工业园周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价

雷雷佳 刘俊 刘卫国 周政 刘洋 李昕竹

摘要：采集工业园及周边不同区域表层土壤（0～20 cm），统计分析土壤样品中砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）8种重金属含量，利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法及潜在生态风险指数法（RI）对研究区重金属累积状况与潜在生态风险进行综合评价。结果表明：土壤重金属元素Cr、Cd的平均含量均超过新疆土壤背景值。区域土壤重金属平均值表明，重金属累积程度由高至低依次为农田区域>工业园区及周边区域>过渡带区域>自然荒漠区域。8种重金属分布规律明显，重金属含量较大区域大多集中在农田区域与工业园区及周边土壤区域。单因子污染指数表明，研究区大部分区域Cr、Cd为轻度污染程度，其余6种重金属处于污染警戒线或无污染。内梅罗综合污染指数及潜在生态风险指数表明，各区域重金属风险程度依次为农田土壤区域>工业园区及周边土壤区域>过渡带区域>自然荒漠土壤区域。内梅罗综合污染指数及RI空间分布图表明，工业园区及周边土壤大部分区域处于污染警戒线范围，部分处于轻度污染水平，研究区整体处于低潜在生态风险水平。

关键词：土壤;重金属污染;生态风险评价;工业区

中图分类号：X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0227-06

土壤是人类生产生活的基础，是生态系统重要组成部分[1]。随工业化、城镇化发展[2]，工业园区引发的土壤重金属污染问题日益严重[3]。重金属具有极强的污染、富集及迁移能力，容易在土壤中积累并对动植物生长造成危害[4]，也可通过食物链富集等方式危害人体健康[5]，对周边生态环境造成潜在生态风险[6]。大量研究表明，重金属在工业园区及周边土壤中存在不同程度累积[7-8]。目前，对新疆地区区域土壤表层重金属评价的研究多集中于对单一区域进行评价，评价结果存在一定片面性，且单一污染评价指数不能综合考虑多种重金属的生物毒性且多为对新疆各地区农田[9]、城市区域[10]重金属污染评价研究。本试验结合多种评价方法，考虑不同区域类型土壤，对4个区域土壤表层重金属累积情况进行评价，综合评价结果更加全面。

阜康某工业园区作为新疆维吾尔自治区第一批发展循环经济的重点园区，取得了良好经济效益，为天山北坡经济带快速提升与飞速发展提供了有力支持，但伴随其发展产生了土壤重金属污染问题[10]。本研究通过检测工业园区周边不同区域表层土壤8种重金属的含量，利用空间插值揭示重金属污染物空间分布特征，采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害指数（RI）法对土壤污染现状进行综合全面评价，分区域比较8种重金属含量，揭示各区域土壤重金属累积情况，以期为该地区重金属污染防治提供参考，为其生态环境可持续发展、保障人群健康提供科学依据，也可为环境管理部门对土壤重金属污染管控、治理及潜在生态风险预警提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验选择新疆某工业园区周边土壤为研究对象，该区域位于新疆阜康市与乌鲁木齐市交界处，东临吉木萨尔县，西与乌鲁木齐市米东区毗邻，南至博格达峰，北入准格尔盆地[10]。试验区为温带大陆性气候区，四季分明，光照充足，热量丰富，蒸发能力强，年均降水量 216.4 mm，年均蒸发量 2 324.6 mm[12]。

1.2 土壤样品采集与处理

1.2.1 土壤样品的采集 于2020年生长季，分4个区域[工业园区及周边土壤（A）区域、自然荒漠土壤（B）区域、农田土壤（C）区域、过渡带（D）区域]在某工业园区及周边进行土壤样品采集。采用网格布点与随机布点相结合，手持全球定位系统（GPS）精确定位样点。各样点分样点不少于5个，采样深度为0～20 cm，将分样点采集的土样混合均匀，利用四分法取舍，制成1 kg土壤样品，所有样品编号后放入密封袋，带回实验室备用。

1.2.2 土壤样品的处理与测定 剔除土壤样品中杂物，自然风干磨碎，过100目孔筛，制土样备用。称取约0.5 g（精确至0.000 1 g）土样于50 mL比色管中，加少许水润湿，防止土样消解不完全。加入10 mL硝酸-盐酸混合试劑，加塞摇匀置沸水浴中消解2 h，取出冷却，定容摇匀后静置，取上清液待测。参照GB/T 22105—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》，使用原子荧光光度计（BAF-2000型，北京宝德仪器有限公司）测定土样中砷（As）、汞（Hg）含量。称取0.5 g（精确至 0.000 1 g）土壤样品，采用电热板加热消解法式微波消解法处理后，于比色管中用纯水冲洗定容，静置取上清液待测。参考HJ832—2017《土壤和沉积物金属元素总量的消解微波消解法》，使用全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP-5000型，聚光科技股份有限公司）测定土样中铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）含量。测定分析过程中，采用空白样品、平行样品和国家标准土壤物质 GSS-2a、GSS-8a进行质量控制，8种重金属元素回收率均控制在国家标准参比物质的允许范围内。

