四平市典型工业区土壤重金属监测及生态风险评价

刘 凤，关月明，车广波，杨春维

(1.吉林师范大学 吉林省高校环境材料与污染控制重点实验室，吉林 四平 136000；2.吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

随着工业“三废”排放的增加，土壤中重金属不断累积，不仅阻碍了作物的生长，甚至危及人类健康，影响社会经济的可持续发展[1]。土壤重金属污染与工业企业排放密切相关，研究工业区土壤重金属的污染情况，给政府进行工业园区规划提供科学依据[2]。区域土壤重金属污染的调查与评价已成为目前环境领域的研究热点[3]。常用的土壤生态风险评价方法主要有内梅罗综合污染指数法、地积累指数法和潜在生态风险指数法等。这些评价方法能够直观反映土壤污染物空间变化趋势和污染程度，根据实际情况可以将多种方法进行综合使用，从而有效解决土壤生态风险评价中的实际问题[4]。

本研究结合四平市地区经济及产业发展特点，以某化工厂作为研究对象，对土壤中重金属进行检测分析，并对重金属污染进行生态风险评价，以期为土壤重金属污染控制提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集与测定

四平是东北地区重要的交通枢纽和物流节点城市。地势东南高，西北低，城区被北、东、南丘陵环绕，形成箕形盆地，“簸箕口”朝西。集合四平的地形地貌及化工厂的具体情况，总体上采用格网布点的方法。土壤重金属样品采集按照《NYT 1121.1-2006土壤检测第1部分: 土壤样品的采集、处理和贮存》方法进行采集和贮存。每个样品由4 m×4 m范围内采集的5个等容小样均匀混合而成。每个样点垂直采集0～20 cm表层土壤，混合后装入聚乙烯袋内。土壤样品约为1 kg，贴签后运回实验室备用。

1.2 样品处理与分析

按照HJ/T 166-2004 和GB 17378.5-2007 标准的要求，将样品进行风干、研磨至100目，避开其他可能污染物。准确称量0.2 g土壤于坩埚中，经HCl-HF- HClO4消解后，采用火焰原子吸收分光光度法对镉、铜、铅、锌4种重金属进行测定，所有试剂均选用优级纯，水为超纯水。为了保证分析的精度和准确度，测定3次取平均值。pH值测定时先将土样与去离子水按质量比1∶2.5进行混合，然后用pH计进行测定。测试过程严格按照《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166-2004)中相关规定进行质量控制和质量保证。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 软件和SPSS 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 重金属含量的分析

土壤 pH值在5.87～7.01之间，大部分采样区土壤 pH值低于7.0，表明工业区土壤呈酸性，这可能与化工生产中排放大量的酸性物质有关。Zn，Cd，Cu和Pb含量均值是吉林省土壤背景值的1.16倍，2.11倍，1.92倍和18.42倍，分别是中国土壤背景值的1.06倍，2.70倍，1.45倍和17.30倍(表1)。不同元素超出背景值的程度不同，重金属含量与背景值比值大小依次为 Pb>Cd>Cu>Zn。

与相关的标准相比较，Pb的含量均超过土壤环境质量标准值二级(GB15618-1995)和第一类建设用地土壤污染风险筛选值，未超过土壤环境质量标准值三级(GB15618-1995)和第二类建设用地土壤污染风险筛选值，Zn，Cd和Cu三种重金属的含量均未超标。对建设用地土壤中污染物含量超过风险筛选值的，应当开展进一步的详细调查和风险评估，并结合规划用途，判断是否需要开展风险管控或治理修复。

变异系数可以表征数据的离散程度，变异系数越大，表明土壤重金属分布受到干扰活动越强[7]。4种重金属平均变异程度大小顺序为Cu>Pb>Cd>Zn，其中 Cu和Pb的变异系数均在 0.4 以上，说明研究区这 2 种元素相对于其他重金属来说具有更强的空间变异性，更易受到人类活动的影响。

表1 工业区土壤重金属含量(mg/kg)

2.2 重金属的风险评价

2.2.1 内梅罗综合污染指数法

通过计算单因子污染指数来确定重金属在土壤中的污染程度[5]。计算公式为：

Pij=Cij/Sj

式(1)

式中：Pij—污染指数；

Cij—污染物的测量值，mg/kg；

Sj—评价标准。

内梅罗综合污染指数是一种兼顾平均值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，可以综合反映出不同污染物在土壤中的污染程度。计算公式为[6]：

式中：P—综合指数；

Pmax—最大单项污染指数值；

Pavg—所有污染物单项指数平均值。

分级标准见表2。

表2 内梅罗综合污染指数分级标准

统计结果显示，Zn的污染指数为0.7，污染水平为尚清洁，Cu和Cd的污染指数分别为1.1和1.2，这两种重金属超过背景值，三种重金属污染程度达到警戒限，而Pb的污染指数为15.0，达到了重污染的程度。

2.2.2 地累积指数评价法

地累积指数由Muller于20世纪60年代提出，也称Muller指数。该方法考虑自然地质过程造成的背景值影响，也考虑人类活动过程产生的重金属影响，直观反映外源重金属富集程度[7]。计算公式为：

Igeo=log2(Cn/KBn)

式(3)

式中，Cn为重金属实测值，mg/kg；

k为修正系数，一般取1.5；

Bn为背景值。地累积指数分为7级，分级情况见表3。

表3 地累积指数(Igeo)分级情况

通过公式计算后得出(表4)，铅为中度污染，其他三种重金属地累积指数等级均为清洁。该方法缺点是不能判别重金属对生物的毒性以及对生态环境的危害程度。因此，需要运用其他方法来进一步评价重金属对生态环境的危害。

表4 重金属地累积指数(Igeo)

2.2.3 潜在生态危害指数法

瑞典科学家Hakanson 应用沉积学原理，提出了潜在生态风险指数[8]，该方法将重金属含量与生态及毒理效应联系在一起，有效的体现了重金属的潜在生态危害程度[9]。其公式为(4)和(5)。

RI—潜在生态危害指数。

生态危害程度划分标准：

由表5可得出，Cu、Zn、Cd均为轻微生态危害，Pb的潜在生态危害指数最高值为187.0344，对环境具有很强生态危害，在以后的生产活动中要采取适当的风险管控和污染源管理措施。

表5 重金属的单项和综合潜在生态危害指数

3 结论

四平市典型工业区土壤pH值在5.87～7.01之间，大部分采样区土壤pH值低于7.0，表明土壤呈酸性，这可能与化工生产中排放大量的酸性物质有关。不同重金属元素超出背景值的程度不同，重金属含量与背景值比值大小依次为 Pb>Cd>Cu>Zn。Zn污染水平为尚清洁，Cu和Cd的污染超过背景值，三种重金属污染程度达到警戒限，而Pb达到了重污染的程度。Cu、Zn、Cd均为轻微生态危害，Pb的潜在生态危害指数最高值为187.0344，对环境具有很强生态危害，因此研究区需要根据评价等级，制定相应降低生态风险的防治措施，从源头上减少有害重金属元素的生物有效性。