庆阳市市区及环江—泾河沿岸土壤重金属含量生态风险评价

刘 芳 ，刘向军，张鹏博，唐道斌 ，张胜强

1.西北师范大学 甘肃省绿洲资源环境与可持续发展重点实验室，兰州 730070

2.西北师范大学 地理与环境科学学院，兰州 730070

3.嘉应学院 地理科学与旅游学院，梅州 514015

4.西北师范大学 教育学院，兰州 730070

土壤是人类生存的基本要素，为人类提供食物等生产资料和生活空间，也持续容纳环境中其余污染物质，例如气溶胶的沉淀、废弃污水的排放等。重金属作为土壤主要的持久性有毒污染物质，具有难降解等特性，并不断在土壤中累积，成为对生态系统和人类构成潜在风险的全球性问题（夏星辉和陈静生，1997；陈怀满等，1999；崔德杰和张玉龙，2004）。通过各种途径进入环境中的Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu和Zn元素及其化合物，会对农作物带来直接伤害，导致植物的死亡，使农产品中重金属含量增加，导致农产品污染，威胁农产品质量安全；也会通过各种食物链，经过逐级生物富集对人体健康产生危害，还可以通过影响水体和大气环境质量间接对人类健康造成威胁，诱发脑、血管、肾等疾病，并具有致癌性（张婷等，2019；李茸，2020）。土壤重金属污染问题受到国内外学者的重视，已有广泛的研究，土壤重金属污染评价常用的方法是内梅罗综合指数法、生态风险评价等方法或者利用主成分分析法和相关模型对污染源进行解析，阐明土壤重金属的污染程度及其对相关地区生态环境可持续发展的影响（Marr et al，1999；和莉莉等，2008；陈秀端等，2011；郭伟等，2013；Chen and Lu，2018）。Bortey-Sam et al（2015）对加纳 Tarkwa农业土壤中重金属进行了研究，认为采矿活动是该区域主要的污染源；宋明义等（2009）通过对宁波市城市土壤重金属综合异常区Hg、Cd、Pb、As、Zn、Cu化学形态的研究，认为该市区表层土壤中重金属相对于深层土壤富集系数高，其原因除主要与该市工业“三废”的排放密切相关外，与所处的地质背景也有一定联系；李春亮和刘文辉（2012）对甘肃省白银市区土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Hg的分布、存在形式和在水体中的含量进行分析，认为该区土壤、水体已受到Cu、Pb、Zn、Cd、Hg等重金属污染。

庆阳市位于陕甘宁三省的交汇处，域内的董志塬被誉为陇东粮仓，但近十几年来庆阳市大规模的石油开采已对土壤健康造成影响，因此需密切关注庆阳市市区内土壤环境的健康状况，目前这方面的研究工作开展较少，亟待加强（陈丽华等，2011）。梁俊宁（2011）对陇东塬区的土壤重金属含量进行了分析及土壤质量评价，以油田为切入点进行了分析，发现土壤中Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的含量均属于未污染状态，土壤质量清洁，但土壤Cd污染程度严重，油田重金属含量整体关系为：华庆＜马岭＜西峰，他们的研究缺少对城区和河流的研究。本研究将庆阳市市区及环江 — 泾河沿岸作为研究对象，使用单因子污染指数、地累积指数、内梅罗综合污染指数及潜在生态风险评价方法分析庆阳市市区和环江 — 泾河沿岸的表层土壤中重金属的含量、污染分布特征及潜在生态风险等问题，并采用皮尔逊相关系数法和主成分分析法进行源解析，为后续的重金属污染土壤修复和城市发展规划提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

庆阳市市区（107°27′42″ — 107°52′48″E，35°25′55″ — 35°51′11″N）地处甘肃省东部、泾河上游，位于陇东黄土高原董志塬北部，平均海拔1421 m，主要土壤类型有黄绵土、灰褐土、黑垆土、新积土、水稻土、红黏土、潮土7类。研究区属温带大陆性半干旱气候，年日照时数2400 —2600 h，年降水量400 — 600 mm，年平均气温10℃，年无霜期160 — 180 d，光照充足，四季分明。环江发源于庆阳市北部，自西北向西南流至董志塬东侧，汇入马莲河，蒲河位于董志塬西侧，蒲河和马莲河在董志塬南侧汇合，形成泾河，流向东南汇入渭河（潘峰等，2012）。庆阳市以农业为主，种植小麦、玉米等抗旱作物，工业主要以石油产业为主，本文的采样点不涉及石油区域，故影响可忽略，第三产业旅游业正在起步阶段。研究区市区采样点的土地利用方式主要为商业用地，附近无大型工业的存在，而环江 — 泾河沿岸的土地利用以农业为主。

