兰州市城乡结合部土壤重金属生态风险评价.pdf

第 33 卷第 4 期河北环境工程学院学报Vol.33 No.42023 年 8 月Journal of Hebei University of Environmental EngineeringAug.2023兰州市城乡结合部土壤重金属生态风险评价黄欣瑞1,彭位华1,2,张晋晨1,柴媛媛1,李致春2(1.宿州学院 资源与土木工程学院,安徽 宿州 234000;2.矿井水资源化利用安徽普通高校重点实验室,安徽 宿州 234000)摘 要:以兰州市西固区城乡结合部土壤为研究对象,利用潜在生态风险指数法对 Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和 Pb 9 种重金属开展生态风险评价。结果表明:Co、Zn、Hg 和 Pb 分别超过甘肃省土壤背景值 1.037,1.174,2.014 和 1.227 倍;9 种重金属综合生态风险指数(RI)均值为(137.576.6),整体处于轻微风险,但有 45%的样点处于中高生态风险水平,且 Hg 贡献最大(占比 55%);RI 高值区与 Hg 单项生态风险指数空间分布特征相似;Hg 可能受工业、交通运输等人类活动影响。关键词:土壤;重金属;城乡结合部;潜在生态风险DOI:10.13358/j.issn.2096-9309.2023.0411.01中图分类号:X821文献标识码:A文章编号:2096-9309(2023)04-0045-06引用格式:黄欣瑞,彭位华,张晋晨,等.兰州市城乡结合部土壤重金属生态风险评价J.河北环境工程学院学报,2023,33(4):45-50.收稿日期:2023-04-11 基金项目:安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2021134);宿州学院2021 年度科研发展基金项目(2021fzjj28);宿州学院博士科研启动基金项目(2019jb26);大学生创新项目(ZCXM22-318)作者简介:黄欣瑞(2000-),男,甘肃兰州人,毕业于宿州学院地质工程专业,主要研究方向为基础地质与区域环境质量评价。通讯作者:彭位华(1984-),男,安徽临泉人,毕业于北京航空航天大学材料物理与化学专业,博士,副教授,研究方向为重金属污染化学与生物修复。土壤是地球的重要资源,是人类赖以生存发展的重要基础,是生态环境系统的重要组成部分1-2。随着工业化、城镇化的高速发展,土壤重金属污染已经严重破坏了我国的生态环境3-4。在污染治理进程中,城郊工业活动与人类生产生活对当地土壤造成严重影响5-7。重金属具有生物毒性大、隐藏能力强、不易降解等特征,土壤重金属污染防治成为我国生态保护领域的重大难题之一。重金属污染对周边地区农田土壤造成了严重的生态风险8-10。因此,对于土壤重金属污染调查和生态风险评价是有必要的。目前国内外学者针对土壤重金属污染和生态风险评价进行了一系列的调查研究,如:邱其俊等11以闽北新建水库周边土壤为研究对象,对土壤重金属污染和生态风险进行研究;周艳等12对西南某铅锌矿区周边农田土壤重金属空间主成分分析和生态风险评价开展了研究,结果表明,研究区综合潜在生态风险指数 RI 的均值为 2 294.8,整体上处于极高的生态风险水平;陆泗进等13对会泽某铅锌矿周边农田土壤重金属生态风险进行了研究;Keshavarzi 和 Kumar14对伊朗东北部农业土壤重金属空间分布及潜在生态风险进行了研究,结果表明,农业土壤污染程度低,生态风险低;顾思博等15基于地累积指数、污染负荷指数和潜在生态风险指数法得出民丰县农田表层土壤重金属污染程度低,Cd、As 生态风险程度较高,其54投稿平台2023 年第 4 期https:/ 年 8 月他重金属生态风险较低的结论;Chen 等16利用潜在生态风险指数法对中国典型矿区生态风险进行研究,结果表明湖南省苏仙区综合生态风险指数较高,危险区尤其集中在金属矿区和煤矿矿区;Liu 等17对广西某铅锌矿外溢对土壤重金属、潜在生态风险及酶活性的影响研究表明,所有土壤均达到重度污染水平,生态风险等级极高。研究区位于兰州市西固区,该区域属于典型的工业区,城市化、工业化问题显著,对于黄土高原地区而言,生态环境的研究和防治是刻不容缓的,然而,对于该区域的研究较少,这对黄土高原地区的生态环境保护是相当不利的。基于此,以甘肃省兰州市西固区柳泉镇城乡结合部为研究对象,对研究区土壤进行了长时间的连续采样,开展了土壤重金属污染及生态风险评价的研究。对处理好的土壤样品利用便携式 X 射线荧光光谱分析仪(XRF)进行了土壤重金属含量分析测试,从而测得土壤样品中的重金属含量,并通过运用潜在生态风险评价法重点对 Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和 Pb 的污染特征及生态风险进行了研究,以期能够客观、系统地反映出研究区的潜在生态风险,使之能够为研究区土壤重金属的污染防治与生态修复提供科学的参考。