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物探与化探, 2025, 49(4): 954-964 doi: 10.11720/wtyht.2025.1275

生态地质调查

山东省某典型工业城镇土壤重金属污染特征及风险评估

曾蛟,1,2, 孔令号,1,2, 刘淑亮1,2, 褚宏宪1,2, 赵正鹏1,2, 杨开丽1,2, 郭旭军1,2, 陈亮1,2

1.中国地质调查局 烟台海岸带地质调查中心, 山东 烟台 264000

2.自然资源部 黄河入海口陆海交互作用野外科学观测研究站, 山东 烟台 264000

Contamination characteristics and risk assessment of soil heavy metals in a typical industrial town in Shandong Province, China

ZENG Jiao,1,2, KONG Ling-Hao,1,2, LIU Shu-Liang1,2, CHU Hong-Xian1,2, ZHAO Zheng-Peng1,2, YANG Kai-Li1,2, GUO Xu-Jun1,2, CHEN Liang1,2

1. Yantai Center of Coastal Zone Geological Survey, China Geological Survey, Yantai 264000, China

2. Ministry of Natural Resources Observation and Research Station of Land-Sea Interaction Field in the Yellow River Estuary, Yantai 264000, China

通讯作者: 孔令号(1992-),男,硕士,高级工程师,主要从事矿山生态环境及海岸带地质调查研究工作。Email:1245046910@qq.com

第一作者: 曾蛟(1988-),男,硕士,高级工程师,主要从事分析测试工作。Email:416892321@qq.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2024-06-21   修回日期: 2024-11-22  

基金资助: 中国地质调查局项目(DD20243133)
中国地质调查局项目(DD20230411)

Received: 2024-06-21   Revised: 2024-11-22  

摘要

为探究山东某典型工业城镇土壤重金属污染情况、来源及生态风险,于2022年8~10月采集了499件研究区表层土壤样品,采用经典统计法与空间插值法分析土壤Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn和Ni重金属含量及其空间分布特征,并运用PCA主成分分析法对研究区重金属进行来源解析,使用污染指数法评价研究区重金属污染水平。结果显示:研究区土壤Hg、Cd、As、Pb含量平均值均超过烟台市土壤重金属背景值,且8种元素均存在高值区域,显示重金属元素呈不同程度富集趋势;变异系数分析表明,除Ni外,其余重金属元素受人类活动影响较大;主成分分析表明,土壤中Cd、Pb、Cu、Zn和Cr主要来源于工业和交通源,As和Hg主要来源于工业、农业和生活源,Ni主要来源于自然条件土壤母质;单因子污染法、地累积指数法和内梅罗污染指数法研究表明,研究区土壤重金属除Hg和Cd外,整体呈无污染和轻微污染,Hg和Cd为研究区污染水平较高的元素;潜在生态风险评价显示,研究区土壤重金属污染整体呈轻微风险等级,少量污染较严重的点位主要分布在工业区周边,工业活动产生的“三废”是周边的土壤重金属富集的主要影响因素。研究区土壤重金属污染整体为中低污染水平,部分土壤重金属含量严重超标,尤其是Hg和Cd为研究区污染程度最重的元素,需引起重视。建议加强工业区周边土壤重金属监测工作,采取科学合理的措施以确保土壤可持续利用。

关键词： 工业城镇; 土壤重金属; 污染特征; 源解析; 风险评价

Abstract

To investigate the contamination, source, and ecological risk of soil heavy metals in a typical industrial town in Shandong Province, China, this study collected 499 topsoil samples from the study area from August to October 2022. The contents and spatial distributions of heavy metals like Hg, Cd, As, Pb, Cu, Cr, Zn, and Ni in the samples were analyzed using classical statistics and spatial interpolation methods. The source apportionment of heavy metals in the study area was explored through the principal component analysis (PCA). The contamination levels of heavy metals in the study area were assessed using the contamination index method. The results indicate that the average contents of Hg, Cd, As, and Pb in soils all exceeded their background values in Yantai City, and high-value zones were observed for all eight elements, indicating various degrees of enrichment. The analysis of coefficients of variation reveals that except for Ni, other heavy metals were significantly influenced by human activities. The PCA suggests that Cd, Pb, Cu, Zn, and Cr originated primarily from industrial and traffic sources. As and Hg were predominantly derived from industrial, agricultural, and domestic sources, while Ni was primarily from natural soil parent materials. The analyses based on the single-factor contamination index, geoaccumulation index, and Nemerow contamination index show that apart from Hg and Cd, other soil heavy metals in the study area exhibited no or slight contamination overall, demonstrating that the study area was principally contaminated by Hg and Cd. The potential ecological risk assessment suggests that the overall heavy metal contamination posed a minor risk level. A few sites with relatively severe contamination were primarily located around the industrial area. The waste gas, wastewater, and industrial residue generated by industrial activities constituted the dominant factor influencing the enrichment of heavy metals in surrounding soils. Overall, soil heavy metal contamination in the study area was at a moderate to low level, with some metals, particularly Hg and Cd, severely exceeding standard levels, warranting attention. It is recommended to strengthen the monitoring of heavy metals in soils around the industrial area, and adopt scientific and reasonable measures to ensure sustainable soil utilization.

