基于Meta分析的中國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

晏利晶 1 ，姜 淼 1 ，趙慶良 1 ，王 琨 1* ，王維業(yè) 1 ，黨金霞 2 ，于成龍 2

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2. 黑龍江省庫(kù)恩環(huán)境修復(fù)工程有限公司，

來(lái)源：《環(huán)境科學(xué)研究》

摘要：  工礦業(yè)活動(dòng)是土壤重金屬污染的重要來(lái)源之一. 由于早期企業(yè)管理體系不完善和環(huán)保意識(shí)薄弱等原因，我國(guó)工礦業(yè)土壤環(huán)境問(wèn)題突出. 本文對(duì)2005—2022年中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)表的關(guān)于我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染的138篇文獻(xiàn)(包含141處場(chǎng)地)進(jìn)行Meta分析，并通過(guò)地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)我國(guó)工礦業(yè)地及周邊土壤中Cd、Pb、Zn、Cu、As的污染情況、分布特征及行業(yè)特征. Meta分析隨機(jī)效應(yīng)模型的計(jì)算結(jié)果表明，與土壤背景值相比，我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤中Cd、Pb、Zn、Cu、As的含量分別增加了897.42%、233.34%、232.34%、196.83%和171.29%. 重金屬污染分布結(jié)果顯示，東南沿海及長(zhǎng)三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)工礦業(yè)土壤污染更嚴(yán)重，北方地區(qū)污染較輕，Cd是首要污染物. 從行業(yè)特征看，化石燃料開(kāi)采場(chǎng)地及周邊土壤中Pb、As含量與背景值差異不顯著；有色金屬礦開(kāi)采導(dǎo)致土壤重金屬含量顯著升高，其中Cd污染十分突出，土壤Cd含量的增幅高達(dá)964.40%. 49.21%的有色金屬礦區(qū)土壤存在極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；化石燃料開(kāi)采場(chǎng)區(qū)土壤污染較輕，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)及以下的點(diǎn)位占60.87%. 研究顯示，Cd是我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染的首要污染物，且有色金屬礦開(kāi)采造成的污染更嚴(yán)重.

關(guān)鍵詞：  工礦業(yè)場(chǎng)地；重金屬；土壤；Meta分析

土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)生活最基本的自然資源. 2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示：我國(guó)工礦業(yè)地土壤環(huán)境問(wèn)題突出，以無(wú)機(jī)型污染為主；采礦區(qū)、工業(yè)園區(qū)土壤的超標(biāo)率分別為36.3%和29.4%. 大氣沉降、采礦冶煉、工業(yè)“三廢”排放、過(guò)量使用農(nóng)藥和化肥等人為活動(dòng)以及環(huán)境背景值較高是土壤重金屬污染的主要原因 [1] . 由于早期我國(guó)土壤修復(fù)技術(shù)不成熟、管理體系不完善、環(huán)保意識(shí)較薄弱等原因，導(dǎo)致大部分工礦業(yè)場(chǎng)地未得到妥善管理，生產(chǎn)廢料露天堆放、隨意排污等事件頻發(fā) [2-4] ，對(duì)土壤環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅.