1 材料与方法1.1 研究区概况兰州,简称“兰”,是甘肃省省会,地处中国西北地区、甘肃省中部,353420 370707N,10235581043429E 之间,属于温带大陆性气候。全市行政区划共设置城关、七里河、西固、安宁、红古 5 个市辖区,其中研究区西固位于兰州市西郊,黄河由西向东横穿全境,地势西南及南部高、东北低,南北两山对峙并向黄河谷地倾斜,全区现有人口 40 万,行政区总面积 385.3 km2,共辖8 街、5 镇、1 乡,其中土地总面积约 3.74 万 hm2。西固石油资源丰富,工业基础雄厚,是兰州市的核心工业区、中国西部最大的石油化工基地,已形成以石油化工、能源、金属制造和新材料“三大板块”为支柱的工业体系。地处兰州市西固区西南部的柳泉镇,是一个工农业发展较为迅速的城乡结合部,区内经济带动,使其石油化工、农业和金属制造业发展较为突出。逐年建立的石油化工场地和农业养殖场地使得大数量的工农业垃圾无法及时处理,废水不经处理直接外排,废渣随意堆放在矿房外,填埋于地下的垃圾降解速度也越来越缓慢,导致土壤污染愈发严重,农田、土壤生态系统遭到了严重破坏,生态风险愈加突出18。1.2 样品采集与测试1.2.1 样品采集在研究区域布点时,主要利用网格布点法进行土壤样品的采集,根据研究区的实际情况共设78 个采样点(深度20 cm)。土壤样品利用塑料毛刷和铲子进行采集并将样品置于干燥的已编号的密封袋中同时用 GPS 记录研究区地理位置及采样点空间分布,此期间进行连续采样,共采集到78 个土壤样品。将现场采集土壤样品放置实验室干燥避光处自然风干,在样品处理时,先剔除土中大颗粒杂质,如石块、动植物残体等,然后取土壤样品 50 g并用木棍将样品碾碎,土壤样品进行研磨之后通过 100 目尼龙筛筛选后放入手动台式压片机在10 t 压力条件下压制成片,然后放入样品袋中,标明编号。1.2.2 样品指标测试利用便携式 X 射线荧光光谱分析仪(型号:EDX5500H。厂家:江苏天瑞仪器股份有限公司)对处理好的样品进行土壤重金属含量分析测试。测试模式为土壤模式,测试时间为每次 30 s,每个样品设 3 次平行。在相同实验条件下,检测土壤成分分析标准物质(GBW07424,GSS-10)中重金属含量(每测 10 个土壤样品,测试一次土壤成分分析标准物质)并用作质量控制,最终测得 Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和 Pb 的回收率分别为81.9%,82.2%,89.2%,129.3%,94.0%,310.3%,944.0%,340.9%,121.1%。1.3 土壤污染评价方法土壤重金属生态风险评估常用潜在生态风险指数法(RI),该方法是瑞典学者 Hakanson 提出的19,是一种利用沉积学原理对研究区进行土壤重金属污染评价的方法,这种方法在评价重金属污染的基础上综合考虑了生物毒性,并且以定量的方法划分出重金属潜在的风险等级20-21。其计算方法为:RI=ni=0Eir=ni=0TirCif=ni=0TirCidCir(1)式中:RI 综合潜在生态风险指数,无量纲;Eir 重金属元素 i 的潜在生态风险因子,无量纲;Tir 相应重金属元素 i 的毒性响应系数642023 年第 4 期黄欣瑞 彭位华 张晋晨等 兰州市城乡结合部土壤重金属生态风险评价2023 年 8 月(取值如下:Cr=2,Co=5,Ni=5,Cu=5,Zn=1,As=10,Cd=30,Hg=40,Pb=30);Cif 重金属元素 i 的污染指数;Cid 重金属元素 i 的实测含量,mg/kg;Cir 相应重金属元素 i 的地球化学背景值,mg/kg22。潜在生态风险指数分级标准列于表 1:1.4 数据处理与分析利用 Excel2016 软件和 IBM SPSS Statistics 26软件进行实验数据的处理与分析,获得最大值、最小值、平均值、标准差后,利用潜在生态风险指数法对重金属污染进行分析,图形分析和绘制图表(包括生态风险指数空间分布)主要利用 Origin-pro2018 软件完成。2 结果与讨论2.1 重金属含量统计分析土壤重金属含量能够较为清晰地表现出重金属元素的富集信息,它可以一定程度上确定土壤重金属的污染水平,在研究区兰州市西固区柳泉镇城乡结合部,对获得的 78 个土壤表层样品重金属含量的有效数据进行测试分析,统计结果如表 2 所示,其中的背景值参照甘肃省土壤元素背景值22。表 1 潜在生态风险指数分级标准单一污染物潜在生态风险因子 Eir潜在生态风险指数 RI阈值区间生态风险程度阈值区间生态风险程度Eir40轻微风险RI150轻微风险40Eir80中等风险150RI300中等风险80Eir160强风险300RI600强风险160Eir320很强风险600RICrPbNiCoCuAsHgCd。