Keywords： industrial town; soil heavy metals; contamination characteristics; source apportionment; risk assessment

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本文引用格式

曾蛟, 孔令号, 刘淑亮, 褚宏宪, 赵正鹏, 杨开丽, 郭旭军, 陈亮. 山东省某典型工业城镇土壤重金属污染特征及风险评估[J]. 物探与化探, 2025, 49(4): 954-964 doi:10.11720/wtyht.2025.1275

ZENG Jiao, KONG Ling-Hao, LIU Shu-Liang, CHU Hong-Xian, ZHAO Zheng-Peng, YANG Kai-Li, GUO Xu-Jun, CHEN Liang. Contamination characteristics and risk assessment of soil heavy metals in a typical industrial town in Shandong Province, China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(4): 954-964 doi:10.11720/wtyht.2025.1275

0 引言

土壤中重金属含量在自然和人为双重因素影响下,往往具有一定的时空变异特征,随着城镇化、工业化和农业集约化快速推进,大规模的人类活动改变了土壤中重金属的分布特征,使得一些重金属在土壤中富集,造成了严重的污染。特别是在城市工业区,人类活动更加频繁,金属冶炼、机械加工、化工生产、化石燃料使用、交通运输、人类生活等活动使得工业区土壤重金属污染状况更加严峻[1-4]。重金属污染常具有生物积累性、隐蔽性,可通过食物链、呼吸和皮肤接触进入人体内,最终对人类身体健康造成不可逆的影响[5]。随着土壤重金属污染问题日益突出,土壤重金属污染已引起人们广泛的重视。前人主要从土壤重金属空间分布[6-10]、污染评价[11-12]、风险评估[13-16]、来源解析[17-19]、生态修复[20-22]等方面开展了大量研究。李锋等[23]研究指出,宁波市工业区从2003~2013年所有重金属元素的含量均值都有不同程度的增加,说明10年间土壤重金属污染加剧,其中Hg的增幅最大。车凯等[15]研究指出,石家庄地区6座燃煤电厂排放废气中Cu、Cr和Ni是主要排放污染物,周边表层土壤中Cr、Cu、Pb、Hg和Ni含量均高于河北省土壤背景值。陈明等[24]研究西北某重工业区指出,大气降尘中重金属来源依次为土壤扬尘源、冶金工业源、工业加工混合源、交通源和燃煤源。

山东作为我国经济发达省份,是华东地区重要的经济和工业中心,高强度的工业活动造成的土壤质量下降,尤其是土壤重金属污染已成为当地日益紧迫的环境问题,亟须引起人们的高度重视。目前针对山东省土壤重金属污染的研究主要集中在农业用地[25-28]、城市用地[29-31]、滨海湿地[32]和矿产用地[33-34]等方面,针对区域性工业城镇土壤重金属的研究较少。鉴于此,本文以山东省某典型工业城镇浅层土壤重金属元素Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn和Ni为研究对象,对研究区内土壤重金属污染进行综合研究,旨在全面了解研究区土壤重金属污染水平,为研究区土壤重金属污染预防与治理提供基础数据与科学指导,同时能为其他同类型工业城镇的土壤重金属污染防治与监管起到借鉴性的作用。

1 研究区概况

研究区位于山东省烟台市西部,北临莱州湾,行政区域面积140 km2,人口10.3万人。区内交通便利,工业基础较强,共有6个镇级工业园区,形成了以冶炼、化工、机械、五金、塑料、纺织、橡胶制品为主体的工业生产体系,是山东省重要的省级中心工业强镇。研究区属暖温带大陆性季风气候,四季分明,年均气温12~13 ℃,年平均降水量超500 mm,夏季为雨季,占全年总降水量的60%以上,地形主要为冲洪积平原和海积平原区地貌,降雨分布趋势自东南向西北递减,区内河流主要为沙河,向北流入莱州湾[35-36]。

2 研究方法

2.1 样品采集

为开展本次研究,于2022年8~10月采用网格布点法系统性采集土壤样品,共布设采样点499个(图1)。采用土钻法采取0~20 cm土层样品,在每个样点共取5个子样进行混合,剔除杂物,采用四分法留取1 000 g封存登记。

图1

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图1   研究区域示意及采样点分布

Fig.1   Study area and distribution of sampling sites


2.2 分析测试

采集的样品在实验室自然风干,进一步剔除杂质后研磨,过0.074 mm孔径筛后登记存放,以备进行土壤样品重金属全量测定。土壤样品测定工作由中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心分析测试实验室完成,测定指标、方法及仪器见表1。测定过程采用GSS系列标准土壤样品、空白试验与平行样品试验进行全程质量控制。Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr、Zn和Ni检出限分别为0.005×10-6、0.021×10-6、0.2×10-6、0.5×10-6、0.5×10-6、5×10-6、4×10-6和0.2×10-6,样品加标回收率为94.3%~105.9%,平行样品分析偏差小于±5%。各指标的检出限、加标回收率和精准度均符合有关规范要求,测定结果准确可靠。

