太原市污灌区土壤重金属分布特征及风险评价

栗献锋

（山西省水利建设开发中心，山西太原030024）

土壤是生态环境的重要组成部分，是与人类关系极为密切的环境介质，也是人类赖以生存的主要自然资源之一[1]。随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染日益严重[2]。土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解及治理和恢复难度大等特点[3]。重金属可经水、植物等介质最终影响人类健康。因此，加强对耕地土壤重金属污染的调查和研究是当前进行农业生态环境保护的重要方向，也是实现农业可持续发展的关键。

太原污灌区是我国污灌历史较长、面积较大的典型污灌区之一，长期污灌使土壤的性质发生了较大的变化。郭翠花等[4-6]于1995—1997年对太原市地表土中 Cu，Cd，Cr，Zn，Mn，Hg 和 As这7种元素的含量、分布规律、污染程度、污染原因进行了研究分析，得出Cu，Cd，Zn，Hg这4个元素的含量超过了中国土壤背景值，Cd污染最严重，污染面积达到100%。张乃明等[7-8]于1996—2000年对太原市污灌区土壤中的重金属含量及空间分布特征进行了分析，结果表明，Hg，Cd含量在污灌区中部较高，分布在晋源区一带。但是，到目前为止，对太原市大范围的污灌区土壤重金属积累的情况仍缺乏系统、全面的研究，对其土壤重金属积累的动态变化情况至今仍缺乏了解。近年来，随着环境保护措施的不断完善和环保技术水平的不断提高，污水中的重金属水平已经发生明显变化。污灌对土壤重金属积累的动态影响目前仍有待研究。

本研究通过对太原市污灌区土壤重金属的分布特征分析，用综合污染法和潜在生态危害指数法评价污灌区内重金属的潜在生态风险，结合当地背景值对分级标准进行了重新划定，以使其更好地反映生态危害程度，为揭示太原市污灌区的污染特征及污染治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 采样区概况

太原市位于山西中部，东经 111°30′～113°09′，北纬 37°27′～38°25′，地势南低北高，地形以山地丘陵为主，最高点海拔2 760 m，最低点海拔760 m。气候属中温带季风半干旱半湿润气候，年平均气温10.8℃，年日照时数2 550～2 870 h，年降雨量376.2 mm，无霜期170 d，河流分属汾河流域。土壤类型以石灰性褐土和褐土性土为主。太原市的污水灌溉主要集中在清徐、小店、晋源和尖草坪区4个县区。太原市污水灌溉始于20世纪60年代，其污灌区是我国污灌历史较长、面积较大的典型污灌区之一，污灌区种植作物主要有水稻、玉米、小麦、蔬菜等。贯穿南北的汾河是太原市城市生活污水和工业废水排放的总归宿，各种污水和工业废水经18条支流从东西两侧汇入其内，年排放量高达2.5亿m3，污灌区以汾河水与污水混合灌溉为主。

1.2 样品的采集

土样于2008年4月采集，采样点位按污水渠流向采用网格布点法布设，GPS定位，同时考虑污水水质、土壤类型、污灌历史等因素，共布设150个0～20 cm表土采样点，13个有代表性的0～100 cm深剖面点（每个点位分别设0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 共 5 层）。各区采样点数量分布为：小店区，50个表土采样点、4个分层采样点；尖草坪区，15个表土采样点、2个分层采样点；晋源区，35个表土采样点、3个分层采样点；清徐县，50个表土采样点、4个分层采样点（图1）。布点后用土壤采样器采取2 kg左右土壤编号登记后带回实验室进行预处理。

1.3 分析测试方法

土壤样品风干后过0.149 mm尼龙筛，用HNO3-H2O2法（USEPA Method.3050B）消煮后测定 As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn 浓度；硝酸 - 盐酸混合液（体积比1∶1）于沸水浴中消煮2 h后用于测定土壤中的Hg[9]。消煮液中Cd含量用石墨炉 - 原子吸收光谱法测定；Cr，Cu，Ni，Pb，Mn，Zn含量用火焰-原子吸收光谱法（AA240FSVAR IAN）测定；As，Hg含量用原子荧光法（AFS－3100双道原子荧光光度计）测定。分析过程所用试剂均为优级纯。所有测定均由空白样和加标回收样进行质量控制，各种重金属的回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

土壤重金属污染评价标准采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）的二级标准和太原市土壤重金属元素背景值，采用单项和综合污染指数法、Hakanson潜在生态风险指数法分别对土壤重金属污染进行评价[10]。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量分布

