环境科学  2018, Vol. 39 Issue (12): 5620-5627   PDF    
引用本文
吴健, 王敏, 张辉鹏, 黄宇驰, 徐志豪, 李青青, 陈昊, 黄沈发. 复垦工业场地土壤和周边河道沉积物重金属污染及潜在生态风险[J]. 环境科学, 2018, 39(12): 5620-5627.
WU Jian, WANG Min, ZHANG Hui-peng, HUANG Yu-chi, XU Zhi-hao, LI Qing-qing, CHEN Hao, HUANG Shen-fa. Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk of Soil from Reclaimed Industrial Sites and Surrounding River Sediments[J]. Environmental Science, 2018, 39(12): 5620-5627.
复垦工业场地土壤和周边河道沉积物重金属污染及潜在生态风险
吴健1, 王敏1, 张辉鹏2, 黄宇驰1, 徐志豪3, 李青青1, 陈昊1, 黄沈发1,3     
1. 上海市环境科学研究院, 上海 200233;
2. 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200433;
3. 东华大学环境科学与工程学院, 上海 201620
收稿日期: 2018-03-18; 修订日期: 2018-06-08
基金项目: 上海市环境保护局重大科研项目（沪环科[2016]第7号）；上海市科学技术委员会重大项目（17DZ1202003，17DZ1202200）
作者简介: 吴健(1977~), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为城市土壤环境管理, E-mail:wuj@saes.sh.cn
通信作者: 黄沈发, E-mail:huangsf@saes.sh.cn
摘要: 测定了上海郊区53个复垦工业场地土壤点位和23个周边河道沉积物点位中8项重金属（As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg）含量，通过内梅罗指数法和潜在生态风险指数法评价了复垦工业场地土壤和周边河道沉积物重金属污染及潜在生态风险.结果表明，复垦工业场地土壤中8项重金属均不同程度超过二级标准，其中Zn、Cu的点位超标率最为突出，分别达到了47.17%和43.40%；周边河道沉积物中重金属含量显著低于复垦工业场地土壤.复垦工业场地土壤重金属内梅罗综合污染指数为11.41，处于重度污染水平，其中Cu、Zn最为突出；周边河道沉积物重金属内梅罗综合污染指数为1.26，处于轻度污染水平.从单项潜在生态风险来看，复垦工业场地土壤重金属除Cd（较强）、Hg（较强）、Cu（中度）外，均处于轻度潜在生态风险水平，潜在生态风险指数（RI）为385.79，总体处于较强潜在生态风险水平；周边河道沉积物重金属除Hg略高于轻度外，均处于轻度潜在生态风险水平，潜在生态风险指数（RI）为83.91，总体处于轻度潜在生态风险水平.总之，复垦工业场地土壤重金属Cu、Zn污染较为突出，考虑到毒性响应因素则Cd、Hg更应引起关注；周边河道沉积物重金属污染较轻，处于轻度潜在生态风险水平.
关键词: 复垦工业场地      土壤      沉积物      重金属      内梅罗指数      潜在生态风险指数     
Heavy Metal Pollution and Potential Ecological Risk of Soil from Reclaimed Industrial Sites and Surrounding River Sediments
WU Jian1 , WANG Min1 , ZHANG Hui-peng2 , HUANG Yu-chi1 , XU Zhi-hao3 , LI Qing-qing1 , CHEN Hao1 , HUANG Shen-fa1,3     
1. Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China;
2. Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group) Co., Ltd., Shanghai 200433, China;
3. College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China
Abstract: Eight heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, and Hg) in the soils from 53 reclaimed industrial sites and 23 river sediments in the Shanghai suburbs were determined using the Nemero pollution index and Hakanson potential ecological risk index (RI). The results show that the eight heavy metals exceed the secondary standard limits to different extents. The rate of standard excess is the most prominent for Cu and Zn; it accounts for 47.17% and 43.40%, respectively. The contents of heavy metals in the sediments from surrounding rivers are significantly lower than those in soil from reclaimed industrial sites. The comprehensive Nemero pollution index of heavy metals in reclaimed soil is 11.41, which represents a serious pollution level; Cu and Zn are the most prominent heavy metals. The Nemero pollution index of heavy metals in surrounding river sediments is 1.26, indicating slight pollution. Based on the single-potential ecological risk, the heavy metals at the reclaimed industrial sites all have a slightly latent ecological risk level, except for Cd (strong), Hg (strong), and Cu (moderate). The potential ecological RI is high (385.79). Heavy metals from the surrounding river sediments have a mild potential ecological risk level, except for Hg. Overall, the potential ecological level is mild (RI=83.91). In short, Cu and Zn are more prominent in reclaimed industrial soil. With respect to the toxic response factor, Cd and Hg should be focused on. The heavy metal pollution of surrounding river sediments is light, leading to a mild potential ecological risk level.
Key words: reclaimed industrial sites      soil      sediments      heavy metals      Nemero index      potential ecological risk index     

