南水北调中线工程（郑州市区段）沿线土壤质量调查与评价

李林记，石勇丽，曲亚辉，曹宁宁，刘素青，曹 翠，张 凯

（1.河南省地质研究院，河南 郑州 450052；2.河南省自然资源科技创新中心（水土生态修复治理研究），河南 郑州 450052）

南水北调工程是实现我国水资源合理配置、保障国家经济社会可持续发展的重大工程，保障水质安全是南水北调工程的底线［1］。在长距离输水过程中，南水北调滨河地带生态系统具有廊道功能、缓冲功能和植被护岸功能［2］。同时滨河地带作为连接水生和陆生生态系统的重要枢纽，对来自河流和陆地的重金属有汇集作用，直接影响水质安全、生态环境保护以及社会发展［3-4］。因此，调查与评价南水北调干渠沿线土壤中重金属含量，对保障南水北调水质安全至关重要。

南水北调沿线滨河地带，虽然周围的土壤污染物与封闭式水体不存在直接交换的可能性［5］，但是仍不排除其可能对干渠存在的潜在风险，众多关于南水北调水质风险源防控的相关措施更是验证了这一可能性［6］。本研究对南水北调中线工程（郑州市区段）滨河地带土壤中Pb、Cd、Cr、Hg、As、Ni、Cu、Zn 含量进行分析，并在此基础上，运用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法对滨河地带土壤污染状况进行评价，并结合成分分析和相关性分析法解析土壤重金属来源，为南水北调滨河地带生态系统的保护和改善提供针对性措施，对加强南水北调工程沿线水系生态建设以及郑州市区域性可持续发展规划建设提供借鉴和参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

南水北调中线工程（郑州市区段）西北起陇海铁路与干渠交叉处，东南至京广铁路与干渠交叉处，全长约35 km，水面平均宽80.09 m，渠底宽30.39 m，水深7 m，堤宽5 m，过水流量300 m3/s，沿线经过的铁路和桥梁较多，干渠两侧各有非机动车道和人行道。干渠明渠段一级保护区范围自总干渠管理范围边线外延50 m，二级保护区外延150～2 000 m。

1.2 样品采集和分析

依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）和《土壤质量土壤采样技术指南》（GB/T 36197—2018）确定南水北调中线工程（郑州市区段）沿线调查点位并制定土壤样品采集实施方案。以干渠岸边为中心，在0.5 km×2.0 km 采样单元格内距离干渠两侧沿线50～500 m的缓冲区进行勘察布点，选用蛇形布点法采集0～20 cm 表层土壤。为研究公路、铁路等交通干线对干渠沿线土壤重金属污染影响，在主要路桥两侧采用梅花布点法采集0～20 cm 表层土壤。将所采集的土壤样品去除石块与杂草后混合均匀，共采集混合土壤样品50个。样品置于室温下通风阴干后研磨过0.147 mm（100目）尼龙筛，待测。

称取适量土样，采用HNO3-HF-HClO4（体积比为5 ∶10 ∶2）消解。依据《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）测定铅、铬、镉、镍、锌、铜的含量，依据《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解原子荧光法》（HJ 680—2013）测定砷、汞的含量。土壤标准物质GBW07426（GSS-12）用于质控，标准物质测定值在控制范围之内。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法对单项指标进行逐项分析评价［7-8］，可以清晰地判断出评价样本与评价标准的比值关系，其数学表达式如下：

式中，Ci为i项因子的实测值；Si为i项因子的标准值（见表1），其中Pb、Cd、Hg、As、Ni、Cu参照《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）第一类用地筛选值，Cr、Zn 参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）筛选值；Pi为第i项因子的相对污染值，其评价标准见表2。

表1 土壤重金属评价标准值mg/kg

表2 土壤重金属污染指数评价标准

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法可总体反映各类污染物对土壤的综合作用，重点突出高浓度污染物对环境质量的影响［9-10］。其计算公式如下：

式中：P综为内梅罗综合污染指数；（Ci/Si）max为某项污染物单因子污染指数的最大值；（Ci/Si）ave为单因子污染指数的平均值。根据单因子污染指数法和综合污染指数大小，将土壤质量划分为5 个等级，土壤污染指数分级标准见表2。

1.3.3 潜在生态风险指数法

Hakanson提出的潜在生态危害指数法是根据重金属性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的对沉积物或土壤中重金属污染进行评价的方法［11-12］。目前该方法在环境风险评价中得到了广泛应用，计算公式如下：

式中：Cfi为单一重金属i相对参比值的污染系数；Csi为重金属i的实测值；Cni为重金属i的评价参比值，以河南表层土壤环境背景值（见表3［12］）为参考；Eir为第i种重金属环境风险指数，评价标准见表4；Tir为重金属i毒性响应系数，主要反映重金属毒性水平和环境对重金属污染的敏感程度，参考徐争启等［13］研究结果（见表3）；RI为潜在生态风险综合指数，评价标准见表4。

表3 土壤重金属毒性响应系数及河南表层土壤环境背景值

表4 潜在生态风险指数评价标准

1.4 数据处理与分析

使用软件SPSS 22.0对测试数据进行线性分析，污染指数和生态风险评价指标的统计在Excel 2019中进行。

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤重金属含量特征

研究区内土壤中8 种重金属质量分数见表5，其中Cd 和Hg 平均质量分数高于河南省表层土壤背景值，其他6 种重金属平均质量分数均低于河南省表层土壤背景值，8 种重金属平均质量分数均远远低于《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）建设用地第一类用地土壤污染风险筛选值，总体土质较好。

