陳軼楠，馬建華，張永清

1. 河南大學(xué)環(huán)境與資源研究所，河南 開封 475004；2. 山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000

晉南某鋼鐵廠及周邊土壤重金屬污染與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

陳軼楠1，馬建華1，張永清2*

1. 河南大學(xué)環(huán)境與資源研究所，河南 開封 475004；2. 山西師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000

以晉南某鋼鐵廠土壤及周邊農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）為對(duì)象，共設(shè)置49個(gè)采樣點(diǎn)，用原子吸收法測(cè)定土壤Cd、Cr、Mn、Ni、Pb和Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用地積累指數(shù)法開展土壤重金屬污染評(píng)價(jià)，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并采用因子分析法對(duì)鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬進(jìn)行判源分析。結(jié)果表明：土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同程度高于山西省土壤背景值，土壤Pb積累最為明顯，存在偏中至中等污染。6種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（E）大小順序?yàn)椋篊d（53.16）>Pb（21.17）>Ni（3.14）>Cr（3.38）>Mn（1.04）>Zn（1.1）。6種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）平均為87.54，總體上屬中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cd對(duì)RI的平均貢獻(xiàn)率為60.05%，是主要的致險(xiǎn)因子。煉鐵廠區(qū)土壤污染比較嚴(yán)重，存在較強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；廠區(qū)周圍農(nóng)田土壤重金屬污染較輕，為輕微風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤中的Mn和Ni屬于自然源重金屬，Cr和Cd屬于混合源重金屬，Zn和Pb屬于工業(yè)源重金屬。本研究可為本區(qū)土壤重金屬環(huán)境污染與治理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供更多案例研究。

鋼鐵廠；土壤重金屬；地積累指數(shù)；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

重金屬在土壤中的積累不僅直接影響土壤理化性狀、降低土壤生物活性、阻礙養(yǎng)分有效供應(yīng)（王學(xué)鋒等，2003），而且可通過食物鏈富集，威脅人體健康（蔡立梅等，2008），因此土壤重金屬污染是當(dāng)今環(huán)境科學(xué)關(guān)注的重要內(nèi)容之一。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同工業(yè)區(qū)周邊土壤的重金屬含量、分布、來源、污染狀況等曾開展過大量研究（Wang et al.，2006；Lee et al.，2006；孫宏飛等，2009；鄧超冰等，2009；Yang et al.，2010；趙秀峰等，2010；Peter et al.，2010；Mapani et al.，2010；郭偉等，2011； Wang et al.，2012；黃興星等，2012；陸泗進(jìn)等，2014；張廣勝等，2015），但對(duì)工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的土壤重金屬污染差異研究較少。H?kanson（1980）首次提出了水體沉積物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)其所研究的 8種污染物制定了單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（E）和綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。雖然很多學(xué)者將其引入到不同類型的工業(yè)區(qū)周邊土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究中（王博等，2013；Hashemi et al.，2013；Ogunkunle et al.，2013； Olafisoye et al.，2013；Dabkowska-naskret等，2014），但多數(shù)研究并沒有根據(jù)其所研究的污染物種類和數(shù)量，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的調(diào)整，影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性（馬建華等，2011）。少數(shù)研究雖對(duì)該分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一定調(diào)整，但沒有給出具體的調(diào)整方法，且分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)各不一致（徐清等，2008；Zhu et al.，2012；陳秀瑞等，2012），因此迫切需要規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)方法。

本文以山西省南部某鋼鐵企業(yè)內(nèi)部及周邊土壤為例，對(duì) H?kanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，建立適合本研究的E和RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，開展土壤重金屬（Cd、Cr、Mn、Ni、Pb和Zn）潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；同時(shí)用地積累指數(shù)法開展重金屬污染評(píng)價(jià)，用因子分析法開展重金屬判源分析。旨在為該區(qū)土壤污染與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的鋼鐵廠位于晉西南地區(qū)，四周環(huán)山，中間為川地。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫12.6 ℃，年均降雨量525 mm，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋N和WS。地帶性土壤類型為褐土。礦產(chǎn)資源豐富，是山西省重要的能源和工業(yè)基地之一，煤、焦、鐵 3大行業(yè)是其經(jīng)濟(jì)支柱，產(chǎn)值占其工業(yè)總產(chǎn)值的70%。該鋼鐵廠始建于1958年，是一個(gè)集采礦、燒結(jié)、煉焦、煉鐵、煉鋼、軋材等工藝配套的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，廠區(qū)周邊分布有大面積的農(nóng)田。