重金属具有不能被生物降解, 易富集的特性[1].而土壤作为工业废弃物的“汇”, 各种污染物尤其是重金属, 会在土壤中不断累积, 对人类的生存和健康构成巨大威胁[2, 3].随着工业化进程的加快, 工业“三废”对土壤环境质量的影响日益严重, 土壤重金属污染已经成为了世界性的问题, 引起了全社会的巨大关注[2~4].与此同时, 随着城市化进程的加快和产业结构调整政策的实施, 我国由工业企业搬迁而废弃遗留下来的“棕地”超过50多万块, 由于长期以来粗放的环境安全管理模式、无序的工业废水排放以及废渣的堆放导致了大量的重金属污染场地内及周边土壤与水体[5], 严重影响土地后续使用的安全性, 尤其是近年来低效工业用地复垦还耕力度加大, 复垦工业场地土壤重金属污染状况关乎农产品安全和人体健康.因此, 探讨复垦工业场地重金属污染特征具有十分重要的意义.然而, 由于对大量工业场地进行采样调查难度较大, 此前关于重金属污染及潜在生态风险评价的研究大多针对个别特定场地[6~9], 缺乏覆盖多行业、大尺度的总体分析和判断.本研究利用上海近年来推进低效工业场地复垦还耕的契机, 选择了53个复垦工业场地和23个周边河道进行土壤和沉积物采样检测, 分析其重金属污染特征及潜在生态风险, 以期为此类工业复垦场地管理和治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 样品采集、处理与测定

考虑到上海复垦工业用地的主要行业类型, 在上海郊区选择53块典型复垦工业场地, 行业类型主要涉及机械加工、金属制品、染料涂料、橡胶塑料、化工医药等, 这些研究区域同时兼顾到空间上的代表性.在每个工业场地上根据行业污染特征, 识别选取其生产、存储、废物处置等潜在污染区域, 通过梅花布点采取各区域表层土壤(0~20 cm)混合样, 最终再混合形成500 g左右代表该场地的土壤样品.另选取23条与这些场地相邻的周边河道, 利用彼得逊采泥器采集沉积物样品进行检测分析, 以进一步分析工业场地对周边河道沉积物的影响.在实验室风干样品, 拣出枯枝落叶、砖瓦块和垃圾等侵入体, 然后将样品碾碎, 全部通过2 mm尼龙筛并充分混合, 再从中多点取样约5 g, 用玛瑙研钵进一步研磨, 使之全部通过0.149 mm尼龙筛备用.其中, As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量利用2100DV等离子发射光谱仪进行检测, 方法为USEPA6010D-2014; Cd含量利用电感耦合等离子体质谱仪进行检测, 方法为USEPA 200.8-1994; Hg含量利用NIC MA-3000测汞仪进行检测, 方法为GB/T 17136-1997.各重金属加标回收率在84.7%~118.6%之间, 平行样品间的RSD均小于20%.

1.2 内梅罗综合污染指数

本研究选用国内外土壤重金属污染研究广泛应用的内梅罗综合污染指数法[7, 10~13]对复垦工业场地和周边河道沉积物重金属污染程度进行评价.

计算方法如下：

(1)
(2)

式中, Pi表示土壤中某种重金属的单因子污染指数; Csi表示土壤中重金属含量的实测值, mg·kg-1; Cni表示土壤中重金属的评价标准, mg·kg-1, 本研究采用上海市土壤环境背景值作为评价标准[14]; P表示内梅罗综合污染指数; Pimax为土壤中各重金属单因子污染指数中最大值.

内梅罗综合污染指数法(P)评价标准为：P≤0.7, 安全; 0.7＜P≤1.0, 警戒线; 1.0＜P≤2.0, 轻度污染; 2.0＜P≤3.0, 中度污染; P＞3.0, 重度污染.