表1   土壤重金属含量测定方法及仪器

Table 1  Methods and instruments for determination of heavy metals in soil

指标方法来源测定仪器
As《岩石矿物分析》氢化物发生—原子荧光光谱法测定砷、锑、铋(DZG20.01—2011)原子荧光光度计(AFS-8330)
Cu、Ni、
Zn		《岩石矿物分析》电感耦合等离子体发射法测定27种主、次、痕量元素(DZG20.01—2011)等离子光谱仪(iCAP 6300)
Cr、Cd、
Pb		《岩石矿物分析》电感耦合等离子体质谱法测定30种痕量元素(DZG20.01—2011)等离子体质谱(iCAP Q)
Hg《岩石矿物分析》冷蒸汽—原子荧光光谱法测定汞(DZG20.01—2011)原子荧光仪(XGY1011A)

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2.3 土壤重金属污染评价方法

2.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法常用于对土壤重金属污染程度进行评价,常以土壤元素的背景值作为评价标准[37],公式如下:

${P}_{i}=\frac{{C}_{i}}{{B}_{i}}$

式中:Pi为单因子污染指数;Ci为第i种重金属元素的实测值;Bi为庞绪贵等[38]总结的第i种元素的山东省烟台市土壤地球化学背景值。

2.3.2 内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数法可以综合反映点位所有重金属综合污染程度,并突出最大污染值的影响[29],公式如下:

${P}_{N}=\sqrt{\frac{{P}_{max}^{2}+{P}_{ave}^{2}}{2}}$

式中:PN为内梅罗污染指数;Pmax、Pave分别为某一重金属元素单因子污染指数Pi的最大值和平均值。

2.3.3 地累积指数法

地累积指数法广泛用于土壤重金属污染评价[25],公式如下:

${I}_{geo}=lo{g}_{2}\frac{{C}_{i}}{k{B}_{i}}$

式中:Igeo为地累积指数;结合前人研究[32-33],k取值1.5。

2.3.4 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法不仅考虑了重金属含量和多元素的协同作用,也考虑了重金属的毒性效应和生态效应的影响[33],公式为:

$\begin{array}{l}{E}_{r}^{i}={T}_{r}^{i}\times \frac{{C}_{i}}{{B}_{i}},\\ RI=\sum _{i=1}^{n}{E}_{r}^{i},\end{array}$

式中:${E}_{r}^{i}$为第i种元素的潜在生态风险指数;RI为多元素潜在生态风险指数;${T}_{r}^{i}$为第i种重金属的毒性响应系数[39](表2)。

表2   重金属元素毒性响应系数

Table 2  Toxic response coefficient of heavy metal elements

元素HgCdAsPbNiCuCrZn
毒性响应系数(${T}_{r}^{i}$)40301055521

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土壤重金属元素各评价标准[25,29,33,37]见表3。

表3   土壤重金属评价标准

Table 3  Standard for evaluation of heavy metals in soil

单因子指数法内梅罗指数法地累积指数法潜在生态风险指数法
Pi污染程度PN污染程度Igeo污染程度${E}_{r}^{i}$RI风险等级
Pi≤1无污染PN≤0.7清洁Igeo≤0无${E}_{r}^{i}$<40RI<150轻微危害
1<Pi≤2轻微污染0.7<PN≤1警戒0<Igeo≤1无—中度40≤${E}_{r}^{i}$<80150≤RI<300中等危害
2<Pi≤3轻度污染1<PN≤2轻度污染1<Igeo≤2中度80≤${E}_{r}^{i}$<160300≤RI<600强危害
3<Pi≤5中度污染2<PN≤3中度污染2<Igeo≤3中—强度160≤${E}_{r}^{i}$<320600≤RI<1200很强危害
Pi>5重度污染PN>3重度污染3<Igeo≤4强度${E}_{r}^{i}$≥320RI≥1200极强危害
4<Igeo≤5强度—极强
Igeo>5极强

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2.4 数据处理

采用SPSS 20软件对数据进行处理和统计分析,使用CorelDRAW 2019、Origin 2019和ArcGIS 10.8软件进行图件绘制。

3 结果及分析

3.1 土壤重金属元素含量描述性统计

对研究区表层土壤重金属含量特征进行统计(表4),土壤中Hg、Cu、Ni、Zn、As、Cr、Cd和Pb含量范围分别为(0.005~0.258)×10-6、(2.66~529.00)×10-6、(4.90~203.00)×10-6、(13.3~1 100.0)×10-6、(1.40~41.50)×10-6、(17.70~472.00)×10-6、(0.029~7.200)×10-6和(12.857~347.100)×10-6。其中Hg、Cd、As和Pb含量均值均超过烟台市土壤重金属背景值(以下简称背景值),分别为背景值的1.5、1.4、1.2和1.1倍,表明土壤中Hg、Cd、As和Pb已经出现富集趋势。Cu、Ni、Zn和Cr含量均值均低于背景值,分别为背景值的0.9、0.8、0.9和0.9倍。

