地质通报  2021, Vol. 40 Issue (10): 1680-1687  
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汪春鹏, 尤建功, 孙浩, 田野, 侯红星, 史敬涛, 靳胜凯, 王末. 辽阳市土壤重金属含量特征及潜在风险评价[J]. 地质通报, 2021, 40(10): 1680-1687.
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WANG C P, YOU J G, SUN H, TIAN Y, HOU H X, SHI J T, JIN S K, WANG M. Characteristics and potential risk assessment of heavy metal contents in urban soil, Liaoyang City[J]. Geological Bulletin of China, 2021, 40(10): 1680-1687.
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基金项目

中国地质调查局项目《辽阳市多要素城市地质调查》(编号:DD20191025)

作者简介

汪春鹏(1995-), 男, 助理工程师, 从事土地质量地球化学调查评价研究工作。E-mail: 17801095680@163.com

通讯作者

孙浩(1986-), 男, 硕士, 工程师, 从事土地质量调查工作。E-mail: 672415613@qq.com

文章历史

收稿日期: 2020-07-28
修订日期: 2021-06-07
辽阳市土壤重金属含量特征及潜在风险评价
汪春鹏1, 尤建功1, 孙浩1, 田野1, 侯红星1, 史敬涛1, 靳胜凯1,2, 王末1    
1. 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心, 河北 廊坊 065000;
2. 中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083
摘要: 采用污染负荷指数法和生态危害指数法对辽阳城市表层土壤样品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等重金属元素的污染程度及其生态风险进行评价。结果表明,土壤As元素基本无污染,其他7项重金属元素含量均高于对应的全国土壤背景值,其中Hg、Cd为主要污染元素,其污染程度分别为重度、中度,Zn、Pb、Cu、Cr、Ni元素处于轻度污染。生态风险评价结果显示,Hg、Cd亦为主要生态风险因子,Hg属于较强生态风险,Cd属于中等生态风险。辽阳城区存在轻度重金属元素污染,潜在生态风险水平为中等;新城区土壤生态环境优于老城区,建议进一步发挥新城疏导功能,缓解城市压力。
关键词: 辽阳    城市    表层土壤    重金属    风险评价    
Characteristics and potential risk assessment of heavy metal contents in urban soil, Liaoyang City
WANG Chunpeng1, YOU Jiangong1, SUN Hao1, TIAN Ye1, HOU Hongxing1, SHI Jingtao1, JIN Shengkai1,2, WANG Mo1    
1. Langfang Natural Resources Comprehensive Survey Center, China Geological Survey, Langfang 065000, Hebei, China;
2. State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The contents and pollution degree of As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn and other elements in surface soil samples of Liaoyang urban greenbelt were comprehensively analyzed by pollution load index method and ecological risk index method.The results show that, except As, the concentrations of other seven heavy metal elements in soil is higher than the national background value, of which Hg, Cd are the main pollution elements, and the degree of their contamination has reached heavy and moderate respectively.The trace elements of Zn, Pb, Cu, Cr and Ni are in slight pollution, while As is basically free of contamination.The evaluation of the ecological risk shows that Hg and Cd elements are the main ecological risk factors, and Hg and Cd belong to strong and medium ecological risk respectively.In general, Liaoyang City has slight heavy metal element pollution with medium potential ecological risk.The soil ecological environment in the new city is better than that in the old one, and it is recommended to further play the role of dredging function of the new city to relieve the urban pressure.
Key words: Liaoyang    urban greenbelt    surface soil    heavy metal    risk assessment    

城市土壤是城市生态系统的重要组成部分,为城市发展提供基础保障的同时,也成为城市各类污染的主要承载者。近年来,随着城镇居民生活水平的不断提升和城市工业化的快速发展,城市生态环境问题日益凸显[1],城市土壤重金属污染问题也受到广泛关注[2-3]。土壤中常见的8种重金属元素Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、Cr、Ni、As,污染源主要来自工矿业活动、生活废弃物、交通和农业活动[3-4]。受元素化学性质及存在形态的影响,不同重金属元素对人体的作用存在一定差异,如Cu、Zn、Cr是人体内不可或缺的微量元素,适量摄入有利于身体健康;而As、Hg、Pb、Ni、Cd主要为有毒性元素[4-5]。查明城市地表土壤重金属元素含量与分布,对城市综合布局有着重要意义[6-7]

