长春市建成区土壤重金属污染与生态风险评价

王天欣，陆继龙，赵威，刘洋，李彤，来雅文

吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

城市土壤对城市的经济、环境和生态具有重要作用，在城市的可持续发展中扮演着重要的角色[1--3]。在城市化和工农业的极速发展进程中，城市土壤重金属的污染情况越来越严重，给城市生态环境和人类健康带来了极大的危害[4--6]，近年来，城市土壤重金属的污染情况受到国内外众多学者的关注，并且对此展开了研究。1980年，瑞典环境学家Hakanson[7]提出了潜在生态风险指数法，此方法结合应用毒理学及重金属生态环境风险两个方面，使重金属对生态环境的胁迫程度表现的更加直观。杨忠平等[8]对于长春市城区表层土壤重金属污染来源进行解析。沈梦楠等[9]对长春市不同功能区土壤重金属污染风险进行了评价。

长春市是中国重要的工业城市、东北亚经济中心城市，是中国综合交通枢纽。其拥有的大型企业经营范围多样，例如一汽集团、热电厂、机械厂、建材厂和塑料厂等企业，这些工业虽然带动了长春市经济的发展，但同时也给长春市带来了巨大的环境问题。因此，为了解长春市建成区土壤重金属含量分布情况并对其风险进行评价，笔者以长春市建成区表层土壤为研究对象，采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法等方法，对土壤中7种重金属(As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的污染特征及土壤环境质量进行分析，并且利用潜在生态风险指数法评价长春市建成区土壤存在的风险，对城市建设的规划、人类健康的保障、城市环境质量的改善等提供参考。

1 研究区概况

长春市是吉林省省会，位于吉林省的中北部，总面积为20 593.14 km2，其中建成区面积为660.19 km2。长春市位于东北交通的网络中心，处于辽、吉、黑、内蒙古4省区通衢的十字要冲。长春市作为老重工业基地，工业基础雄厚，拥有一汽集团和长春客车厂等多家大中型企业，工业体系主要为机械制造业，同时兼备食品、医药和光电等众多工业：蓄电池厂、有色金属加工厂、机械厂、热电厂、印刷厂和小型钢厂等。长春市建成区土壤类型主要为黑钙土、黑土及暗棕壤等，土质较肥沃。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与测试

笔者以长春市建成区为研究区域，严格按照规范[10]要求对长春市建城区土壤样品进行采集。采样点的布点方法采用网格化均匀的分布方法，以 1个点/4 km2设点，取地表0～20 cm的土壤，共取得156个土壤样品，采样点分布图如图1所示。用铲子取1 kg±土壤样品放置于布袋内写好标签，置于室内背光处自然风干，风干后取出样品，剔除植物残体和石块，磨碎并过100目筛，用四分法取出100 g作为待测样品[11--13]。

图1 样品采集点在长春市建成区的分布Fig.1 Distribution of sample collection points in built-up area of Changchun City

采用环保部HJ830—2016推荐方法[14]进行土壤样品的重金属测定。测试分析As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等7种重金属的含量，各元素均采用电感耦合等离子体质谱法(ICP--MS)测定。试验中所用到的As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的标准溶液购于国家标准物质中心。其余药品购于北京化学研究所，均为优级纯，用王水(盐酸--硝酸溶液)浸泡玻璃器皿和塑料器皿24 h，再用超纯水洗涤。实验过程中均设置空白样品，且在分析过程中利用国家标准物质(GSS--1)进行质量控制。

2.2 土壤重金属污染评价方法

本文采用单因子污染指数法及内梅罗综合污染指数法[15--16]两种污染评价方法，结合当前工作所得长春市建成区土壤重金属含量数据，对长春市建成区进行土壤重金属污染评价，污染评价方法计算公式为：

(1) 单因子污染指数法

(1)

式中：Pi表示单因子污染指数，Ci表示重金属i的实际测量浓度；Si表示各元素土壤环境背景值，本研究选用吉林省土壤重金属元素的平均背景值[17]作为污染物的评价标准，将污染程度标准分为：Pi≤1，没有受到污染；13，污染程度为重度。

(2)内梅罗综合指数法

(2)

式中：Pi为第i个土壤样品点的单因子污染指数值，Pimax表示为单因子污染指数值的最大值，n表示长春市建成区土壤样品点的数量，内梅罗综合污染指数的分级标准见表1。

表1 内梅罗综合污染指数分级标准[15]

2.3 潜在生态风险指数法

采用潜在生态风险指数法[18--20]评价其潜在生态风险，计算公式为：

(3)

表2 重金属污染潜在生态危害指数法分级标准[21]

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属含量特征分析

统计分析长春市建成区表层土壤重金属的含量(表3)，可以看出重金属As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni这7种重金属的平均含量依次为28.63、0.11、33.34、124.75、22.19、48.33和23.19 mg/kg。As、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的平均含量分别是吉林省土壤背景值的3.58、1.15、1.16、2.67、1.30和0.60倍，其中Cd、Pb、Zn、Ni的平均含量与吉林省土壤背景值差别不大，As、Cr的平均含量远超过吉林省土壤背景值。Pb、Cu、Zn这3种重金属中均出现了极端异常值，说明长春市建成区表层土壤重金属的含量及其分布情况受人类活动影响严重，并且不同区域间重金属含量有明显的差异。土壤变异系数可表示长春市表层土壤样品中采样点的变异程度，各金属的变异系数可划分成以下3个层次: Pb、Cu的变异系数超过100%，Cd、Zn、Cr的变异系数为50%～100%，As、Ni的变异系数<50%，反映不同地点的Pb、Cu、Cd、Zn、Cr含量均有较大的差异，各采样点As、Ni分布相对较集中。7种重金属元素变异系数大小依次是Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>As>Ni，其中Pb的变异系数最高，达184%，说明重金属Pb含量空间分布差异最大，存在区域异常点。

