西北某典型工业园区土壤重金...污染源解析及其健康风险评估_张博晗.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:宁夏重点研发计划项目(2019BFG02020);国家自然科学基金资助项目(42077392)第一作者:张博晗(1996),男,硕士研究生,研究方向为土壤重金属污染与健康风险评价,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:#共同通信作者(Co-corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20211105001张博晗,毕思琪,王宇,等.西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估J.生态毒理学报,2022,17(6):376-388Zhang B H,Bi S Q,Wang Y,et al.Source identification and health risk assessment of soil heavy metals in a typical industrial park in northwest ChinaJ.Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(6):376-388(in Chinese)西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估张博晗1,毕思琪1,王宇2,普聿3,周旭1,高越1,于青春2,姜文娟3,#,曹红斌1,*1.北京师范大学地理科学学部,北京 1008752.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 1000833.石嘴山市生态环境监测站,石嘴山 753000收稿日期:2021-11-05 录用日期:2022-01-14摘要:为了解西北某典型工业园区土壤重金属污染现状、分布特点及环境风险,在研究区采集 52 个表层土壤样品,测定 8 种重金属元素浓度。以土壤重金属背景值为评价标准,采用内梅罗综合污染指数法、地累积指数法进行污染评价;通过相关性分析、聚类分析和空间分布探讨了重金属的同源性;采用 PCA 方法进行定量源解析,结合源排放成分谱经验数据及园区重点排污企业资料确定主要排放源类别,并细化到主要污染行业和企业;采用潜在生态风险指数和“四步法”对土壤重金属的生态风险和健康风险进行评价。结果表明,园区土壤重金属平均质量分数低于我国建设用地土壤污染风险筛选值(GB 366002018),但相比土壤背景值存在普遍富集,Cd、Hg 元素是背景值的 3.73 倍、14.14 倍;Cd、Hg 元素具有同源性,污染区域集中在化工企业;Cd、Hg 是主要富集元素和生态风险元素;造成研究区周边土壤重金属污染的来源主要包括化工生产(38.0%)、自然来源(22.1%)及燃煤和矿石冶炼(15.3%)等;土壤重金属暴露尚未造成非致癌疾病风险,致癌风险超过可接受水平(110-6),手口摄入暴露途径的健康风险最大,As 元素的致癌风险较高。关键词:重金属;工业园区;健康风险;空间分布;源解析文章编号:1673-5897(2022)6-376-13 中图分类号:X171.5 文献标识码:ASource Identification and Health Risk Assessment of Soil Heavy Metals ina Typical Industrial Park in Northwest ChinaZhang Bohan1,Bi Siqi1,Wang Yu2,Pu Yu3,Zhou Xu1,Gao Yue1,Yu Qingchun2,Jiang Wenjuan3,#,Cao Hongbin1,*1.Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China2.School of Water Resources&Environment,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China3.Shizuishan Ecological and Environmental Monitoring Station,Shizuishan 753000,ChinaReceived 5 November 2021 accepted 14 January 2022Abstract:In order to understand the current situation,distribution characteristics and environmental risks of heavymetals in soil in a typical industrial park in northwest China,52 surface soil samples were collected and the con-第 6 