1.2 样品采集与测定

本文以庆阳市市区和环江—泾河沿岸为研究对象，共采集18个现代表土样品（采样深度为0 —3 cm），其中：庆阳市市区采集9个样品（编号为C1 — C9，图1a）；环江沿岸采集6个样品，泾河沿岸采集3个样品（编号为R1 — R9，图1b），市区样品采集筛选人流量较大的特征点，如陇东学院、市人民医院、小什字、九龙路等公共场所；河流样品采集河流节点及沿岸特征点，如堡子电厂、庆城马莲河供水站、长武亭口河流、环县环江边等。样品采集好后用塑料自封袋密封，在实验室取出样品并在烘箱中（40℃）烘干。用GPS记录采样点经纬度坐标，采样时间为2015年5月。烘干的样品先压碎，挑拣出样品中的异物，之后用玛瑙研钵将样品磨成粉末，过200目尼龙筛后送往实验室进行前处理和重金属含量测定（曾方明，2017）。样品的重金属元素含量在中国科学院西北高原生物研究所分析测试中心进行前处理和测定，测定的重金属共包括Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu、Zn 7 种。Pb、As、Cd、Cr的总量采用HNO3-HF-H2O2湿法消解，用石墨炉原子吸收光谱法测定；Hg用王水 （V王水∶V水=1∶1）消解后用原子荧光光谱法测定；Cu、Zn采用HF湿法消解后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测试。采用国家标准物质GBW07405、空白和20%的平行样进行质量控制，平行样品的相对标准偏差均小于 10%，回收率为 81% — 128%。

图1 研究区概况图及采样点位置图Fig.1 Overview map of research area

1.3 数据分析方法

1.3.1 单因子指数法

单项污染评价可采用单项污染分级指数法，用于评价土壤中某一重金属元素富集和污染等级（范拴喜等，2010）。根据下式计算单项污染分级指数，并对单项污染程度进行分级：

式中：Ci为实测土壤重金属含量（mg · kg−1），Si为土壤背景值（mg · kg−1），本研究选取甘肃省土壤背景值作为参照（中国环境监测总站，1990；郭平等，2005；刘勇等，2011）。若Pi≤1，则为无污染，等级为1；若1＜Pi≤2，则为轻微污染，等级为2；若2＜Pi≤3，则为轻度污染，等级为3；若3＜Pi≤5，则为中度污染；若Pi＞5，则为重度污染。

1.3.2 地累积指数法

地累积指数法是一种用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标，近年来被国内外学者应用于土壤重金属污染评价（Müller，1969；郭笑笑等，2011）。其计算公式如下：

式中：Igeo为地质累积指数；Cn为样品中元素n的测定浓度（mg · kg−1）；Bn为沉积物中该元素的地球化学背景值（mg · kg−1），本文选用甘肃省土壤重金属背景值；k为修正指数（一般取值1.5）（Islam et al，2018）。根据Igeo的计算结果，若Igeo≤0，则无污染；0＜Igeo≤1，为轻度污染，等级为1；1＜Igeo≤2，为偏中度污染，等级为2；2＜Igeo≤3，为中度污染，等级为3；3＜Igeo≤4，为偏重污染，等级为4；4＜Igeo≤5，为重污染，等级为5；5＜Igeo≤10，则为严重污染，等级为6。

1.3.3 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法是在单因子指数评价基础上进行的一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数（张汪寿等，2010；Yang et al，2019）。具体公式如下所示：

式中：Pn为综合污染指数；Pimax为单项污染指数中的最大值；Piavg为土壤中所有单项污染指数的平均值，本文选用土壤重金属元素污染物的评价标准《HJ / T 166 — 2004，土壤环境监测技术规范》（国家环境保护总局，2004）。内梅罗综合污染指数评价标准为Pn≤0.7，污染等级安全，污染水平清洁（1级）；0.7＜Pn≤1，污染等级处于警戒限，污染水平尚清洁（2级）；1＜Pn≤2，污染等级处于轻度污染，土壤处于轻度污染水平（3级）；2＜Pn≤3，污染等级处于中度污染，土壤处于中度污染水平（4级）；Pn＞3，污染等级处于重度污染，土壤处于很严重的污染水平（5级）。

