陈梓欣，陈碧珊，杨福宁，李烨俊，纪婉薇，陈家琪

东海岛重化工厂周围土壤重金属生态风险评价

陈梓欣，陈碧珊，杨福宁，李烨俊，纪婉薇，陈家琪

（岭南师范学院 地理科学学院，广东 湛江 524048）

为了解东海岛重化工厂对周围土壤环境的影响，在工厂周围共采集26个土壤样品，采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对样品中8种重金属的质量浓度特征进行分析．结果表明，除Cr外，其余重金属As，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn的最大质量浓度分别为15.6，0.116，53.8，0.055，76.1，31.6，103 mg·kg-1，均未达到国家规定的风险筛选值，表明东海岛重化工厂周围土壤主要受Cr污染．8种重金属平均地累积指数都小于0，为无污染．通过综合潜在风险指数分析得出，研究区为轻微至中等生态风险程度．东海岛工业发展虽然对周围土壤重金属的影响较小，但仍需进行长期监测．

东海岛；重化工厂；重金属污染；生态风险评价

环境污染，特别是土壤重金属污染已成为全球关注的焦点[1-2]．近几年，随着重化工生产活动的增加，土壤中的重金属污染对生态环境造成严重的破坏．此类污染物还会通过食物链在生物体内积累，进而对人体健康产生负面影响[3]．在我国，土壤重金属污染也常有发生，如陕西凤翔血铅超标，湖南浏阳镉中毒，四川内江铅污染等，都会对生态环境和人体健康产生一定的影响[4]．根据2014年的国家土壤污染报告，中国土壤污染已成为一个严峻的问题．资料表明，超标点位中82.8%以上是由于无机污染物As，Cr，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn造成的．其中，以重工业工厂为代表的周围土壤环境污染较为严重；在全国范围内，土壤重金属总超标率为16.1%，大约有100万km2的土壤受到污染，以Cd，Cu，Hg，Pb等重金属为主要元素[5-6]．

目前，湛江地区土壤重金属的研究主要集中在农业及红树林等领域，如陈碧珊[7]等对湛江红树林土壤中重金属的空间分布、来源和污染程度进行分析；孙志佳[8]等对湛江市农用地土壤中的重金属质量浓度、生态风险和污染源进行评价．但是对湛江市工厂周围土壤重金属的研究还很少．随着政策的支持和独特的地理位置，东海岛发展成为湛江市钢铁和化工工业的重要生产基地．钢铁和石化工厂产生的重金属会通过大气沉降到周围的土壤中．重金属污染主要特点是易富集、不可降解、强毒性，此外重金属残留时间久和土壤自净能力较差等也将导致土壤肥力、环境和健康质量下降等[9]．对湛江市东海岛重化工厂周围土壤重金属质量浓度进行测定，并对其污染特征及生态风险进行评价，可以为湛江市东海岛建设钢铁石化基地环境风险评估提供参考，进而为东海岛重化工厂周围土壤重金属污染的治理提供一定的理论依据．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东海岛的地理坐标范围为20°55′～21°55′N，110°11′～110°21′E，位于雷州半岛东部，是广东省面积最大的岛屿．东海岛因其优越的地理位置和丰富的海洋资源被批准建立经济开发试验区，今属湛江经济技术开发区．目前，东海岛形成一个以宝钢、中科炼化、巴斯夫为首的钢铁石油精细化工一体化发展格局，是湛江市乃至整个中国最典型的能够实现重化工一体化发展的综合片区．据统计，2021年石化产业集群产值达到1 163.34亿元．近年来，东海岛工业发展的大趋势正在逐步形成，重点表现在宝钢湛江钢铁产业基地、中科炼化和巴斯夫公司三大投资超一百亿元级的大型工业建设项目的持续进展中．这些工程的蓬勃发展为湛江工业的发展奠定了基础，使其成为了工业发展的主战场[10]．

1.2 样品采集处理

为分析宝钢和中科炼化工厂周围土壤重金属的质量浓度，结合野外现场调查，在宝钢东北、东南、西南方向共设置9个样点，在中科炼化西南、东南方向共设置6个样点，位于宝钢上风方向的大村设置11个样点，共26个采样点（见图1）．每个点位采用梅花采样法，采样深度为20 cm，每次采样先去除表面杂物，共采集5个样品混合成一个点位样品，密封袋中装入1 kg土壤样品后密封，同时使用GPS对各样点的经度和纬度进行记录，并做好采样区周围环境信息记录．

