基于不同土地利用方式的土壤重金属污染与潜在风险评价：以辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程为例

李 楠 ，曹明杰 ，郝 喆 ，侯永莉 ，陈红丹 ，张 颖

(1.辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036；2.辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013)

0 引 言

为统筹推进山水林田湖草沙综合治理、系统治理和源头治理，我国于2021年启动了第一批山水林田湖草沙一体化保护和修复项目，辽宁省申报的辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程，在10个获批的“山水项目”名单之中，项目资金52.1亿元，其中中央资金20亿元。浑太水系“山水项目”以统筹流域上、中和下游“山水林田湖草生命共同体”为主线，位于国家重点生态功能区，涉及“三区四带”的东北森林带和海岸带。项目生态保护修复单元按上、中和下游流域划分，修复区一体化监测和评价是本项目的重要组成部分。依据修复区现场土壤环境调查监测数据，本文对浑太流域上游段开展土壤环境质量评价，为项目的进一步实施提供可靠的本底数据和客观依据。

区域土壤重金属的研究主要集中在污染评价、空间分布和源解析等方面[1]。近年来，土壤重金属污染评价受到国内外学者的高度重视，研究方法主要包括地积累指数法、污染指数法、潜在生态风险指数法、污染指数法、内梅罗指数法、物元可拓模型、GIS与地统计分析法等。Marrugo-Negrete等利用污染因子、富集因子、地积累指数和风险评价指数对哥伦比亚北部锡努河流域进行土壤污染评价[2]。Wu等[3]通过计算地积累指数、污染指数和潜在生态风险指数评价某电子产品生产基地周边城市土壤污染水平，利用危害指数评估重金属的存在对人类健康造成的风险。胡庆海等[4]采用富集因子法和潜在生态风险法对重金属污染程度及生态风险进行评价。赵杰等[5]利用物元可拓模型鄱阳湖区耕地土壤进行重金属污染评价。王辉等[6]、刘洋等[7]和滑小赞等[8]采用了单因子指数法和内梅罗综合指数法对土壤重金属进行污染评价。陶美霞等[9]探讨了GIS与地统计分析方法在土壤重金属污染评价方面的作用。刘硕等[10]通过地统计分析、主成分分析和加权平均综合污染评价等方法评价了矿区的土壤重金属污染情况。赵晓光等[11]利用生态风险指数评价了不同土地利用类型下的土壤重金属污染程度。施建飞等[12]将单因子污染指数、污染负荷指数、潜在生态风险指数和生态风险预警指数相结合对土壤重金属污染进行评价。刘同等[13]利用地统计学、多元统计和空间分析等方法，探究了山东省沂南县东部地区8种重金属的空间分布及可能来源。乔雯等[14]采用频率直方图、相关性分析和主成分分析等多种方法对土壤重金属含量分布特征及来源进行了分析。黄勇等[15]将空间分布分析、多元统计分析与受体模型相结合阐明了北京市延庆区土壤重金属元素分布特征及潜在来源。杜古尔·卫卫等[16]使用绝对主成分一多元线性回归受体模型(APCS-MLR)和反距离加权法分析了各污染源贡献率和重金属元素空间分布特征。Gao等[17]使用地质累积指数法、生态风险评估法和美国环保局健康风险评估模型，评估了贵州土壤中八种典型重金属的风险。此外，Liu等[18]对我国矿区周边土壤重金属浓度数据进行了系统梳理，得到镉(Cd)和汞(Hg)是主要的生态风险因子。