期张博晗等:西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估377 tents of 8 heavy metal elements were determined.The contamination evaluation was conducted using comprehen-sive pollution index method and geo-accumulation index method,based on soil background value of heavy metals.The possible sources of heavy metals was preliminary explored by correlation analysis,cluster analysis and spatialanalysis;quantitative source analysis was further performed by principal component analysis(PCA)method,com-bined with the empirical data of source emission component spectrum and data of key polluters in the park.Themain emission source categories were determined,and the main pollution industries and enterprises were refined.Finally,ecological risk and health risk were evaluated by potential ecological risk index and“four-steps”method,respectively.The results showed that the average contents of heavy metals were all below the risk screening levelsof soil contamination for building land(GB 366002018),but most heavy metals in soil were enriched,and Cdand Hg were 3.73 and 14.14 times the background values.Cd and Hg elements were homologous,and the contami-nation was concentrated in chemical enterprises.Cd and Hg were the main enrichment elements and ecological riskelements.The sources of heavy metals in the soil around the study area mainly included chemical production(38.0%),natural sources(22.1%),coal combustion and ore smelting(15.3%).Exposure to heavy metals had nonon carcinogenic risk,however,carcinogenic risk was higher than the acceptable level.The health risk of hand-to-mouth intake exposure was the greatest,and the carcinogenic risk of As element was higher.Keywords:heavy metals;industrial park;health risk;spatial distribution;source identification 近年来,西北地区的土壤环境污染受到了社会各界的普遍关注,特别是以重金属污染为代表的土壤环境风险评估及其修复亟待解决。重金属超标对人体健康影响巨大,其中 Cr 和 As 会损伤消化系统和神经系统,引起膀胱癌等1-2;Ni 超标会引起过敏,大量暴露可能会引起鼻喉癌、冠心病等3;急性Cu 中毒会导致腹泻,严重者甚至会溶血、肾损伤;Zn会引发胃部疾病、贫血、生长缓慢4;Pb 可引起儿童智力低下,高血压5-6;Hg 会损伤人体循环和神经系统,例如“水俣病”7。重金属污染对人体的危害长期且难以根除,甚至不可逆8。西北地区生态环境脆弱,工业园区中“两高”项目(高污染、高耗能)企业的引入,严重制约着对生态环境的改善。