1.3 评价方法

1.3.1 内梅罗综合指数法 内梅罗综合指数法兼顾了单因子污染指数的平均值和最大值，可以综合全面反映重金属对土壤的影响，衡量土壤污染情况[11]。计算公式如下：

式中：Pi为重金属i的单因子污染指数[12];Ci为重金属含量实测值，mg/kg;Si为重金属含量参比值，本试验取新疆土壤背景值[13];P综为内梅罗综合污染指数;Pimax为单因子污染指数最大值;Piave为单因子污染指数平均值。P综分级标准：安全，P综≤0.7;警戒限，0.73.0。

1.3.2 潜在生态风险指数法 Hakanson提出的潜在生态风险指数法是一种研究重金属对环境的污染效应的生态风险评价方法[15]。其计算公式如下：

式中：Pi为重金属i的单因子污染指数;Eir为重金属i的潜在生态风险系数;Tir为重金属毒性响应系数;Hakanson给出的重金属毒性系数为 Hg=40>Cd=30>As=10>Pb=Cu=Ni=5>Cr=2>Zn=1[15];RI为潜在生态风险指数。风险评估标准见表1。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0的多元统计方法对土壤8种重金属的含量进行统计分析和计算。基于ArcGIS 10.2平台中的地统计分析模块，采用空间插值法得研究区8种土壤重金属的空间分布图、内梅罗综合指数图与潜在生态风险指数图。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量统计分析

由表2可知，所有重金属元素的极大值高于新疆土壤背景值，并且重金属元素Cr、Cd的平均值均超过新疆土壤背景值，分别为背景值的1.15、1.6倍;其余6种重金属平均含量未超过新疆土壤背景值。变异系数（CV）代表总体样本中重金属含量的变异程度，可知8种重金属元素变异系数范围为 0.15～0.41，其中As、Cd、Hg变异系数为0.26、0.32、0.41，呈中等变异（0.

由表3可知，不同区域土壤重金属含量分布差异较大，As、Cd含量的极大值在A区域，Pb含量极大值在B区域，而Cr、Hg、Cu、Zn、Ni含量的极大值出现在C区域。通过比较各区域土壤重金属均值含量与新疆土壤背景值，计算得出超背景值百分率。Cr、Cd含量各区域超背景值百分率较高，二者超背景值百分率最大区域均为C、D区域（100%、100%），最低超百分率区域均为B区域（60%、73%）。Hg、Pb、Cu、Ni含量在C区域超背景值比率较高，分别为69.23%、7.96%、76.92%、76.92%，在D区域超背景值比率较低，均为0%。As含量在A区域超背景值百分率较高，为32%，在D区域超背景值百分率较低，为0%。从区域土壤重金属含量平均值分析，As含量为A区域>C区域>D区域>B区域，Hg含量为C区域=A区域>D区域=B区域，Cr、Pb、Zn含量C区域>D区域>A区域>B区域，Cd、Cu、Ni为C区域>A区域>D区域>B区域。综合表2、表3分析结果可知，与其余3个区域相比，B区域8种重金属含量较低，D区域除Cr、Cd外的6种重金属超过新疆土壤背景值百分率较低，但重金属累积略高于自然荒漠区域，C区域8种重金属超背景值百分率最高，A区域8种重金属累积含量与C区域相比较低，但重金属累积程度高于D区域与B区域。

2.2 土壤重金属含量空间分布

通过使用ArcGIS 10.2.2地统计分析工具对8种重金属含量进行插值，画出8种土壤重金属污染特征的空间分布图，进一步直观揭示研究区土壤重金属分布特征。由图1可得，8种重金属分布规律明显，空间分布呈斑块状，且重金属含量较高的区域大多集中在农田区域与工业园区及周边土壤区域。其中As含量的高值区域主要位于东部区域与中南部区域，其他区域含量较低;Cr、Zn含量空间分布相似，东北部为高值区，东部、中南部为次高值区域，西部为低值区;南部与西北部Cu、Ni含量相对较低且分布均匀，北部出现大范围高值区，二者空

间分布相似;Cd、Hg、Pb在西南部、东北部含量较高，西北部区域含量较低且分布均匀。总体比较后表明，东北部农田区域为8种元素含量较高区域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工业园区及周边土壤区域存在高值区域，这说明这些区域可能存在一定污染源。对采样点及周边环境调查分析发现，研究区农田区域种植玉米、棉花、向日葵、小麦等农作物，可能存在肥料浇灌、污水灌溉等污染源导致重金属累积[17]，且部分农田采样点靠近公路，存在交通运输带来重金属叠加累积的可能[18]。