表4   研究区土壤重金属元素含量统计特征

Table 4  Statistical characteristics of heavy metal contents in soils

重金属均值/10-6标准差偏度峰度变异系数/%范围/10-6背景值[38]/10-6背景值变异系数/%
Hg0.05130.92.81360.30.005~0.2583447.0
Cu22.1929.613.1200.2133.52.66~529.002652.0
Ni20.4410.911.3171.733.34.90~203.0024.639.0
Zn54.650.518.2371.792.513.3~1100.060.430.0
As7.522.93.839.239.01.4~41.506.434.0
Cr50.3224.113.2212.247.917.7~472.005738.0
Cd0.1600.416.9323.5218.10.029~7.2000.1235.0
Pb30.07018.812181.662.512.857~347.10027.223.0

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变异系数(CV)常用来表征样本空间变异性大小和人为因素影响程度。一般认为,CV<20%为弱变异;20%≤CV<50%为中等变异;50%≤CV<100%为强变异;CV≥100%为异常强变异[40]。研究区土壤重金属含量变异程度从大到小依次为Cd>Cu>Zn>Pb>Hg>Cr>As>Ni,变异系数分别为218.1%、133.5%、92.5%、62.5%、60.3%、47.9%、39.0%和33.3%,各重金属元素变异系数除Ni外均大于烟台市重金属背景值变异系数,其中Cd、Cu、Zn、Pb和Hg为强变异,Cr、As和Ni为中等变异。前人研究表明,土壤重金属空间分布特征受控于自然条件和人为活动,其变异系数与人类活动干扰程度成正比[41],研究区土壤重金属含量在空间分布具有中等—显著差异性,显示人类活动在一定程度上影响了土壤重金属分布。

3.2 土壤重金属元素空间分布特征

土壤重金属元素空间分布特征可以反映区域土壤重金属的空间维度特性,空间插值分析是研究土壤重金属空间分布特征常用的方法[42]。普通克里金法广泛用于土壤重金属的空间分布研究,其原理是通过对已测得的土壤重金属含量进行空间插值,来预测未知点的土壤重金属浓度[43]。从研究区土壤重金属空间分布(图2)可以看出,Hg、As、Cd和Pb在土壤中出现了一定程度的富集,Hg、As、Cd和Pb大部分样点含量高于元素背景值。Hg含量在研究区整体较高,呈由西南向东北逐渐降低的趋势,低值区仅在西北、东北及东南部呈斑状分布。As含量呈西高东低的分布趋势,高值区主要呈片状、斑状、条带状分布于整个研究区。Cd含量整体呈西部高于东部的分布趋势,高值区呈斑状分布。Pb含量呈南高北低、西高东低的分布趋势,西南地区Pb含量远高于背景值,高值区主要呈斑状、条带状分布于西南部地区,东北地区高值区呈斑状零星分布。Cu、Ni、Zn和Cr在土壤中含量整体较低,大部分样点含量低于背景值,高值区呈斑状零星分布,污染程度较为缓和。在研究区西北部出现一处Cu、Cr、Zn、Pb和Cd的高值、极高值重合区域,经实地考察该区域分布着大量机械制造和铸铁冶炼工厂,工业活动影响着该区域重金属分布特征。整体上,不同功能区土壤重金属含量具有较大的差异,含量分布特征表现为工业区>居民区>农业区的趋势。

图2

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图2   研究区土壤重金属元素含量空间分布

Fig.2   The spatial distribution of heavy metal elements in soils in the study area


3.3 土壤重金属元素相关性和主成分分析

显著正相关的重金属可能具有相同的物源[44],从土壤重金属元素相关性分析(表5)来看,Cu与Zn、Cr、Cd之间呈显著相关性,相关系数分别为0.844、0.661和0.513(P<0.01);Zn与Cr、Cu、Cd之间呈显著相关性,相关系数分别为0.848、0.844和0.505(P<0.01);Cd和Pb之间呈显著相关性,相关系数为0.793(P<0.01);Hg和Ni与其余元素之间的相关性较弱。

表5   土壤重金属元素Pearson相关性分析

Table 5  Pearson correlation analysis of soil heavy metals

元素HgCuNiZnAsCrCdPb
Hg1
Cu0.0671
Ni-0.0120.152**1
Zn0.102*0.844**0.176**1
As0.312**0.309**0.0530.137**1
Cr-0.0040.661**0.361**0.848**-0.0301
Cd0.308**0.513**0.0580.505**0.490**0.284**1
Pb0.377**0.399**0.0230.430**0.421**0.215**0.793**1

