焦化厂周边土壤重金属分布特征及生态风险评价

商执峰，祝 方，刘 涛，陈 东

（太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原030024）

焦化生产过程中重金属污染物会随着产品的泄露、堆放、淋洗以及飞灰的沉降进入土壤，对动植物的生长以及人类的健康造成潜在威胁，因此对焦化厂附近土壤中重金属的调查研究对于保护当地生态意义重大。目前对焦化厂土壤中重金属的研究主要是张亦驰［1］和尹勇［2］等对焦化厂场地中重金属空间分布进行的研究，而对焦化厂土壤中重金属的生态风险评价研究报道较少，因此需要借鉴其他土壤中重金属的生态风险评价方法进行研究。土壤中重金属生态风险评价的主要方法有Hakanson潜在生态危害指数法［3－4］、内梅罗综合污染指数法［5］、地累积指数法、污染负荷指数法［6］和沉积物富集系数法。其中Hakanson潜在生态危害指数法综合考虑了多种重金属的协同作用、毒性水平、污染浓度、生态效应以及环境对重金属的敏感程度等因素，地累积指数法综合考虑了人为因素、污染地球化学背景值等方面对重金属污染程度的影响，适用于土壤中重金属的生态风险评价。Sun Yuebing等［7］采用综合污染指数和潜在生态危害指数对沈阳地区表层土壤中重金属的生态风险评价进行了研究，表明研究区域存在严重的生态风险，其中Pb和Cd对生态风险的贡献率较大；于云江等［8］采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对某流域农田土壤中重金属污染的生态风险进行评价，结果表明该区域存在较严重的潜在生态风险，Cd的风险指数最高。此外，研究人员还通过模糊数学模型［9］、灰色聚类模型［10］和 GIS的地统计学评价模型［11－12］对土壤中的重金属造成的生态风险进行了评价。本研究对太原市某焦化厂周边土壤3km范围内土壤表层采样，研究了土样中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度和空间分布，并采用单因子质量指数法、地累积指数法以及潜在生态危害指数法对土样中6种重金属的生态风险进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择太原市某焦化厂（东经112°47′，北纬37°84′）周边土壤作为研究对象。该区域冬季主导风向为西北风或者是偏北风。此焦化厂于1982年8月开工建设，1984年12月正式投产，占地面积约3.0×105m2。该厂年产城市煤气1.5×108m3，冶金焦炭7.0×105t，焦油、轻苯、硫胺、粗酚等化工产品4.0×104t。投产至今，该焦化厂总计生产焦炭1.77×107t，生产城市煤气近3.3×109m3。

1.2 土壤样品的采集与处理

本研究采样时间为2012年11月25号进行，在太原市某焦化厂东、西、南和北4个方向上，在500，1 000和3 000m处表层土壤（0—20cm）各取3个土壤样品，混合均匀后采用四分法取土壤样品，将土壤样品装入无菌的采样袋。去除土壤中的残渣物，风干后研磨、过100目筛，样品消解后采用原子吸收法对土壤中重金属的含量进行测定。所有样品的测定过程通过空白试验和加标回收试验两种方法对样品进行质量控制，各种重金属的加标回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.3 土壤样品重金属的生态风险评价方法

本研究采用单因子指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对研究焦化厂附近土壤中重金属的污染状况及生态风险进行综合评价。

1.3.1 单因子指数法 单因子污染指数法是以土壤元素背景值为评价标准来评价某一种重金属元素的累积污染程度，表达式为：

式中：Pi——土壤中重金属i的环境质量指数；Ci——重金属i的实测浓度；Si——重金属i的土壤环境质量标准［13］中Ⅱ类标准的临界值。若Pi≤1.0，则土壤没有受到人为污染；若Pi＞1.0，则土壤已受到人为污染，而且指数越大则表明土壤重金属累积污染程度越高。

1.3.2 地累积指数法 地累积指数法是广泛用于研究土壤和沉积物中重金属污染程度的定量指标，综合考虑了人为因素、污染地球化学背景值等方面的影响。其表达式为：

式中：Ci——重金属i在土壤中的含量；Bi——该重金属的地球化学背景值，本研究以太原市土壤中重金属背景值为地球化学背景值［14］；k——考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（一般取值为1.5）。地累积指数的分级标准与污染程度的划分如表1所示。