1.2 樣品采集

在鋼鐵廠不同廠區(qū)及其周邊農(nóng)田隨機(jī)布點(diǎn)采樣，其中在煉鋼廠（Lg）、煉鐵廠（Lt）、球團(tuán)廠（Qt）、燒結(jié)廠（Sj）、焦化廠（Jh）、生活區(qū)（Sh）、距離廠區(qū)400 m以內(nèi)的近廠區(qū)（Jc）、距離廠區(qū)400～1000 m的遠(yuǎn)廠區(qū)（Yc）分別布設(shè)5、7、4、5、10、6、8、4個(gè)樣點(diǎn)，共49個(gè)樣點(diǎn)（圖1）。每個(gè)采集點(diǎn)上，首先按照“梅花形”布點(diǎn)法采集5個(gè)表土（0～20 cm）子樣；然后將子樣充分混合，挑出植物殘?bào)w和礫石后裝入塑料自封袋中，備用。

圖1 鋼鐵廠及周邊農(nóng)田土壤樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Location of the sample sites in the steel factory and farmland

1.3 樣品處理與重金屬測(cè)定方法

將樣品風(fēng)干、碾磨，全部過100目尼龍篩。樣品處理采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解體系（GB/T 17141─1997）。土壤Cd和Pb用石墨爐原子吸收法（G-AAS）測(cè)定，Cr、Mn、Ni和Zn用火焰原子吸收法（F-AAS）測(cè)定。儀器是AAS nov AA 400原子吸收分光光度計(jì)（德國耶拿）。測(cè)定過程中，所有樣品均由空白樣、二次平行樣和加標(biāo)回收率進(jìn)行質(zhì)量控制。二次平行試驗(yàn)的相對(duì)偏差均在5%以內(nèi)，樣品加標(biāo)回收率在95.8%～102.38%之間。

1.4 土壤重金屬污染與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1.4.1 地積累指數(shù)法

土壤重金屬污染評(píng)價(jià)使用地積累指數(shù)法（index of geoaccumulation，Igeo），其計(jì)算公式為（Müller，1969）：

式中，Cn為土壤重金屬n的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Bn是土壤重金屬n的地球化學(xué)背景值，1.5為消除各地土壤元素背景值變動(dòng)的系數(shù)。依據(jù)Igeo進(jìn)行污染評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：Igeo<0為無污染，05為極重污染。

1.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（ecological risk index，RI）法（H?kanson，1980），其計(jì)算公式為：

式中，RIj為j樣點(diǎn)多種重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，ijE為j樣點(diǎn)重金屬i的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，iT為重金屬 i的毒性響應(yīng)系數(shù)（TCd=30>TPb=TNi=5>TCr=2>TZn=TMn=1)（徐爭(zhēng)啟等，2008），ijC 為重金屬i的污染指數(shù)，ijc為j樣點(diǎn)土壤重金屬i的實(shí)測(cè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，irc為重金屬i的參比質(zhì)量分?jǐn)?shù)。H?kanson（1980）研究了湖積物中8種污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，分別提出了E和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但從式（2）可見，RI的大小與參評(píng)污染物的種類和數(shù)量有關(guān)，因此應(yīng)用 RI進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)參評(píng)污染物的種類和數(shù)量對(duì)其進(jìn)行調(diào)整（馬建華等，2011）。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

鋼鐵廠及周邊農(nóng)田土壤重金屬Cd、Cr、Mn、Ni、Pb和Zn的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.23、148.97、767.55、22.52、75.22和 92.82 mg·kg-1（圖 2）。6種土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)在 17.69%～ 55.26%之間，均屬中等變異。各個(gè)重金屬都出現(xiàn)了較多的異常值，表明土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)受鋼鐵廠人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，區(qū)域差異比較明顯。

圖2 土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)箱線圖Fig. 2 Box plots of heavy metal concentrations of soils