1.3 潜在生态风险评价

评价土壤重金属污染生态风险评估方法很多, 本研究参考Hakanson潜在生态风险评价法[4, 6~9, 15~20]等研究, 在不考虑PCB影响的前提下, 将重金属Ni纳入评价体系, 形成以As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg为研究对象的潜在生态风险评价体系, 并调整潜在风险分级标准如表 1和2所示.相应公式为：

表 1 重金属污染物毒性系数 Table 1 Toxic response factors of heavy metals

表 2 土壤重金属的潜在风险分级标准 Table 2 Potential risk level of heavy metals in soil

(3)
(4)
(5)

式中, RI为生态风险指数, ERi为单项潜在生态风险系数, Cfi为重金属污染物的污染指数, c表层i和cni分别为土壤中污染物的实测含量(mg·kg-1)和上海市土壤环境背景值(mg·kg-1), TRi为单个污染物的毒性响应参数, 如表 1所示. Hakanson将8种污染物(PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn)的毒性系

数之和(133)加以放大后确定了RI第一级阈值, 余下各级阈值逐级扩大2倍.本文研究对象较之有所差异, 毒性系数之和为98, 经文献比较[21, 22], 本文将RI第一级阈值设为110, 如表 2所示.

2 结果与讨论 2.1 重金属含量分布

由表 3可知, 53个复垦工业场地土壤点位中, As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Hg含量的算术平均值均高于上海市土壤环境背景值, 分别是其背景值的1.2、4.4、1.9、15.2、6.5、2.8、6.7和2.3倍.相较于几何平均值和中位数, 8项重金属的算数平均值明显偏高, 表明重金属含量变异性大.从23个河道沉积物点位重金属含量的统计结果分析, 重金属含量普遍处于较低的水平, As、Cd、Cr、Ni、Pb和Hg的平均含量均低于其背景值, 分别为其背景值的0.7、0.6、0.4、0.8、0.9和1.0倍.

表 3 场地土壤和周边河道沉积物重金属含量统计/mg·kg-1 Table 3 Heavy metal concentrations in soils and surrounding river sediments/mg·kg-1

复垦工业场地土壤和周边河道沉积物中8项重金属的污染情况如图 1所示.对照《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)可以明显看出, 场地土壤中重金属超二级标准比例远远高于河道沉积物.其中重金属Cu和Zn的超标情况最严重, 超二级标准比例分别达到了43.40%和47.17%, 而沉积物中Cu、Zn超标率仅为4.17%, 仅一个点位超二级标准, 超标含量与标准十分接近.这一结果表明, 场地土壤中重金属含量与河道沉积物含量存在着显著的差异, 表层土壤中重金属的含量远远超过沉积物, 说明企业生产过程对场地土壤中重金属影响较大, 但对周边相邻河道的影响相对较小.对场地土壤-河道沉积物重金属含量进行相关性分析, 结果表明极显著相关(P < 0.01, r=0.93).

图 1 场地土壤与河道沉积物中重金属点位超标率 Fig. 1 Over-standard rates of heavy metals in soils and surrounding river sediments

2.2 土壤重金属污染评价

依据内梅罗综合污染指数(P)法, 对复垦工业场地土壤和周边河道沉积物中重金属的综合污染指数进行计算, 结果分别如图 2和表 4所示.

图 2 单因子污染指数分布 Fig. 2 Distribution of the single factor pollution index

表 4 内梅罗综合污染指数评价 Table 4 Nemero pollution index results

从综合污染指数的统计结果来看, 场地土壤中金属Cu和Zn重度污染比重较高, 分别达到了45.28%和47.17%, 而河道沉积物中大部分点位重金属污染指数保持在警戒线以下, 其分布趋势与场地土壤中重金属单因子污染指数情况十分接近.场地土壤与河道沉积物中, 重金属Cu的内梅罗指数最高, 分别达到了15.22与1.54, 其次是金属Zn, 分别为6.82和1.28.从调查的8种重金属分析结果来看, 场地土壤和河道底泥中的含量存在着显著的差异, 从单因子内梅罗污染指数分析, 场地土壤中污染指数达到河道沉积物的1.9~46.6倍.

结合实际调查情况分析, 拟复垦地块中分布着大量中小型企业, 其中金属制品、机械加工行业占比超过三分之一, 而这部分企业由于重金属用量较大、生产环节复杂、管理制度不完善等问题, 对周边土壤环境造成了很大的影响, 尤其是Cu、Zn作为金属加工、机械制造和橡胶等行业的主要原料[23~26], 对场地土壤中重金属含量贡献较大, 本研究中Cu和Zn含量的高值均出现于上述行业企业用地.土壤和沉积物中重金属含量存在着显著的差异, 表明企业生产环节对场地土壤环境影响严重, 对周边河道沉积物影响相对较小.

2.3 潜在生态风险评价

根据式(3)~(5), 计算出上海场地土壤及河道沉积物中污染分级情况、单项潜在生态风险系数(ERi)以及综合潜在生态风险指数(RI)分别如表 5和6所示.

