贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤重金属垂向分布特征及风险评价*

蔡雄飞 赵 帅 王 济# 宣 斌 赵士杰 张 帅

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550025)

经济高速发展所带来的土壤重金属污染问题日趋严重，对人体健康造成了严重威胁。对于贵州省农用土地资源匮乏的山区而言，其独特的喀斯特地貌由于利于重金属的迁移扩散，具有载荷量小、迁移速度快、波及范围较广、治理困难和危害性强等特点。贵阳市白云区就属于典型的喀斯特地貌地区，区域内铝生产历史久远，为贵州省的社会经济发展做出了巨大贡献，但在生产过程中排放的废弃物也给铝厂周边耕地土壤带来了重金属污染。

前人对贵阳市白云区表层土壤的重金属污染水平、富集程度和风险水平等已有相关报道[1-5]，而对贵阳市白云区土壤重金属垂向分布特征及其风险评价的研究还较少。影响土壤重金属垂向分布的因素很多，与成土母质和人为活动都有密切关系，而且贵阳市白云区地下水资源丰富，土层较薄，土壤中的重金属垂向迁移可能会导致地下水受到污染，所以对于垂向分布特征的研究也不应忽视。确定重金属污染后可对土壤重金属污染程度进行风险评价，更有助于了解其对生态环境的危害[6-8]。

本研究以贵阳市白云区某铝厂周边耕地为研究对象，分析其土壤垂直剖面样品的理化性质和8种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)的分布特征，根据相关性分析判断重金属之间的同源性，并利用地累积指数法和潜在生态危害指数法进行污染风险评价。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在贵阳市白云区某始于20世纪60年代、规模较大铝厂周边选择了两个耕地土壤垂直剖面，分别记为LY(106°38′33″E，26°43′6″N)和BN(106°41′22″E，26°43′11″N)，采样剖面由表层至底层每间隔10 cm采集1个样品，每个剖面采集了10个样品。

1.2 样品分析

采集好的土壤样品带回实验室后，去除杂质，置于牛皮纸上，铺平后利用木锤敲碎较大块状土壤，避免发生胶结，室温自然风干，研磨过筛后装于封口袋中保存。pH测定采用电位法(水土质量比为2.5∶1.0)；土壤有机质(SOM)测定采用重铬酸钾外加热法；土壤颗粒分布使用马尔文激光粒度分析仪(Mastersizer-2000)测定；含水率根据《土壤水分测定法》(NY/T 52—1987)测定；重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn使用火焰原子吸收分光光度计(GGX-800)测定；重金属As和Hg使用原子双道荧光光度计(AFS-230E)测定。

所有样品扣除样品空白，每10个样品设1个平行样品，平行样品测定结果的标准偏差控制在5%以内，同时标准物质GBW07403(GSS-3)符合质控要求。实验用水均为超纯水，玻璃仪器和聚四氟乙烯坩埚在HNO3(体积分数20%)中浸泡12 h后使用。

1.3 土壤重金属污染风险评价方法

1.3.1 地累积指数法

地累积指数法[9]通常可根据地累积指数(Igeo)取值，对重金属污染风险进行评价，本研究利用贵阳市土壤重金属背景值[10]计算Igeo，计算公式见式(1)，风险分级见表1。

表1 地累积指数与重金属污染风险分级

(1)

式中：C为重金属的质量浓度，mg/kg；B为重金属的背景值，mg/kg。

1.3.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法可以评价重金属的生态危害情况，定量划分重金属潜在生态危害程度，单一重金属的潜在生态危害指数(E)计算公式见式(2)。多种重金属的综合潜在生态危害指数(RI)由各单一重金属的潜在生态危害指数加和得到。重金属潜在生态风险等级根据表2[11]进行评价。

表2 土壤重金属潜在生态风险分级

(2)

式中：T为单一重金属的毒性响应参数，Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr、Zn的毒性响应参数分别取40、30、10、5、5、5、2、1[12]。

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化性质的垂向分布特征

贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤垂直剖面的基本理化性质见表3。土壤剖面LY和BN的pH分别为6.05～7.55、7.43～8.02，均值分别为6.98、7.72，整体偏弱碱性，有随着深度的增加而增大的趋势。LY和BN的SOM分别为14.43～60.81、15.46～54.62 g/kg，均值分别为33.08、25.97 g/kg，有随深度增加而减小的趋势，SOM主要来源于动植物分解，因而表层含量更高，同时会受到农业生产过程中深耕翻作的影响。LY和BN的含水率分别为2.14%～4.04%、3.20%～5.37%，均值分别为2.85%、4.37%。两个土壤剖面的不同粒径土壤颗粒含量大小表现为粉粒>黏粒>砂粒。

表3 土壤基本理化性质的垂向分布特征

2.2 土壤重金属含量垂向分布特征

从表4可见，贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤垂直剖面重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn质量浓度平均值分别为8.33、0.39、116.37、43.40、0.52、56.57、48.45、72.29 mg/kg，Cd超过了GB 15618—2018的农用地重金属风险筛选值。与背景值相比，Cu、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb质量浓度平均值分别是背景值的1.01、1.30、1.55、2.36、1.48、1.12倍，而Hg、Cr、Ni、Cd和Pb累积较为严重。CV可以反映重金属含量的空间离散程度[13]，一般认为CV≤16%为轻度变异，16%36%为高度变异[14]。贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤垂直剖面中As的CV为5%，轻度变异；Cr和Pb的CV分别为30%、25%，中等变异；而Cd、Cu、Hg、Ni和Zn的CV分别达到39%、52%、41%、48%、38%，已经达到高度变异，可能存在点源污染影响[15]。