注:“*”表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关,“**”表示在0.01 水平(双侧)上显著相关。

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为进一步确定研究区土壤重金属来源,基于Pearson相关性分析的结果,对8种重金属元素进行主成分分析(PCA)(表6,图3),并进行最大方差旋转处理。KMO检验值为0.689,显著性为0,表明数据可进行主成分分析。提取特征值大于1的3个主成分,其累积贡献率达到了77.4%。

表6   土壤重金属元素主成分分析

Table 6  Principal component analysis of soil heavy metals

元素主成分
123
Hg0.3230.5640.243
Cu0.841-0.27-0.18
Ni0.247-0.3730.872
Zn0.865-0.39-0.188
As0.4680.5670.215
Cr0.7-0.6160.012
Cd0.7970.384-0.062
Pb0.7270.459-0.055
特征值3.4941.741.04
贡献率/%43.13021.47912.838
累积贡献率/%43.1364.60977.447

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图3

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图3   重金属旋转空间成分

Fig.3   Components graph of heavy metal elements in rotated space


同一主成分下具有较高因子载荷的重金属可能具有相同的来源[29]。主成分1中主要重金属元素为Cd、Pb、Cu、Zn和Cr。相关性分析中也显示Cd、Pb、Cu、Zn和Cr之间均呈明显—显著的正相关性,表明可能具有相同的物源。研究区内分布着大量的金属冶炼工厂、塑料、化工、机械、电镀、纺织企业,工业区内道路密集交通发达。工业活动排放的“三废”中常含有大量Cu、Cr、Zn、Pb和Cd等重金属,可通过排放进入土壤和水体[45-46];金属冶炼厂周边土壤重金属Pb、Cd、Zn、Cr和Cu含量常显著高于土壤背景值[47-48];重金属Pb、Zn常通过汽车尾气排放和零部件磨损呈高值分布在道路周边土壤[4]。研究区土壤中Cd、Pb、Cu、Zn和Cr重金属高值区与工业区位置具有一致性,表明土壤中Pb、Cd、Zn、Cr和Cu主要来源于工业活动和交通运输活动。

主成分2中主要重金属元素为As和Hg,As和Hg在研究区土壤中含量平均值高于背景值,As和Hg呈富集分布。As高值区广泛分布于农业区和局部工业区,农业活动中杀虫剂、除草剂和化肥的施用都会造成农田As等有害重金属的富集[49-50];Hg含量在研究区整体较高,分布在区内村庄集中区,冬季主要以煤作为取暖燃料,与此同时金属冶炼厂在冶炼过程中也会大量使用燃煤,已有研究表明,Hg可通过燃煤燃烧经大气传输进入土壤环境[46];表明土壤中As和Hg主要来源于工业活动、农业活动和生活源污染。

主成分3中主要重金属元素为Ni,Ni在研究区土壤中含量平均值低于背景值,几乎不存在富集现象,空间分布较为均匀,高值区仅在个别区域呈斑状分布,推测Ni受人为活动影响较小,Ni主要来源于土壤母质。

3.4 土壤重金属污染程度

3.4.1 土壤重金属单因子污染风险评价

土壤重金属单因子污染指数Pi(表7)显示,土壤重金属Pi均值从大到小依次为Hg>Cd>As>Pb>Zn>Cr>Cu=Ni,分别为1.51、1.34、1.18、1.11、0.90、0.88、0.85和0.85,Hg、Cd、As和Pb整体为轻微污染,Zn、Cr、Cu和Ni整体为无污染状态。8种重金属元素均存在轻度以上污染,说明重金属元素在土壤中均存在不同程度累积,其中Hg和Cd轻度污染及以上比例分别为18.4%和6.0%,说明Hg和Cd为研究区污染水平较高的元素。

表7   土壤重金属元素单因子污染评价

Table 7  Single factor pollution assessment of heavy metal elements in soils

元素污染指数范围污染指数均值不同污染级别样点占比/%
无污染轻微污染轻度污染中度污染重度污染
Hg0.14~7.591.5126.155.513.03.61.8
Cu0.10~20.350.8587.410.21.40.40.6
Ni0.20~8.460.8583.415.80.400.4
Zn0.22~18.210.9081.617.600.40.4
As0.22~6.481.1830.167.52.000.4
Cr0.31~8.230.8886.812.60.200.4
Cd0.24~59.571.3446.547.53.60.81.6
Pb0.47~12.761.1142.555.51.400.6

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3.4.2 土壤重金属内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数结果(表8)显示,研究区土壤内梅罗综合污染指数范围为0.71~43.14,均值为1.64,所有样品综合污染指数均超过了警戒值。轻度污染占比最大为72.7%,说明研究区土壤重金属污染整体呈轻度污染。内梅罗综合污染指数计算强调最大值的特点,元素Hg和Cd是影响内梅罗综合污染指数的主要原因。