表1 地累积指数法分级标准

1.3.3 Hakanso潜在生态危害指数法 Hakanson潜在生态危害指数法综合考虑了多种重金属的协同作用、毒性水平、污染浓度、生态效应以及环境对重金属的敏感程度等因素，适合于土壤和大区域范围沉积物进行评价比较。其表达式为：

表2 重金属元素的參比值Cin以及毒性系数Tir

表3 重金属潜在生态危害指数的分级标准

2 结果与讨论

2.1 土壤中6种重金属的分布特征与污染状况

由焦化厂周边土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的分布状况分析得出，除Cu和Cr外，各方向Pb，Cd，Zn和Mn的含量均表现为：北部＞西部＞东部＞南部，1 000m处＞3 000m处＞500m处，而且所有采样点中焦化厂1 000m处土样中6种重金属的含量均为最大值。结合土壤环境质量标准发现，Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的含量均未超过国标中的相应重金属的临界值，符合国家规定的土壤环境质量标准，而Cd的含量为国标Ⅱ级标准中Cd临界值的2.1～7.2倍，使得焦化厂周边土壤受到严重的Cd污染。

2.2 土壤重金属Pb，Cd和Zn的富集系数

土壤的污染程度除了使用重金属含量表征外，也可以用重金属的富集系数Cif即污染系数表征其污染程度。图1为焦化厂周边土壤各采样点中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn的富集系数。图1中可以看出，焦化厂周边土壤中6种重金属的富集系数大小顺序为：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn。所有采样点中 Mn的富集系数均小于1；Cd，Pb，Zn，Cr和Cu分别在100%，91.7%，50%，16.7%，75%采 样 点 中的富集系数大于1，说明在焦化厂3km的范围土壤受到的不同程度的人为污染。在东南西北方向的土样中焦化厂北面1 000m处Pb，Cd，Cr和Mn的富集系数为最大，东面1 000m处Zn和Cu的富集系数最大，即重金属在焦化厂1 000m处存在较严重富集，特别是焦化厂北1 000m处Cd的富集最为严重，导致此处土壤受到的人为污染也最严重。

图1 不同土壤采样点中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的富集系数

2.3 单因子指数法评价法

表4反映了焦化厂周边采样点土壤中6种元素的单因子指数，各采样点土壤中各元素的单因子指数Pi值表现为：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn，100%采样点中Pb，Zn，Mn和Cu的Pi值小于1，Cr和Cd分别在16.7%和100%的采样点中的Pi值大于1，而且1 000m处采样点土壤中各元素的Pi值均为最大，同时各方向的采样点中Pb，Cd和Zn的Pi值表现为：北部＞西部＞东部＞南部，1 000m处＞3 000m处＞500m处。可见，焦化厂北面1 000m受到的重金属污染较为严重，而且此处Cd的富集系数和单因子指数均为最大，导致此处重金属污染最为严重。焦化厂土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和 Mn污染程度依次为：Cd＞Cr＞Cu≈Zn＞Pb≈Mn。

2.4 地累积指数法（Mull指数）评价

表5为不同采样点土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的地累积指数（Igeo）。采样区土壤中6种重金属的地累积指数大小依次为：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Cr＞Mn。土壤所有采样点中Zn，Cr，Cu和Mn的地累积指数小于0，生态风险等级为0级，无生态风险；50%的采样点中Pb的地累积指数在0～1之间，生态风险等级为1级，存在轻微的生态风险；100%的采样点土壤中Cd的地累积指数均在2～4之间，风险级别为3～4，其中风险级别为3的采样点数占75%，风险级别为4的采样点数占25%，即焦化厂北1 000和3 000m和西面1 000m处Cd的风险级别为4，存在偏重度累积。结合图2和表4可知，在焦化厂北1 000m处Cd在土壤中的累积程度最大，对土壤的污染也最严重。