辽阳市位于辽宁省中部,与沈阳、鞍山两地相接,是沈阳经济区副中心城市之一。境内自然资源丰富,有着“东北第一城”的美誉。然而随着经济社会发展,以石油化工、矿业开发为代表的资源消耗型产业所带来的地质环境问题也日益凸显。辽河流域1∶25万多目标区域地球化学调查工作[8-9]和典型功能区土壤质量调查发现,沈阳、鞍山、锦州、铁岭、阜新等老工业城市周边土地存在不同程度的污染,特别是Cd、Hg严重超标[10-12]。因此,本文以1∶5万土壤质量地球化学调查为工作手段,对辽阳城市土壤重金属污染的分布情况进行研究,并对其潜在危险进行评价,为城市土壤污染防治和生态环境综合治理提供依据[13]

1 研究区概况 1.1 区域概况

辽阳属温带大陆性季风气候,年平均气温8.4℃,年平均降水量700~800 mm[14],年平均蒸发量1700~1800 mm。太子河由西至东贯穿,成为区内的主要水系。城市规划区沿河布局,西侧为旧城区,东侧为新城。

研究区位于辽阳市老城区和河东新城交汇地段,交通便利,总面积约120 km2。辽阳工业发展迅速,区内有多家大型制造及化工企业,譬如东南部的辽阳石化、忠旺集团、英华有机化工公司,西北部的辽阳市化学厂等。

区内地层以第四系砂、土、砾石为主,西南部丘陵区出露少量寒武系灰岩、南华系砂页岩,西北部零星分布少量奥陶系白云岩(图 1)。

图 1 研究区地质简图 Fig.1 Geological map of the study area
1.2 区域土壤地球化学背景

辽河流域土壤背景值与全国土壤丰度比较,Cd元素含量很高,富集系数K值大于1.2,显著高于全国土壤丰度;Pb元素含量略高于全国土壤背景值,K值为1~1.2;Cr、Ni、Hg等元素含量略低于全国背景值,K值为0.8~1;Zn、Cu、As元素显著低于全国背景值,K值小于0.8(表 1)。

表 1 辽河流域土壤背景与全国土壤丰度比值统计 Table 1 Cartogram of the ratio of soil background in the Liaohe River Basin to the national soil abundance
2 样品采集与分析 2.1 样品采集

此次调查区面积约为100 km2,采样密度约为10件/km2 ,布置样点时远离主干道路、铁路,避免了明显污染或外来土的影响。样品采集时采取了0~20 cm的土柱,由3~5处去除杂草、根系、砾石等杂质的子样,等量均匀混合成1件样品,每件样品质量1~1.5 kg。采集的表层样品用布袋装好后,放置在通风干燥处晾干。经充分晾晒、揉搓、过筛后,将300 g加工后样品装入牛皮纸袋,按顺序装箱送至实验室。

2.2 样品测试

土壤样品测试均由辽宁省地质矿产研究院有限责任公司承担,测试方法参照《DZ/T 0258—2014多目标区域化学调查规范(1∶250 000)》,Cr、Cu、Pb等元素采用X射线荧光光谱法(XRF)分析,Hg、As采用原子荧光光谱法(AFS)分析,Ni和Zn则用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES), Cd元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析(表 2)。

表 2 土壤元素分析方法及检出限 Table 2 Analysis methods and detection limits of soil elements

通过加入标准样、密码样、监控样等多种手段测定土壤中各类重金属元素,多项措施共同保证了分析质量的可靠性,结果显示,各元素的分析方法及检出限、合格率均满足《DZ/T 0258—2014多目标区域化学调查规范(1∶250 000)》规定标准。