表3 长春市建成区土壤重金属含量统计

3.2 土壤重金属污染特征和空间分布

采用单因子指数法评价土壤环境质量指标，表4、表5为数据计算分析结果。长春市建成区表层土壤中各重金属单因子指数值依次为As>Cr>Cu>Cd>Pb>Ni>Zn。除Ni外均出现了污染样点，As、Cr、Cd、Pb、Cu、Zn的污染样点分别占长春市建成区总面积的59.62%、42.95%、3.85%、2.56%、1.92%、1.28%(表4)，重金属As、Cr、Cd、Pb的环境质量分布情况如图2 所示，其中As元素污染样点占长春市建成区总面积最大(图2a)，污染形成可能与工农业生产活动有关。

表4 长春市建成区土壤重金属单因子评价指数

内梅罗综合污染评价显示(表5)，长春市建成区土壤环境质量等级中清洁、安全状态约占长春市建成区总面积的6.41%和21.15%，警戒状态约占25.64%，污染状态约占46.79%，受污染面积相对较大(图3)。达到污染状态区域分布在长春市建城区的南部地区，在这些污染较严重区域内分布着众多的工业企业，如第二污水厂、一汽集团、护栏厂、热电厂、能源研究所、电池公司和机械厂等，对长春市建成区土壤重金属的含量产生影响。

表5 长春市建成区表层土壤重金属环境质量各等级面积的百分比

(a)As；(b)Cr；(c)Cd；(d)Pb。图2 As，Cr，Cd和Pb元素污染评价结果空间分布图Fig.2 Spatial distribution of assessment results of As,Cr,Cd and Pb element pollution

图3 长春市建成区土壤环境质量空间分布图Fig.3 Spatial distribution of soil environmental quality in built-up area of Changchun City

3.3 土壤重金属潜在生态风险评价

采用潜在生态风险指数法评价长春市建成区表层土壤重金属污染程度，选择吉林省土壤背景值[17]为参考，以反映区域间的差异性。长春市建成区表层土壤重金属单一潜在生态风险系数大小依次为As(36.03)>Cd(34.86)>Cu(6.49)>Pb(5.79)>Cr(5.46)>Ni(2.17)>Zn(0.60)，整体危险程度为轻微污染，重金属As的潜在生态风险指数普遍较高(表6)。长春市建成区表层土壤重金属中Cd最高,潜在生态危险达到很强的生态危害，占长春市建成区面积的1.28%，并且其潜在生态危害指数的最大值达到283.97，是土壤重金属中污染较为严重的元素(表7)。这7种重金属元素在长春市建成区土壤重金属的潜在生态危害指数的平均值为90.83，生态危害级别为轻微生态危害。土壤重金属潜在生态风险评价显示(表7)，重金属Cr、Zn、Ni 全部样点为轻微生态危害，重金属Cu、Pb为0.64%样点达到强生态危害，重金属Cd强生态危害、很强生态危害的百分比分别为4.49%和1.28%，这7种重金属元素的潜在生态风险较小，整体为轻微生态危害。

表6 长春市土壤重金属元素潜在生态危害指数

表7 长春市建成区土壤重金属环境质量各等级面积比

综合长春市建成区表层土壤重金属所存在的潜在风险，长春市建成区土壤中污染程度达到轻微、中等和强生态危害所占的百分比分别为94.23%、4.49%、1.28%，可知长春市建成区大部分区域存在轻微潜在生态风险，只有少数区域存在强生态风险。土壤重金属潜在生态风险空间分布见图4。其潜在生态风险指数较高区域主要分布在长春市建成区的中部地区，这些潜在生态风险指数较高区域内分布着若干工厂：护栏厂、建筑工地、建材市场、热电厂、第二污水厂、生物制药所、材料市场和塑料厂等，这些污染源会对长春市建成区的土壤环境质量造成不同程度的影响，其形成可能与工业生产活动有关。

图4 长春市建成区土壤重金属潜在生态风险指数(RI)空间分布Fig.4 Spatial distribution of RI of soil heavy metals in built-up area of Changchun City

4 结论

(1)长春市建成区土壤重金属除Zn外各元素的平均含量均高于吉林省土壤背景值，Pb、Cu、Zn出现了极端异常值，区域差异明显；平均变异程度依次为Pb>Cu>Cd>Zn>Cr>As>Ni，其中Pb的变异系数最高，达184%，不同区域Pb的含量有较大差异。

(2)通过单因子指数法评价可知，重金属污染程度为As>Cr>Cu>Cd>Pb>Ni>Zn，其中Zn、Cd、Pb主要为清洁状态，Cu、Ni主要为安全状态，As、Cr主要为污染状态，且As元素污染样点占长春市建成区总面积最大。通过内梅罗综合污染评价可知，长春市建成区整体有较大面积受到污染，受污染地区的产生可能与工业生产和人类活动有关。

(3)通过潜在生态风险评价结果可知，这7种重金属元素的潜在生态风险较小，整体为轻微生态危害，部分样点中重金属Cd达到很强生态危害程度，是最重要的生态风险因子，其潜在生态风险指数较高区域主要分布在长春市建成区的中部及南部地区，区域内分布着众多工厂，其形成可能与工业生产和人类活动有关。