吴忠市表层土壤重金属污染及其潜在生态风险评价

刘乃静, 李 臻, 赵银鑫, 马玉学, 刘海燕，侯尚杰

(1.宁夏回族自治区地质调查院，银川 750001；2.宁夏煤矿安全监察局，银川 750001)

随着中国城市化进程的不断推进，工农业、建筑行业、交通运输业等得到迅速发展，人民生活水平得到明显改善，但这种迅猛发展对城市土壤带来了不同程度的破坏，尤其是土壤中的重金属污染愈加严重[1-5]。重金属具有富集性和难降解性，可通过生活污水及工业废水的排放、市政建设、交通运输、农药过量使用等途径进入土壤[6-7]，对土壤的污染具有不可逆转性，不仅影响城市土壤生态功能，还会通过食物链进入人体，威胁人类生命的安全[8]。因此，相关学者对城市区域土壤中重金属污染以及其潜在生态危害进行了较为广泛的研究[9-14]。

宁夏作为中国西北地区的一颗璀璨明珠，享有“天下黄河富宁夏”和“塞上江南”的美誉，2011年，宁夏沿黄经济区作为全国“两会”上提出的国家18个重点开发区之一，被写入了“十二五”规划纲要，该举措有力推动了宁夏当地的经济高速发展。吴忠市作为宁夏沿黄经济崛起区和生态文明示范区，有色金属冶炼、石油开采、石油加工、化工、农药、焦化、电镀、制革等行业的企业陆续入驻。由于当地独特的温差气候、肥沃的土壤及优良的水质，吴忠市不断加大招商引资力度，2018年占地2 200亩的大生农业集团首个供港蔬菜标准化示范基地在宁夏吴忠落地。因此，研究吴忠市的土壤重金属污染情况及其潜在生态危害对于吴忠市以及宁夏沿黄经济区的可持续发展具有重要意义，而且对宁夏吴忠市的相关研究鲜有报道。以吴忠市及其周边地区的土壤为研究对象，对土壤中的重金属进行含量分析、空间分布特征研究，并对土壤重金属的污染及潜在生态危害进行讨论分析，以期为吴忠市以及沿黄经济区城市环境规划和污染治理等生态文明建设提供科学依据。

图1 吴忠市土壤重金属污染调查点分布Fig.1 Distribution of sampling sites for investigation of soil heavy metal contamination in Wuzhong

1 材料与方法

1.1 样品采集及测试

1.1.1 样品采集

吴忠市位于宁夏回族自治区中部，是中国黄河中上游沿岸城市，地貌类型为冲积湖积平原，属中温带干旱区，光照充足，灌渠交错，交通发达。研究区东北部为吴忠市辖区利通区城区，中南部及黄河西岸的乡镇区分布有大面积的农田，西南部为牛首山。

研究区地势平坦，因此采用棋盘式布点法进行的样品采样(图1)，于2018年6月完成采样工作。共采集表层土壤样品(深度0～20 cm)100份，每个采样点均控制以梅花形的方式采集5个土壤子样，现场充分混合后，取1.0～1.5 kg装入聚氯乙烯塑封袋中封装，同时用手持GPS仪记录各采样点的地理坐标并编号记录。为了避免污染样品，在采集过程中均使用非金属容器。

1.1.2 测试分析

样品采回后，置于室内阴凉处，任其自然风干，剔除植物残体和砾石块等杂质，磨碎，过200目筛，混匀后保存备用。土壤样品送往国土资源部银川矿产资源监督检测中心，用原子荧光光谱法(海光 AFS-9780)测定As、Hg含量，用等离子体质谱法(Thermo Scientifi iCAP-Q ICP-Ms)测定Cu、Pb、Ni、Cr、Cd、Zn含量。

1.2 数据分析

1.2.1 污染程度评价法

地累积指数Igeo是由德国学者Muller于1969年提出的一种定量的指标法，通过对比某重金属的含量值与该重金属元素在当地的地球化学背景值二者的关系来确定污染程度[15]。该方法相对其他方法更能表述受人类活动影响的外源重金属元素在研究区内的富集程度[16]。其计算公式为

Igeo=log2[Ci/(kBi)]

(1)

