賈 濤 江海紅
(吳忠市科信環(huán)境檢測(cè)有限公司,寧夏 吳忠 751100)
隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速,工業(yè)排放、城市交通、大氣沉降等方式導(dǎo)致大量重金屬元素在土壤中累積[1]。土壤重金屬的大量對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)造成不良的影響,導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市的土壤重金屬分布進(jìn)行研究,并取得豐碩的成果。Manta 等[2]通過(guò)對(duì)巴勒莫的重金屬分布進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)工業(yè)與交通是導(dǎo)致區(qū)域土壤重金屬超標(biāo)的主因;李一蒙等[3]采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)開(kāi)封市土壤重金屬分布進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)開(kāi)封市土壤中Cd 含量高,呈重度污染,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)Cd 含量多與化肥廠煙塵、交通運(yùn)輸和以及燃煤等有關(guān);王楨等[4]通過(guò)對(duì)日本新潟市鐵路沿線土壤的重金屬含量進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)鐵路等交通運(yùn)輸線是影響土壤中重金屬的含量及分布的重要因素。
石嘴山市作為寧夏回族自治區(qū)北部重要中心城市,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著“西部大開(kāi)發(fā)”和“一帶一路”的推進(jìn),其工業(yè)得到了快速發(fā)展。因此該文以石嘴山市為例,對(duì)其不同功能區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行研究,以期能為石嘴山市土壤環(huán)境保護(hù)提出對(duì)策。
石嘴山市地處中國(guó)西北地區(qū),為寧夏回族自治區(qū)北部重要城市,東臨鄂爾多斯臺(tái)地,西踞銀川平原北部。地形以平原為主,海拔高度約1150m 左右,年均氣溫8.4℃~9.9℃,年均降水量167mm~188mm,屬典型的溫帶大陸性氣候,氣候冬冷夏熱,降水少。隨著“西部大開(kāi)發(fā)”和“一帶一路”的推進(jìn),石嘴山市步入快速發(fā)展期,隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市生態(tài)環(huán)境壓力也在增加。
根據(jù)城市人口的分布與活動(dòng),該文把石嘴山市區(qū)劃分為工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、公園和開(kāi)發(fā)區(qū)5 個(gè)功能區(qū),每個(gè)功能區(qū)均勻設(shè)置8 個(gè)采樣點(diǎn),共40 個(gè)采樣點(diǎn)。采樣時(shí)避開(kāi)混凝土碎屑、生活垃圾、瓦礫等人工填充物,采集人為擾動(dòng)相對(duì)較少的土壤。將采集的土壤樣品平鋪在塑料袋上,剔除礫石、雜草等雜物,置于通風(fēng)處自然風(fēng)干,將風(fēng)干后的土壤樣品研磨,使其通過(guò)60 目的尼龍篩,裝入密封袋中保存?zhèn)溆谩M寥罉悠方?jīng)HNO3-HCl-HF-H2O2消解后,采用ICP-OES 檢測(cè)分析Cu、Cd、Cr、Pb 和Zn 這5 種重金屬含量,每個(gè)樣品采用3 組平行試驗(yàn),取均值作為重金屬濃度。
1.3.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行空間變異分析,其變異特征用變異函數(shù)Cv表示,如公式(1)所示。
式中:s為標(biāo)準(zhǔn)差,x為變量平均值,通常將變異程度分為3 級(jí),即弱變異性(Cv≤0.1),中等變異性(0.1 <Cv< 1)和強(qiáng)變異性(Cv≥ 1)。
1.3.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)可以全面反映出各污染物的污染狀況,同時(shí)突出較高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,如公式(2)、公式(3)所示。
式中:Pi為土壤重金屬i的單因子指數(shù);ci為重金屬i的實(shí)測(cè)值(mg·kg-1);si為重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg·kg-1),取 GB 15618 的一級(jí)含量限值[5]。P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),Pimax為重金屬單因子指數(shù)最大值,Piavg是其平均值。單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2[6]。
表1 單因子指數(shù)法對(duì)土壤污染程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
表2 內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤綜合污染程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是目前污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中應(yīng)用最廣泛的評(píng)價(jià)方法之一[7],其計(jì)算方法如下。