不同采樣區(qū)域土壤重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。各采樣區(qū)Pb平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到背景值的5.11倍，除 Ni外，其他重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)也都不同程度的超過了山西省表土背景值（中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）。鋼鐵廠內(nèi)土壤重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其周圍農(nóng)田。廠區(qū)內(nèi)土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有很大變化，其中冶煉廠區(qū)（包括煉鋼廠和煉鐵廠）的土壤重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，職工生活區(qū)土壤Cr、Mn和Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也比較高。遠(yuǎn)離廠區(qū)的農(nóng)田土壤Cr、Mn和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于近廠區(qū)土壤。職工生活區(qū)土壤中部分重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的原因，一方面是由于其位于廠區(qū)之內(nèi)（見圖 1），含重金屬的粉塵沉降較多；另一方面生活垃圾和家庭轎車廢棄排放量高于其他廠區(qū)土壤。遠(yuǎn)離廠區(qū)的農(nóng)田土壤某些重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于近廠區(qū)土壤的原因可能是由于其接近廠區(qū)高架點(diǎn)狀污染源的最大落地濃度和距離的緣故（陳雁平等，2009）。

表1 不同采樣區(qū)域土壤重金屬平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Average concentration of soil heavy metals in different sampling areas

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以山西省表土重金屬背景值（中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）作為基準(zhǔn)值（Bn），應(yīng)用式（1）計(jì)算得到鋼廠及其周邊農(nóng)田土壤6種重金屬的Igeo值（表2）。各個(gè)重金屬Igeo均值的大小順序?yàn)椋篜b（1.65）>Cr（0.53）>Cd（0.20）>Zn（-0.37）>Mn（-0.24）>Ni（-1.15）。絕大部分樣點(diǎn)的Ni、Mn和Zn沒有發(fā)生污染，未污染樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的 100%、75.25%和80.2%；土壤Cr污染較輕，未污染、輕污染、偏中污染和中污染的樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的18.81%、58.42%、20.79%和1.98%。土壤Pb污染較重，偏中污染和中污染樣點(diǎn)比例分別為89.11%和10.89%，Pb是土壤最主要的污染因子。

表2 不同采樣區(qū)域土壤重金屬的Igeo值Table 2 Pollution assessments of soil heavy metals by Igeoin different sampling areas

不同采樣區(qū)域土壤重金屬的Igeo值存在一定差別?？傮w來看，煉鐵廠和煉鋼廠土壤污染比較嚴(yán)重，主要污染因子是Pb和Cr，其次是Mn和Cd；廠區(qū)周圍農(nóng)田土壤重金屬污染比較輕，主要污染因子是Pb，其次是Cr和Cd；其他廠區(qū)土壤重金屬污染介于上述兩類區(qū)域之間，并且具有生活區(qū)>焦化廠>燒結(jié)廠>球團(tuán)廠的趨勢(shì)。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 關(guān)于E和RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

H?kanson（1980）研究了湖積物中PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn等8種污染物的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其毒性系數(shù)（T）分別為40、40、30、10、5、5、2和 1。根據(jù)污染物中最大毒性系數(shù)（TPCB=THg=40）和8種污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)之和（133）提出了E和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。由式（2）可見，RI的大小與參評(píng)污染物的種類和數(shù)量呈正相關(guān)，污染物的數(shù)目越多、毒性越強(qiáng)，RI值就越大。因此，根據(jù)本研究參評(píng)污染物的種類和數(shù)量，按照有關(guān)學(xué)者（Fernández et al.，2001；馬建華等，2011；谷蕾等，2012；李一蒙等，2015）提出的調(diào)整方法，對(duì)E和RI的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整（表3）。

表3 本研究的E和RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與H?kanson分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比較Table 3 Comparisons of E and RI standards for different ecological risks with heavy metals between H?kanson’s and this paper

2.3.2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

以山西省表土重金屬背景值（中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，1990）為參比值（irc），應(yīng)用式（2）計(jì)算得到該鋼鐵廠及其周邊農(nóng)田土壤各個(gè)重金屬的E和6種重金屬的RI（表4）。由表4可見，各個(gè)重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值大小順序?yàn)椋篍Cd（53.16）>EPb（21.17）>ENi（3.14）>ECr（3.38）>EMn（1.04）>EZn（1.1），Cd是最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。從總體上看，土壤Cd呈輕微風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)和較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的2.97%、73.27%和23.76%。Pb呈輕微風(fēng)險(xiǎn)和中等風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占樣點(diǎn)總數(shù)的89.11%和10.89%，也是不容忽視的風(fēng)險(xiǎn)因子。其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較輕微，輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣點(diǎn)數(shù)均占樣點(diǎn)總數(shù)的100%。

