山西典型工业发展区土壤重金属潜在生态风险评价

葛元英，崔 旭，冯两蕊，张小红

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

山西典型工业发展区土壤重金属潜在生态风险评价

葛元英，崔 旭，冯两蕊，张小红

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

采用野外采样和室内分析相结合的方法，以山西省典型工业区农田表层土壤（0～20 cm）为研究对象，分析了土壤中重金属Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn的含量，探讨了土壤中重金属的含量与不同人类活动的关系，并进行了潜在生态风险评价。结果显示，8种重金属的含量均超过山西省土壤表层的背景值；表层土壤的潜在生态风险评价表明，当地的农田土壤Cr，Ni，Pb，As，Cu，Zn有轻度的生态风险，Cd和Hg存在较大的生态风险。工业区土壤的污染程度明显高于其他地区，局部地区已出现极强污染。

农田土壤；重金属；潜在生态风险；污染评价；山西省

重金属是一种持久性有毒的污染物，进入土壤后不能被生物降解，并会通过地面扬尘被人体直接吸收[1]。当重金属在土壤中累积量超过土壤本身的承受能力时，不仅会影响土壤动植物的生长发育，而且重金属还会通过植物的吸收、富集，并最终通过食物链进入人体，给人体健康带来潜在危害。工业、城市化进程和农业活动等都可能引起土壤重金属污染[2-3]，近年来，国内的研究多集中于资源开发和污灌等导致的土壤重金属污染及其带来的环境及人体健康风险方面[4-8]，而从县域尺度综合考虑人类活动包括工业化、城市化、农业活动（畜禽养殖、施肥和污灌）等对土壤重金属含量影响及其生态风险的研究相对较少[9]。

改革开放以来，介休市的工农业得到了迅速的发展，当前，介休市已发展成为我国重要的以焦炭、煤炭、煤化工为主的新兴工业基地。工业化迅速发展的同时，也给介休市的环境带来很大的挑战，尤其是受人为干扰最大的表层土壤环境。

本研究以介休市不同功能区的表层土壤为研究对象，在野外调查和室内试验分析的基础上对土壤中重金属Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn含量进行测定，分析了表层土壤重金属的污染物的分布特征和现状，并采用瑞典科学家Hakanson[10]提出的潜在生态风险评价法，对土壤重金属进行了潜在生态危害程度的评价，旨在为今后介休市的土壤利用、环境管理以及发展规划提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

介休市位于山西省中南部，汾河南畔。全市总面积744 km2，人口37万。境内平川、丘陵、山区各占1/3，从北向南梯次排列，属暖温带大陆性气候，四季交替分明，日照充裕，气候温和，年均气温10.4℃，平均降水量477.2 mm。常年以8月份为东北风，其他各月均以西南风为主导风向。主要的土壤类型是褐土。介休市农田灌溉的主要方式是河水灌溉和井灌。

1.2 样品采集

2012年6月，根据介休市的具体情况，综合考虑地形、灌溉、功能区分布等特点，采集了72个农田土壤样品。采样时，用GPS进行准确定位，采用不锈钢铲进行取土，去除接触部分。所采集的样品均为0～20 cm的耕层土壤。采集的样品置于室内自然风干，剔除大石块、植物根系等杂质，采用四分法反复取土至200 g左右，磨细过0.149 mm尼龙筛，装袋密封备用。

1.3 样品处理与分析

土壤样品用HNO3-HCl-HClO4-HF法消解，用原子吸收光谱仪测定Cr，Pb，Cu，Ni，Zn等5种重金属元素的含量，具体测定方法参照国家标准GB/T 17137—1997，GB/T17138—1997，GB/T17139—1997进行。用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd元素含量，具体方法参照国家标准GB/T17141—1997；用冷原子吸收法测定Hg元素含量，具体方法参照国家标准GB/T17136—1997；二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定As元素含量，具体方法参照国家标准GB/T17135—1997。分析过程中加入国家标准土壤样品GSS系列进行分析质量控制，每种元素的测定值均在国家标准参比物质的允许误差范围之内。分析样品选取20%的平行双样进行精密度评价，平行双样之间的相对平均偏差小于5%。土壤测定过程中所用试剂均为优级纯。

