钢铁厂周边土壤重金属污染特征及风险评价

田甜 杨婷 邹县梅 陈春乐

摘要：为了明确闽西三明钢铁厂周边农田土壤重金属污染情况及其风险，于2019年5月在钢铁厂周边采集10个表层（0～20 cm）土壤样品，测定Pb、Cu、Zn、Cd、Hg和Ni的全量，利用单项污染指数法、内梅罗污染指数法和Hk？nson潜在生态危害指数法，评价重金属的污染水平和风险。结果表明，调查区域土壤重金属含量（除Hg超标率为80%外）均超过了福建省土壤背景值。相关性分析表明，土壤Pb、Cu、Zn、Cd、Ni具有同源性。评价结果表明，钢铁厂周边土壤重金属污染程度为Cd>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg，调查区域所有土壤均达重度污染，处于很强和极强生态风险水平。因此，该钢铁厂周边农田土壤存在的重金属污染而产生的生态环境问题需引起高度重视，应优先开展Cd和Pb元素的防控，降低其生态风险。

关键词：三明钢铁厂；土壤；重金属污染；污染特征；风险评价；污染指数

中图分类号：X825文献标志码：A论文编号：cjas20191000246

Heavy Metals in Farmland Surrounding the Sanming Steel Plant in Western Fujian： Pollution Characteristics and Risk Assessment

Tian Tian1，2， Yang Ting2， Zou Xianmei2， Chen Chunle1，2

（1Fujian Provincial Key Laboratory of Resources and Environment Monitoring & Sustainable Management and Utilization， Sanming 365004， Fujian， China；2School of Resources and Chemical Engineering， Sanming University， Sanming 365004， Fujian， China）

Abstract： The paper aims to clarify the heavy metal pollution and risk in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant in western Fujian. We collected 10 surface soil samples （0- 20 cm） in May， 2019， determined the contents of Pb， Cu， Zn， Cd， Hg and Ni， and evaluated the levels and risks of heavy metals by the methods of the single pollution index， the Nemero pollution index， and Hk？nson potential ecological hazard index. The results showed that： the contents of heavy metals in the studied area exceeded the background value of soil environment in Fujian， except that Hg exceeded the standard rate by 80% ； correlation analysis demonstrated that： Pb， Cu， Zn， Cd， Ni in soil were homologous； the evaluation results demonstrated that： the pollution degree of heavy metals in the soil surrounding the Sanming Steel Plant was： Cd>Pb>Ni>Zn>Cu>Hg； all the soils in the studied area were heavily polluted， reaching very strong and extremely strong ecological risk level. Therefore， more attention should be paid to the ecological environment problems caused by heavy metal pollution in the farmland surrounding the Sanming Steel Plant， the prevention and control of Cd and Pb in soil should be the priority to reduce their ecological risks.

Keywords： Sanming Steel Plant； Soil； Heavy Metal Pollution； Pollution Characteristic； Risk Assessment； Pollution Index

0引言

工業企业周边的土壤往往会呈现出多重金属复合污染现象，且污染情况严重。因此，调查和评价工业企业周边农田土壤的重金属污染程度及风险，是进行工业企业周边农田土壤污染管控和修复的必要基础[1]。进入工业革命后，人类对钢铁的需求量越来越大大，因此有大量的制铁炼钢企业兴起，而由于过往的工艺技术设备和管理措施落后，大量生产过程排放出的“三废”给土壤环境带来污染[1-2]。

国内外针对钢铁厂周边农田土壤重金属污染开展了大量的调查与研究，如唐山钢铁厂周边农田土壤存在着铅-铜-砷-铬的重金属复合污染[2]；Dragovi？等[3]研究表明，在距离塞尔维亚贝尔格莱德50 km的钢厂附近的土壤中Cd、Co、Cu、Ni、Pb和Zn的浓度高于欧洲土壤和全球土壤的平均浓度。另外，工业企业周边土壤中富集的大量重金属会通过作物根系向可食部位转移，给人类带来严重的健康风险[4-5]。因此，开展钢铁厂周边农田土壤重金属污染情况及风险评价的研究对于保障人类的健康具有重要的意义。

目前，国内外发展了多种土壤重金属生态风险评价的方法[6]，包括污染指数法、数学模型法、生态风险指数法、形态分析法以及植物培养法等。其中，单项污染指数法是以土壤环境质量标准为基础进行评价，具有较为明确的目标；内梅罗污染指数法可全面反映土壤中各种重金属污染物对土壤的综合作用；潜在生态风险评价法考虑重金属污染对生物的危害性，可以反映出土壤重金属的危害特征[7]。以上这些评价方法在国内外得到了广泛应用和认同[8-10]。