式(1)中：Ci为沉积物中某一重金属元素的含量值，mg/kg；k为修正系数，一般取1.5，是考虑受到造岩运动进而引起的背景值变动所取的系数；Bi为参比值，是该重金属元素在当地母质母岩中测得的地球化学背景值，mg/kg。选择了全国土壤环境背景值调查成果中宁夏土壤背景值的几何均值定为此次研究的参比值[17]。

根据计算得出的地累积指数Igeo，可将重金属元素的污染程度分为7个等级[18]，如表1所示。

表1 地累积指数值与污染程度分级Table 1 Index of geoaccumulation and classification of pollution degree

1.2.2 潜在生态风险评价法

潜在生态风险评价(risk index，RI)法是瑞士学者Hakanson于1980年提出的一套通过沉积学原理来评价当地重金属污染及生态危害的评价法[19]。该方法可表述在多个重金属元素的综合影响作用下研究区内的潜在生态危害程度，是目前此类研究中应用较为广泛的一种评价法[13,20]。其计算公式为

(2)

表2 重金属元素参比值Cn和生物毒性系数TiTable 2 References Cn and toxic coefficient Ti of different heavy metals

表3 潜在生态危害系数、危害指数及危害程度分级Table 3 Potential ecological risk ciefficient, risk index and classification of risk intensity

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量统计分析

由表4可知，土壤中重金属除Ni的平均含量低于当地背景值，其余重金属平均含量都超过当地背景值，说明近18年来该区土壤中此类元素均有不同程度的富集，超标倍数表现为Cd>Hg>Pb>Zn>Cr>Cu>As>Ni，其中以Cd富集最为严重，超过2.27倍；各重金属元素的平均含量值均表现为比《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)[22]中的二级标准限值低，不会对农业生产和人体健康造成危害。Cd和Zn在个别几个样点的含量值较高，最高的含量值分别为背景值11.30和5.87倍。变异系数可说明不同采样点数据总体的变化程度，研究区重金属元素变异系数(CV)由大到小为Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cr，Hg的变异系数为95.85%，接近强变异性(CV>100%)，这说明Hg元素可能受人类活动影响强烈，空间分布表现为不均匀；其余各重金属均在中等变异(10%Pb>Zn>Hg>Cr>Cu>As>Ni。

2.2 土壤重金属污染程度评价

由地累积指数Igeo计算结果可知(表5)，Cu、Pb、Cd、Zn元素的部分样点污染程度为中度，Cd、Hg元素的个别样点污染程度为中-强度。各重金属元素的所有采样点的Igeo值均小于3，污染程度未达到强度及以上污染。吴忠市土壤重金属的污染程度由强至弱表现为Cd>Pb>Hg>Cr>Zn>Cu>As>Ni，土壤环境总体处于无污染状态。

2.3 土壤重金属潜在生态风险评价

对吴忠市各土壤重金属元素进行生态风险评价，结果如表6所示，土壤中重金属Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、As均处于轻微生态危害程度。重金属Hg基本处于中等生态危害以下的程度，其中处于中等生态危害程度的点位约占60%，个别样点处于强、很强和极强生态危害程度；重金属Cd基本处于强生态危害及以下的程度，其中处于中等生态危害程度的点位约占65%，个别样点处于极强生态危害程度。据各重金属元素平均含量的Ei，可知Cd和Hg元素处于中等危害程度，其他元素均处于轻微危害程度，吴忠市土壤的8种重金属的潜在生态危害程度由强至弱表现为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中，Cd对RI的贡献最突出，其次是Hg，可见Cd和Hg是构成生态危害的主要风险因子。基于各元素平均含量计算吴忠市土壤的RI为160.95，表明吴忠市土壤总体处于中等生态危害程度。土壤重金属RI的范围在56.70～701.93，其中，48%的样点处于轻微生态危害程度，50%的样点处于中等生态危害程度，1%的样点处于强生态危害程度，1%的样点处于很强生态危害程度。

表4 土壤重金属含量及其统计特征Table 4 The statistical feature of soil heavy metals contents

表5 吴忠市土壤重金属污染地累积指数分级Table 5 The classification of heavy metal pollution based on the index of geoaccumulation in the soil of Wuzhong