1.4 土壤重金属的单项及综合潜在生态风险评价方法

采用潜在生态风险指数法评价土壤重金属污染的潜在生态风险。潜在生态风险指数法是国际上土壤/沉积物重金属研究方法之一，该方法不仅将土壤重金属的含量考虑在内，而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，定量地划分出重金属的潜在风险程度，其应用广泛[9，11-12]。

式中，Ci表层表示沉积物中污染物的实测参数；表示全球工业化前沉积物中污染物含量（本研究选择土壤自然背景值作为标准）；表示单个污染物的毒性响应参数。

根据瑞典科学家Hakanson[10]制定的标准化重金属毒性响应参数值分别为Hg（40）＞Cd（30）＞As（10）＞Pb（5）＝Ni（5）＝Cu（5）＞Cr（2）＞Zn（1）。重金属的潜在生态风险指标与分级关系如表1所示。

表1 土壤重金属的潜在生态风险分级标准[13]

1.5 数据分析

数据采用Excel 2003和SPSS 13.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属含量特征分析

从表2可以看出，介休市农田土壤中Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn经单样本的正态分布检验发现，8种重金属元素的含量均符合正态分布。因此，用算术平均值来描述8种重金属含量的大小。所测土壤pH值全部大于7.5。

表2 介休市土壤重金属含量统计分析 mg/kg

以20世纪90年代山西省重金属元素的背景水平作为该区土壤重金属元素的背景参考值[14]。由表2可知，与山西省土壤背景值相比，介休市土壤中Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Zn的均值均显著高于背景值，其中，Hg的均值约为背景值的5倍，Cd的均值约为背景值的2倍。各采样点Cd和Pb含量均高于背景值，各样点中Hg，As，Cr，Cu，Ni，Zn含量高于背景值的样点占总样点的比例分别为95.71%，77.14%，84.29%，77.14%，67.14%，71.43%，这与以往的研究结果相符[15-19]。表明人类活动已导致土壤中Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni，Zn含量的升高。

介休市农田土壤Hg，As，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn的平均含量均低于我国土壤环境质量标准（GB 15618—1995）一级标准，而Cd的平均含量高于一级标准，但低于二级标准。各元素含量的最大值除As接近于国家二级标准外，其他元素均低于国家二级标准。因此，应当注意介休市农田土壤重金属含量的增加，尤其是土壤As含量的增加及其带来的生态风险。

对不同人类活动区域表层土壤Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu，Ni和Zn含量进行了统计（表3），以探讨介休市表层土壤重金属的可能来源。介休市土壤重金属最大值均未超过国家二级标准，但8种重金属含量均超过山西省土壤背景值，说明人为的干扰活动导致了农田土壤重金属含量升高。由表3可知，介休市表层土壤Hg，As，Cd，Cr，Pb，Cu和Zn含量的最大值出现在工业区，而Ni的最大值出现在城郊。就不同人类活动而言，表层土壤中Hg，As，Cd，Pb，Ni，Cu，Cr和Zn平均含量的大小均为工业区＞城郊＞污灌区＞井灌区（图1）。经单因素方差分析发现，除元素Hg外，工业区与其他人类活动区域土壤元素含量呈显著性差异（P＜0.05）（表4），说明工业化过程已导致了表层土壤重金属含量的升高。

表3 不同人类活动区域农田土壤重金属含量 mg/kg

表4 不同人类活动区域农田土壤重金属含量均值差异性 mg/kg

2.2 土壤重金属的单项及综合潜在生态风险评价

多种重金属的综合潜在生态风险指数（RI）的范围为129.36～552.83（表5）。从其频数分布可以看出，62.9%的土壤样点处于中等生态风险程度，34.3%的土壤处于较强的潜在生态风险水平（表6），这主要与Hg和Cd潜在生态危害系数较大有关。说明介休市农田土壤可能遭受较强的Hg和Cd的生态危害，进而导致共有68个（97.1%）土壤样点达到了中等及其以上的风险程度，应引起充分关注。

表5 介休市农田土壤潜在生态危害系数（）及潜在的生态风险指数（RI）统计特征

表5 介休市农田土壤潜在生态危害系数（）及潜在的生态风险指数（RI）统计特征

项目最小值最大值均值标准差潜在生态危害系数EirCd35.59 95.88 61.13 10.83Cr1.21 2.90 2.27 0.31As7.53 24.67 14.52 4.11Hg22.61 443.48 178.31 79.62Pb5.85 13.07 8.92 1.43Cu3.75 9.74 6.36 1.46Zn0.78 1.46 1.12 0.14Ni3.32 7.39 5.55 0.99RI129.36 552.83 278.18 79.10