2.3 数据分析

本次研究所有的数据采用Excel软件进行预处理,依托SPSS软件完成数据分析,研究区样点分布图及表层土壤样品PLIRI空间分布图均采用MapGIS软件制作完成。

3 评价方法 3.1 重金属污染等级评价 3.1.1 污染负荷指数法

通过污染负荷指数法(PLI)[15]计算土壤中重金属污染等级,计算公式如下:

$ \mathit{C}{\mathit{F}_\mathit{i}} = {\mathit{C}_\mathit{i}}\mathit{/}{\mathit{C}_\mathit{j}} $ (1)
$ PLI = \sqrt[\mathit{n}]{{\mathit{CF}1 \times \mathit{CF}2 \times \cdots \times \mathit{CFn}}} $ (2)

式中:CFi为重金属i元素的污染指数;Ci为重金属i元素的实测值的平均值;Cj为重金属i元素的背景值,在本次研究中采用全国土壤元素地球化学背景值。其中重金属污染等级分级标准为:CF≤1为无污染(Ⅰ),1<CF≤2为轻度污染(Ⅱ),2<CF≤3为中度污染(Ⅲ),CF≥3为重度污染(Ⅳ)。污染负荷指数法是Tomlinson等[14-15]在从事重金属污染水平的分级研究中提出来的一种评价方法,不同学者[16-17]PLI的污染分级有不同的标准,大部分学者将PLI < 1定为无污染,PLI>1定为污染,本次在前人研究基础上,将PLI调整为PLI≤1为无污染(Ⅰ),1<PLI≤2为轻度污染(Ⅱ),2<PLI≤3为中度污染(Ⅲ),PLI>3为重度污染(Ⅳ)。

3.1.2 地累计指数法

地累计指数法[18]是德国科学家Muller在1969年提出的,近些年被国内外专家广泛用于人类活动产生的重金属元素对土壤污染的评价。地积累指数计算公式如下:

$ {\mathit{I}_{{\rm{geo}}}} = {\rm{lo}}{{\rm{g}}_2}({\mathit{C}_\mathit{i}}/\mathit{k}{\mathit{B}_\mathit{i}}) $

式中:Ci为元素i在沉积物中的实测含量;Bi为元素i的地球化学背景值,本文采用辽河流域地区背景值;k是为消除各地岩石差异可能引起背景值的变动转换系数,取常量1.5。

地累计指数可被分为0~6级:当Igeo>5时,设置为6级,属于极严重污染;当4<Igeo≤5时,为5级,属于强污染—极严重污染;当3<Igeo≤4时,为4级,属于强污染;当2<Igeo≤3,为3级,属于中度污染—强污染;当1<Igeo≤2时,为2级,属于中度污染;当0<Igeo≤1时,为1级,属于轻度—中度污染;当Igeo≤0时,地累计指数为0级,属于无污染。

3.2 潜在生态风险评价

采用指数法(RI)[19]对土壤中重金属元素潜在生态风险进行评价,根据重金属元素的性质及其环境行为特点,从沉积学角度对土壤或沉积物中的重金属污染进行评价,此方法将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,具有很强的实用性[20]。计算公式如下:

$ $ (3)

式中:RIi为重金属潜在生态风险指数,以i样点为例;Eiji样点重金属j的单项潜在生态风险指数;Tj为重金属j的毒性系数(THg=40>TCd=30>TAs =10>TCu=TPb=TNi=5>TCr=2>TZn=1);CFj为重金属j的污染指数;Ciji样点土壤重金属j的实测含量;Cnj为重金属j的背景值。EijRI的分级标准见表 3

表 3 重金属污染潜在生态风险指数法分级标准 Table 3 Classification standard of potential ecological risk index for heavy metal pollution
4 结果与分析 4.1 土壤重金属元素含量

对辽阳中心城区土壤重金属元素含量与辽河流域背景值进行对比(表 4),结果显示,Hg、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni等元素的平均含量均高于辽河流域背景值,呈富集和超富集状态。显著性分析表明,土壤很可能受到重金属元素的污染。

表 4 辽阳市与辽河流域背景值对照 Table 4 Comparison of background values between Liaoyang City and Liaohe River Basin