尹芳等9对青海某典型工业园区土壤污染进行研究,发现 Zn 和 Cd 为主要污染元素,且在某工厂附近高值聚集;杨秀云等10指出,新疆昌吉市的道路扬尘中,Hg、Cu 和 Pb 重金属元素呈中度污染,且 Hg 具有强生态风险;孙变变等11指出,银川市绿地土壤重金属中的 Hg 和 Cd 超标率达 82.35%和75.21%,且 Hg 浓度达到中度污染程度,具有强生态风险;樊新刚等12发现,石嘴山市河滨工业园区表土重金属浓度,在 1985 年至 2011 年间浓度明显富集,Cd、Cu、Zn、Pb 和 Cr 浓度均高于背景值,Cd 平均值为背景值的 39.61 倍,样本富集率 100%,富集严重。可见,西北地区工业园区及周边区域土壤污染严重。然而,针对工业园区的研究仍然较少,且多集中在污染程度评价和时空特征分析,缺乏对土壤重金属污染来源及健康风险的系统评价。本文以西北地区某工业园区为例,选取园区典型行业和重点企业,采集表层土壤样品,测定 8 种重金属元素浓度。采用内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和潜在生态风险法,对园区土壤重金属的污染程度和生态风险进行评价;通过 GIS 空间插值对重金属的空间分布进行了分析;通过相关分析、聚类分析及主成分分析(principal components analysis,PCA)对重金属的来源进行了探讨;结合当地人群暴露参数,对土壤重金属的健康风险进行评价,找出优先控制的重金属元素。该研究对西北工业园区土壤污染防治及风险评估具有一定的指导意义。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 采样及化学分析该工业园区始建于 1996 年,是精细化工、矿石冶炼为主导的工业园区。样本采集参考国家标准土壤质量 土壤采样技术指南(GB/T 361972018)13,厂区点位和厂外点位相结合,在重点企业内加密布点。于2020 年8 月13 日9 月17 日进行厂内样品采集,2020 年 11 月 311 日进行厂外样品采集,共采集样品 52 个(图 1)。采样时采用五点取样法,每个点位划定一个 5 m5 m 正方形地块,采集 5 个 0 20 cm 的表层土壤样品,最终混合后作为该点土壤样品,中心点的精确坐标以手持 GPS 仪器确定。将采集好的样品在室内自然风干,随后研378 生态毒理学报第 17 卷图 1 研究区域及采样点分布图Fig.1 Study area and distribution of sampling sites磨并过 100 目筛,装入塑料瓶中待用。用万分之一分析天平(瑞士 Mettler Toledo 公司,AL 204)称取 0.3 g(精确至 0.1 mg)样品于 50 mL聚四氟乙烯消解管中,用水润湿后加入 5 mL 盐酸(国药集团化学试剂有限公司,优级纯),于通风橱内石墨电热消解仪(北京普立泰科公司,ADB-50)上100 加热 45 min。加入 9 mL 硝酸(天津科密欧化学试剂有限公司,优级纯)加热30 min,加入5 mL 氢氟酸(天津科密欧化学试剂有限公司,优级纯)加热30 min,稍冷,加入 1 mL 高氯酸(天津东方化工厂,优级纯),加盖 120 加热 3 h;开盖,150 加热至冒白烟,加热时需摇动消解管。若消解管内壁有黑色碳化物,加入 0.5 mL 高氯酸加盖继续加热至黑色碳化物消失,开盖,160 加热赶酸至内容物呈不流动的液珠状(趁热观察)。加入 3 mL 硝酸溶液,温热溶解可溶性残渣,全量转移至 25 mL 容量瓶中,用浓度为 3%的硝酸溶液定容至标线,摇匀,保存于聚乙烯瓶中,静置,过 0.45 m 滤膜,取上清液,待测,同时设置空白样和平行样。利用电感耦合等离子发射光谱仪(美国赛默飞,ICP 7000)测定样品 Cr、Ni、Cu、Zn、Pb 和 Cd 浓度。称取0.3 g(精确至0.2 mg)样品于50 mL 具塞比色管中,加少许水润湿样品,加入 10 mL 王水,加塞后摇匀,于沸水浴中消解 2 h,取出冷却,立即加入10 mL 保存液,用稀释液稀释至刻度,摇匀后放置,过 0.45 m 滤膜,取上清液,待测,同时设置空白样和平行样。采用双道原子荧光光度计(北京吉天,AFS-933),测样品 Hg 浓度;吸取一定量的消解试液于 50 mL 比色管中,加 3 mL 盐酸(国药,优级纯)、5mL 硫脲溶液(国药,优级纯)、5 mL 抗坏血酸(国药,优级纯)溶液,用水稀释至刻度,摇匀放置,取上清液,采用 AFS-933 测样品 As 浓度。测定过程采用标准土壤样品(GBW07405(GSS-5a),中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所)进行质量控制。标准土壤各重金属测定值均在标称值范围内(表 1),检出限为 0.0007 0.172 mgkg-1,相对标准偏差(RSD)5%。