鉴于山水项目修复区域尺度大、自然地理环境复杂的特点，本文建立了相关性分析、单因子指数法、复合污染指数法、潜在生态危害指数法与反距离权重插值法相结合的土壤环境评价体系，选取砷、汞、镉、铜、铅、镍、锌和铬作为特征污染元素，针对农用地和建设用地两种土地利用类型进行土壤样品的采集及土壤环境质量评价。基于相关性分析判别不同重金属来源的异同性，借助于ArcGIS软件，将单因子指数法与复合指数法相结合对浑太流域上游——抚顺市土壤重金属污染状况进行综合评估，通过潜在生态危害指数，确定土壤重金属生态风险等级。建立的研究思路和体系可推广应用于含有大量监测点且不同土地利用方式下的土壤环境评价工作中，为区域合理利用土壤资源以及土壤重金属评估提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浑太水系属于辽河流域，包括浑河和太子河，在辽宁省内流域总面积4.18万 km2，流经抚顺、沈阳和盘锦等7市。其东起东北森林带——抚顺新宾县和抚顺西露天矿，终入渤海湾，对陆海统筹意义重大。辽河流域(浑太水系)山水林田湖草沙一体化保护和修复工程的实施区域为上游抚顺段、中游辽阳段和下游盘锦段。土壤环境监测点的布设仅针对工程实施区域，本次研究针对浑太流域上游的抚顺市开展。抚顺市土地总面积11271.03 km2，土地利用类型包含林地、耕地、城镇村及工矿用地、水域及水利设施用地、草地、交通运输用地、园地以及其他用地。抚顺市耕地数量相对较少，呈条带状分布；土地利用类型以林地为主，集中分布在东部山区，城乡建设用地空间分布呈山区地域特征，中心城区中城市用地与采矿用地交错分布。煤炭开采活动对浑河流域上游抚顺市的生态环境造成了不同程度的破坏，因而引发的地质灾害和生态环境问题日趋严重，本研究以抚顺市“山水工程”土壤环境本底数据为基础进行土壤评价，为后续开展工程项目提供可靠的理论依据。研究区地理位置如图1。

图1 浑太流域水系分布图(a)和抚顺市行政区划图(b)Fig.1 Distribution map of Huntai River system (a)and zoning map of Fushun City administrative (b)

1.2 土壤监测与评价指标

1.2.1 监测点位与样品采集

抚顺市农用地与建设用地面积比例为14.6:1.0，其中农用地以旱地为主。项目选用1.5 km的网距网格布点，针对生态修复单元中涉及的农用地、建设用地的地块布设土壤监测点，每地块布设不少于3个点，农用地土壤点位共布设55个，建设用地土壤点位共布设122个。研究区域土壤环境监测点位分布情况如图2。

图2 抚顺市土壤环境监测点Fig.2 Soil environment monitoring sites in Fushun City

研究区域土环境监测采样工作于2022年3至4月进行，通过GPS定位，采样过程中根据采样点周边环境合理调整实际采样位置，采用梅花点法采样，以木铲采集20 cm深的表层土壤，每个土壤样点由5个取样点混合而成。

1.2.2 样品测定与评价指标

建设用地监测点主要测试内容为《土地环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)中的45项基本项目，包含重金属、无机和有机45项；农用地监测点主要测试内容为《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中的镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍、锌和苯并芘等11项测试指标和pH值。评价仅针对重金属进行，故仅介绍相关重金属及pH值的测定方法。土壤pH值测定采用电位法；砷和汞含量的测定参照HJ/T 680—2013，采用微波消解/原子荧光法；镉和铅含量的测定参照GB/T 17141—1997，采用石墨炉原子吸收分光光度法；铬(六价铬)含量的测定参照HJ 1082—2019，采用火焰原子吸收分光光度法；铜、镍、锌和铬的测定参照HJ 491—2019，采用火焰原子吸收分光光度法。样品测定采用了空白样和平行样，以及在测定过程中加入国家标准土壤样品(GSS-8)进行分析质量控制，满足质量控制要求。

若存在某监测指标在所有监测点位的数据皆低于检出限，则该指标不进行统计计算，建设用地中铬(六价铬)的含量均低于检出限。故最终确定，农用地重金属评价特征污染元素为砷、汞、镉、铜、铅、镍、锌和铬，建设用地重金属评价特征污染元素为砷、汞、镉、铜、铅和镍。

1.3 研究方法

1.3.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法是将土壤重金属的实测值与标准值作比，根据比值的大小来确定是否存在污染及污染的程度[19]，是评价土壤重金属污染常用的方法，计算公式如下：