表6 吴忠市土壤重金属潜在生态危害评价指数Table 6 Risk index of heavy metals in the soil of Wuzhong

整体上，吴忠市土壤重金属污染的地累积指数评价与其潜在生态风险的评价结果表现一致，前者控制污染程度的主要污染因子为重金属Cd和Hg，后者主导生态危害程度的因子也为Cd和Hg，可知吴忠市土壤中的重金属污染以Cd和Hg两种重金属较为突出。评价结果不同之处表现在As、Zn、Cr元素，分析其原因，主要受生物毒性系数的影响，As元素的生物毒性系数较高(Ti=10)，导致其生态风险等级提高，Zn和Cr元素的生物毒性系数分别为1和2，生态风险等级自然会降低。

对比两种评价方法可知，地累积指数法利用实测重金属含量与背景值的比较来确定外源重金属的富集程度，而潜在生态风险评价法除了考虑含量值外，还将各个重金属元素所具有的生物毒性特征考虑在内，相比之下，潜在生态风险评价法的评价结果更为准确[16]。

根据各调查点的重金属潜在生态危害指数(RI)利用Arcgis的克里金法绘制研究区内的重金属潜在生态危害分布图，对照吴忠市遥感影像(图2)，可以发现吴忠市土壤重金属的RI在北部城区和中南部的农业用地区域偏高，呈中等生态危害，在其他区域表现为普遍较低，可以说明吴忠市土壤重金属的潜在生态危害主要受到城区的交通运输和农业用地区域的农业施肥等活动影响。

2.4 土壤重金属来源分析

多元统计分析是运用数理统计的方法来研究多个变量之间相互依赖关系以及内在统计规律的一门学科，在研究土壤重金属的来源分析中应用较广[14]。利用SPSS19.0软件，通过相关性分析和因子分析法两种方法对吴忠市土壤重金属的来源进行研究。

2.4.1 相关性分析

相关性分析法可以表述出各重金属元素之间是否存在一定的关系，可以认为，越具有相似来源的重金属元素，越表现出显著相关性[23]。本次将对吴忠市土壤中8种重金属元素的含量进行相关性分析，得出的相关系数(Pearson系数)如表7所示。其中，Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、As两两之间相关性系数在0.01水平上高于0.60，这说明Cu、Pb、Ni、Cr、Zn、As相互之间具有较为显著的相关性，进而说明它们之间具有相似来源。各元素与Cd和Hg具有显著相关性的较少，结合表4中的含量值，可知吴忠市土壤重金属的污染程度不严重，Cd和Hg仅个别点受人为影响污染相对较重。

2.4.2 因子分析

因子分析法通过研究原始变量相关矩阵的内部结构，把一些关系较为复杂的变量归纳总结为几类相关密切的变量，每一类变量定为一个综合因子[24]，采用因子分析法可以更准确地分析土壤中重金属的来源。本次将对吴忠市8种土壤中重金属含量进行R型因子分析，首先通过KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验和Bartlett球形检验(Bartlett test of sphericity)对数据进行可靠性检验[25]。KMO检验值为0.787，大于0.05，可看出变量间的相关程度无太大差异，适合做因子分析；Bartlett球形检验结果小于0.05，球形假设被拒绝，说明原始变量之间存在相关性，适合做因子分析。因子荷载矩阵估计方法采用主成分法提取特征值，特征值大于1的因子有2个，累计方差贡献率为78.108%，说明这两个因子可集中反映影响吴忠市土壤重金属来源总因素的78.108%的信息量，为使公共因子的典型代表变量更为突出，成分矩阵通过方差最大旋转法进行旋转，得到旋转因子的载荷矩阵(表8)。因子荷载根据其荷载值可分为强、中、弱3类，对应的荷载值分别为大于0.75、0.5～0.75、0.3～0.5[26]。

由因子分析模型可知第一因子F1是以Cu、Pb、Zn为主要荷载变量，贡献率为39.888%,这3个因素在第一因子F1上的载荷均在0.75以上。对照表7可知Cu、Pb、Zn之间两两呈显著正相关关系，对照表4可知Cu、Pb、Zn的平均含量均高于背景值，表现出富集趋势，且3种元素在主干道路区土壤中含量较高，变异系数在30%～50%，属中等变异，因此主因子F1被视为交通运输影响因素。研究区交通发达，道路纵横，Cu、Zn作为汽车轮胎的添加剂，在交通运输过程中，轮胎与地面磨损产生的粉尘导致路边土壤污染[27]；汽车润滑油在高温条件下与空气发生氧化反应会生成有机酸、酮、醇等可腐蚀接触到的汽车Cu、Zn合金部件，从而导致Cu、Zn向环境中释放[28]；大气中的重金属Pb则主要来源于含Pb汽油、柴油，经燃烧后尾气排放[29]，最终通过干沉降作用影响土壤重金属的含量[30]。因此，吴忠市土壤中的Cu、Pb、Zn超标部分主要来源于交通运输。