经监测分析，太原市污灌区不同区域土壤中重金属含量分布差别较大（表1），采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中的二级标准进行对比分析。

由表 1 可知，Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量分别在 16.8～52.5，52.4～259.0，14.9～48.9，17.8～46.7，409.0～926.0，48.0～99.7，5.3～21.3，0.02～1.30，0.11～0.45 mg/kg范围内，均未超过土壤环境质量二级标准。总体上，9种重金属含量的均值大小依次为：Mn＞Zn＞Cr＞Ni＞Cu＞Pb＞As＞Cd＞Hg。但从不同研究区域看，除重金属Hg外，小店区的土壤其他重金属含量较高，其余3个区域重金属含量之间差异不大。清徐县 Pb，Zn，Cu，Hg，Cd 均值最低，分别为 21.80，72.07，24.34，0.057，0.157 mg/kg。尖草坪区 Ni，Mn均值最低，分别为29.81，626.13 mg/kg。重金属Hg含量在晋源区为最大，因为晋源区分布有多家化工厂、太原市第一热电厂、造纸厂、医药园区等企业，Hg污染除了与这些厂矿企业的高耗能有关外，工业三废排放灌溉土壤也是Hg污染的重要来源；清徐县为最小，两地含量分别为0.161，0.057 mg/kg。

表1 太原市污灌区土壤重金属含量特征 mg/kg

变异系数反映了总体样本中各采样点的平均变异程度[11]，其数值越大，土壤差异越大；反之，土壤差异越小。该区域变异系数分布在6.22%～129.83%之间，Hg的变异系数最大，达到135.20%，Cr的变异系数最小，为9.53%；平均变异系数由大到小的顺序为：Hg，Cd，Zn，As，Cu，Pb，Ni，Mn，Cr。从土壤中重金属的变异系数来看，除了Hg变异系数较高外，其他都较小，表明样点重金属指数值的平均变异程度均较小。

以相关元素背景值为评价标准，该标准是土壤环境质量评价最基本的依据之一，也是判别土壤污染程度与否的重要标准之一[10]。通过与太原市土壤重金属背景值[11]比较（表 2），土壤 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd 含量均极显著高于背景值（P＜0.01）。其中，土壤Hg含量与背景值的差别最为明显，其平均值为背景值的2.73倍，最高达到背景值的40倍左右；土壤Cd含量平均值为背景值的2.47倍，最小值为背景值的1.43倍。Pb，Cd 超标率为 100%，Zn，Cu，Mn，Cr，As 的超标率都在94%以上，Hg，Ni超标率分别为89%，72%。可见，由于工农业的发展和城市化的加快，常年使用污水灌溉，太原市污灌区土壤已表现出不同程度的重金属累积现象。

表2 土壤重金属含量平均值与太原市背景值比较 mg/kg

2.2 污染评价

分别用单项污染指数法和综合污染指数法对重金属污染现状进行了评价，单项污染指数评价可以体现每一个评价指标的污染状况，单项污染指数越高，对综合污染指数的贡献率和影响就越大。

综合污染指数全面反映了各污染物对土壤污染的不同程度，并且充分考虑了高浓度物质对土壤环境质量的影响，其是单项污染指数评价法的综合和改进。

单项污染指数评价法以单项因子实测含量（Ci，mg/kg）与其标准或背景值（C0，mg/kg）进行对比（Ci/C0），作为该因子的污染指数（Pi）。该指数小则表明污染物污染程度较轻，指数大则表示污染物污染程度较重[1]。本研究所用重金属的背景值是根据文献[11]选取（表2）。

综合污染指数的算法有多种，一般采用内梅罗指数法Nemerow’s Pollution Index计算。内梅罗指数反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，评价公式为：

式中，Pave为单因子污染指数平均值，Pmax为污染指数最大值。

土壤污染评价等级划分标准如表3所示。

表3 土壤污染评价分级标准

以相关元素背景值为评价参照标准，计算研究区域150个样点表层土壤9种重金属的单因子污染指数值和综合污染指数值，分析结果列于表4。

表4 太原市污灌区土壤重金属污染评价

从表4可以看出，根据单项污染指数法和综合污染指数法，土壤均受到重金属污染。在研究区中的重金属 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg，Cd的单项污染指数变化范围分别为1.58～2.00，1.28～1.76，1.32～1.81，1.02～1.31，1.24～1.47，1.34～1.48，1.37～1.90，1.72～4.89，2.04～3.09；其均值分别为 1.81，1.49，1.54，1.14，1.35，1.40，1.64，2.74，2.42，均大于 1。太原市污灌区综合污染指数均值为2.72，说明土壤受到重金属中度污染。Hg和Cd的污染指数相对较高，对环境的污染也较大。太原市污灌区表层土壤重金属的平均单因子污染指数从大到小依次为：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni。由综合污染指数评价结果看，晋源区重金属污染程度明显高于清徐县，而尖草坪区与小店区的污染程度相当，即晋源区＞尖草坪区＞小店区＞清徐县。但也不排除外来因素对土壤重金属的影响。

