均勻，目前受人類活動干擾不明顯。

（3）從空間分布上來看，在高速公路與鐵路兩側Pb、Cd、Hg、Zn 含量明顯高于總體均值，在該區域有一定累積。As、Cr、Ni、Cu 含量整體處于較低水平，自西北至東南呈降低趨勢。

（4）8 種重金屬元素不同樣品單因子污染指數均遠低于1，所有樣品8 種重金屬元素均沒有明顯污染；各樣品內梅羅綜合污染指數均小于0.7，所有點位的土壤均處于清潔水平；雖然8 種重金屬含量均未達到土壤環境污染篩選值，但Cd 和Hg 潛在生態風險指數較高，高速公路片區RI＞150，達到多種重金屬中等生態風險水平，后期要加強對Hg和Cd的持續監測。