依福建人民政府公布的《2013年度福建省重金属污染重点防控企业名单》，福建省重金属污染企业主要是金属表面处理加工业、铅锌矿采选业及皮革鞣制加工业，本研究区域所处的三明市的重金属企业主要是铅锌矿采选企业[11]，因此前人的研究主要集中在矿区周边土壤重金属污染调查与评价[12-13]。此外，福建省分布着49家钢铁企业（包括已关停），目前对于钢铁企业周边农田土壤的研究尚不多见，对土壤重金属污染情况更不明确。然而，调查研究钢铁厂周边农田土壤重金属污染情况，可以为针对钢铁厂周边土壤的重金属污染土壤安全防控和管理措施提供依据。

因此，本研究以位于闽西地区的福建省最大钢铁厂——三明钢铁厂周边农田土壤为研究对象，调查该区域农田土壤重金属污染情况，并采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法和Hk？nson潜在生态危害指数法开展了土壤重金属风险评价，以期为该钢铁厂周边农田土壤环境质量及安全生产管理提供依据，为福建省其他钢铁厂周边农田土壤重金属风险评价提供参考。

1材料与方法

1.1试验时间、地点

田间试验样品采集于2019年5月在三明钢铁厂附近农田土壤进行；室内试验于2019年5—9月在三明学院校内进行。

1.2土壤样品的采集和制备

选取福建省三明市钢铁厂下风向附近具有代表性的农田土壤进行样品的采集，并按距离钢铁厂由近到远对土壤进行顺序编号（S1～S10）。采样时去除土壤表面杂草和杂物，挖取表层土壤（0～20 cm），尽快运回实验室。将采回的土壤置于室内阴凉通风处，经常翻动。待土壤自然风干后，剔除石块和植物根茎，将土壤混合均匀后过100目筛，备用。

1.3试验方法

1.3.1样品分析测定土壤重金属测定时采用微波消解法，测定步骤如下[14]：称取待测土壤样品（< 0.149 mm）0.25 g，置于聚四氟乙烯密闭消解罐中，加入10 mL硝酸，于赶酸仪上120℃预消解45 min，预消解完成后冷却至室温再将预消解完成的土样放入微波消解仪中，按一定程序进行消解（见表1），消解结束后冷却至室温。打开密闭消解罐，加入1 mL HClO4和1 mL HF，将消解罐置于赶酸仪中180℃赶酸，至消解罐溶液为1 mL左右。打开密闭消解罐，用慢速定量滤纸将提取液过滤收集于50 mL容量瓶中，待提取液滤尽后，用2%硝酸溶液清洗消解罐盖子内壁、罐体内壁和滤渣至少3次，滤液一并收集于容量瓶中，用超纯水定容至刻度，用ICPMS测定消解液中Pb、Cd、Cu、Zn和Ni的含量，消解液中Hg的含量采用冷原子吸收分光光度法测定。

1.3.2土壤环境质量评价方法与标准土壤环境质量评价方法有很多种，本研究采用单项污染指数法以及内罗梅综合污染指数法来评价土壤环境质量。

式中：Cf为重金属i的污染指数；Ci为重金属i的实测浓度；Cn为重金属i的评价标准；Er为单项金属i的潜在生态风险指数；Tr为重金属毒性响应系数（Pb=Cu=Ni=5，Cd=30，Hg=40，Zn=1）[18]；RI为多项金属的综合潜在生态风险指数。土壤中重金属i的评价标准与1.3.2中单项污染指数法评价标准一致。

1.3.4统计分析采用Excel进行数据处理，SPSS 19.0进行数据相关性分析。

2结果与分析

2.1土壤重金属含量特征

各采样点土壤重金属Pb、Cu、Zn、Cd、Ni含量均明显大于福建省土壤背景值（见表3），其中Pb含量为土壤背景值的6.6～91.2倍，Cu含量为土壤背景值的1.52～ 4.61倍，Zn含量为土壤背景值的2.03～4.16倍， Cd含量为土壤背景值的28.5～506.7倍，Ni含量为土壤背景值的2.43～5.25倍。Hg含量为土壤背景值的0.52～1.67倍，超过土壤背景值的超标率为80%。

研究土壤中重金属含量的相关性可以推测重金属来源是否相同。一般而言，如果重金属含量间有显著的相关性，说明其很可能具有相同的来源[19]。同一来源的元素之间存在相关性，因此，可以利用元素之间的相关性来反映各个元素之间的同源关系或关联情况[20]。表4为土壤重金属含量的相关分析结果。由表4可知，Cu、Zn、Cd、Ni这4个元素之间具有显著的正相关关系，Pb、Zn、Cd之间也具有显著的正相關关系，这可能说明Pb、Cu、Zn、Cd、Ni来自相同的污染，主要是由钢铁厂引起的。Hg与其他元素之间相关性不显著，主要来自于土壤的本底值，该地区的土壤母质中Hg含量较高而使其超过福建省土壤背景值。