現(xiàn)階段，我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)的研究通常僅針對(duì)單一場(chǎng)地或幾個(gè)相鄰場(chǎng)地 [5-7] ，其研究尺度難以為全國(guó)土壤重金屬污染防治提供可靠支持. 大尺度的土壤重金屬污染調(diào)查需要消耗大量的人力物力，而基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是一種有效的解決辦法 [8] . 例如，Shao等 [9] 基于已發(fā)表的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)三角地區(qū)各省份農(nóng)業(yè)土壤中Pb、Cd、Cu、Zn、Ni含量均超過(guò)了當(dāng)?shù)乇尘爸担珻d污染最嚴(yán)重，且近10年來(lái)土壤Cd含量呈上升趨勢(shì)；Wang等 [10] 研究表明，江蘇省食品加工、造紙、印染、冶金場(chǎng)地及周邊土壤存在較嚴(yán)重的Cd、Pb污染；Hu等 [11] 基于文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)東部和中部土壤重金屬污染較嚴(yán)重，尤其是廣東、湖南、云南等省份. Meta分析方法能將有同一研究目的多個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行整合，并依據(jù)其各試驗(yàn)的變異情況賦予不同的權(quán)重，從而得出更可靠的結(jié)論，為解決環(huán)境領(lǐng)域的大尺度問(wèn)題提供了途徑. 不同地區(qū)、不同行業(yè)場(chǎng)地的污染特征對(duì)工礦業(yè)土壤重金屬污染防控具有重要意義 [12] ，然而目前從全國(guó)范圍分析我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染區(qū)域分布及行業(yè)差異的研究較少. 鑒于此，該文基于全國(guó)尺度，對(duì)2005-2022年中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)表的關(guān)于工礦業(yè)土壤重金屬污染的138篇文獻(xiàn)(包含141處場(chǎng)地)進(jìn)行Meta分析，并通過(guò)地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，評(píng)價(jià)有色金屬礦、黑色金屬礦、化石燃料開(kāi)采、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn)5類典型行業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤重金屬污染的區(qū)域分布及污染情況，旨在為我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染管理及整治提供可靠支撐.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

該文以有色金屬礦、黑色金屬礦、化石燃料開(kāi)采、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn)5類典型行業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤為研究對(duì)象，通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、Web of Science等數(shù)據(jù)庫(kù)，以“‘土壤(soil)’&‘重金屬(heavy metal)’&‘工 業(yè) 園 區(qū) (industrial park)’or‘礦 區(qū)(mining)’”作為關(guān)鍵詞初步檢索；再以“‘土壤(soil)’&‘重金屬(heavy metal)’&‘化工(chemical industry)’or‘機(jī)械加工(machining)’or‘紡織(textile industry)’”等進(jìn)一步細(xì)化檢索，檢索時(shí)段為2005-2022年，最終獲得文獻(xiàn)232篇.

文獻(xiàn)篩選原則：①污染場(chǎng)地的地理位置信息明確(至少精確至縣/區(qū)一級(jí))；②土壤采樣點(diǎn)位于場(chǎng)地或場(chǎng)地周邊的農(nóng)田、城鎮(zhèn)、村莊等；③文獻(xiàn)記錄了土壤采樣深度及樣品數(shù)量，以表層土(0～10 cm或0～20 cm、0～50 cm)為研究對(duì)象；④文獻(xiàn)提供了土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征值的數(shù)據(jù)表. 文獻(xiàn)篩選流程如圖1所示.

圖1 文獻(xiàn)篩選流程 Fig.1 Literature selection flow chart

我國(guó)工礦業(yè)土壤污染中常見(jiàn)的重金屬有Cu、Zn、As、Pb、Cd、Hg、Ni、Cr等. Qin等 [13] 研 究 表 明，2005-2017年，我國(guó)土壤中Cd、As含量呈上升趨勢(shì)，Cu、Zn、Pb含量變化不明顯，仍有待治理. 以Cd、Zn、Pb、Cu、As五種重金屬元素為研究對(duì)象，按照?qǐng)D1所示流程篩選文獻(xiàn)，并進(jìn)行信息摘錄. 最終納入138篇文獻(xiàn)，包含141個(gè)工礦業(yè)污染場(chǎng)地的調(diào)查數(shù)據(jù). 所收集到的場(chǎng)地位置分布情況見(jiàn)圖2. 其中，化石燃料開(kāi)采(石油、煤)23處、有色金屬礦(鉛鋅礦、鉬礦、銅礦等)63處、黑色金屬礦(鐵礦、錳礦等)17處、重工業(yè)生產(chǎn)(化工原料、金屬加工等)22處、輕工業(yè)生產(chǎn)(印染、造紙、醫(yī)藥等)14處、礬礦1處、雄黃礦1處.