土壤中各金属变异系数,Hg(2.46)>Cd(1.35)>Cu(1.25)>Cr(1.01)>Pb(0.89)>Zn(0.65)>Ni(0.36)>As(0.24),其中Ni和As元素的变异系数较小,属于中低度变异,反映出这2种元素在空间分布上差异性较少,即离散程度小,主要受到土壤背景含量的影响,人为影响较弱。而表层土壤中Hg、Cd、Cu、Cr、Pb、Zn等元素的变异系数较大,说明以均数为准变异程度大,在空间分布上有较大差异。在进行数据统计分析时,如果变异系数过大时,要考虑该数据可能不正常,应该剔除。研究区表层土壤Hg、Cd、Cu、Cr、Pb、Zn等元素的变异系数值均大于0.5,自然条件下很难形成此现象,表明人类活动已经对城市表层土壤的化学组成产生了较大影响。

4.2 土壤重金属污染和分布特征

根据污染负荷指数法获知表层土壤中8种重金属元素平均CF值:Hg(4)>Cd(2.22)>Zn(1.59)>Pb(1.57)>Cu(1.38)>Cr(1.29)>Ni(1.11)>As(0.95)。结果显示,Hg元素属于重度污染,Cd元素属于中度污染,Zn、Pb、Cu、Cr、Ni元素属于轻度污染,As元素属于基本无污染。

在研究区的966个样点中,CF值达到Ⅳ级的As元素样点个数最少,数量为1个,占比0.1%;Hg元素的样点个数最多,为343个,占比35.51%,如表 5所示。Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn这6种元素CF值达到Ⅳ级样点的个数分别为151个、36个、22个、7个、23个、57个;CF值达到Ⅲ级的As元素样点的个数最少,数量为1个,占比0.1%;Cd元素的样点个数最多,为236个,占比24.43%。大部分样点的Pb、Cu、Zn和Ni属于Ⅱ级,Ⅱ级污染样点数分别为761个、631个、613个和617个,占比分别为78.78%、65.32%、63.87%和63.46%。CF值达到Ⅰ级的As元素样点数最多为622个,占比64.39%,污染程度较轻。其中Hg和Cd是主要的污染元素(表 5)。

表 5 研究区不同污染级别样点占总样点数比例 Table 5 Proportion of samples with different pollution levels in the study area to the total samples 

根据地累计指数法,计算得到研究区土壤重金属的地累计指数和污染程度(表 6)。8种重金属元素均不同程度污染,其中Hg污染程度较高,超标样点830个,所占比例为82.18%,轻度—中度污染、中度污染、中度—强度污染、强—极严重污染、极严重污染所占比例分别为33.86%、27.23%、14.06%、4.65%、1.68%和0.69%。As超标样点有344个,所占比例为34.06%,主要为轻度—中度污染;Cd超标样点有360个,所占比例达到35.64%,主要为轻度—中度污染和中度污染,分别占30%和4.95%;Cr超标样点有146个,所占比例达到14.46%,主要为轻度—中度污染;Cu超标样点有515个,所占比例达到50.99%,主要为轻度—中度污染和中度污染,分别占比46.04%和4.46%;Ni超标样点有125个,所占比例为12.38%,呈轻度—中度污染;Pb超标样点有340个,所占比例为32.67%,以轻度—中度污染为主;Zn超标样点有606个,所占比例为60.30%,轻度—中度污染和中度污染,所占比例分别为50.69%和7.82%。

表 6 辽阳市土壤重金属地累计指数 Table 6 Accumulation index of heavy metals in soil in Liaoyang City
4.3 土壤重金属潜在风险评价

对辽阳城市绿地966个表层土壤样点重金属元素数据进行分析表明,Hg元素属于较强生态危害,Cd元素属于中等生态危害,其余元素属于轻微生态危害。就单个样点而言,As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的大部分样点均为轻微生态危害;所有样点中Cu和Pb元素达到很强生态危害的样点各有1个,所占比例均为0.10%;土壤中Hg元素的潜在生态风险程度最高,达到很强和极强风险的样点数分别为153个和88个,所占比例分别为15.84%和9.11%;其次是Cd,达到很强和极强风险的样点数分别为21个和5个,占比为2.17%和0.52%,由此能推断Hg和Cd元素为主要生态风险因子(表 7)。