表8   内梅罗综合污染指数评价

Table 8  Evaluation of Nemerow comprehensive pollution Index

内梅罗指
数范围		内梅罗指
数均值		不同污染指数分级样点占比/%
清洁警戒轻度污染中度污染重度污染
0.71~43.141.64013.672.79.83.8

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3.4.3 地累积指数法评价结果

地累积指数法结果(表9)显示,研究区土壤Hg污染程度最高,无污染样品仅占26.1%,18.4%的样品中Hg达到中度及以上污染。As和Cd污染程度次之,13.4%样品中的As和12.0%样品中的Cd存在污染,其中个别样品中Cd达到强度和极强度污染。Cu、Ni、Zn、Cr和Pb污染程度最低,大部分样品为无污染,仅在个别点位存在污染,其中Cu、Zn和Pb均各有一个点位达到强度污染水平。总的来说,研究区土壤重金属产生了一定程度的污染,特别是Hg,其次为As和Cd,应当引起重视。

表9   地累积指数法污染评价

Table 9  Pollution assessment by cumulative index method

元素地累积指数
范围		地累积指数
均值		不同污染指数分级样点占比/%
无污染无—中度污染中度污染中度—强污染强度污染强—极强污染极强污染
Hg-2.79~2.920.3826.155.516.61.8000
Cu-3.87~3.76-1.0295.63.40.40.20.400
Ni-2.88~2.50-0.9098.41.20.20.2000
Zn-2.77~3.60-0.8398.60.60.600.200
As-2.78~2.11-0.4586.613.00.20.2000
Cr-2.27~2.46-0.8299.00.60.20.2000
Cd-2.63~5.31-0.4988.09.61.20.60.400.2
Pb-1.67~3.09-0.5394.45.00.20.20.200

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3.5 土壤重金属风险评价

单项重金属元素的潜在生态风险分析结果(表10)显示,研究区Hg生态风险指数普遍较高,73.9%的样点属于中等及以上生态危害风险。Cd生态危害风险指数次之,18.4%的样点属于中等及以上生态危害风险,其中有0.6%的样点生态危害风险等级达到极强危害水平。Zn、Cr、Ni、Pb、As和Cu重金属元素的生态危害风险指数普遍较低,超过99%的样点为轻微危害风险等级,个别样点为中等、强危害等级。

表10   单项重金属元素潜在生态风险程度评价

Table 10  Assessment of potential ecological risk of single heavy metal element

元素${E}_{r}^{i}$指数范围均
值		不同污染指数分级样点占比/%
轻微
危害		中等
危害		强危害很强
危害		极强
危害
Hg5.8~303.560.226.155.516.61.80
Cu0.5~101.74.399.40.40.200
Ni1.0~42.34.399.80.2000
Zn0.2~18.20.9100.00000
As2.2~64.811.899.60.4000
Cr0.6~16.61.8100.00000
Cd7.3~1790.140.281.614.82.40.60.6
Pb2.4~63.85.599.80.2000

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重金属元素综合潜在生态风险分析结果见表11,从风险程度来看,轻微风险等级样品占比最多,占比为84.0%,其次为中等风险等级样品,占比14.4%,轻微—中等风险等级样品占比为98.4%。强和很强风险等级样品占比分别为1.4%和0.2%,强和很强风险等级样品均分布工业区周边,与工业区分布具有较好的一致性。总的来说,研究区重金属元素的综合潜在生态风险整体较低,工业活动产生的“三废”对局部土壤造成了重金属的富集。

表11   多种重金属元素潜在生态风险程度评价

Table 11  Assessment of potential ecological risk of heavy metal elements

综合潜在生态
风险指数范围		均值不同污染指数分级样点占比/%
轻微
危害		中等
危害		强危害很强
危害		极强
危害
37.8~864.7121.400.140.730.100.04

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为直观了解单一污染因子对土壤综合潜在生态风险影响程度,将单一污染因子值除以综合值,计算出单一污染因子指数贡献率(图4)。结果显示,各重金属污染因子指数贡献率差异显著,相差可达数十倍。其中Hg为土壤重金属污染最大污染因素,污染指数贡献率为47.94%,其次为Cd,污染指数贡献率为29.45%,As污染指数贡献率为9.3%。Pb、Ni、Cu、Cr和Zn污染指数贡献率较低。Hg和Cd主要来源于工业活动,Hg和Cd在研究区最为富集,且毒性响应系数较高,使得Hg和Cd成为研究区土壤生态潜在风险污染最严重的重金属。结合同类型地区研究结果,重庆和上海某典型工业园土壤污染评价同样显示Hg和Cd为工业区污染风险较高的重金属元素[12,51-52],因此在工业区周边应加强对Hg和Cd元素污染的持续监测。

图4

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图4   重金属元素RI贡献率

Fig.4   The contribution of heavy metal RI


4 结论

1)研究区土壤中Hg、Cd、As、Pb、Cu、Ni、Zn和Cr元素含量均值分别为0.051×10-6、0.16×10-6、7.52×10-6、30.07×10-6、22.19×10-6、20.44×10-6、54.60×10-6和50.32 ×10-6。土壤Hg、Cd、As、Pb含量均值超过背景值,土壤重金属含量在空间分布具有中等—显著差异性,显示人类活动在一定程度上影响了土壤重金属分布。