1.2 统计分析与空间分析地统计方法是描述土壤污染物浓度空间分布的表 1 重金属元素仪器检出限、标准物质测定值Table 1 Instrument detection limit,measured values of standard material for heavy metals(mg kg-1)仪器检出限Instrument detection limit标准物质实测值Measured value of reference material标准物质标称值Nominal value of reference materialCr0.024115.000.35113.007.00Ni0.00637.330.7738.002.00Cu0.172145.720.88147.0010.00Zn0.030149.570.73172.007.00Pb0.056248.551.55245.0014.00Cd0.0010.160.020.160.03Hg0.00070.700.050.700.10As0.012245.003.56242.0016.00第 6 期张博晗等:西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估379 常用手段14,本文以样点实测值与背景值的比值作为输入,选择普通克里金(ordinary Kriging,OK)插值法15,使用球面模型拟合半变异函数,使用软件ArcGIS version 10.4(ESRI Inc,Redlands,CA,USA)完成土壤重金属污染的空间分析及制图。本文的统计分析(相关分析及聚类分析等)使用软件 Microsoft Excel 2013(Microsoft,2013)和 SPSSversion 22 for Windows(SPSS Inc,Chicago,IL,USA)完成。1.3 污染评价研究区污染评价拟采用内梅罗综合污染指数法、地累积指数法和生态风险评价。1.3.1 内梅罗综合污染指数法为了综合反映园区污染水平,采用内梅罗综合污染指数法对园区土壤进行综合评价。内梅罗综合污染指数(NPI)的计算公式为16:NPI=PI2ave+PI2max2(1)式中:PI(single factor pollution index)表示单项污染指数,反映单元素超标倍数和污染程度,其计算公式见式(2);PIave和 PImax分别表示所有单元素超标倍数的平均值和最大值。PI=ci/Si(2)式中:ci表示单元素i浓度(mg kg-1);Si为各元素的或土壤背景值(mg kg-1);污染最严重的元素对总体评价结果影响占比较大。按污染程度不同,单因素污染程度可分为无污染(PI1)、轻微污染(1PI2)、轻度污染(2PI3)、中度污染(35);综合污染程度可分为无污染(NPI1)、轻度污染(1NPI2)、中度污染(2NPI3)、重度污染(35)。1.3.2 地累积指数法地累积指数法考虑因素包括了人类活动、当地背景值和造岩活动对背景值的影响,得到单元素污染级别,结果能够反映各元素的自然分布水平,评价人类活动对重金属污染的影响,公式如下17:Igeo=log2(cn/kBn)(3)式中:Igeo(geo-accumulation index)为地累积指数;cn为单元素浓度(mg kg-1);Bn为对应元素的宁夏土壤背景值(mg kg-1);k为考虑到背景值的波动而设定的参数,一般取 1.5;根据地累积指数值,可将污染程度分为 7 级,即无污染(Igeo0)、轻微污染(0Igeo1)、轻度污染(1Igeo2)、中度污染(2Igeo3)、偏重污染(3Igeo4)、中度污染(45)。1.4 生态风险评价潜在生态风险指数,是由瑞典科学家 Hkanson从沉积学角度提出的生态风险评估方法,该方法考虑了各元素的联合效应和各元素毒理上的差异性,使结果更具毒理上的参考价值18。RI=ni=1Ei=ni=1(Ticicbi)(4)式中:Ei(single potential ecological risk index)为单元素的潜在生态风险指数,RI 为 8 种元素的综合潜在生态风险指数;ci为单元素实测浓度(mgkg-1),cbi为单元素的参考值,本研究取宁夏土壤背景值(mgkg-1);Ti为单元素i的毒性系数,反映单元素污染影响的敏感性和生物学上的毒害性,Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg 和 As 的毒性系数依次为 2、5、5、1、5、30、40 和 10。单因素生态危害程度可划分为轻微(Ei40)、中等(40Ei80)、强(80Ei160)、很强(160320)。综合潜在危害程度划分为轻微(RI150)、中等(150RI300)、强(300600)。1.5 溯源分析该研究区为典型工业园区,通过实地走访和调查,获取企业分布及重点排污企业相关资料。对 8种重金属进行均一化处理(以背景值做参照),采用相关分析、聚类分析对重金属的同源性进行探讨。参照因子的相关性和聚类结果,通过主成分分析(PCA)等方法进行定量来源解析,结合源排放成分谱经验数据,企业分布、土壤污染空间分布及园区重点排污企业资料,确定主要排放源类别,并细化主要污染行业和企业。1.6 健康风险评价本工业园区调查范围内主要是工人,此外有一些散落居住的住户。工人工作时会佩戴防护手套等,但附近居民几乎无防护。因此,评估的暴露对象为 18 岁以上的成人。考虑的对土壤中重金属的主要暴露途径包括 3 种:(1)经口摄入土壤(手-口途径);(2)皮肤接触土壤;(3)吸入土壤扬尘颗粒。Hg、Cu 和Zn 仅具有非致癌毒性,而 Cr、Ni、Pb、As 和 Cd 同时具有致癌及非致癌毒效应。