圖2 已收集的全國(guó)141處工礦業(yè)污染場(chǎng)地分布 Fig.2 Distribution of 141 collected industrial and mining sites in China

注：底圖來(lái)自自然資源部(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn)下載的《中國(guó)地圖1∶3 200萬(wàn) 32開(kāi) 分省設(shè)色版 無(wú)鄰國(guó) 劃線二》.審圖號(hào)：GS京(2022)1325號(hào). 下同.

1.2 Meta分析

Meta分析指利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將有同一研究目的不同研究的結(jié)果進(jìn)行合并，擴(kuò)大樣本量，從而得出更可信的結(jié)論的方法 [14] . Meta分析過(guò)程包括效應(yīng)值選擇和計(jì)算、效應(yīng)模型的選擇、合并效應(yīng)值計(jì)算以及模型驗(yàn)證等步驟.

1.2.1  效應(yīng)值選取和計(jì)算

效應(yīng)值(effect size，ES)用于比較試驗(yàn)組與對(duì)照組平均值 [15] ，在環(huán)境領(lǐng)域，以對(duì)數(shù)響應(yīng)比作為效應(yīng)值的Meta分析運(yùn)用最為廣泛 [16-18] . 對(duì)數(shù)響應(yīng)比可以量化不同試驗(yàn)條件下樣品平均值的比例變化 [19] ，從而更直觀地反映平均值間的差異，與Hedges’d指數(shù)相比更具優(yōu)越性. 該研究中，效應(yīng)值及其對(duì)應(yīng)方差的計(jì)算公式 [20] 分別為

式中：ES i 表示工礦業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬含量的效應(yīng)值； υ i 表示ES i 對(duì)應(yīng)的方差 分別表示納入文獻(xiàn)中所提及的各場(chǎng)地土壤重金屬含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和樣本數(shù)，為Meta分析試驗(yàn)組，若文獻(xiàn)中未給出標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，則以平均值的1/10作為標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值 [21] ；  X c 、 S c 、  N c 表示各省份土壤重金屬背景含量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及樣本數(shù)，為Meta分析對(duì)照組，對(duì)照組數(shù)據(jù)依《中國(guó)土壤元素背景值(1990年)》 [22] 確定.

1.2.2  模型選擇與合并效應(yīng)值計(jì)算

考慮到行業(yè)、土壤理化特征及重金屬背景含量等差異，該文選擇隨機(jī)效應(yīng)模型估計(jì)合并效應(yīng)值( E ++ )，具體方法：通過(guò)限制性最大似然估計(jì)法(REML)估算模型的研究間方差( τ 2 )，從而確定模型中各納入研究的權(quán)重，再根據(jù)加權(quán)平均法計(jì)算合并效應(yīng)值( E ++ ) . 各納入研究的權(quán)重及合并效應(yīng)值( E   ++ )的計(jì)算公式為

同時(shí)，合并效應(yīng)值的置信區(qū)間的計(jì)算公式：

式中 表示模型中第 i 個(gè)研究的權(quán)重；SE表示標(biāo)準(zhǔn)誤差；CI表示合并效應(yīng)值的置信區(qū)間；  Z α /2 表示 P =(1- α /2)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的函數(shù)值，取 α =0.05，表示合并效應(yīng)值95%的置信區(qū)間.

合并效應(yīng)值可依據(jù)式(7)實(shí)現(xiàn)與變化百分比的轉(zhuǎn)化 [8] ：

式中，per表示土壤重金屬含量超過(guò)土壤背景值的百分比，%.

1.2.3  模型驗(yàn)證

異質(zhì)性檢驗(yàn)： I 2 表示模型中各研究間變異占總變異的百分比，用于衡量模型異質(zhì)性. 若 I 2 ＞50%，認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果存在異質(zhì)性，需進(jìn)行分組分析或Meta回歸分析. 分組時(shí)，每個(gè)亞組內(nèi)研究數(shù)量最好大于10個(gè)，或至少包含8個(gè)研究且其數(shù)據(jù)摘錄自3篇及以上文獻(xiàn) [23-24] .