表7 土壤重金属含量的相关性分析Table 7 Correlation analysis of soil heavy metals contents

注:**表示在0.01水平显著相关；*表示在0.05水平显著相关。

表8 土壤重金属含量因子分析Table 8 Factor analysis of soil heavy metals contents

注：旋转在3次迭代后收敛。

第二因子F2是以Ni、Cr、Cd、As为主要荷载变量，贡献率为38.220%，这4个因素在第二因子F2上的荷载除As在0.674以外均在0.75以上。对照表7可知Ni、Cr、As具有显著的正相关关系，对照表4可知Ni的平均含量低于背景值，Cr和As的平均含量略高于背景值，说明Ni元素未在当地富集，Cr和As元素在当地存在富集趋势，三者变异系数小，彼此间显著性相关，表明Ni、Cr、As元素主要受土壤母质、地形、气候等自然因素控制。而Cd元素与Ni、Cr具有显著的负相关关系，平均含量高于背景值，变异系数较高，受外界干扰较大，表明Cd元素受人为因素控制，因此主因子F2被视为自然和人为复合因素。研究区有68%采样点Cr的含量高于背景值，有63%采样点As的含量高于背景值，而Cr和As元素因为变异系数不高，表现出它们同时具有均匀分布的特点，说明Cr和As的富集在一定程度上受面状污染影响，例如农业施肥、污水灌溉。重金属Cr存在于农业化肥及以城市垃圾、污泥为原料的肥料中，长期施用此类化肥会增加土壤中Cr的富集[31]，磷肥中含有较高含量的重金属Cd和As，长期施用磷肥会造成土壤中Cd、As含量的升高[32]，且除草剂、杀虫剂、劣质肥料也会导致As在土壤中的富集[33]。研究区中南部的金积镇、峡口镇、马莲渠乡、利通区巴浪湖农场一带土地利用类型以农田为主，对应Cr、Cd、As含量较高，说明吴忠市的农业活动向环境中排放重金属Cr、Cd、As会在土壤中富集。因此，吴忠市土壤中的Ni主要受成土母质、地形、气候等自然因素控制，Cr、As为成土母质和农业污染混合来源，Cd为农业污染来源，比如农业施肥，除草剂的使用及污水灌溉等。

结合潜在生态危害综合指数和多元统计分析结果可知，吴忠市的土壤重金属污染来源受多重因素复合影响，其中包括了受城区和农业用地区域的生活和生产活动影响，例如交通运输、农业施肥、除草剂的使用、污水灌溉等。

3 结论

(1)吴忠市土壤中重金属近18年来除Ni元素外均有不同程度的富集，超标倍数表现为Cd>Hg>Pb>Zn>Cr>Cu>As>Ni；各重金属元素的平均含量值均表现为比《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)[22]中的二级标准限值低，不会对农业生产和人体健康造成危害；重金属变异系数(CV)由大到小为Hg>Cd>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cr，Hg属于强变异性，可能受人类活动干扰强烈；其余重金属都属中等变异。吴忠市土壤重金属元素样点超标率表现为Cd>Pb>Zn>Hg>Cr>Cu>As>Ni。

(2)吴忠市土壤各种重金属污染程度由强至弱依次为Cd>Pb>Hg>Cr>Zn>Cu>As>Ni，土壤环境总体处于无污染。8种重金属的潜在生态危害由强至弱依次为Cd>Hg>As>Pb>Cu>Ni>Cr>Zn，其中，Cd对RI值的贡献最突出，其次是Hg，Cd和Hg是构成生态危害的主要风险因子。基于各元素平均含量计算吴忠市土壤的RI为160.95，表明吴忠市土壤总体处于中等生态危害程度。

(3)吴忠市的土壤重金属污染来源受多重因素复合影响，其中，Cu、Pb、Zn主要来源于交通运输产生的污染，Ni主要受成土母质、地形、气候等自然因素控制，Cr、As为成土母质和农业污染混合来源，Cd为农业污染来源，比如农业施肥，除草剂的使用及污水灌溉等。