非致癌物质与致癌物质的暴露量分别用平均日暴露量(average daily dose,ADD)(mg kg-1 d-1)和终身潜在日暴露量(lifetime av-erage potential daily dose,LADD)(mg kg-1 d-1)表示。380 生态毒理学报第 17 卷经口摄入途径的暴露量计算19:ADDing=cIRsEFEDBWAT()10-6(5)LADDing=cIRsEFEDBWLT()10-6(6)皮肤接触途径的暴露量计算19:ADDdermal=cSAAFABSEFEDBWAT(7)LADDdermal=cSAAFABSEFEDBWLT(8)吸入途径的暴露量计算19:ADDinh=cIRiEFEDPEFBWAT(9)LADDinh=cIRiEFEDPEFBWLT(10)各项参数的定义和具体参考值如表 2 所示20-23。本文应用 US EPA 推荐的风险评价模型,采用危害商数(hazard quotient,HQ)和致癌风险(cancerrisk,CR)法计算健康风险,模型如下19:HQ=ADDxRfDx(11)CR=(LADDxSFx)(12)式中:下标x表示不同的暴露途径;RfD(referencedose)为对应参考剂量(mg kg-1 d-1);SF(slope factor)为对应的致癌斜率因子(kg d mg-1),具体参考值如表 3 所示,参考了部分文献24-25。表 3 中缺失值代表尚未有定论。迄今研究尚未查明各元素之间的毒性交互作用,故本文总危害指数(total hazard index,THI)和总致癌风险(total cancer risk,TCR)为各单元素结果数值的加和,计算公式如下19:THI=HQn(13)TCR=CRn(14)式中:下标n表示不同的重金属元素。表 2 暴露评价中相关参数取值Table 2 Parameter values for the exposure assessment符号Symbol说明Instructions单位Unit取值The valuesIRs土壤每日摄入速率Soil daily intake ratemg d-150IRi每日呼吸速率Daily respiratory ratem3 d-116SA皮肤暴露接触面积Skin exposure areacm25 700AF土壤-皮肤附着系数Soil-skin adhesion coefficientkg cm-2 d-1710-8ABS皮肤吸收因子Dermal absorption factor量纲为 1Dimensionless0.001PEF颗粒物排放因子Particulate matteremission factorsm3 kg-11.36109EF暴露频率Exposure frequencyd a-1350ED暴露时长Exposure durationa30BW体质量Body weightkg62AT暴露期总时长Acting time ofexposure perioddED365LT终生寿命Lifetimed70365表 3 风险评估中 8 种重金属的参考剂量(RfD)和致癌斜率因子(SF)取值Table 3 Values of reference dose(RfD)and slope factor(SF)for 8 heavy metals for risk assessmentCr()NiCuZnPbCdHgAsRfD 经口RfD for ingestion3.00E-032.00E-024.00E-023.00E-013.50E-031.00E-033.00E-043.00E-03RfD 经皮RfD for dermal contact6.00E-055.40E-036.00E-026.00E-025.25E-041.00E-052.10E-051.23E-04RfD 经呼吸RfD for inhalation2.86E-059.00E-051.00E-058.57E-05SF 经口SF for ingestion5.00E-018.50E-031.50E+00SF 经皮SF for dermal contact3.66E+00SF 经呼吸SF for inhalation4.20E+018.40E-016.30E+001.51E+01第 6 期张博晗等:西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估381 2 结果与讨论(Results and discussion)2.1 土壤重金属污染特征根据宁夏土壤背景值26和第二类建设用地标准(筛选值)27,对研究区 8 种土壤重金属元素从浓度统计、富集样本比例、空间分布等方面进行分析。其中厂外采集样品 11 个,厂内样品 41 个。该工业园区土壤 8 种元素的平均浓度如表 4 所示,以第二类用地筛选值为标准,所有元素都未超标,且远远小于标准值;与宁夏土壤背景值相比,各元素均有一定程度的富集。Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg 和 As 元素的均值,分别是相应背景值的 1.21倍、1.73 倍、2.27 倍、1.29 倍、2.05 倍、3.73 倍、14.14倍和 2.12 倍,说明研究区土壤重金属 Cd、Hg 和 As富集明显,其余元素轻微富集,该地区土壤可能受到人为活动的污染;在 52 个样本点中,Pb、Cd、Hg 和As 元素的富集样本比例,达到了 80.77%、71.15%、100%和 100%,说明该工业园区土壤重金属元素在空间分布上存在普遍富集。从图 2 空间分布来看,污染区域以化工厂 1 和化工厂2 最为集中。2 种重污染元素 Cd 和 Hg 均表现出以工厂企业为高污染中心,向外逐渐降低的趋势。从空间分布上也可以看出,Cu、Zn 和 Pb 浓度空间分布的一致性,Cr、Ni 间浓度空间分布和 Cd、Hg、As 间浓度空间分布的部分相似性。2.2 土壤重金属污染评价和生态风险评价污染指数评价结果如表 5 所示,以宁夏土壤背景值作为基准,则重金属 Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg和 As 的单因子污染指数分别为 1.21、1.73、2.27、1.29、2.05、3.73、14.14 和 2.12,相应的内梅罗综合污染指数为 10.31,表明研究区土壤为严重污染状态。Hg、Cd 和 As 元素明显富集,需要加强管控。Cr、Ni、Cu、Zn、Pb 和 As 等 6 种元素,地累积指数均1,表明 6 种元素均为无污染或者轻微污染;Cd 元素地累积指数为 1.31,为轻度污染;Hg 的地累积指数为 3.23,为偏重污染;这表明 Cd 和 Hg 元素是工业园区土壤的主要污染元素。研究区各元素单因素潜在生态风险指数(Ei)平均值从高到低依次为:Hg、Cd、As、Cu、Pb、Ni、Cr 和 Zn。后6 种元素的Ei值均40,呈现轻微生态风险;Cd 和Hg 元素的Ei平均值分别属于强和极强生态风险。RI 为677.48,综合潜在生态危害程度为很强。由此可见,Hg 和 Cd 为研究区最主要的生态风险元素。究其原因,Hg 和 Cd 为极具生物毒性的 2 种元素,且其各样点的元素的浓度均明显高于土壤背景值。表 4 土壤重金属浓度统计(n=52)Table 4 Statistics of heavy metal concentrations in soil(n=52)统计指标Statistics index土壤含量/(mg kg-1)Content in soil/(mg kg-1)CrNiCuZnPbCdHgAs厂外点平均值Average value forpoints outside the plants214.80169.7634.7246.2925.230.220.2123.72厂内点平均值Average value forpoints inside the plants29.8736.7355.1484.6347.460.470.3025.68总体平均值Average value72.3366.3850.1975.9742.150.410.2825.27标准差Standard deviation81.01107.2635.7160.2736.800.360.185.91变异系数Variable coefficient1.121.620.710.790.870.890.640.23背景值Background values60.0038.4022.1058.8020.600.110.0211.90筛选值Screening values90018 0008003860382 生态毒理学报第 17 卷图 2 土壤中 8 种重金属富集程度的空间分布图(以背景值为标准)Fig.2 Spatial distribution of enrichment of 8 heavy metals in soil(based on background values)第 6 期张博晗等:西北某典型工业园区土壤重金属污染源解析及其健康风险评估383 Cd、Hg 为燃煤和矿石冶炼的特征污染物28-29,也是该工业园区重点污染行业。前人的研究也表明,西北地区工业园区土壤重金属污染严重,Cd、Hg尤为突出,且富集倍数很大,樊新刚等12发现,石嘴山市河滨工业园区表土重金属浓度,在 20 年间浓度明显富集,Cd 平均值为背景值的 39.61 倍,样本富集率 100%;罗成科等30发现,宁东基地 Cr、Cd、Pb和 Hg 元素的平均值超过了背景值,Hg 的平均值是背景值的 8.5 倍;张瑞31研究发现,西北某工业园周边农田土壤中的 Cd、Pb 和 Hg 明显富集;Cd 元素样本超标率达 50%以上。由于工业的发展,各种化学物质直接或间接排放到当地土壤,造成当地生态环境恶化,甚至进一步污染到深层土壤和地下水32,威胁当地居民身体健康。2.3 溯源分析根据正态分布检验和独立样本t检验,厂内和厂外样点 Cr、Cu、Zn、Pb 和 Cd 元素浓度存在显著性差异(P0.5)、Bartlett 球形检验值(P20.05)、特征值和相关性等因素34,最终确定了 3 个主成分,方差解释率分别为38.0%、22.1%和15.3%,累积解释占比为75.4%。