其中 Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg 和 Pb 这 9 种重金属的均值含量分别为:29 088 mg/kg、80.4 mg/kg、55.9 mg/kg、23.1 mg/kg、20.4 mg/kg、13.1 mg/kg、14.6 mg/kg、4.82 mg/kg 和 0.040 mg/kg,与甘肃省土壤背景值相比,Co、Zn、Hg 和 Pb 这 4 种元素的含量平均值分别是甘肃省土壤元素背景值的 1.037 倍、1.174倍、2.014 倍和 1.227 倍,土壤中普遍存在 Co、Zn、Hg、Pb 污染,表明这 4 种重金属元素在土壤中已经有不同程度的累积。除此之外,其他 5 种重金属元素含量均未超过甘肃省土壤元素背景值。所测 9 种重金属,除 Cr、Co、Ni、Cu、As 和 Cd 外,Zn、Hg 和 Pb 均值含量与李凌云等23对兰州市西固区土壤重金属含量研究结果基本一致。除 Co、As和 Hg 外,Cr、Ni、Cu、Zn、Cd 和 Pb 均低于典型工业城市嘉峪关市24,但与平凉市25相比,Hg 含量相对较高。与工业型城市金昌市26相比,本研究区土壤中 Cr、Ni、Cu、As、Cd 和 Pb 含量均值都低于金昌市,而 Zn 和 Hg 含量均高于金昌市。2.2 土壤重金属潜在生态风险评价结果与分析潜在生态风险指数法主要是用来衡量土壤重金属对环境存在的生态风险,将实测重金属含量74投稿平台2023 年第 4 期https:/ 年 8 月代入式(1),计算得到重金属单项潜在生态风险因子(Eir)和综合潜在生态风险指数(RI),结果如表 3 所示。参照潜在生态风险指数分级标准(表 1),Hg的 Eir介于 40320 之间,其中有 45%,10%,31%和 14%的采样点分别属于轻微、中等、强和很强风险水平(表 4);Pb 的 Eir介于 4080 之间,整体上属于轻微风险,仅 4%采样点属于中等风险水平;Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As 和 Cd 这 7 种重金属元素Eir均小于 40,属于轻微风险水平。表 3 土壤重金属潜在生态风险指数计算结果项目潜在生态风险因子 EirCrCoNiCuZnAsCdHgPbRI最小值0.10.50.70.80.10.64.45.92.058.9最大值1.95.94.24.91.95.432.3258.142.3316.2平均值1.65.12.83.01.23.88.276.136.4137.5标准差0.20.80.80.80.20.75.475.44.676.6对 RI 贡献率/%1.04.02.02.01.03.06.055.026.09 种重金属 Eir均值由大到小依次为:Hg(76.1)Pb(36.4)Cd(8.2)Co(5.1)As(3.8)Cu(3.0)Ni(2.8)Cr(1.6)Zn(1.2)。9 种重金属 RI 介于 58.9316.2,处于低、中等和高生态风险水平的土样分别占比 55%,40%和 5%(表 4);RI 均值为(137.576.6),说明研究区所测 9 种重金属所致生态风险总体处于轻微风险水平。表 4 潜在生态风险评价结果Hg 单项生态风险因子(Eir)综合生态风险指数(RI)等级样品污染指数分级/%等级样品污染指数分级/%轻微风险Eir4045轻微风险RI15055中等风险40Eir8010中等风险150RI30040强风险80Eir16031强风险300RI6005很强风险160EirCrPbNiCoCuAsHgCd。其中 Co、Zn、Hg、Pb 这 4 种元素的均值含量分别是甘肃省土壤元素背景值的 1.037 倍、1.174 倍、2.014 倍和1.227 倍,其他重金属均未超过甘肃省土壤元素背景值。(2)潜在生态风险评价结果显示,研究区9 种重金属单项生态风险指数均值由大到小依次为:HgPbCdCoAsCuNiCrZn;Hg 的 Eir介于40320 之间,其中有45%,10%,31%和14%的采样点分别属于轻微、中等、强和很强风险水平;Pb 仅 4%采样点属于中等风险水平,其余重金属元素均未超过轻度生态风险的上限标准。9 种重金属 RI 介于 58.9316.2 之间,处于低、中等和高生态风险水平的土样分别占比 55%,40%和5%;RI 均值为(137.576.6),研究区所测 9 种重金属所致生态风险总体处于轻微风险水平。从对RI 的贡献看,Hg 和 Pb 对 RI 的贡献率分别为55.0%和 26.0%,而其他 7 种重金属对 RI 的总贡献率仅占 19.0%。研究区土壤中重金属的潜在生态风险主要由 Hg 和 Pb 引起。(3)生态风险空间分布表明,研究区 9 种重金属整体分布不均,其中 Hg 主要是点源污染(如工业活动、交通运输和废弃物焚烧排放等),且 Hg为研究区优先控制的土壤重金属。参考文献1 靳建超,吉新磊,刘婷,等.山东省某乡镇居民区土壤重金属检测及潜在生态风险评估J.山东化工,2022,51(2):171-173.2 雷雷佳,刘俊,刘卫国,等.工业园周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价J.