表 5 各金属风险分级百分比统计/% Table 5 Percentage of heavy metal risk levels/%

表 6 潜在生态风险指数 Table 6 Potential ecological risk results

如表 5所示, 通过潜在生态风险指数(RI)对上海市复垦工业场地土壤进行分析, 大部分场地土壤处于轻度和中度风险范围, 其比例分别为39.62%和28.30%.对比不同重金属单项潜在生态风险系数(ERi)可以发现, 除了Hg以外, 其他重金属基本处在轻度风险等级, 其比例保持在75%以上; 对于Hg而言, 样点也主要集中在轻度和中度风险等级, 比例分别为45.28%和33.96%.由此可以说明, 所选取的53块场地中, 大部分土壤重金属含量处于轻度风险等级, 个别场地存在着重金属含量超标、生态风险等级高的现象.各河道沉积物潜在生态风险均处于轻度或中度水平, 其中轻度占比超过80%.对比不同重金属ERi发现, 除Hg有39.13%中度和4.35%较强风险外, 其余重金属均处于轻度风险水平.

从图 3(a)、表 6可知, 上海复垦工业场地土壤中Cd元素对RI值的贡献率最大, 其次为Hg和Cu, 分别占到34.54%、24.21%和19.73%.其中Cd元素ERi最高, 达到了133.26, 处在较强生态风险水平, 这一结论与很多土壤潜在生态风险评价的研究相一致[4, 6~8, 27~29]; Hg处在较强的生态风险水平, Cu为中度风险等级, 其他重金属元素的单一潜在生态风险都比较低, 属于轻度生态风险.经过研究, 场地土壤的平均潜在风险指数(RI)达到385.79, 存在较强的潜在生态风险.对比相关研究, 石家庄-邢台地区汪洋沟沿岸土壤RI值在38.93~104.43[9], 顺德水道土壤RI平均值为73.20[16], 西安公园土壤中RI值在44.95~137.84[30], 温州灵昆岛围垦区土壤RI值在347.94~787.59[31], 河北曹妃甸农田土壤RI平均值为114.49[32], 可以发现上海工业场地土壤潜在风险值处于相对中等的水平, 加强相关企业的管控才是有效控制土壤风险的关键.从图 3(b)、表 6可知, 沉积物单个重金属的ERi除Hg略高于40之外, 其余均低于20, 属于轻度生态风险.沉积物的平均潜在风险指数(RI)为83.91, 潜在生态风险低.

图 3 重金属单项潜在生态风险系数分布 Fig. 3 Distribution of potential ecological risk factors

本研究表明, 各重金属元素的污染程度和生态风险水平不完全一致.一方面, 内梅罗指数主要用于污染评价, 是一种兼顾最大值的计权型多因子环境质量指数, 更加注重相对背景值含量最高的重金属对土壤环境的影响, 而Hakanson指数侧重风险评价, 引入了反映重金属毒性水平的污染物毒性响应参数.另一方面, Hakanson指数中ERi以最大的重金属毒性系数为一级阈值, 又将各重金属毒性系数之和相应扩大后得到RI的一级阈值, 后逐级扩大得到其分级标准, 而内梅罗指数的划分则仅与污染物含量和背景值的比例有关.因此, 在土壤环境的评价中, Hakanson潜在生态风险指数法与内梅罗综合污染指数评价各具优势, 如何将各自的优势结合开展土壤重金属的生态风险评价, 值得进一步深入研究.

3 结论

通过对复垦工业场地土壤及河道沉积物中重金属的检测发现, 土壤中Cu和Zn的超标最严重, 而沉积物中Cu和Zn略超标.结合内梅罗指数对场地土壤及河道沉积物中重金属污染情况进行评价发现, 土壤中金属Cu和Zn重度污染比重较高, 河道沉积物中大部分点位重金属污染指数保持在警戒线以下.土壤中重金属镉(Cd)平均潜在生态风险指数最大, 达到了133.26, 表明其是决定上海复垦场地潜在生态风险的主要因素.全市复垦场地土壤重金属平均潜在生态风险指数(RI)为385.79, 处于较强风险等级; 沉积物属于轻度风险水平.总体而言, 工业场地土壤的潜在生态风险较强, 个别重金属更为突出, 在复垦过程中, 必须加强场地调查和风险评估, 对于污染严重的场地采取必要的处理处置措施, 确保后续利用安全性, 尤其避免对农产品安全和人体健康构成威胁, 可考虑用作生态造林等用途.

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