图1 东海岛工厂周围土壤采样点分布

对所采集的土样进行初步处理，并将其送至广州澳实矿物实验室测试．称量两份土样，一份土样使用硝酸、盐酸、高氯酸、氢氟酸分三个阶段进行消解，然后将该溶液蒸发至接近干燥状态，除去其中氢氟酸的残留，将余液稀释，用盐酸定容后，采用等离子体发射光谱和质谱仪进行分析．另取一份土样，加入王水，在石墨炉进行消解，然后冷却溶液，将其装入容量瓶中，使用去离子水定容，混合均匀，再使用等离子体发射光谱和质谱仪进行全面分析．用硝酸、盐酸、高氯酸、氢氟酸对As，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn元素进行消解，用王水对Cd，Hg元素进行消解．

1.3 研究方法

1.3.1 地累积指数法 本文选取雷州半岛典型的砖红壤重金属背景值作为参考值，通过计算工厂周围土壤中的重金属地累积指数，能够在自然背景条件下对人为因素造成的重金属污染以及重金属蓄积程度进行分析[11]．公式为

geo=log2[c/1.5B]

式中：c为土壤中元素的质量浓度；B为元素的背景值；1.5一般被用来表示沉积特征、岩石地质和其他相关因素[12-13]．根据地累积指数的大小，重金属污染程度可分为7级[14]194（见表1）．

表1 地累积指数分级标准

1.3.2 潜在生态风险指数法 对于研究区表层土壤重金属质量浓度，运用瑞典学者Hakanson[15]的潜在生态风险指数法进行潜在生态风险评价．该方法把重金属的生物毒性作为出发点，对多种污染物的影响进行全面反映，将重金属的潜在生态风险以定量化的方法进行划分[16-17]．公式为

表2 潜在生态风险指数分级标准

2 结果与分析

2.1 东海岛重化工厂周围土壤重金属质量浓度特征

本文将As，Cr，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn等8种重金属质量浓度与广东省土壤背景值以及《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“第二类用地”的风险筛选值进行比较．东海岛重化工厂周围土壤中重金属质量浓度见表3．由表3可见，重金属质量浓度表现出Zn > Cr > Ni > Pb > Cu > As > Cd > Hg的特点．其中Cd，Hg，Pb的质量浓度平均值低于广东省背景值，其它重金属质量浓度均高于广东省背景值，表明研究区内Cd，Hg，Pb不存在显著的富集，As，Cr，Cu，Ni，Zn的富集度较高．Cr，Ni，Pb，Zn的平均质量浓度明显高于中位数，这意味着这些元素的质量浓度整体偏向于较高值；As，Cd，Cu，Hg的质量浓度平均值与其中位数相近，说明研究区土壤中As，Cd，Cu，Hg的质量浓度总体上呈现出较低的趋势．所有采样点的Cr质量浓度均高于国家规定的风险筛选值，其余各重金属质量浓度都低于国家规定的风险筛选值，表明东海岛重化工厂周围土壤主要受Cr污染．

变异系数（）可以表示土壤重金属质量浓度分布的均匀度，变异系数越大，表明重金属在空间上分布越不均匀，也能反映该元素受人类活动的影响程度越大[19]．变异系数可分为三类，分别是弱变异（<10%），中等变异（10%≤≤100%），高度变异（>100%）[20]．东海岛重化工厂周围土壤中重金属按变异系数大小进行排序：Ni（120.8%）>Cd（103.4%）>Cu（103.3%）> 100%>Cr（79%）>As（78.2%）>Zn（73.6%）>Hg（65.4%）>Pb（62%）> 10%．Ni，Cd，Cu为高度变异，表示其空间高度分散，受人为影响大．

表3 东海岛重化工厂周围土壤中重金属质量浓度

注：背景值为广东省砖红壤背景值[7]925；风险筛选值为《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600—2018）[21]．

2.2 东海岛重化工厂周围土壤重金属污染状况

运用地累积指数法得到东海岛重化工厂周围土壤的地累积指数评价结果（见表4）．由表4可见，平均地累积指数情况为：Zn > Cu > Ni > As = Cr > Hg > Cd > Pb，所有值都小于0，说明它们的污染程度非常低，即为无污染．在宝钢东南方向的样点，Ni和Cu的污染等级为三级，属于中等-强污染，推测是受工厂废水排放或废弃物的影响．Pb的污染等级相差最小，其地累积指数为-2.67～-0.15，污染等级为0，污染程度为无污染．尽管所有采样点的Cr质量浓度都超过了国家规定的风险筛选值，但是Cr的地累积指数范围为-3.18～1.03，平均值为-1.02，等级为无污染．根据地累积指数评价结果可知，8种重金属污染程度均较小，只有Ni和Cu的污染等级有很大变化，一些点位的污染等级较高，表明这2种重金属在土壤中存在超标的风险．