表4 鋼鐵廠及周邊農(nóng)田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 4 Potential Ecological Risk Assessment of soil heavy metals in and around the steel plant

研究區(qū)土壤的平均RI是87.54，總體處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，中等風(fēng)險(xiǎn)和較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)的樣點(diǎn)數(shù)分別占總樣點(diǎn)數(shù)的82.18%和17.82%。土壤Cd和Pb對(duì)生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn)的平均貢獻(xiàn)率分別為60.05%和27.62%，其他重金屬對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)很小，Cd是主要的致險(xiǎn)因子。

不同采樣區(qū)土壤重金屬平均RI有一定差別（圖3），表現(xiàn)為煉鋼廠（114.01）>煉鐵廠（100.81）>燒結(jié)廠（99.45）>生活區(qū)（96.85）>焦化廠（96.05）>球團(tuán)廠（88.99）>遠(yuǎn)廠區(qū)（86.97）>近廠區(qū)（85.81）。煉鋼廠土壤重金屬達(dá)到較強(qiáng)污染水平，其他各采樣區(qū)均為中等風(fēng)險(xiǎn)。廠區(qū)周圍的農(nóng)田土壤因受到鋼廠“三廢”的影響，再加上農(nóng)藥和化肥的使用，也出現(xiàn)了中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但其平均 RI值要小于廠區(qū)內(nèi)絕大部分土壤。本研究焦化廠并非重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最嚴(yán)重的區(qū)域，可能是由于其污染物多以有機(jī)類為主。

圖3 不同采樣區(qū)域土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Fig.3 Ecological risk assessment of soil heavy metals in different areas

2.4 鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬來源分析

鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤重金屬是多源的，除與鋼鐵廠廢棄物排放有關(guān)外，還與農(nóng)業(yè)活動(dòng)和地質(zhì)背景等因素有關(guān)。土壤重金屬判源分析的方法有相關(guān)分析、聚類分析、多元回歸分析等（葉琛等，2011），下邊僅應(yīng)用因子分析對(duì)其重金屬來源進(jìn)行探討。

對(duì)鋼鐵廠內(nèi)部與周邊農(nóng)田土壤分別進(jìn)行 KMO和 Bartlett球形檢驗(yàn)，結(jié)果表明，廠區(qū)內(nèi)部土壤的KMO值小于0.5，不適合做因子分析，而廠區(qū)周邊農(nóng)田土壤的 Bartlett球形檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為 81.615，KMO值為 0.506，可以進(jìn)行因子分析（杜強(qiáng)等，2011）。

因子分析表明（省略因子分析表），鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤6種重金屬的來源可以分為3類。第一類重金屬包括Mn和Ni，它們?cè)谝蜃?中具有較高的正荷載，分別為 0.951和 0.692。大量研究表明（Kartal et al.，2006；Zhang et al.，2009；張?jiān)频龋?010），土壤中的Mn和Ni主要繼承成土母質(zhì)特性，為自然源重金屬。第二類重金屬包括Cr和Cd，它們?cè)谝蜃?中具有較高的正荷載，分別為0.892和0.913。該類土壤重金屬一方面來自鋼鐵廠“三廢”，另一方面還與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)，屬于混合源重金屬。本地區(qū)位于干旱缺水的晉南地區(qū)，污水灌溉現(xiàn)象比較普遍，污灌可導(dǎo)致土壤中多種重金屬含量的增加（王煥校，2000；Sánchez-martin et al.，2000；鄭喜坤等，2002）；長(zhǎng)期大量施用化肥和含重金屬的無機(jī)農(nóng)藥可導(dǎo)致重金屬在土壤中的積累（陳懷滿，1996）。第三類重金屬包括Zn和Pb，它們?cè)谝蜃?中有較高的正載荷，分別是0.870和0.847。該類土壤重金屬可能主要與工業(yè)“三廢”（主要通過大氣干濕沉降）排放有關(guān)，屬于工業(yè)源重金屬。這與已有的研究結(jié)論基本一致（Zechmeister et al.，2004；程文亮等，2010；耿婷婷等，2011）。