表5 研究区土壤中重金属质量分数统计分析 mg/kg

研究区内土壤中8 种重金属含量变异系数由大到 小 依 次 为Hg （58.50%）、Cd （26.80%）、As（15.20%）、 Cu （15.00%）、 Zn （13.30%）、 Ni（13.20%）、Pb（11.50%）、Cr（10.20%）。8 种重金属含量变异系数大致呈现3个层次：Hg的变异系数在36%以上，为强变异性；Cd 的变异系数在16%～26%，中等变异性，说明Cd 和Hg 离散程度较高，分布不均匀，受人类活动影响较大，在土壤中有一定积累；Cu、Zn、Ni、Pb、Cr 的变异系数在16%以下，为弱变异性，离散程度较低，反映该元素分布相对较均匀，推测目前受人类活动干扰不明显。

2.2 空间分布

研究区域内50 个表层土壤样品根据所处环境不同，可分为铁路、高速公路、城市主干道、村庄周边4 种类型片区。分析4 种不同环境因子条件下土壤重金属含量空间分布（见表6），Pb 含量整体处于较低水平，在高速公路、铁路两侧含量相比总体均值较高，其中高速公路两侧Pb 含量约为总体均值的1.2 倍，说明重金属Pb 有一定累积，可能与汽车尾气排放有一定的关系。Cd 含量整体处于较高水平，所有样品含量均高于河南省表层土壤背景值，高速公路和铁路两侧Cd 含量明显高于总体均值，分别约为总体均值的1.5 与1.2 倍。研究区域内土壤Hg 含量分布变化范围较大，高速公路两侧Hg 含量明显高于总体均值。As、Zn、Cr、Ni、Cu 重金属含量整体处于较低水平，所有样品Cr、Ni、Cu 含量均低于河南省表层土壤背景值，并且在高速公路和铁路等敏感区域两侧含量无明显异常。

表6 研究区土壤中重金属质量分数统计分析 mg/kg

2.3 研究区土壤重金属污染评价

2.3.1 研究区土壤环境质量评价

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对研究区域内土壤重金属污染状况进行评价，结果如表7 所示。表7 结果显示，不同片区内土壤中8 种重金属单因子污染指数处于0.003 1 ～0.450 0，远远低于1，说明研究区域内土壤污染程度处于清洁状态。内梅罗综合污染指数反应研究区域内8 种重金属综合污染状况，由表7 可知，研究区域内铁路、高速公路、城市主干道、村庄周边片区内梅罗综合污染指数分别为0.45、0.47、0.47、0.44，远低于土壤重金属综合污染指数法评价指数第一级的0.7。依据土壤重金属内梅罗综合污染指数评价标准，所有样点的生态风险等级为无污染等级。

表7 研究区土壤中重金属污染指数

2.3.2 土壤潜在风险评价

将各样点不同片区重金属实测质量分数代入公式，得到不同片区各元素环境风险指数，如表8 所示。结果表明研究区域内重金属Cd 和Hg 潜在生态风险指数较高，Cd 达到中等生态风险程度以上的点位数占采集样品总数的92%，达到较强生态风险程度的点位数占总采集样的12%。土壤样品中Hg达到中等生态风险程度以上的点位数占采集样品总数的52%，有12%的采样点Hg 达到较强生态风险程度。另外，Cd 和Hg 在潜在生态中占有较大的贡献率，分别为46.84%和35.80%。各重金属的潜在生态风险大小顺序为：Cd ＞Hg ＞As ＞Ni=Pb ＞Cu ＞Cr ＞Zn。

表8 研究区土壤中重金属潜在生态风险评价

研究区域内8 种重金属的综合潜在生态风险指数（RI） 的 范 围 为107.75～199.60，平 均 值 为125.15。研究区域内有78%的采样点潜在生态风险为轻微生态风险水平，有22%的采样点达到中等生态风险水平，并且只有高速公路周边的采样点达到中等生态风险水平。总体上研究区域内土壤重金属生态风险不高，高速公路、铁路、城市主干道片区的综合潜在生态风险指数明显高于村庄周边区，这可能与汽车尾气和粉尘影响有关。

3 结论

（1）南水北调中线工程（郑州市区段）沿线土壤样品8 种重金属中，Cd 和Hg 平均含量高于河南省表层土壤背景值，其他6 种重金属平均含量均低于河南省表层土壤背景值，8 种重金属平均含量均远远低于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）建设用地第一类用地土壤污染风险筛选值，总体土质较好。

（2）通过变异系数分析得出，Cd 和Hg 离散程度较高，分布不均匀，受周边环境影响较大。Cu、Zn、Ni、Pb、Cr，离散程度较低，反映该元素分布相对较均匀，目前受人类活动干扰不明显。

（3）从空间分布上来看，在高速公路与铁路两侧Pb、Cd、Hg、Zn 含量明显高于总体均值，在该区域有一定累积。As、Cr、Ni、Cu 含量整体处于较低水平，自西北至东南呈降低趋势。

（4）8 种重金属元素不同样品单因子污染指数均远低于1，所有样品8 种重金属元素均没有明显污染；各样品内梅罗综合污染指数均小于0.7，所有点位的土壤均处于清洁水平；虽然8 种重金属含量均未达到土壤环境污染筛选值，但Cd 和Hg 潜在生态风险指数较高，高速公路片区RI＞150，达到多种重金属中等生态风险水平，后期要加强对Hg和Cd的持续监测。