2.3 潜在生态风险评价

目前，土壤环境质量评价方法很多，但往往没有将污染物与其生物毒性、生态危害有机地结合。潜在风险评价法可以弥补这一缺陷，潜在生态危害指数法是瑞典科学家Hankanson根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对土壤中重金属污染评价的方法。该方法考虑了重金属含量，将重金属生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用等价属性指数分级法评价，反映某一特定环境中各种污染物的影响和多种污染物综合影响，定量划分了潜在生态危害的程度。Hankanson提出的潜在生态危害指数法计算公式为：

式中，Cif为单一重金属污染系数；CiD为样品实测浓度（mg/kg）；CiR为土壤的背景参考值（mg/kg，采用太原市土壤背景值[11]）；Eir为某单个重金属潜在生态危害系数；Tir为不同重金属生物毒性响应系数；RRI为多种重金属潜在生态危害指数值。Hankanson给出的重金属毒性响应系数分 别为 Pb（5），Zn（1），Cu（5），Ni（5），Mn（1），Cr（2），As（10），Hg（40）和 Cd（30）。

重金属污染潜在生态危害分级标准如表5所示。

表5 重金属污染潜在生态危害指标与分级情况

由表6可知，太原市不同污灌区土壤中Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As单因子潜在生态危害系数（Eir）均小于40，为轻度生态危害。尖草坪区、晋源区和清徐县污灌土壤中Cd单因子潜在生态危害系数（Eir）在40～80之间，为中度生态危害；小店区污灌土壤中Cd单因子潜在生态危害系数（Eir）在80～160之间，为较强生态危害。清徐县污灌土壤Hg单因子潜在生态危害系数（Eir）在40～80之间，为中度生态危害；小店区和尖草坪区污灌土壤Hg为较强生态危害，晋源区污灌土壤Hg生态危害系数为195.57，为很强生态危害。研究区土壤重金属含量多因子潜在生态危害指数（RI）在150～300之间，处于中度生态危害级别，其中，晋源区最高，小店区和尖草坪区相差不大，清徐县为最小。

表6 潜在生态危害系数和危害指数

总体上，潜在生态风险最高的元素是Hg，反映了重金属元素Hg对生态的毒性高于其他元素；其次是Cd的潜在生态危害系数相对较大，污染程度也较高；而 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As属于轻微水平，平均生态危害系数从大到小为：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn。

3 结论与讨论

（1）对太原市污灌区土壤重金属 Pb，Zn，Cu，Ni，Mn，Cr，As，Hg 和 Cd 的含量状况及分布特征进行调查和研究，结果表明，该地区重金属含量均值分别为 24.95，83.86，28.33，33.30，682.16，80.08，12.46，0.09，0.19 mg/kg，均未超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），但其平均值均显著高于太原市土壤背景值。

（2）太原市污灌区土壤重金属单因子污染指数（Pi）值由大到小顺序为：Hg＞Cd＞Pb＞As＞Cu＞Zn＞Cr＞Mn＞Ni，单项生态危害系数（Eir）排序为：Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Mn，说明Hg，Cd在构成土壤环境污染的同时，也构成了相应的生态危害。

农田土壤中重金属的来源除受成土母质的影响外，主要受化肥农药施用、大气沉降和污水灌溉等人类活动的影响。造成太原市污灌区土壤重金属污染，尤其是Hg和Cd污染的主要原因，首先是工业排放废水灌溉土壤，对土壤造成了不同程度的污染。如在污染最严重的晋源区主要分布有多家化工厂、太原市第一热电厂、造纸厂、医药园区；尖草坪区有太原钢铁公司、太原第二热电厂、山西新华化工厂、山西兴安化学材料厂、东方机械厂、太原江阳化工厂、太原轨枕厂；小店区有太原橡胶厂、太原线织印染厂、山西针织厂和山西毛纺厂，这些厂矿企业的高耗能及工业三废的排放是Hg，Cd和As污染的重要来源。其次是农业和化肥的大量使用。另外，Hg污染与汽车尾气的排放也有很大关系。太原市污灌区土壤Hg污染程度较重，加之土壤Hg污染具有较强的累积性，所以应对其加以控制。

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