多個(gè)重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)可按式(5)確定。
表3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
石嘴山市土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知,石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的含量分別為18.56~103.46mg/kg、54.78~112.89mg/kg、45.03~121.72mg/kg、0.08~0.39mg/kg 與19.04~71.96mg/kg,其均值分別為42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32mg/kg,除Cu 的極大值超過(guò)國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,其余均未超過(guò)國(guó)家的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,這表明石嘴山市區(qū)的部分地區(qū)出現(xiàn)了Cu 元素的聚集趨勢(shì)。從變異系數(shù)看,Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 這5 種重金屬的變異系數(shù)均介于0.1~1,均屬于中等變異,其變異系數(shù)大小排序?yàn)镃r<Zn<Pb< Cd<Cu。其中Cu 的變異系數(shù)最大,這說(shuō)明在石嘴山市的Cu 含量有較大的差異。從K-S 檢驗(yàn)看,Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb 這5種重金屬的分布均屬于正態(tài)分布。
表4 土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)(單位:mg/kg)
運(yùn)用SPSS22.0 對(duì)石嘴山市5 個(gè)功能區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行分析,具體結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知,土壤重金屬含量在石嘴山市5 個(gè)功能區(qū)存在比較明顯的差異。從各重金屬元素看,土壤中Cu 含量在工業(yè)區(qū)最高,為51.16mg/kg,在公園最低,為31.04mg/kg,總體趨勢(shì)為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>住宅區(qū)>開(kāi)發(fā)區(qū)>公園,土壤中Cr 含量在工業(yè)區(qū)最高,為96.27mg/kg,在開(kāi)發(fā)區(qū)最低,為62.41mg/kg,總體趨勢(shì)為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>住宅區(qū)>公園>開(kāi)發(fā)區(qū),土壤中Zn 含量在工業(yè)區(qū)最高,為95.42mg/kg,在公園最低,為52.18mg/kg,總體趨勢(shì)為工業(yè)區(qū)>商業(yè)區(qū)>住宅區(qū)>開(kāi)發(fā)區(qū)>公園,土壤中Cd 含量在工業(yè)區(qū)最高,為0.18mg/kg,在開(kāi)發(fā)區(qū)與公園最低,均為0.14mg/kg,總體趨勢(shì)為工業(yè)區(qū)>住宅區(qū)>商業(yè)區(qū)>公園=開(kāi)發(fā)區(qū),土壤中Pb 含量在工業(yè)區(qū)最高,為38.99mg/kg,在公園最低,為20.85mg/kg,總體趨勢(shì)為工業(yè)區(qū)>住宅區(qū)>商業(yè)區(qū)>開(kāi)發(fā)區(qū)>公園??傮w來(lái)看,工業(yè)區(qū)5 種重金屬元素的含量明顯高于其他功能區(qū),而公園與開(kāi)發(fā)區(qū)的重金屬含量較低,土壤相對(duì)無(wú)污染。
表5 不同功能區(qū)土壤重金屬含量水平(單位:mg/kg)
對(duì)石嘴山市土壤重金屬進(jìn)行統(tǒng)計(jì),雖然可以反映該區(qū)域重金屬含量狀況,但是無(wú)法反映其空間結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性。因此,為進(jìn)一步研究石嘴山市的土壤重金屬分布情況,還須利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)公式對(duì)其重金屬的空間分布進(jìn)行研究。結(jié)果見(jiàn)表6。由表6 可知,從擬合模型看,石嘴山市土壤重金屬中Cu、Cr、Zn 元素的最佳擬合模型是球狀模型,Cd 與Pb 元素的最佳擬合模型分別為高斯模型和指數(shù)模型,從塊金值與基臺(tái)值的比值看,Cu 的塊金值與基臺(tái)值比值為0.39,介于0.25~0.75,具有中等空間相關(guān)性,受到隨機(jī)和結(jié)構(gòu)因素共同影響,說(shuō)明在石嘴山市,Cu 元素的分布受到比較明顯的人為因素的影響。而Cr、Zn、Cd 與Pb 元素的塊金值與基臺(tái)值比值均小于0.25,說(shuō)明其具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,主要受結(jié)構(gòu)因素影響。從變程看,石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 與Pb 5 種重金屬的空間自相關(guān)距離存在比較明顯的差別,其變程范圍介于551m~5440m,相差接近10 倍,其原因可能是城市的生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(dòng)的影響比較強(qiáng)烈,特別是在不同的功能區(qū),土壤重金屬的輸入量與輸入方式存在一定的差別,導(dǎo)致在石嘴山市土壤重金屬存在不同空間結(jié)構(gòu)性。