表4 东海岛重化工厂周围土壤的地累积指数评价结果

2.3 东海岛重化工厂周围土壤重金属生态风险评价

对东海岛重化工厂周围土壤中的重金属进行潜在生态风险评价，得到东海岛重化工厂周围土壤的潜在生态风险结果（见表5）．由表5可见，土壤潜在生态风险指数由高到低为Hg，Cd，As，Ni，Cu，Pb，Cr，Zn，土壤中的所有重金属都属于轻微风险．但Hg平均潜在生态风险指数最高，为34.67，因此需重视东海岛Hg的潜在生态危害问题．

表5 东海岛重化工厂周围土壤重金属潜在生态风险评价结果

从综合潜在生态危害指数看，东海岛重化工厂周围土壤的风险指数为27.35～224.17，在轻微至中等风险之间．8种重金属对综合潜在生态危害贡献率见表6．Hg对综合潜在生态危害的贡献率为36％，Cd对综合潜在生态危害的贡献率为28％，其他元素在综合潜在生态危害中的贡献率较小，说明东海岛采样区土壤污染来源主要是Hg和Cd．此外，基于8种重金属平均质量浓度计算的东海岛的土壤综合潜在生态危害值为96.10，表明东海岛工厂周围土壤总体处于中等危害程度．以上数据表明，东海岛重化工厂周围的土壤存在中等的生态风险，且生态污染的主要贡献因子为Hg和Cd，因此需要重视东海岛的土壤环境问题．

表6 东海岛工厂周围土壤重金属元素对综合潜在生态危害的贡献率

2.4 东海岛重化工厂周围土壤重金属来源分析

2.4.1 东海岛重化工厂周围土壤重金属相关性分析 常见的土壤重金属来源分析方法是相关性分析[22]．相关性强，表示土壤中的重金属元素成因比较稳定和单一；相关性弱，表示土壤中重金属元素具有不稳定性和多种来源，这可能是受到人类活动的影响[23]．东海岛重化工厂周围土壤中重金属质量浓度的相关系数见表7．由表7可见，8种重金属质量浓度之间的相关性系数显示，在＜0.01水平上，东海岛重化工厂周围土壤中Cd-Zn，As-Pb，Cu-Ni，Cu-Zn，Cu-Cr，Ni-Zn，Ni-Cr，Zn-Cr之间存在极显著的正相关，说明可能有同样或类似的来源，推测这些来源可能是由于冶炼技术现代工业快速发展所导致的，可能存在一定的富集规律；而Cu-Hg，Ni-Hg间呈弱负相关，说明Hg与Cu，Ni的来源不同．工厂使用、排放含有Hg的废物是土壤中Hg的主要来源．

表7 东海岛重化工厂周围土壤中重金属质量浓度的相关系数

注：**表示在0.01级别（双尾）相关性显著；*表示在0.05级别（双尾）相关性显著．

2.4.2 东海岛重化工厂周围土壤重金属主成分分析 土壤重金属来源由于处于不同的地质背景及环境条件而不同[24]．本文使用主成分分析法探究研究区的重金属污染成因（见表8）．由表8可见，前三个主成分的累积贡献率高达90.483%，表明这三个主成分的分析结果能够代表整个数据的分析结果．主成分因子1在Cr，Zn，Cu，Ni上表现出较高正载荷，其贡献率达到51.380%，表明来源类似，主要来自工业和交通的混合源[25]．Cd，Pb质量浓度上有正载荷，但质量浓度较低，来源类似且可能为工业污染废水的直接排放．主成分因子2的贡献率为28.946%，在As，Pb质量浓度的正载荷较高，反映As，Pb相关性显著，来源途径相似．主成分因子3在Cd上具有较高的正载荷，贡献率达到10.157%．在自然环境中，游离态的自然铬较为稀少，主要存在于铬铅矿中．

表8 土壤重金属主成分分析结果

3 讨论

3.1 不同工业区周围土壤重金属质量浓度对比

工农业等方面会导致土壤残留重金属．在工业方面，包括采矿和燃煤等活动；在生活方面，包括运输和生活垃圾等；在农业方面，包括肥料和农药等的使用．因此，不同地区土壤中重金属残留水平会有所不同．不同工业区周围土壤重金属质量浓度见表9．由表9可见，广州市某工业区、长江经济带工业区和河南省典型工业区土壤中各重金属元素质量浓度均比东海岛重化工厂周围土壤重金属元素质量浓度高．据此分析发现，广州市某工业区内分布着一些高风险企业，包括国有发电厂、石化储油库、金属加工厂、混凝土厂和粉煤灰厂等[26]；长江经济带是中国经济高速增长的一个重要区域，改革开放以来，其工业迅速发展严重影响当地生态环境，土壤重金属污染程度明显[27]；凤泉区大块镇位于河南省典型的工业区，这里电池企业众多，同时也有少量规模庞大的铜管和铜线生产厂，导致土壤重金属污染较严重[28]．