2)基于PCA主成分分析显示,Cd、Pb、Cu、Zn和Cr主要源于工业和交通源,As和Hg主要来源于工业、农业和生活源,Ni主要来源于土壤母质。

3)单因子污染指数显示土壤中Hg、Cd、As和Pb整体为轻微污染,Zn、Cr、Cu和Ni整体为无污染;内梅罗综合污染指数法表明研究区整体呈轻度污染;地累积指数法显示Hg、As和Cd呈较低程度污染,Cu、Ni、Zn、Cr和Pb整体为无污染状态。3种评价方法均显示Hg和Cd为研究区污染水平较高的元素。

4)单项元素潜在生态风险分析显示Hg、Cd生态风险指数普遍较高,Zn、Cr、Ni、Pb、As和Cu生态风险指数整体较低。综合潜在生态风险评价显示研究区土壤重金属主要为轻微危害等级,其次为中等危害等级,强和很强危害等级点位主要分布在工业区周边,工业活动产生的“三废”造成了周边土壤重金属富集。

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Zhaxigang wetland is a typical plateau meadow swamp and an important ecological function reserve in Lhasa. Wetlands in Tibet are extremely fragile due to climate and topography, which should be given full consideration. To accurately assess the pollution status and sources of heavy metals in the soil of Zhaxigang wetland, we analyzed the contents of seven heavy metal elements (Cr, Ni, Zn, Pb, Cd, As and Hg) in 18 surface soil samples of Zhaxigang wetland. The pollution risks of heavy metals were evaluated by using the method of geo-accumulation index (<em>I</em><sub>geo</sub>) and pollution loading index (PLI). Based on PCA, the APCS-MLR model was used to analyze the pollution sources of heavy metals. The results showed that: (1) The contents of Cr and Ni in the surface soil of Zhaxigang wetland were lower than the background value of Tibetan soil. The contents of the other five elements were accumulated in different degrees. Except for Cd and As, the measured values of the other five elements were lower than the risk screening value in “Soil Environmental Quality Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land of&nbsp; (GB 15618-2018)”. (2) Except for Cd and Hg, the <em>I</em><sub>geo</sub>&nbsp;values of other elements were less than 0, indicating a clean level. The overall PLI in the study area was 1.44, indicating light ecological hazard. Both evaluations showed that Cd and Hg were the main pollution elements in this area. More attention should be paid on those two elements, and routine monitoring should be strengthened. (3) The sources of heavy metals were mainly mixed industrial-transportation sources, natural sources, and mixed agricultural-coal combustion sources. Ni, Zn, Pb, Cd, and As were mainly from mixed industrial-transportation sources, Cr was mainly from natural sources, and the sources of Hg were mainly affected by human activities such as agriculture and coal combustion.<br><div> <br></div>

陈小敏, 朱保虎, 杨文, 等.

密云水库上游金矿区土壤重金属空间分布、来源及污染评价

[J]. 环境化学, 2015, 34(12):2248-2256.

[本文引用: 1]

Chen X M, Zhu B H, Yang W, et al.

Sources,spatial distribution and contamination assessments of heavy metals in gold mine area soils of Miyun Reservoir upstream,Beijing,China

[J]. Environmental Chemistry, 2015, 34 (12):2248-2256.

[本文引用: 1]

李浪. 山西省典型工业园区土壤重金属空间分布、来源及风险评价[D]. 太原: 太原科技学, 2023.

[本文引用: 1]

Li L. Spatial distribution,sources and risk assessment of soil heavy metals in typical Industrial park in Shanxi Province[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Science and Technology, 2023.

[本文引用: 1]

张东明. 工业区周边农田土壤重金属分布特征及风险评价[D]. 石河子: 石河子大学, 2017.

[本文引用: 1]

Zhang D M. Heavy metal distribution and risk evaluation in farmland soil around an industrial area in northern Xinjiang[D]. Shihezi: Shihezi University, 2017.

[本文引用: 1]

赖涓涓, 杨德钰, 刘亮, 等.

中国西北地区银川市浅表土重金属污染特征及来源解析

[J/OL]. 中国环境科学,1-12[2024-09-10].https://doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240326.006.

URL     [本文引用: 1]

Lai J J, Yang D Y, Liu L, et al.

Characteristics and source identification of heavy metal pollution in shallow topsoil in Yinchuan City,northwest China

[J/OL]. 中国环境科学,1-12[2024-09-10].https://doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240326.006.

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樊新刚, 米文宝, 马振宁, 等.

宁夏石嘴山河滨工业园区表层土壤重金属污染的时空特征

[J]. 环境科学, 2013, 34(5):1887-1894.