(1)

式中：Pi为单因子污染指数；Ai为土壤重金属含量的实际值；Bi为土壤重金属含量的标准值；当Pi值小于1时，则表示土壤无污染，当Pi值大于等于1时则表示土壤存在污染。农用地采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中依据pH值确定的风险筛选值作为评价标准，建设用地采用《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)中的第二类用地筛选值作为评价标准。

1.3.2 复合指数法

单因子污染指数是复合污染指数评价的基础，通过ArcGIS对单因子评价结果赋值、叠加和插值，得到区域复合污染状况，可获取两种结果：一是复合种类指数，二是复合等级指数[20]。

复合种类指数可确定研究区域是否受到污染，若受到污染，也可确定受到几种元素污染，其计算公式如下：

(2)

式中：Ki为据单因子污染指数而定。若Pi< 1，则Ki为0，表示研究区域无污染；若Pi≥ 1，则Ki为1，表示研究区域含有污染；Pcti为复合种类指数，根据Ki的叠加情况，即可判定重金属污染的种类数[21]。

复合等级指数是对研究区域所有重金属单因子指数的定级值进行筛选，将同一点位单因子指数定级值的最大值作为最终的评价结果，由此可判定区域受污染等级，计算公式如下。

Pcli=PiMAX

(3)

式中：Pcli为复合等级指数，PiMAX为同一点位所有评价重金属单因子指数定级值的最大值。单因子指数定级值如表1[22]。

表1 单因子污染指数定级[22]

1.3.3 潜在生态危害指数

潜在生态风险评价将重金属引起的生态效应与毒理学相结合，定量的对重金属潜在风险进行级别划分，其计算公式如下[23]：

(4)

(5)

表2 生态风险评价指数与分级标准[24]

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量

研究区域农用地55个样品中土壤pH值在5.3～5.9之间，平均值为5.6，土壤重金属含量如表3和表4。重金属含量间存在较大的差异，各元素变化范围情况依次为：砷，0.96×10-6～2.95×10-6(农用地)、2.01×10-6～10.78×10-6(建设用地)；汞，0.002×10-6～0.02×10-6(农用地)、0.02×10-6～0.09×10-6(建设用地)；镉，0.005×10-6～0.3×10-6(农用地)、0.01×10-6～19.3×10-6(建设用地)；铜，12×10-6～81×10-6(农用地)、7×10-6～1152×10-6(建设用地)；铅，2.5×10-6～33.2×10-6(农用地)、40×10-6～911×10-6(建设用地)；镍，1.5×10-6～111×10-6(农用地)、103×10-6～315×10-6(建设用地)；锌，35×10-6～352×10-6(农用地)；铬，102×10-6～1972×10-6(农用地)。可以看出，农用地中镉和镍变化幅度大，砷、锌和铬变化幅度小；建设用地中镉、铜和铅变化幅度大，镍变化幅度小。

表3 抚顺市农用地土壤重金属含量(10-6)

表4 抚顺市建设用地土壤重金属含量(10-6)

变异系数可反映重金属在研究区域内分布的均匀情况，也可体现出人类活动对于重金属污染过程的干扰程度。各个重金属元素的变异程度不同，其中农用地中镉和镍变异程度最大，变异系数达到138.2%和121.4%，属于强变异程度，其他各重金属均属于中等变异程度，铬的变异系数最小；建设用地6种重金属虽变异程度不同，但均属于中等变异程度，其中镉的变异系数最大，镍的变异系数最小。由此分析，农用地中铬元素分布最均匀，各监测点的铬含量相差不大，镉和镍在研究区域内各监测点的含量相差很大，分布不均匀，受人类活动干扰程度大，应多加关注；建设用地中镍元素分布最均匀，各监测点镍含量相差不大，镉元素分布较不均匀，这与人类活动施加的影响有关。