表9 不同工业区周围土壤重金属质量浓度 mg·kg-1

可以看出，东海岛重化工厂周围土壤重金属质量浓度相比不同工业区周围土壤重金属质量浓度较低，但仍需加强对本地土壤重金属污染的监测、预防和治理，以提高土壤质量．

3.2 与上风向大村周围土壤重金属质量浓度对比

为了分析工厂对周围土壤的影响，选择位于上风方向的村庄——大村土壤重金属质量浓度进行分析．东海岛重化工厂宝钢、中科炼化及大村周围土壤重金属的平均质量浓度见图2．由图2可见，大村土壤中除As，Pb外，其他重金属平均质量浓度均高于工厂周围土壤，可能是因为大村农业生产和生活历史比工厂悠久，受农业和生活污染大．宝钢周围土壤的重金属As，Pb平均质量浓度高于中科炼化和大村，其分别是大村重金属平均质量浓度的1.46，1.06倍．中科炼化周围土壤重金属质量浓度都较低，仅Hg的平均质量浓度超过宝钢，为宝钢平均质量浓度的1.5倍，这可能得益于中科炼化致力于采用先进的生产和治理技术，对生产过程进行严格环保管理和风险管控，数据显示，2021年中科炼化排放总量比全年许可排放总量的一半还低．与大村相比，工厂周围土壤的重金属污染较小，其中宝钢需要特别关注As，Pb 2种重金属的质量浓度．

图2 东海岛重化工厂与大村周围土壤重金属平均质量浓度

注：BG为宝钢；ZK为中科炼化；DC为大村．

4 结论

（1）湛江市东海岛重化工厂表层土壤中，除Cr外，其他7种重金属质量浓度均未达到国家规定的风险筛选值．Cr的超标率为100%，表明东海岛重化工厂周围土壤重金属污染小，主要受到Cr污染．

（2）地累积指数评价结果表明，研究区内8种重金属geo均值情况为：Zn（-0.06）> Cu（-0.47）> Ni（-0.84）> As = Cr（-1.02）> Hg（-1.15）> Cd（-1.27）> Pb（-1.52），东海岛采样区土壤中的8种重金属的地累积指数平均值均小于0，污染程度为无污染．

（3）根据潜在生态风险评估，8种重金属对环境的潜在危害程度情况为：Hg（34.67）> Cd（27.13）> As（11.40）> Ni（7.94）> Cu（7.93）> Pb（3.09）> Cr（2.01）> Zn（1.93），8种重金属均属于轻微风险水平，但仍需重视东海岛Hg，Cd的潜在生态危害问题．

（4）基于东海岛重化工厂周围表层土壤重金属质量浓度的相关性系数得出，在＜0.01水平上，土壤样品中重金属Cd-Zn，As-Pb，Cu-Ni，Cu-Zn，Cu-Cr，Ni-Zn，Ni-Cr，Zn-Cr间呈极显著正相关，说明它们之间可能具有相同或相近来源，存在一定的富集规律；Cu-Hg，Ni-Hg间呈弱负相关，说明Hg的来源与Cu，Ni不同．

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Ecological risk assessment of heavy metals in soils around a heavy chemical plant on Donghai Island

CHEN Zixin，CHEN Bishan，YANG Funing，LI Yejun，JI Wanwei，CHEN Jiaqi

（School of Geographical Sciences，Lingnan Normal University，Zhanjiang 524048，China）

In order to understand the impacts of heavy chemical factories on the surrounding soil environment on Donghai Island，collected 26 soil samples around the factories and analyzed the content characteristics of 8 heavy metal elements in the samples using the geoaccumulation index method and the potential ecological risk index method．The results showed that except for Cr，the maximum mass concentrations of As，Cd，Cu，Hg，Ni，Pb and Zn were 15.6，0.116，53.8，0.055，76.1，31.6，103 mg·kg-1，respectively，which did not reach the national risk screening value，indicating that the soil around the Donghai Island heavy chemical plant was mainly contaminated by Cr．All others did not meet the national risk screening value，indicating that they were mainly contaminated by Cr．The average cumulative index of 8 heavy metals is less than 0，which is non-polluting．The analysis of the combined potential risk index concluded that the study area is of slight to moderate ecological risk．Although the impact of industrial development on Donghai Island on heavy metals in the surrounding soil is relatively small，long-term monitoring is needed．

Donghai Island；heavy chemical plant；heavy metal pollution；ecological risk assessment

X53

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.01.014

1007-9831（2024）01-0078-08

2023-08-26

岭南师范学院大学生创新创业训练计划项目（X202210579022）

陈梓欣（2002-），女，广东深圳人，在读本科生．E-mail：979968785@qq.com

陈碧珊（1982-），女，广东汕头人，副教授，博士，从事土壤地理学、环境演变与对策研究．E-mail：chenbishan2008@126.com