江苏农业科学,2021,49(16):227-233.3 米热阿地力库尔班,买合木提巴拉提,斯马伊力江艾尼瓦尔,等.乌鲁木齐市安宁渠蔬菜基地土壤重金属污染现状及潜在 生 态 风 险 评 价 J.地 球 与 环 境,2019,47(4):485-494.4 姚雪丹,王俊,王玉苗,等.乌鲁木齐某工业园区土壤重金属潜在生 态 风 险 评 价 J.有 色 金 属 工 程,2022,12(3):160-166.5 PAN L,MA J,HU Y,et al.Assessments of levels,potential ec-ological risk,and human health risk of heavy metals in the soils from a typical county in Shanxi Province,ChinaJ.Environmental Science and Pollution Research,2016,23(19):19330-19340.6 陈毛华,刘明广,郭斌,等.阜阳市城郊菜地重金属污染调查与评价J.地球与环境,2017,45(3):322-328.7 李泗清,杨满芽.中山市不同类型企业周边土壤重金属污染特性及潜在生态风险评价J.地球与环境,2014,42(4):525-531.8 樊新刚,米文宝,马振宁,等.宁夏石嘴山河滨工业园区表层土壤重金属污染的时空特征J.环境科学,2013,34(5):1887-1894.9 李玉梅,李海鹏,张连科,等.包头某铝厂周边土壤重金属污染及健康风险评价J.中国环境监测,2017,33(1):88-96.10 甘国娟,刘伟,邱亚群,等.湘中某冶炼区农田土壤重金属污染及生态风险评价J.环境化学,2013,32(1):132-138.11 邱其俊,于瑞莲,胡恭任,等.闽北某新建水库周边土壤重金属生态与健康风险评价J.地球与环境,2017,45(3):348-355.12 周艳,陈樯,邓绍坡,等.西南某铅锌矿区农田土壤重金属空间主成分分析及生态风险评价J.环境科学,2018,39(6):2884-2892.13 陆泗进,王业耀,何立环.会泽某铅锌矿周边农田土壤重金属生 态 风 险 评 价 J.生 态 环 境 学 报,2014,23(11):1832-1838.14 KESHAVARZI A,KUMAR V.Spatial distribution and potential 94投稿平台2023 年第 4 期https:/ 年 8 月ecological risk assessment of heavy metals in agricultural soils of Northeastern IranJ.Geology,Ecology,and Landscapes,2020,4(2):87-103.15 顾思博,周金龙,曾妍妍,等.新疆民丰县农田土壤重金属污染特征与生态风险评价J.干旱区资源与环境,2019,33(12):90-95.16 CHEN Y,JIANG X,WANG Y,et al.Spatial characteristics of heavy metal pollution and the potential ecological risk of a typical mining area:A case study in ChinaJ.Process Safety and Envi-ronmental Protection,2018,113:204-219.17 LIU K,LI C,TANG S,et al.Heavy metal concentration,poten-tial ecological risk assessment and enzyme activity in soils affect-ed by a lead-zinc tailing spill in Guangxi,ChinaJ.Chemo-sphere,2020,251:126415.18 蔡锐,曹靖,代立兰.兰州西固工业区土壤重金属污染状况分析与评价J.甘肃科技纵横,2017,46(9):31-34+30.19 HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control.A sedimentological approachJ.Water research,1980,14(8):975-1001.20 WU Y,XU Y N,ZHANG J H,et al.Evaluation of ecological risk and primary empirical research on heavy metals in polluted soil over Xiaoqinling gold mining region,Shaanxi,ChinaJ.Transactions of nonferrous metals society of China,2010,20(4):688-694.21 林曼利,桂和荣,彭位华,等.