1.3.4 潜在生态风险评价

潜在生态风险评价法是一种对土壤中重金属污染评价的方法，考虑了土壤的重金属含量，并且将重金属的生态效应、环境效应和毒理学综合考虑，采用等价属性指数分级法评价（Hakanson，1980）。RI为多种重金属综合潜在生态风险指数，其数值等于各个重金属潜在生态危险系数之和（徐争启等，2008）：

2 结果及讨论

2.1 土壤重金属含量特征分析

本研究主要从变异系数、峰度进行土壤重金属含量特征分析，具体结果如表1所示，而变异系数是对概率分布分散程度的标准化度量。总体上看，7种重金属中绝大多数为中到高变异性，表明研究区土壤重金属的变异性较高，空间分散程度较大（Chai et al，2020）。而峰度能很好地反映所测数值在均值附近的集中程度，本研究中峰度最大的为Cd（8.76），表明其与均值的差值较大，离散程度高，其次是Pb（0.84），其余重金属的峰度均小于0，数据与均值差异较小。

2.2 与国家土壤环境质量标准的对比

中国土壤环境质量标准规定了不同类型土壤中重金属含量的筛选值和管制值，因此，本文将庆阳市市区和环江—泾河沿岸土壤分别按照《GB 36600 — 2018，土壤环境质量：建设用地土壤污染风险管控标准》（中华人民共和国生态环境部和国家市场监督管理总局，2018a）和《GB 15618 — 2018，土壤环境质量：农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（中华人民共和国生态环境部和国家市场监督管理总局，2018b）对比研究（表2）。环江 — 泾河沿岸的土壤重金属含量值远低于农用地土壤污染筛选值，故可推断环江 — 泾河沿岸的土壤重金属为非富集状态，并未达到污染水平，其最大值与农用地土壤污染筛选值相差最小的为As，相差最大的为Hg，并对比环江 — 泾河从上游至下游采样点的重金属含量，发现并没有累积或者减小的趋势；而庆阳市市区的土壤重金属含量除Zn 没有可对照标准值外，Cr含量远大于建设用地土壤污染筛选值，均值为第一类用地的10倍，超第二类用地筛选值5倍，说明该区域Cr存在一定范围内的富集，其余土壤重金属含量均处于安全值之内。

2.3 土壤重金属污染各类指数分析

研究区表层土壤各类污染指数评价结果如表3所示。单因子污染指数大小排序为：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg＞Cr。 Cd 的单因子污染指数最大，介于2 — 3，为轻度污染；Pb的单因子污染指数大于1，为轻微污染；其他重金属的污染指数均小于1，无污染，最小为Cr。地累积污染指数大小排序为：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞As＞Hg＞Cr，其与单因子污染指数结果相同，Cd和Pb均大于0，为轻度污染，其余重金属的污染指数均小于0，无污染。内梅罗综合污染指数大小排序为：Cd＞Pb＞Zn＞Cu＞Hg＞As＞Cr，与前两个污染指数的结果略有差别，其中污染指数最大的依旧为Cd，污染等级为重度污染，土壤污染已很严重；Pb污染等级处于中度污染，土壤处于中度污染状态，其余重金属污染等级处于警戒限下，土壤污染水平为清洁，富集量最小的元素为Cr。潜在生态风险因子大小排序为Cd＞Hg＞Pb＞As＞Cu＞Cr＞Zn，最大值依旧为Cd，Hg次之，最小值为Zn，与前述污染指数评价结果有所区别，将其计算得到潜在生态风险指数RI为104.27，等级为1，潜在生态危机程度为轻微生态危害。从各个土壤重金属富集程度的评价结果来看，庆阳市市区和环江 — 泾河沿岸的土壤重金属污染情况不严峻，但需要注意防范Cd和Pb的累积对环境和人体造成危害。

表1 庆阳市市区及环江—泾河沿岸样品重金属含量Tab.1 Heavy metal content of samples from the urban area of Qingyang City and Huanjiang — Jinghe River