3 結(jié)論

（1）鋼鐵廠內(nèi)部與周邊農(nóng)田土壤發(fā)生了 Cd、Cr、Mn、Pb和Zn不同程度的積累，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于山西省土壤背景值。各個(gè)土壤重金屬的平均Igeo的大小順序?yàn)镻b（1.65）>Cr（0.53）>Cd（0.20）>Zn（-0.37）>Mn（-0.24）>Ni（-1.15）。土壤Pb的積累最為明顯，發(fā)生偏中和中等污染，是最主要的污染因子，其次是Cr，其他重金屬污染很輕微甚至沒有發(fā)生污染。

（2）土壤6種重金屬E的平均值大小順序依次為Cd（52.79）>Pb（23.8）>Ni（3.52）>Cr（4.82）>Mn（1.39）>Zn（1.23），土壤Cd出現(xiàn)中等以上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，是最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子。土壤6種重金屬的平均RI為87.54，總體上屬中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)樣點(diǎn)數(shù)占樣點(diǎn)總數(shù)的82.18%，較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)僅占17.82%。Cd對(duì)生態(tài)總風(fēng)險(xiǎn)的平均貢獻(xiàn)率為60.05%，是主要的致險(xiǎn)因子。

（3）冶煉廠區(qū)土壤污染比較嚴(yán)重，主要污染因子是Pb和Cr，其次是Mn和Cd；廠區(qū)周圍農(nóng)田土壤重金屬污染較輕，主要污染因子是 Pb，其次是Cr和Cd；其他廠區(qū)土壤重金屬污染介于上述兩類區(qū)域之間。除煉鐵廠土壤重金屬出現(xiàn)較強(qiáng)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)外，其他各采樣區(qū)均處于中等風(fēng)險(xiǎn)水平，但廠區(qū)周圍農(nóng)田土壤的平均RI低于廠區(qū)土壤。

（4）鋼鐵廠周邊農(nóng)田土壤中的Mn和Ni屬于自然源重金屬，主要繼承成土母質(zhì)特性；Cr和Cd屬于混合源重金屬，不僅與鋼廠“三廢”外放有關(guān)，還與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)；Zn和Pb屬于工業(yè)源重金屬，主要來自鋼廠的“三廢”排放。

DABKOWSKA-NASKRET H, JAWORSKA H, DLUGOSZ J, et al. 2014. Assessment of the total nickel content and its available forms in the soils around cement plant Lafarge Poland [J]. International Journal of Environmental Research, 8(1): 231-236.

H?KANSON L. 1980. An ecological risk index for aquatic pollution control: a sedimentological approach [J]. Water Research, 14(8): 975-1001.

HASHEMI S A. 2013. Investigation of heavy metal pollution of trees in a contaminated industrial area in the north of Iran [J]. Toxicology and Industrial Health, 29(10): 931-934.

KARTAL S, AYDN Z, OGLUS T. 2006. Multivariate analysis of the data and speciation of heavy metals in street dust samples from the organized industrial district in Kayseri (Turkey) [J]. Atmosphere Environmental, 40(6): 2797-2805.

LEE C S, Li X D, WEN Z S, et al. 2006. Metal contamination in urban, suburban, and country park soils of Hong Kong: A study based on GIS and multivariate statistics [J]. Science of the Total Environment, 356(1-3): 45-61.

MAPANI B, ELLMIES R, KAMONA F, et al. 2010. Potential human health risks associated with historic ore processing at Berg Aukas, Grootfontein area, Namibia [J]. Journal of African Earth Sciences, 58(4): 634-647.

MüLLER G. 1969. Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine River [J]. Geojournal, 2(3): 108-118.

OGUNKUNLE C O, FATOBA P O. 2013. Pollution loads and the ecological risk assessment of soil heavy metals around a Mega Cement Factory in Southwest Nigeria [J]. Polish Journal of Environmental Studies, 22(2): 487-493.

OLAFISOYE O B, ADEFIOYE T, OSIBOTE O A. 2013. Heavy metals contamination of water, soil, and plants around an electronic waste dumpsite [J]. Polish Journal of Environmental Studies, 22(5): 1431-1439.

PETER E, ADENIYI G. 2011. Spatial relationships of urban land use, soils and heavy metal concentrations in Lagos Mainland Area [J]. Journal of Applied Sciences and Environmental Management, 15(2): 391-399.