Meta分析依據(jù)合并效應(yīng)值的95% CI是否包含0來(lái)判斷試驗(yàn)組與對(duì)照組間是否存在顯著差異. 若合并效應(yīng)值的95% CI包含0，表明試驗(yàn)組與對(duì)照組沒(méi)有顯著差異；若合并效應(yīng)值95% CI的下限大于0，表明試驗(yàn)組相較對(duì)照組顯著提高；反之，則表明試驗(yàn)組較對(duì)照組顯著下降 [25-26] .

1.3 土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)我國(guó)工礦業(yè)土壤重金屬污染，分別以地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法反映土壤重金屬元素的富集情況及潛在危害.

1.3.1  地累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù) [27] ( I geo )綜合考慮了自然地質(zhì)過(guò)程造成的背景值影響以及人為活動(dòng)對(duì)土壤重金屬污染的影響，是判別人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)：

式中： C n 為土壤重金屬含量，mg/kg； B n 為土壤重金屬的背景含量，mg/kg.

Forstner等 [28] 將地累積指數(shù)分為7個(gè)級(jí)別： I   geo ≤0，表示無(wú)污染；0＜  I   geo ≤1，表示無(wú)污染到中度污染；1＜  I   geo  ≤2，表示中度污染；2＜ I   geo ≤3，表示中度污染到強(qiáng)污染；3＜ I   geo  ≤4，表示強(qiáng)污染；4＜  I   geo ≤5，表示強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染；  I geo ＞5，表示極強(qiáng)污染.

1.3.2  潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 [29] 在考慮重金屬含量的同時(shí)，也關(guān)注了生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)的影響，在國(guó)際上運(yùn)用廣泛 [30] . 該方法分為單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，計(jì)算公式為

式中：RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)； 為單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)； 為重金屬 j 的標(biāo)準(zhǔn)化毒性響應(yīng)系數(shù)，Cd、As、Pb、Zn、Cu分別取值30、10、5、1、5 [31] ； 為單項(xiàng)污染系數(shù)； 為重金屬 j 的實(shí)測(cè)濃度，mg/kg； 為重金屬 j 的參比值，mg/kg.

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)研究目的選擇合適的參比值 [32] ，常以土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值或背景值作為參比值. 為嚴(yán)格管控，選擇土壤背景值作為參比值，由于該文只考慮Cd、As、Pb、Zn、Cu五種重金屬，需要對(duì)Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的界限值進(jìn)行調(diào)整. 調(diào)整后的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分如表1所示.

表1 調(diào)整后的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分 Table 1 Adjusted classification of potential ecological risk levels

1.4 數(shù)據(jù)處理

Meta分析通過(guò)開(kāi)源軟件OPPENMEE完成，土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的相關(guān)計(jì)算通過(guò)Excel 2016完成，圖片使用ArcGIS 10.3及Origin 2019繪制.

2 結(jié)果與討論

2.1 合并效應(yīng)值計(jì)算

我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤中Pb、Cd、As、Zn、Cu含量的合并效應(yīng)值( E ++ )如表2所示，各元素納入研究的數(shù)量分別為115、115、78、105、110個(gè).

表2 隨機(jī)效應(yīng)模型計(jì)算結(jié)果 Table 2 The calculation result of the stochastic effect model

由表2可見(jiàn)，5種重金屬元素的合并效應(yīng)值均大于0，且95% CI不包含0，表明我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤的重金屬含量顯著高于其背景含量. 5類重金屬元素的合并效應(yīng)值表現(xiàn)為Cd(2.300)＞Pb(1.204)＞Zn(1.201)＞Cu(1.088)＞As(0.998)，與土壤背景值相比，上述5種重金屬元素含量分別平均增加了約897.42%、233.34%、232.34%、196.83%和171.29%. 由于各元素的隨機(jī)效應(yīng)模型的 I 2 值大于50%，異質(zhì)性顯著，進(jìn)行分組分析.