2.3 土壤重金属含量污染评价

由表4可见，4个区域单因子污染指数范围为0.58～1.83，8种重金属单因子污染指数平均值从大到小依次为Cd>Cr>Zn>Cu>Ni=As>Hg>Pb。根据表1、表2分级标准，各区域8种重金属污染风险程度不同，由单因子污染指数可知，C区域中Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Hg均为轻度污染，As、Pb含处于污染警戒线;A區域Cr、Cd处于轻度污染，其他6种元素处于污染警戒线;D区域Cr、Cd处于轻度污染，其余6种元素处于污染警戒线;B土壤区域Cr、Cd处于轻度污染，其余6种元素处于污染警戒线。研究区A、B、D区域Cr、Cd为轻度污染程度，其余6种重金属处于污染警戒线程度，C区域除As、Pb为轻度污染，其余6种重金属均轻度污染。根据表1分级标准，内梅罗综合污染指数评价表明，不同区域土壤内梅罗综合污染指数平均值由低至高分别为B区域、D区域、A区域、C区域。结合表4与图2分析可得，C区域中部及下部、A区域西南部污染风险较高，A区域中部、中南部及D区域存在一定程度风险，B区域大部分相较其他区域风险低。研究区大部分区域处于污染警戒线范围，部分处于轻度污染水平，极小区域处于中度污染区域。

表5评价结果表明，8种重金属潜在生态风险系数（Eir）平均值依次为Cd>Hg>As>Cu>Ni>Pb>Cr>Zn。结合表2分级标准，C区域Cd、Hg含量处于潜在中生态风险，A区域及D区域Cd含量处于潜在中生态风险，其余区域剩余元素均为潜在轻生态风险。4个区域潜在生态风险指数由大到小为C区域>A区域>D区域>B区域。

结合图2潜在生态风险指数评价结果空间分布图可知，研究区整体处于低潜在生态风险水平，极小区域存在中潜在生态风险。C区域中部及下部、A区域西南部重金属累积较高，存在中潜在生态风险。各个重金属对潜在生态风险指数的贡献率等于其单项潜在生态风险指数与总潜在生态风险指数的比值。计算8种重金属对潜在生态风险指数RI的贡献率，Cd的贡献率为45.56%，Hg的贡献率为30.16%，比例较高，Hg、Cd为潜在生态风险指数的主要贡献因子。

相比其他区域，C区域与A区域重金属风险程度略高，这与陈宗娟等的研究结论[17-18]一致。由于研究区部分工业园区建成时间较短或还在建设中，且采样点部分布设于企业外部等原因，A区域表层土壤重金属累积时间较短，潜在生态风险低于C区域。C区域存在施用农药化肥等情况，可能导致重金属累积过高，且C区域部分采样点靠近公路，可能受到交通运输、车辆尾气排放等因素影响，导致C区域重金属风险评估指数大于其他区域。

3 结论

本试验基于工业园区及周边不同区域表层土壤8种重金属含量，分析并直观展现不同区域8种土壤重金属累积程度，综合评价不同区域重金属污染风险程度及可能存在的潜在生态风险，所得结论如下：

（1）研究区重金属元素Cr、Cd的平均值均超过新疆土壤背景值，分别为背景值的1.15、1.6倍，其余6种重金属含量未超过新疆土壤背景值。As、Cd、Hg呈现中等变异，其他5种重金属变异系数均处于弱变异。

（2）各区域土壤重金属平均值表明重金属累积程度由高至低分别为农田区域>工业园区及周边区域>过渡带区域>自然荒漠区域。8种重金属空间分布呈斑块状，东北部农田区域为8种元素含量较高区域，As、Cr、Cd、Hg、Pb、Zn在工业园区及周边土壤区域存在高值区域。

（3）单因子污染指数评价，大部分研究区Cr、Cd为轻度污染程度，其余6种重金属处于污染警戒线程度。内梅罗综合污染指数评价，不同区域土壤内梅罗综合污染指数平均值由低至高分别为自然荒漠土壤区域、过渡带区域、工业园区及周边土壤区域、农田土壤区域。研究区大部分区域处于污染警戒线范围，部分处于轻度污染水平。

（4）4个区域潜在生态风险指数（RI）平均值为农田土壤区域>工业园区及周边土壤区域>过渡带区域>自然荒漠土壤区域。研究区整体处于潜在低生态风险。Cd、Hg对潜在生态风险指数的贡献率较高，为主要贡献因子。

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