煤炭资源型城市街尘重金属污染特征及其生态风险 以宿州市为例J.地球与环境,2017,45(2):185-192.22 陈能场,郑煜基,何晓峰,等.全国土壤污染状况调查公报探析J.农业环境科学学报,2017,36(9):1689-1692.23 李凌云,阎子健.兰州市西固区土壤重金属污染及空间分布特征J.甘肃科技,2011,27(8):62-65.24 杨倩,鲁新川,殷建国,等.甘肃嘉峪关市表层土壤重金属空间分布与评价J.沉积学报,2019,37(5):1006-1015.25 蒋军锋.甘肃省平凉市土壤重金属潜在生态风险评价J.中国农学通报,2014,30(8):176-180.26 徐琪,龚甲桂,赵胜军,等.金昌市金川区土壤重金属累积分析及污染评价J.干旱区资源与环境,2019,33(11):150-155.27 闫慧,陈杰,肖军.典型农业城市街道灰尘重金属特征及其环境风险评价:以许昌市为例J.环境科学,2013,34(10):4017-4023.28 张利瑞,彭鑫波,马延龙,等.兰州市耕地“五毒”重金属的风险评价与归因分析J.环境科学,2022,43(9):4767-4778.29 马建华,楚纯洁,李剑,等.铁路交通对铁路旁土壤重金属污染的影响 以陇海铁路郑州圃田段为例J.土壤通报,2007,38(1):128-132.30 HUANG X R,LIN M L,CHAI Y Y,et al.Pollution evaluation and source analysis of heavy metals in the urban-rural fringe a case study of Lanzhou city Gansu province ChinaJ.Fresenius Environmental Bulletin,2022,31(6):5788-5797.31 张季惠.甘肃省土壤重金属污染的研究进展J.工业安全与环保,2014,40(2):44-46.Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in the Rural-urban Fringe of Lanzhou CityHuang Xinrui1,Peng Weihua1,2,Zhang Jinchen1,Chai Yuanyuan1,Li Zhichun2(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou Anhui 234000,China;2.Key Laboratory of Mine Water Resource Utilization of Anhui Higher Education Institutes,Suzhou Anhui 234000,China)Abstract:Taking the rural-urban fringe of Xigu District in Lanzhou City as the research object,the ecological risk assessment of heavy metals(Cr,Co,Ni,Cu,Zn,As,Cd,Hg and Pb)in soil in the study area was carried out based on the potential ecological risk index method.The re-sults show that the values of Co,Zn,Hg and Pb exceed 1.037,1.174,2.014 and 1.227 times of their soil background values in Gansu Province respectively.The average potential ecological risk(RI)of the nine heavy metals is(137.576.6),indicating that the overall risk was slight.How-ever,45%of the soil samples are at the level of medium-high ecological risk,and Hg contributs the most proportion of RI(55%).The spatial distribution characteristics of high RI area and Hg single ecological risk index are similar.The Hg is may be affected by human activities(e.g.,in-dustry,transportation,etc.).Key words:soil,heavy metals,rural-urban fringe,potential ecological risk(编辑:程 俊)05