[本文引用: 1]

Fan X G, Mi W B, Ma Z M, et al.

Spatial and temporal characteristics of heavy metal concentration of surface soil in Hebin industrial park in Shizuishan northwest China

[J]. Environmental Science, 2013, 34 (5):1887-1894.

[本文引用: 1]

王中阳. 朝阳地区耕地土壤重金属污染风险评价与来源解析研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2018.

[本文引用: 2]

Wang Z Y. Research on risk assessment and source analysis of heavy metal pollution in farmland soil in Chaoyang Region[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2018.

[本文引用: 2]

田甜, 杨婷, 邹县梅, 等.

钢铁厂周边土壤重金属污染特征及风险评价——以闽西三明钢铁厂周边农田为例

[J]. 农学学报, 2021, 11(6):42-46.

DOI:10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20191000246      [本文引用: 1]

为了明确闽西三明钢铁厂周边农田土壤重金属污染情况及其风险,于2019年5月在钢铁厂周边采集10个表层(0~20 cm)土壤样品,测定Pb、Cu、Zn、Cd、Hg和Ni的全量,利用单项污染指数法、内梅罗污染指数法和Hk?nson潜在生态危害指数法,评价重金属的污染水平和风险。结果表明,调查区域土壤重金属含量（除Hg超标率为80%外）均超过了福建省土壤背景值。相关性分析表明,土壤Pb、Cu、Zn、Cd、Ni具有同源性。评价结果表明,钢铁厂周边土壤重金属污染程度为Cd&gt;Pb&gt;Ni&gt;Zn&gt;Cu&gt;Hg,调查区域所有土壤均达重度污染,处于很强和极强生态风险水平。因此,该钢铁厂周边农田土壤存在的重金属污染而产生的生态环境问题需引起高度重视,应优先开展Cd和Pb元素的防控,降低其生态风险。

Tian T, Yang T, Zou X M, et al.

Heavy metals in farmland surrounding the Sanming steel plant in western Fujian:Pollution characteristics and risk assessment

[J] Journal of Agriculture, 2021, 11 (6):42-46.

DOI:10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20191000246      [本文引用: 1]

The paper aims to clarify the heavy metal pollution and risk in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant in western Fujian. We collected 10 surface soil samples (0-20 cm) in May, 2019, determined the contents of Pb, Cu, Zn, Cd, Hg and Ni, and evaluated the levels and risks of heavy metals by the methods of the single pollution index, the Nemero pollution index, and Hk?nson potential ecological hazard index. The results showed that: the contents of heavy metals in the studied area exceeded the background value of soil environment in Fujian, except that Hg exceeded the standard rate by 80%; correlation analysis demonstrated that: Pb, Cu, Zn, Cd, Ni in soil were homologous; the evaluation results demonstrated that: the pollution degree of heavy metals in the soil surrounding the Sanming Steel Plant was: Cd>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg; all the soils in the studied area were heavily polluted, reaching very strong and extremely strong ecological risk level. Therefore, more attention should be paid to the ecological environment problems caused by heavy metal pollution in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant, the prevention and control of Cd and Pb in soil should be the priority to reduce their ecological risks.

谢小进, 康建成, 李卫江, 等.

上海宝山区农用土壤重金属分布与来源分析

[J]. 环境科学, 2010, 31(3):768-774.

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Xie X J, Kang J C, Li W J, et al.

Analysis on heavy metal concentrations in agricultural soils of Baoshan,Shanghai

[J] Environmental Science, 2010, 31 (3):768-774.

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王改玲, 李立科, 郝明德, 等.

长期定位施肥对土壤重金属含量的影响及环境评价

[J]. 水土保持学报, 2010, 24(3):60-63,70.

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Wang G L, Li L K, Hao M D, et al.

Effects of long-term fertilization on heavy-metal contents of soil and environmental quality evaluation

[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24 (3):60-63,70.

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刘勇, 岳玲玲, 李晋昌.

太原市土壤重金属污染及其潜在生态风险评价

[J]. 环境科学学报, 2011, 31(6):1285-1293.

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Liu Y, Yue L L, Li J C.

Evaluation of heavy metal contamination and its potential ecological risk to the soil in Taiyuan,China

[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31 (6):1285-1293.

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戴前进, 冯新斌, 唐桂萍.

土壤汞的地球化学行为及其污染的防治对策

[J]. 地质地球化学, 2002, 30(4):75-79.

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Dai Q J, Feng X B, Tang G P.

The geochemical behavior of mercury in soil and its pollution control

[J]. Geology-Geochemistry, 2002, 30 (4):75-79.

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沈城, 刘馥雯, 吴健, 等.

再开发利用工业场地土壤重金属含量分布及生态风险

[J]. 环境科学, 2020, 41(11):5125-5132.

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Shen C, Liu F W, Wu J, et al.

Distribution and ecological risk of heavy metals in the soil of redevelopment industrial sites

[J]. Environmental Science, 2020, 41 (11):5125-5132.

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