該文對(duì)石嘴山市土壤重金屬進(jìn)行單因子指數(shù)評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7 可知,石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數(shù)的平均值分別為0.68、0.55、0.60、0.54 與0.59,其單因子指數(shù)平均值從大到小依次為Cu >Zn >Pb >Cr >Cd,且5 種重金屬單因子指數(shù)平均值小于1,說(shuō)明石嘴山市土壤無(wú)重金屬污染。Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數(shù)的范圍分別為0.32~1.09、0.31~0.84、0.42~0.83、0.35~0.70 和0.41~0.85。。其中Cu的單因子指數(shù)最大值大于1,這說(shuō)明在局部地區(qū)存在比較嚴(yán)重的Cu 元素污染。
表7 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果
為更好地分析石嘴山市土壤重金屬的污染情況,該文對(duì)各采樣點(diǎn)土壤重金屬不同污染級(jí)別所占比例進(jìn)行分析。具體結(jié)果見(jiàn)表8。由表8 可知,石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd 與Pb 這5 種重金屬均未出現(xiàn)污染情況。
表8 土壤重金屬污染指數(shù)
運(yùn)用單因子指數(shù)法對(duì)石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 這5 種元素的情況進(jìn)行評(píng)價(jià),只能反映該地區(qū)這5 種元素的單項(xiàng)污染狀況,不能明確綜合污染狀況。因此,為更好地研究石嘴山市土壤重金屬的綜合污染狀況,該文運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 這5 種重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表9。由表9 可知,石嘴山市土壤重金屬污染程度屬于安全、警戒線的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為35、5 個(gè),分別占87.5%、12.5%,無(wú)輕微污染、中度污染和重度污染。
表9 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果
為進(jìn)一步評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)Hakanson 制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性響應(yīng)系數(shù),以國(guó)家土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)和復(fù)合系數(shù)。由表10 可知,石嘴山市土壤中Zn、Cd、Pb、Cu、Cr 的潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)均小于40,為輕微的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)水平。從潛在生態(tài)危害復(fù)合系數(shù)看,輕度、中度、重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比分別為80%、20%、0%,表明石嘴山土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍處于不安全范圍。
表10 土壤重金屬生態(tài)危害系數(shù)
由描述性統(tǒng)計(jì)可知,石嘴山市Cu、Cr、Zn、Cd 和Pb的均值分別為42.67、83.09、77.17、0.18 和31.32 mg/kg,均未超過(guò)國(guó)家的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,且5 種重金屬均屬于中等變異,其中Cu 的變異系數(shù)最大,這說(shuō)明在石嘴山市的Cu 含量有較大的差異。從不同功能區(qū)土壤重金屬分布看,工業(yè)區(qū)5 種重金屬元素的含量明顯高于其他功能區(qū),而公園的重金屬含量較低,土壤相對(duì)污染程度低。從空間分布特征看,在石嘴山市,Cu 元素的分布受到較明顯的人為因素影響。而Cr、Zn、Cd 與Pb 元素的分布主要受結(jié)構(gòu)因素影響。從單因子分析看,石嘴山市土壤中Cu、Cr、Zn、Cd、Pb 5 種重金屬單因子指數(shù)平均值小于1,說(shuō)明石嘴山市土壤重金屬無(wú)污染。其中Cu 的單因子指數(shù)最大值大于1,這說(shuō)明在局部地區(qū)存在比較嚴(yán)重的Cu 元素污染。從內(nèi)梅羅指數(shù)看,石嘴山市土壤重金屬全部屬于安全、警戒線,無(wú)輕微污染、中度污染和重度污染。從潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)看,石嘴山土壤重金屬輕度、中度、重度風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)占比分別為80%、20%、0%,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處于不安全范圍。