表6 介休市农田土壤重金属潜在生态危害系数及潜在生态风险指数频数分布

2.3 不同人类活动区域土壤重金属潜在生态风险评价

为进一步研究介休市表层土壤重金属潜在生态风险的来源，探讨了土壤重金属含量低于国家二级标准但高于区域背景值时产生高生态风险的原因，本研究从不同的人类活动类型出发，比较了不同人类活动影响下土壤Cd，Hg及重金属潜在风险指数的大小（图2）。

从图2可以看出，Cd的潜在生态风险系数大小为工业区＞城郊＞污灌区＞井灌区，说明工业化过程、城市化进程、农业活动是造成土壤Cd含量超过背景值的主要因素，Hg的生态风险系数大小也为工业区＞城郊＞污灌区＞井灌区，说明工业生产导致了土壤表层Hg含量的增加，城市化进程、农业活动也可能会引起土壤中Hg含量的提高，如农药的使用等。

从综合潜在生态风险指数来看，其大小顺序为工业区＞城郊＞污灌区＞井灌区，因此，介休市工业的发展、城市化进程的加快和农业活动已导致土壤中重金属一定程度的累积。为进一步说明当地土壤的潜在生态风险水平，本研究还在这70个土壤样品采集处采集了20个小麦样品。由于当地土壤中Cd和Hg的生态风险指数较高，因此，本研究对小麦样品中Hg和Cd的含量进行了测定，得出小麦中Hg和Cd的平均含量分别为0.012，0.022 mg/kg。尽管Hg和Cd的均值远低于我国粮食中Hg和Cd的限量标准值（0.02，0.1 mg/kg），但是工业区附近的样点Hg含量接近Hg的限量值，Cd含量接近Cd的限量值，可能是由于大量工业废弃物的处理或存放导致Hg和Cd释放到土壤及大气中，进而导致麦粒Cd和Hg的暴露，如果不严加控制，最终可能会对人体健康造成一定的影响。

3 结论

本研究结果表明，介休市土壤中Pb，Hg，As，Cd，Cr，Cu，Ni，Zn的均值均显著高于山西省背景值，各元素含量的最大值除As接近于国家二级标准外，其他元素含量的最大值均低于国家二级标准。

不同人类活动会导致土壤重金属元素含量上升，工业活动、城市化和农业生产是导致土壤重金属元素含量升高的主要原因，其中，工业生产会导致重金属含量显著增加。

土壤Hg和Cd存在较大的潜在生态风险，这与2种元素的特性有关，也与工业生产、城市化过程所带来的污染有关。其中，工业生产是造成土壤Cd高生态风险的主要原因。介休市工业生产、城市化、农业生产已造成土壤中重金属一定程度的累积，且土壤Cd和Hg高潜在风险也可能是麦粒中Cd和Hg接近粮食限量值的主要原因。今后将进一步重视介休市农田土壤的安全监控和生态风险。

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Assessment on the Potential Ecological Risk of Heavy Metals in the Soil of Typical Industrial Development Area of Shanxi Province

GE Yuan-ying，CUI Xu，FENG Liang-rui，ZHANG Xiao-hong
（College of Resources&Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The contents of toxic metal Hg，As,Cd,Cr,Pb,Cu,Ni and Zn were investigated by sampling the topsoil（0-20 cm）from suburb cropland in Jiexiu city,and their relations with different human activities were discussed.The potential ecological risks of these heavy metals were assessed.The results showed that the content of the eight metals in all of the soil samples exceeded the background value of the soil surface of Shanxi province.The potential ecological risks of Cr,Ni,Pb,As,Cu,Zn were at lower level,while that of Cd and Hg were at a higher level.Industrial areas pollution of soil was significantly higher than other areas,some areas had emerged highly contaminated.

farmland soil;heavy metal;potential ecological risk;pollution assessment;Shanxi province

X53

A

1002-2481（2016）05-0635-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.16

2015-11-19

葛元英（1977-），女，江苏泗阳人，实验师，硕士，主要从事环境质量监测与评价研究工作。