表 7 不同生态风险级别样点占总样点比例 Table 7 Proportion ofsamples with different ecological risk levels to total samples
5 讨论 5.1 辽阳市污染等级与潜在生态风险

根据Igeo值(表 6)分析,研究区土壤重金属污染主要为Hg元素,所占比例高达82.18%。其他7种重金属元素主要为轻度污染和中度污染。对Hg元素污染应予以重视。

根据PLI值(表 5)分析,研究区轻度污染的区域占比74.22%,中度污染区域占比9.73%,重度污染区域占比2.38%。区域内,8种重金属元素的PLI的平均值为1.45,属于轻度污染[21-22]。其中,Hg和Cd作为主要污染因子,平均含量分别是全国土壤背景值的3.41倍和2.04倍,污染指数较高。前人研究认为,表层土壤中Hg、Cd污染多来源于工业生产、烟尘干湿沉降、交通污染、农业施肥等人类活动[23-26]。调查区西部为旧城区,人口密度大、车辆活动频繁;南北分布有大型制造厂、化工厂、热电厂,化石燃料燃烧、工业生产过程排放,带来的废烟、废气,极有可能导致了周围区域的Hg、Cd污染。

研究区不同样点土壤重金属PLI值空间分布图(图 2)显示,高值区域主要位于西北工业区附近,PLI值大于3,达到重度污染水平。其周边为中度污染区,变化范围在2~3之间;PLI低值区主要位于太子河流域东侧,基本无污染。

图 2 辽阳城市表层土壤重金属污染等级(PLI)图 Fig.2 Heavy metal pollution grade of surface soil in Liaoyang City

根据RI值对辽阳全部土壤样品分析得出,辽阳城市表层土壤重金属总的潜在危险指数RI的平均值为298.07,属于中等生态危害水平[27-32]。其中,较强生态危害风险占19.15%,很强风险占7.45%;土壤重金属RI空间分布特征见图 3。从图中可以看出,强生态危害风险区主要位于西北部工业区,轻微危害区主要位于太子河沿岸及周边居民区。

图 3 辽阳城市表层土壤潜在生态风险等级(RI)图 Fig.3 Potential ecological risk grade of surface soil in Liaoyang City
5.2 辽阳市主要污染因子

图 2图 3可以看出,辽阳市污染区多呈大片集中、小片点状分布的特征。土壤污染主要集中在西北工业区,化学厂、橡胶厂附近污染最严重,主要表现为Hg元素超标,与化工生产排放有必然的关系;中心城区污染呈小片点状分布,可能与人员密集活动、城市道路狭窄导致的交通污染有关。表层土地质量较好的区域主要集中在太子河流域东岸,可能与太子河东岸为新城区、人员活动少、污染程度小有关。因此辽阳市土壤可能的污染因子为西北工业区导致的工业污染及中心城区人员密集活动、城市道路狭窄导致的交通污染。

6 结论

(1) 研究区表层土壤中8种重金属元素,Hg、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni 7种元素平均含量高于全国土壤元素背景值,富集程度达到了污染标准。其中,Ni超标主要受成土母质影响,Hg、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr元素超标多为人为污染。Hg和Cd为主要的污染因子和生态风险因子,生态风险分别为很强生态风险和中等生态风险。

(2) 地累计指数法、PLI法污染等级评价和RI法潜在生态风险评价结果显示,中心城区表层土壤已经受到了重金属元素的轻度污染,整体属于中等生态风险地区。西北工业区附近,污染严重、生态危害风险强;太子河东岸土壤环境质量优、生态风险低。总体上,新城区土壤生态环境优于旧城区。建议进一步发挥河东新城生态休闲功能,将其发展成为生态文明建设示范区域。

致谢: 成文过程中,廊坊自然资源调查局孙浩工程师从选题到写作再到最终定稿给予了很大帮助,审稿专家提出了许多建设性的意见和建议,在此一并表示感谢。

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