2.4 庆阳市市区及环江沿岸土壤重金属污染来源分析

2.4.1 相关性分析

河流沿岸土壤重金属含量分析是评价河流人为污染的重要途径之一，河流生态也是一个非常重要的指示剂（Soares et al，1999；马媛媛，2016）。利用SPSS 26.0软件对样品重金属含量进行相关性分析，重金属间的相关性可以推测其来源是否相同，是否具有较强的伴生关系（Borůvka et al，2005）。对环江 — 泾河沿岸样品土壤重金属进行相关性分析可得（表4）：Pb与Cd、Cr，As与Cd、Cu，Cr与Zn在0.05水平上具有显著相关性；Pb、Cr、Zn与Cu在0.01水平上具有显著相关性，具有相关伴生关系。由于环江 — 泾河沿岸附近没有工商业活动的痕迹，大多为农业用地的灌溉生产，可推测土壤重金属富集来源主要为母岩风化和施用农药化肥（Varol，2011；匡荟芬，2020）。为进一步揭示和识别土壤中重金属来源，用主成分分析对表土中7种重金属含量进行特征因子提取，可提取出两个特征值大于1的因子，其最大旋转后特征值占总方差的82.313%（表5），故可以解释7种重金属的大部分信息。第一主成分因子贡献率为63.687%，各元素贡献率依次为：Cu＞Pb＞Zn＞Cr＞As＞Cd＞Hg，各个重金属所占比例大体相似，可以佐证相关性分析的结果，推测为自然来源，即成土母质的风化过程对土壤重金属基底含量的影响和风力、水力搬运的自然物理和化学迁移过程；第二主成分因子贡献率为18.627%，载荷较高的是Hg、As和Cr等土壤重金属，推测为施用农药化肥等农业活动导致污染，即人类活动所导致的土壤重金属富集。从主成分因子分析中可推测环江 — 泾河沿岸大部分样品土壤重金属富集主要是自然来源，并且伴有一定的人为因素影响。

表2 庆阳市市区及环江 — 泾河沿岸样品重金属含量与国家土壤环境质量标准的对比Tab.2 Comparison of heavy metal contents for samples of the urban area of Qingyang City and Huanjiang — Jinghe River with quality standards of national soil environments

表3 表层土壤各类污染指数评价结果Tab.3 Evaluation results of various pollution indexes of surface soil

表4 环江 — 泾河沿岸样品土壤重金属的相关性系数Tab.4 Correlation coefficient of soil heavy metals along the Huanjiang — Jinghe River

表5 环江 — 泾河沿岸样品土壤重金属的总方差解释Tab.5 The total variance is explained of soil heavy metals along the Huanjiang — Jinghe River

由于KMO 和 Bartlett 的检验小于判别值，故不对城区的土壤重金属进行主成分分析。对所得样品进行相关性分析如表6所示：Pb与Cd、Cr、Cu和Zn，Cr与Pb、As和Zn均在0.05水平上具有显著相关性；Cu与Zn、Cr在0.01水平上具有显著相关性，即具有较强的伴生性。就样点而言，土壤重金属污染最严重的地点是小什字东口，接下来是市人民医院、庆阳宾馆、陇东学院和九龙路北口，均为城市交通活动主要地点，故而Pb、Cr、Cd、Zn、Cu和As所产生的复合型污染应多为汽车尾气排放过多所致，即交通污染占比较大，可能为汽车尾气排放及汽车轮胎磨损等交通运输影响所致（Huang et al，2018；王菲菲，2019；Xiao et al，2019；周怡等，2020）。城市土壤中重金属元素的含量除与成土母质成分有关外，在很大程度上与强烈的人类活动密切相关，但庆阳市市区并没有大型工矿业的存在，多为商业娱乐教育办公等场所，人流量大，商业活动密集，交通流动频繁，城市生活垃圾的堆砌和电子废旧产品回收处理不当也会影响土壤环境，从而造成土壤重金属污染（张军等，2019；刘宇峰等，2020）。

表6 庆阳市市区土壤重金属的相关性系数Tab.6 Correlation coefficient of soil heavy metals in the urban area of Qingyang City

3 结论

通过测定庆阳市市区和环江 — 泾河沿岸表层土壤7种重金属（Pb、As、Cd、Cr、Hg、Cu、Zn）元素的含量，并利用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积指数和潜在生态风险评价方法，评估了庆阳市市区与环江 — 泾河沿岸表层土壤中重金属富集含量与生态风险状况，得出以下结论：（1）利用变异系数和峰度对土壤重金属含量进行特征分析，显示人类活动干扰土壤环境比较明显；（2）与国家土壤环境标准对比，发现庆阳市市区Cr元素存在一定的富集，其余元素均处于安全范围之内；（3）各类污染指数表明Cd和Pb在研究区的污染最为突出，其余土壤重金属基本无污染；（4）对庆阳市市区各土壤重金属相关性分析后，发现庆阳市市区的土壤重金属除与母质成分有关外，在很大程度上与强烈的人类活动密切相关；环江 — 泾河沿岸的土壤重金属元素间也具有相关伴生关系，经过主成分分析发现土壤重金属富集主要是自然来源和农业生产。后续需要对重金属迁移性和生物利用性进行更细致的研究，为城市建设和整个区域的发展规划提出科学建议。