SáNCHEZ-MARTIN M J, SáNCHEZ-CAMAZANO M, LORENZO L F. 2000. Cadmium and lead contents in suburban and urban soils from two medium-sized cities of Spain: influence of traffic intensity [J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 64(2): 250-257.

WANG M E, MARKERT B, CHEN W P, et al. 2012. Identification of heavy metal pollutants using multivariate analysis and effects of land uses on their accumulation in urban soils in Beijing, China [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 184(10): 5889-5897.

WANG X, S, QIN Y. 2006. Spatial distribution of metals in urban topsoils of Xuzhou (China): controlling factors and environmental implications [J]. Environmental Geology, 49(6): 905-914.

YANG Z P, LU W X, LONG Y W. et al. 2010, Assessment of heavy metals contamination in urban topsoil from Changchun City, China [J]. Journal of Geochemical Exploration, 108(1): 27-38.

ZECHMEISTER H G, RISS A, HANUS-ILLNAR A. 2004. Biomonitoring of atmospheric heavy metal deposition by mosses in the vicinity of industrial sites [J]. Journal of Atmospheric Chemistry, 49(1-3): 461-477.

ZHANG M K, WANG H. 2009. Concentrations and chemical forms of potentially toxic metals in road-deposited sediments from different zones of Hangzhou, China [J]. Journal of Environmental Sciences, 21(5): 625-631.

ZHU H N, YUAN X Z, ZENG G M, et al. 2012. Ecological risk assessment of heavy metals in sediments of Xiawan Port based on modified potential ecological risk index [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 22(6): 1470-1477.

蔡立梅, 馬瑾, 周水章, 等. 2008. 東莞市農(nóng)業(yè)土壤重金屬的空間分布特征及來源解析[J]. 環(huán)境科學(xué), 29(12): 3496-3502.

陳懷滿. 1996. 土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染[M]. 北京: 科學(xué)出版社.

陳秀瑞, 盧新衛(wèi), 楊光, 等. 2012. 西安市區(qū)表層土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].城市環(huán)境與城市生態(tài), 25(2): 41-46.

陳雁平, 袁林江. 2009. 高架連續(xù)點(diǎn)源落地濃度預(yù)測(cè)中風(fēng)速的確定[J]. 3(4) : 764-768

程文亮, 王永剛, 王莉. 2010. 臨鋼降塵重金屬含量及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 24(4): 1009-4490.

鄧超冰, 李麗和, 王雙飛, 等. 2009. 典型鉛鋅礦區(qū)水田土壤重金屬污染特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 28(11): 2297-2301.

杜強(qiáng), 賈麗艷. 2011. SPSS統(tǒng)計(jì)分析從入門到精通[M]. 北京: 人民郵電出版社.

耿婷婷, 張敏, 蔡五田. 2011. 北方某鋼鐵廠部分廠區(qū)土壤重金屬污染的初步調(diào)查[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 34(S1): 343-346.

谷蕾, 宋博, 仝致琦, 等. 2012. 連霍高速不同運(yùn)營路段路旁土壤重金屬分布及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 31(5): 632-638

郭偉, 趙仁鑫, 張君. 2011. 內(nèi)蒙古包頭鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及其評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 32(10): 3009-3105.

黃興星, 朱先芳, 唐磊, 等. 2012. 北京市密云水庫上游金鐵礦區(qū)土壤重金屬污染特征及對(duì)比研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 32(6): 1520-1528.

陸泗進(jìn), 王業(yè)耀, 何立環(huán), 2014. 會(huì)澤某鉛鋅礦周邊農(nóng)田土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 23(11): 1832-1838

馬建華, 王曉云, 侯千, 等. 2011. 城市幼兒園地表灰塵重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J] .地理研究, 30(3): 486-495.

邵學(xué)新, 黃標(biāo), 孫維俠, 等. 2006. 長(zhǎng)江三角洲典型地區(qū)工業(yè)企業(yè)的分布對(duì)土壤重金屬污染的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 43(3): 397-401.

孫宏飛, 李永華, 姬艷芳, 等. 2009. 湘西汞礦區(qū)土壤中重金屬的空間分布特征及其生態(tài)環(huán)境意義[J]. 環(huán)境科學(xué), 30(4): 1159-1165.