主成分系数矩阵如表 7 所示,每个主成分中,因子载荷接近 100%的一种或几种元素,代表了该主成分的主要元素构成。结合各类污染源排放成分谱的参考文献及各行业排放的特征污染物经验数据,进行综合分析,判定各主成分的对应污染源。行业特征污染物可由当地企业原辅材料、工艺流程和排污资料汇总整理得到。主成分 1 主要含有 Cu、Zn 和 Pb 元素,富集倍数较低,为化工行业特征污染物35。三元素空间分布高度重合,均指向化工厂 2,由该厂原辅材料、工艺流程和排污资料确认,含有此类特征污染物,且该厂近期发生过环境违法和地下水污染事件。综合判表 5 土壤重金属元素污染评估结果Table 5 Results of contamination assessment of heavy metals in soilCrNiCuZnPbCdHgAs总计 SumPI 或 NPIPI or NPI1.211.732.271.292.053.7314.142.1210.31污染等级Pollution level轻微Slight轻微Slight轻度Mild轻微Slight轻度Mild中度Moderate重度Severe轻度Mild严重SeriousIgeo值Geo-accumulation index-0.310.200.59-0.210.441.313.230.50污染等级Pollution level无No轻微Slight轻微Slight无No轻微Slight轻度Mild偏重Severe轻微SlightEi或 RIEior RI2.418.6411.361.2910.23111.79565.6921.24677.48风险等级Risk level轻微Slight轻微Slight轻微Slight轻微Slight轻微Slight强Strong极强Extremely strong轻微Slight很强Very strong注:PI 表示单项污染指数,NPI 表示内梅罗综合污染指数,Igeo表示地累积指数,Ei表示单元素的潜在生态风险指数,RI 表示综合潜在生态风险指数。Note:PI represents single factor pollution index,NPI represents Nemerow composite pollution index,Igeorepresents geo-accumulation index,Eirepre-sents single potential ecological risk index,and RI represents composite potential ecological risk index.384 生态毒理学报第 17 卷表 6 土壤各元素皮尔逊相关系数Table 6 Pearson correlation coefficients between elements concentrations in soilCrNiCuZnPbCdHgAsCr1Ni0.668*1Cu-0.244-0.1471Zn-0.263-0.1390.892*1Pb-0.250-0.1200.953*0.887*1Cd-0.315-0.1210.0860.0810.0631Hg-0.1260.023-0.091-0.123-0.1700.400*1As-0.2130.037-0.080-0.058-0.148-0.0170.0331注:*和*分别代表在 0.01 和 0.05 水平的显著相关。Note:*and*represent significant correlations at the levels of 0.01 and 0.05,respectively.图 3 聚类分析谱系图Fig.3 Hierarchical clustering pedigree定,主成分 1 为化工生产来源,化工厂 2 为重点关注污染企业;主成分 2 主要含有 Cr 和 Ni 元素,且样本中两元素富集倍数较低,结合以往研究中 Cr、Ni 为自然来源的表征36,判断为自然来源;主成分 3 主要成分为 Cd、Hg,富集倍数很高,为燃煤和矿石冶炼的特征污染物28-29,且空间分布上,两元素高值点集中在化工厂1、化工厂2 和冶金厂,故主成分3 可以判断为燃煤和矿石冶炼来源。综上所述,造成研究区周边土壤重金属污染的来源主要包括化工生产(38.0%)、自然来源(22.1%)及燃煤和矿石冶炼(15.3%)等。PCA 的结果显示重金属污染的来源中化工生产的占比(38.0%)要高于燃煤和矿石冶炼(15.3%),但 Cd、Hg 作为燃煤和矿石冶炼的特征污染物,在本研究区土壤中污染程度最高,生态风险最大。上述源解析及污染评价的结果并不矛盾。污染程度是基于与背景值相比的超标倍数而言,Cd、Hg 的平均富集系数较高,分别为 3.73 和 14.14,而主成分 1 所含的 Cu、Zn 和 Pb 的平均富集系数较低,分别为 2.27、1.29 和2.05,因此,Cd 和 Hg 的污染程度最高。但是采用 PCA 法进行的源解析是基于土壤重金属的绝对质量浓度,Cu、Zn 和 Pb 的浓度要远远大于 Cd 和Hg。因此主成分