2.2 土壤重金属相关性

采用SPSS中的Pearson相关系数分析土壤重金属间的相关性，可通过相关性的高低判别重金属来源是否相似[25]。由相关性分析结果(表5和6)可知，农用地中砷与汞、铅和镍存在显著正相关，汞与镉、铅和镍存在显著正相关，镉与锌存在显著正相关，铅与镍存在显著正相关，铜除与锌呈显著负相关，与其他重金属不存在显著关系，铬除与镉呈显著负相关，与其他重金属不存在显著性关系。由此可知，砷、汞、铅和镍两两相关，汞与镉、镉与锌间也存在协同作用，因此砷、汞、铅、镍、镉和锌可能有相似来源，铜和铬的污染源与其他重金属有所不同。

表5 抚顺市农用地土壤重金属相关性

表6 抚顺市建设用地土壤重金属相关性

建设用地中砷与汞、铅存在显著正相关，汞除与砷显著正相关，与其他重金属不存在显著关系，镉与砷、镍存在显著负相关，与其他重金属不存在显著关系，铜与其他重金属均不存在显著关系，铅与砷以外的其他重金属不存在显著关系，镍与镉以外的重金属不存在显著关系。由此分析可知，砷、汞和铅可能有相似来源，镉、铜和镍可能来自不同污染源。

2.3 单因子指数评价

研究区域内农用地共有采样点位55个，建设用地共有采样点位122个，通过公式(1)计算采样点各重金属的单因子指数，整理结果如表7。由各重金属元素的含量范围可知，农用地中不含有砷、汞和铅污染，建设用地中除存在铅污染外，不存在其他污染指标。进一步对单个污染元素进行了可视化分析。

表7 抚顺市土壤重金属单因子指数

铅、铜、锌、镉、铬和镍存在污染区域，污染分布情况如图3。其中铅警戒面积7816.59 hm2，轻度污染面积2520.39 hm2；铜警戒面积90801.08 hm2，轻度污染面积838.75 hm2；锌警戒面积47000.79 hm2，轻度污染面积806.63 hm2；镉警戒面积10.84 hm2，轻度污染面积1.49 hm2；铬警戒面积236026.40 hm2，轻度污染面积64344.72 hm2；镍警戒面积178.65 hm2，轻度污染面积54.70 hm2。重金属污染面积排序为：铬>铅>铜>锌>镍>镉。铬污染分布在农用地中，污染面积最大，铅污染分布在建设用地中，污染面积在铬之后。由此可知，研究区域应控制农用地中重金属铬的含量以及建设用地中重金属铅的含量。综合来看，重金属污染主要存在于研究区域的西部和东南部，存在重金属复合污染情况。

图3 抚顺市土壤代表性重金属元素污染空间分布图Fig.3 Spatial distribution of heavy metal pollution of soils in Fushun City

2.4 复合指数法评价

2.4.1 复合种类指数评价

通过单因子指数评价结果，对污染监测点进行赋值、叠加，在ArcGIS中通过反距离权重法实现复合污染种类的可视化，结果如图4。研究区域内复合污染种类存在Ⅰ类(无污染)、Ⅱ类(单一元素污染)、Ⅲ类(双元素污染)和Ⅳ类(三元素污染)。复合污染主要存在于研究区域的东南部以及西部区域。从行政区来看，除顺城区和望花区以外其他行政区均存在重金属污染现象，其中新抚区和清原满族自治县均为单元素污染；新宾满族自治县为单元素污染和双元素污染；东洲区和抚顺县单元素污染、双元素污染和三元素污染均存在。

图4 抚顺市土壤重金属复合污染种类空间分布Fig.4 Spatial distribution of heavy metal composite pollutiontypes of soils in Fushun City

对复合种类结果进行统计分析，结果如表8。其中Ⅰ类区域为1919412.02 hm2，占研究区面积91.83%；Ⅱ类区域为150156.83 hm2，占研究区面积的7.18%，主要为铜、铅、锌和铬的单元素污染，分布在建设用地和农用地；Ⅲ类区域为20471.83 hm2，占研究区面积的0.98%，有4种污染情况，分别为铜和铬、锌和铬、镍和铬以及铜和镍的双元素复合污染，分布在农用地；Ⅳ类区域为12.12 hm2，占研究区面积的0.01%，主要为铬、铜和镉的三元素复合污染，分布在农用地。