王博, 夏敦勝, 賈佳, 等. 2013. 中國西北地區(qū)典型鋼鐵工業(yè)城市表土重金屬污染的環(huán)境磁學(xué)響應(yīng)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 43(3): 962-973.

王煥校. 2000. 污染生態(tài)學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社.

王培俊, 劉俐, 李發(fā)生, 等. 2010. 煉焦過程產(chǎn)生的污染物分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 38(12): 114-118

王學(xué)鋒, 朱桂芬. 2003. 重金屬污染研究新進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 26(11): 54-56.

徐清, 張立新, 劉素紅, 等. 2008. 表層土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——包頭市不同功能區(qū)案例研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 17(6): 6-12.

徐爭(zhēng)啟, 倪師軍, 庹先國, 等. 2008. 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 31(2): 112-115.

葉琛, 李思悅, 張全發(fā). 2011. 三峽庫區(qū)消落區(qū)表層土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及源解析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 19(1): 146-149.

張廣勝, 徐文彬, 李俊翔, 等. 2015. 一個(gè)未開采的鉛鋅礦周邊土壤重金屬含量及生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 24(3): 522-528

張輝, 馬東升. 1997. 南京某合金廠土壤鉻污染研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 17(1): 80-82.

張?jiān)? 張宇峰, 胡忻. 2010. 南京不同功能區(qū)街道路面積塵重金屬污染評(píng)價(jià)與源分析[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 23(11): 1376-1381

趙秀峰, 王強(qiáng)盛, 石寧寧, 等. 2010. 石化園區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬污染分析與評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 30(1): 133-141．

鄭喜坤, 魯安懷, 高翔, 等. 2002. 土壤中重金屬污染現(xiàn)狀與防治方法[J].土壤與環(huán)境, 11(1): 79-84.

中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站. 1990. 中國土壤元素背景值[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社.

Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metals in and around A Steel Plant in the South of Shanxi, China

CHEN Yinan1, MA Jianhua1, ZHANG Yongqing2*
1. Institute of natural resources and environment, Henan University, Kaifeng 475004, China; 2. College of Urban and Environmental Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, China

Forty-nine topsoil samples were collected from a steel plant and around it in the south of Shanxi province, the concentrations of Pb, Zn, Cr, Cu and Ni in samples was determined by the atomic absorption spectrophotometry (AAS). Soil pollution levels and potential ecological risks with heavy metals were assessed using geo-accumulation index (Igeo) method and the potential ecological risk index method (RI) respectively. Factor analysis method was used to analyze the sources of soil heavy metals. The results show that, firstly, the soil heavy metal concentrations are higher than that of soil background values of Shanxi province, the contents of Pb in soil were significantly higher, and are in level of partial moderate to moderate pollution. Secondly, the consequence of the average Eirfor heavy metals is Cd (53.16) >Pb (21.17)> Ni (3.14) > Cr (3.38) > Mn (1.04) > Zn (1.1). The value of average RI for metals is 87.54, which is of moderate ecological risk in general. The main factor for potential ecological risk is cadmium with the contribution rate of the total risk is 60.05%. Thirdly, the soil in the steel plant had polluted with metals seriously and appears strongly potential ecological risks, while the farmland soils around the plant polluted slightly and appears moderately ecological risk. The forth, Ni and Mn in farmland soils are natural-source metals mainly from soil parent material, Cd and Cr are mixed-source metals from parent material and agricultural activities, Pb and Zn are human-source metals mainly from the steel plant. The above results not only can be as the scientific basis for soil heavy metal pollution and its control in the area, but also can be as a case for the study of potential ecological risk assessment of heavy metals in soil.

steel plant; soil heavy metal; geo-accumulation index; potential ecological risk

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.09.018

X53

A

1674-5906（2015）09-1540-07

陳軼楠，馬建華，張永清. 晉南某鋼鐵廠及周邊土壤重金屬污染與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(9): 1540-1546.

CHEN Yinan, MA Jianhua, ZHANG Yongqing. Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Soil Heavy Metals in and around A Steel Plant in the South of Shanxi, China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(9): 1540-1546.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41430637；41171409）。

陳軼楠（1988年生），女，博士研究生，主要從事土壤污染與防治研究。E-mail: greta.nan666@163.com *通信作者。E-mail: yqzhang208@163.com

2015-06-28