2.2钢铁厂周边土壤重金属污染评价

根据单项污染指数法和内梅罗综合污染指数法得出该钢铁厂周边土壤重金属污染情况（见表5）。由单项污染指数法评价结果可知，所有采样点的土壤，除Hg元素外，均有污染现象。Hg有70%的土壤样品达到轻度污染水平，3个土壤样品无污染。所有土壤的Pb和Cd均已达到重度污染水平；Zn和Ni处于中度和重度污染水平的样品各占50%；Cu处于重度污染水平的样品占50%，30%的样品处于中度污染水平，20%的样品为轻度污染。对于全部土壤，按单项污染指数平均值从大到小排序可得钢铁厂周边土壤重金属元素的污染程度为Cd（151.39）>Pb（30.37）>Ni（3.35）>Zn（3.15）> Cu（3.05）>Hg（1.18），说明该调查区域的土壤重金属污染形势不容乐观，Cd、Pb、Ni、Zn和Cu均达到了重度污染水平，Hg达到了轻度污染水平，尤以Cd和Pb的污染最为严重。内梅罗污染指数评价结果表明，调查区域所有土壤均达到了重度污染水平，其顺序为S7>S3> S10>S6>S2>S8>S4>S1>S5>S9。

2.3钢铁厂周边土壤重金属潜在生态风险评价

以Hk？nson潜在生态危害指数法评价的该钢铁厂周边土壤重金属生态风险结果见表6。各采样点的Cu、Zn和Ni这3种元素的单项潜在生态风险指数（Er）均小于40，其生态风险为轻度。Hg的生态风险指数介于20.74～66.67之间，70%土壤样品的生态风险为中等。Cd的生态风险指数介于854.44～15200之间，均达到极强生态风险。Pb的生态风险指数介于33.08～ 456.00之间，不同采样点的生态风险级别存在较大差异，S3为极强（456.00），S10和S7为很强，S8为中等，其余5个土壤为强生态风险。对于全部土壤，按单因子生态风险指数评价值从大到小排序可得该钢铁厂周边土壤重金属元素的风险顺序为Cd（4541.50） >Pb（151.87） >Hg（47.26） >Ni（16.73） >Cu（15.25） >Zn（3.15）。可知，该钢铁厂周边土壤Cd的风险程度达到极强水平，Pb的风险程度为强风险水平，Hg的风险程度为中等水平，其他3种重金属存在轻度风险。各采样点重金属的综合生态风险指数介于94929～15522.38之间，除S9点属于很强生态风险外，其余9个均为极强生态风险。各个采样点的综合生态风险指数大小顺序为S7>S3>S10>S6>S2>S8>S4>S1>S5>S9。进一步结合采样布点的实际情况，各采样点的重金属潜在生态风险随着离钢铁厂距离的增加而减少。该钢铁厂周边农田土壤的重金属对环境存在着严重的生态风险，从Hk？nson潜在生态危害指数评价结果来看，当对该钢铁厂周边农田土壤进行利用时，应优先开展Cd和Pb元素的防控，降低其生态风险，而后考虑其他元素的防控，从而保证农田土壤的安全利用。

3讨论与结论

根据福建省土壤重金属背景值评价结果，该钢铁厂周边农田土壤重金属Pb、Cu、Zn、Cd、Ni含量均明显大于背景值，说明土壤受到了严重的人为污染，而其中尤以Cd和Pb的超标倍数最多，污染最为严重。陈轶楠[2]对晋南某钢厂周边农田土壤重金属调查结果也发现，Pb、Cu、Zn、Cd、Ni超过当地土壤背景值的现象[2]；谢团辉等[1]对闽西某特钢厂周边农田土壤重金属含量调查结果也得到类似结果。此外，结合重金属含量相关性分析结果认为，钢铁厂周边农田土壤重金属Pb、Cu、Zn、Cd、Ni具有同源性，很大程度上是来自于钢铁厂废水和粉尘的污染。土壤中Hg与以上5种重金属相比，污染程度相对较低，跟其他元素之间的相关性不显著，调查区域农田不存在其他工业企业，说明该钢铁厂周边农田土壤Hg主要来自于土壤本底值。单项污染指数结果表明该调查区域的土壤重金属污染形势较为严峻，Cd、Pb、Ni、Zn和Cu均达到了重度污染水平，Hg达到了轻度污染水平，尤以Cd和Pb的污染最为严重。内梅罗污染指数评价结果表明，调查区域所有土壤均达到了重度污染水平。Hk？nson潜在生态危害指数评价结果也表明，不同采样点的生态风险级别存在较大差异，该钢铁厂周边土壤Cd的风险程度达到极强水平，Pb的风险程度为强风险水平，Hg的风险程度为中等水平，其他3种重金属存在轻度风险，各采样点重金属的综合生态风险均达到很强或极强生态风险水平。