表8 抚顺市土壤重金属复合污染元素统计

2.4.2 复合等级指数评价

基于单因子指数通过公式(3)获得各监测点的复合等级指数，再进行空间插值获得整个研究区域的复合等级状况，如图5所示。流域复合污染等级分为3级：清洁、警戒和轻度污染。其中清洁区域1712760.48 hm2，占评价区域面积的81.9%；警戒区域331764.53 hm2，占评价区域面积的15.9%；轻度污染区域47148.16 hm2，占评价区域面积的2.2%。警戒和轻度污染等级主要分布在抚顺市的新宾满族自治县、东洲区和抚顺县。复合污染等级整体处于较低水平，有81.9%的区域未受到污染，土壤环境质量较好。

图5 抚顺市土壤重金属复合污染等级空间分布Fig.5 Spatial distribution of heavy metal composite pollution levels of soils in Fushun City

2.5 潜在生态风险评价结果

建设用地和农用地的潜在生态风险指数分析结果见表9。建设用地中单一重金属潜在生态风险指数均值由小到大依次为：砷<汞<铜<镍<铅<镉；农用地中单一重金属潜在生态风险指数均值由小到大依次为：汞<砷<锌<铅<镍<铬<铜<镉。根据单因素重金属生态风险等级判别，均为轻微危害等级。建设用地的综合潜在生态风险指数在2.13～15.23之间，农用地的综合潜在生态风险指数在5.79～41.99之间，根据综合潜在生态风险等级判别，属于轻微生态危害。总体来看，研究区域土壤存在轻微的重金属生态危害，镉元素的生态风险水平要明显高于其他重金属；镉元素虽污染点位较少，但由于其具有较高的毒性系数，对研究区域土壤环境依然具有较大的生态威胁。研究区域镉污染分布在农用地中，因此镉污染主要源于农业灌溉以及农药、化肥和塑料薄膜的使用，应密切关注和监测污染区周边金属镉的分布以及含量，保证土壤环境质量安全。

表9 抚顺市土壤潜在生态风险指数及危害程度

3 结 论

(1)农用地中镉和镍属强变异，其他重金属均属为中等变异，铬变异系数最小；建设用地中重金属均为中等变异，其中镉变异系数最大，镍变异系数最小。农用地中砷、汞、铅、镍、镉和锌有相似污染源，铜和铬的污染源与其他重金属不同；建设用地中砷、汞和铅有相似污染源，镉、铜和镍来自不同污染源。

(2)农用地中含有镉、铜、镍、锌和铬污染，建设用地中仅存在铅污染，重金属污染面积排序为铬>铅>铜>锌>镍>镉；复合污染种类存在Ⅰ类(无污染)、Ⅱ类(单一元素污染)、Ⅲ类(双元素污染)和Ⅳ类(三元素污染)，面积排序为Ⅰ类>Ⅱ类>Ⅲ类>Ⅳ类；复合污染等级分为3级，清洁、警戒和轻度污染，面积排序为清洁>警戒>轻度污染。重金属污染主要存在于研究区域的东南部和西部。

(3)建设用地和农用地单一重金属潜在生态风险指数均值由小到大依次为砷<汞<铜<镍<铅<镉，汞<砷<锌<铅<镍<铬<铜<镉，均为轻微危害等级；建设用地的综合潜在生态风险指数在2.13～15.23之间，农用地的综合潜在生态风险指数在5.79～41.99之间，均属于轻微生态危害。

(4)浑太流域上游抚顺市土壤环境质量整体较好，但应控制农用地污染区域中重金属铬的含量以及建设用地污染区域中重金属铅的含量，同时也应密切关注和监测生态风险较高的金属镉的分布以及含量，保证研究区域土壤环境质量安全。

致谢：审稿人和编辑部提出了宝贵的意见和建议，使文章得以完善，在此一并致以诚挚的谢意。