表4 土壤重金属质量浓度统计特征

相关研究表明，土壤重金属垂向分布特征较为复杂，影响因素众多，表层与深层的情况有时相差甚远[16-18]。贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤8种重金属的垂向分布见图1至图8。总体来看，两个垂直剖面的重金属含量随深度变化的趋势比较一致，虽然有波动，但还是表现出随着深度的增加重金属含量减少的趋势，底层重金属含量低于或接近背景值。土壤剖面BN中Cr在20～30、70～80 cm深度出现峰值，分别达到背景值的2.44、2.30倍；土壤剖面BN中Hg在50～60 cm深度处出现峰值，是背景值的3.09倍；而土壤剖面LY和BN中Ni都在30～40 cm深度处出现峰值，分别达到背景值的2.75、1.54倍。如果中层土壤结构较为疏松且拥有良好的通透性，深层土壤的紧实度和保水性能较好，那么在垂向分布上重金属含量会出现先降低再升高的被动趋势[19]。Pb在中下层含量较高的原因可能是因为Pb具有很高的可溶性，容易淋溶下渗[20]。两个垂直剖面中不少样品超过了背景值，说明铝厂的生产活动有一定的污染，但重金属含量垂向分布可能还与重金属自身性质和土壤理化性质有关[21-22]。

图1 As的垂向分布特征Fig.1 Vertical distribution feature of As

图2 Cd的垂向分布特征Fig.2 Vertical distribution feature of Cd

图3 Cr的垂向分布特征Fig.3 Vertical distribution feature of Cr

图4 Cu的垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution feature of Cu

图5 Hg的垂向分布特征Fig.5 Vertical distribution feature of Hg

图6 Ni的垂向分布特征Fig.6 Vertical distribution feature of Ni

图7 Pb的垂向分布特征Fig.7 Vertical distribution feature of Pb

图8 Zn的垂向分布特征Fig.8 Vertical distribution feature of Zn

2.3 重金属间的相关性分析

人为活动和成土母质对土壤中重金属来源和含量具有关键影响，相似的来源会使重金属表现出一定的相关特点[23]。因此，土壤重金属间的相关性分析可对重金属间的同源性进行判别，为重金属污染的来源分析提供重要线索[24-27]。由表5可知，在P<0.05水平上Hg与Ni、Cr与Cu之间呈显著正相关关系，而Cu与Hg之间呈显著负相关关系；在P<0.01水平上Cu与Cd之间呈极显著正相关关系，而Cr与Ni、Cr与Hg之间呈极显著负相关关系。因此，Cr、Cu、Cd可能具有较大的同源性，Hg与Ni也可能具有较大的同源性，但这两组重金属间的主要来源可能不同。

表5 土壤重金属间的相关性1)

2.4 重金属风险评价

8种重金属的地累积指数见图9。从地累积指数的平均值来看，重金属污染风险为无污染的重金属有Ni、Cr、Zn和As，其中As和Zn在垂直剖面LY和BN中的地累积指数都小于0；重金属污染风险为无污染到中污染的重金属有Cd、Cu和Pb；而Hg处于1

图9 8种重金属的地累积指数Fig.9 Geoaccumulative index of 8 heavy metals

由图10中单一重金属的生态危害指数平均值可知，8种重金属的潜在生态风险顺序为：Hg>Cd>Ni>Cu>Pb>As>Cr>Zn。两个垂直剖面中Hg的生态危害指数平均值达到了很强的潜在生态风险，最大值已经达到了极强的潜在生态风险；Cd的生态危害指数也总体达到了中等或较强的潜在生态风险；不过，其他单一重金属的生态危害指数都处于轻度生态风险。垂直剖面LY的综合潜在生态危害指数为193.57～491.04，平均值为379.26，总体处于中等或较强生态风险。垂直剖面BN的综合潜在生态危害指数为141.92～398.64，均值为267.89，总体也处于中等或较强生态风险。

图10 单一重金属的潜在生态危害指数Fig.10 Single heavy metal’s potential ecological hazard index

3 结 论

(1) 贵阳市白云区某铝厂周边耕地土壤垂直剖面pH呈弱碱性，不同粒径土壤颗粒含量表现为粉粒>黏粒>砂粒，SOM含量呈现随深度增加而减小的趋势；重金属含量虽然有波动，但还是表现出随着深度的增加而减少的趋势，逐渐趋近于或低于贵阳市土壤重金属背景值。

(2) As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn质量浓度平均值分别为8.33、0.39、116.37、43.40、0.52、56.57、48.45、72.29 mg/kg，Cd超过了GB 15618—2018的农用地重金属风险筛选值。Cu、Cd、Cr、Hg、Ni和Pb质量浓度平均值分别是贵阳市土壤重金属背景值的1.01、1.30、1.55、2.36、1.48、1.12倍，而Hg、Cr、Ni、Cd和Pb累积较为严重。Cr、Cu、Cd可能具有较大的同源性，Hg与Ni也可能具有较大的同源性。

(3) 风险评价结果表明，8种重金属中Hg的平均地累积指数和潜在生态危害指数都最高，为最主要的污染重金属，研究区总体处于中等或较强生态危害。