表4 土壤采样点中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的单因子指数Pi

表5 采样点中Pb，Cd，Zn，Cu、Cr和 Mn的地累积指数（Igeo）以及风险等级

2.5 潜在生态危害指数法评价

焦化厂周边土壤中不同采样点中的Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潜在生态危害指数详见表6。由表6可得，焦化厂周边3km范围内所有样点土壤中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潜在生态风险系数和风险程度依次为：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，1 000m＞3 000m＞500m。所有采样点的土壤中Pb，Zn，Cu，Cr和Mn的潜在生态危害系数均低于40，风险级别为A级，存在极低的潜在生态风险；而所有采样点土壤中Cd的潜在生态危害系数均大于160，风险级别为D级和E级，存在严重和极严重的潜在生态危害，其中75%的采样点存在严重的潜在生态危害，25%的采样点存在极严重的潜在生态危害。

表6 采样点中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潜在生态危害系数（）以及潜在生态危害指数RI

表6 采样点中Pb，Cd，Zn，Cu，Cr和Mn的潜在生态危害系数（）以及潜在生态危害指数RI

注：风险级别A，B，C，D和E分别表示低、中等、重、严重和极严重潜在生态风险。

采样点位置Zn级别500 0.79 A 4.85 A 188.69 D 1.67 A 4.85 A 0.073 A 200 Pb Cd Cr Cu Mn Eir 级别Eir 级别Eir 级别Eir 级别Eir 级别Eir 级别 RI.89 B东部 1 000 1.31 A 7.28 A 283.15 D 1.43 A 6.69 A 0.083 A 299.90 B 3 000 1.12 A 6.68 A 235.94 D 1.32 A 5.22 A 0.019 A 250.26 B 500 0.92 A 6.07 A 188.81 D 1.54 A 4.92 A 0.075 A 202.34 B西部 1 000 1.25 A 7.28 A 471.78 E 1.26 A 5.59 A 0.099 A 487.25 C 3 000 0.96 A 6.68 A 283.18 D 1.04 A 4.99 A 0.084 A 296.91 B 500 0.75 A 5.46 A 235.87 D 1.72 A 4.63 A 0.089 A 248.54 B南部 1 000 1.30 A 7.28 A 283.15 D 2.05 A 5.81 A 0.091 A 298.85 B 3 000 0.98 A 5.46 A 188.75 D 1.86 A 5.44 A 0.080 A 202.58 B 500 0.98 A 7.29 A 283.24 D 1.84 A 5.81 A 0.085 A 299.24 B北部 1 000 1.29 A 9.62 A 654.48 E 2.22 A 6.17 A 0.100 A 673.89 D 3 000 1.23 A 8.48 A 565.23 E 1.97 A 5.96 A 0.086 A 582.92 C RI 12.88 69.69 1 449.95 19.92 66.08 0.929 Cd生态风险达A A E A A A 到严重程度级别

从采样点土壤中单一重金属的角度分析可得，焦化厂周围土壤中6种重金属的潜在生态危害指数大小顺序依次为：Cd＞＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn，除Cd外其余5种重金属产生潜在生态风的程度险极低。所有土样中Cd的风险级别均在D级以上，存在严重的生态风险。在焦化厂西1 000m、北1 000和3 000m处土样中Cd的风险级别甚至达到了E级，存在极严重的潜在生态风险；综合6种重金属的潜在生态危害指数分析可知，在焦化厂3km的范围内东、西、南和北方向上的6种重金属的潜在生态危害指数分别为751.05，986.50，749.97和1 556.05，潜在风险级别为严重、严重、严重和极严重风险，说明该研究区域土壤中重金属存在严重的潜在生态风险，而且在焦化厂北重金属的潜在生态风险达到极严重的程度，需要重点治理。在焦化厂土壤如此严重的生态风险中，Cd导致的生态风险程度（贡献率）分别占94.24%，95.87%，94.37%和93.18%，可见 Cd是该区域中产生潜在生态风险的主导因子。

3 结论

（1）焦化厂周边土壤中重金属Cd含量超过（GB15618—1995）Ⅱ级标准规定的标准值，其余5种元素未超过其相应的标准值，而且各重金属含量均在焦化厂1 000m处达到最大值。

（2）焦化厂周围土壤中重金属的生态风险程度达到严重的程度，特别是焦化厂北面存在极严重的潜在生态风险，其中Cd是产生风险的主导因子，应该对焦化厂北面进行重点治理。

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