有研究报道还表明，在工矿区周边的作物出现了重金属富集超标现象，上虞某铅锌矿区周边土壤种植的萝卜中As和Pb含量严重超标[21]，黄石市某钢铁廠周边苔藓植物富集着大量的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb元素[22]。总之，过往由于环保意识较弱，生产工艺落后，监督管理机制薄弱，工矿区周边土壤存在着较为严重的污染和生态风险。调查区域农田土壤由于长期受到钢铁厂废水和粉尘污染源的影响，土壤中已经有大量的重金属的累积，势必会对土壤功能造成一定影响，该钢铁厂周边的农田土壤对环境和人类健康存在的风险需引起高度重视，其中应优先开展Cd和Pb元素的防控，降低其生态风险。

参考文献

[1]谢团辉，胡聪，陈炎辉，等.某炼钢厂周边农田土壤重金属污染状况的调查与评价[J].农业资源与环境学报，2018，35（2）：155-160.

[2]陈轶楠，马建华，张永清.晋南某钢铁厂及周边土壤重金属污染与潜在生态风险[J].生态环境学报，2015，24（9）：1540-1546.

[3]Dragovi？R， Gaji？B， Dragovi？S， et al. Assessment of the impact of geographical factors on the spatial distribution of heavy metals in soils around the steel production facility in Smederevo （Serbia）[J].Journal of Cleaner Production，2014，84：550-562.

[4]王世玉，吴文勇，刘菲，等.典型污灌区土壤与作物中重金属健康风险评估[J].中国环境科学，2018，38（4）：1550-1560.

[5]Reboredo F H， Jo？o P， Lidon F ， et al. Heavy metal content of edible plants collected close to an area of intense mining activity（southern Portugal）[J].Environmental Monitoring and Assessment， 2018，190（8）：484.

[6]刘晶，滕彦国，崔艳芳，等.土壤重金属污染生态风险评价方法综述[J].环境监测管理与技术，2007，19（3）：6-11.

[7]范拴喜，甘卓亭，李美娟，等.土壤重金属污染评价方法进展[J].中国农学通报，2010，26（17）：310-315.

[8]许绪成，许继影，叶传红，等.煤矸石堆周围土壤重金属空间分布特征与评价[J].赤峰学院学报：自然科学版，2018，34（9）：98-101.

[9]孙雷，孙世群，杨晨.几种综合指数方法在土壤重金属污染评价中的应用——以淮南矿区为例[J].赤峰学院学报：自然科学版， 2013，29（22）：34-36.

[10]曾民，郭蓉，杨树明，等.云南省个旧市农产品产地土壤重金属污染与生态风险评价[J].土壤与作物，2019，8（1）：85-92.

[11]马瑞丰，周碧青，刘金福，等.福建省重金属企业分布概况及行业污染问题分析[J].污染防治技术，2016（1）：19-22.

[12]包新星.福建省尤溪县铅污染环境调查及其防治对策初探[J].中国农业信息，2012（21）：96-97.

[13]王学礼，常青山，侯晓龙，等.三明铅锌矿区植物对重金属的富集特征[J].生态环境学报，2010（1）：108-112.

[14]环境保护部.HJ 803—2016，土壤和沉积物12种元素的测定—王水提取——电感耦合等离子体质谱[S].北京：中国环境科学出版社，2016：1-6.

[15]Stark S C， Snape I， Graham N J， et al. Assessment of metal contamination using X- ray fluorescence spectrometry and the toxicitycharacteristicleachingprocedure（TCLP）during remediation of a waste disposal site in Antarctica[J].Journal of Environmental Monitoring，2008，10（1）：60-70.

[16]陳振金，陈春秀，刘用清，等.福建省土壤环境背景值研究[J].环境科学，1992（13）：70-76.

[17]丛俏，袁星，曲蛟，等.钼矿区周边农田土壤中重金属污染状况的分析与评价[J].中国环境监测，2009，25（1）：47-51.

[18]钟晓兰，周生路，赵其国.长江三角洲地区土壤重金属污染特征及潜在生态风险评价——以江苏太仓市为例[J].地理科学， 2007，27（3）：395-400.

[19]陈雯，龙翔，王宁涛，刘慧.福州市土壤重金属污染现状评价与分析[J].安全与环境工程，2015，22（5）：68-72.

[20]Taylor M D. Accumulation of cadmium derived from fertilisers in New Zealand soils[J].Science of the Total Environment，1997，208（1/2）：123-126.

[21]王莹，赵全利，胡莹，等.上虞某铅锌矿区周边土壤植物重金属含量及其污染评价[J].环境化学，2011，30（7）：1354-1360.

[22]马鑫，尹刚，吴乐知.黄石市某钢铁厂周边苔藓植物重金属含量研究及污染评价[J].湖北农业科学，2019（10）：51-56.