2.2 區(qū)域土壤重金屬污染特征

2.2.1  區(qū)域分組分析

基于土壤類型、氣候及經(jīng)濟(jì)因素，將我國(guó)分為長(zhǎng)三角地區(qū)、華南地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)、中南部地區(qū)和華北地區(qū)，進(jìn)行區(qū)域分組分析. 分析結(jié)果(見(jiàn)圖3)表明，華南地區(qū)、中南地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)及西北地區(qū)5種重金屬元素的效應(yīng)值均為正，且95% CI不包含0，表明以上區(qū)域工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤重金屬含量顯著高于土壤背景值，污染較嚴(yán)重. 華北地區(qū)As元素合并效應(yīng)值的95% CI包含0，表明該區(qū)域土壤As含量與背景值差異不顯著. 東北地區(qū)工礦業(yè)土壤污染的首要元素是Cd，其次為Cu、Zn；而土壤As、Pb污染并不顯著，這是由于部分點(diǎn)位設(shè)于廠區(qū)(或礦區(qū))周邊農(nóng)田，土壤Cu、Zn污染也受有機(jī)肥、化肥、農(nóng)藥施用等影響 [33] .

圖3 不同區(qū)域工礦業(yè)場(chǎng)地土壤中各重金屬含量的合并效應(yīng)值( E ++ ) Fig.3 Combined effect value of soil heavy metal contents in different regions

注：括號(hào)內(nèi)標(biāo)注表示各組研究數(shù)量.

我國(guó)不同地區(qū)Cd的合并效應(yīng)值表現(xiàn)為長(zhǎng)三角地區(qū)(3.045)＞華南地區(qū)(2.455)＞中南地區(qū)(2.362)＞西北地區(qū)(2.114)＞華北地區(qū)(2.090)＞東北地區(qū)(1.606). 總體上，南方地區(qū)Cd污染更嚴(yán)重. 華南地區(qū)、中南地區(qū)和西北地區(qū)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤As的合并效應(yīng)值較高. 根據(jù)《中國(guó)土壤元素背景值》 [22] ，上述區(qū)域(如廣西壯族自治區(qū)、陜西省、貴州省、湖南省等)土壤As背景值也較高，推斷土壤環(huán)境背景值高也是引起土壤As污染的重要原因 [34-35] .

2.2.2  土壤重金屬污染的區(qū)域分布

為直觀地了解我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤重金屬的累積情況，通過(guò)地累積指數(shù)法對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià). 土壤重金屬地累積指數(shù)( I geo )的空間分布如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤Cd污染達(dá)到中度以上的點(diǎn)位占60.87%，在湖南省、貴州省、云南省、廣東省一帶更密集. Cd是我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤中的首要污染元素，與相關(guān)研究 [36-37] 結(jié)論一致. Cu、Zn污染達(dá)中度及以上的點(diǎn)位分別僅占17.20%、17.24%，集中于華南地區(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū)，污染相對(duì)較輕. 工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤Pb污染達(dá)中度以上的點(diǎn)位占30.43%，集中于南方地區(qū)，如廣東省、廣西壯族自治區(qū)及長(zhǎng)三角一帶，與寧銀中等 [38-39] 的研究結(jié)論一致，可進(jìn)行有針對(duì)性的監(jiān)管. 土壤重金屬污染的區(qū)域差異是自然過(guò)程和人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果 [40-41] ，在資源型省份(如湖南省、廣西壯族自治區(qū)、貴州省等)及沿海地區(qū)工礦業(yè)活動(dòng)污染更嚴(yán)重 [42] ，北方地區(qū)污染相對(duì)較輕，東北三省以遼寧省污染較為突出. 分別計(jì)算各地區(qū)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤重金屬的平均地累積指數(shù)，結(jié)果如圖5所示.

圖4 土壤重金屬地累積指數(shù)( I geo )的空間分布 Fig.4 Distribution of accumulation index ( I geo ) for soil heavy metals

由圖5可見(jiàn)，長(zhǎng)三角地區(qū)污染較嚴(yán)重，該地區(qū)制造業(yè)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)資源豐富，有多個(gè)著名礦區(qū)，如富陽(yáng)鉛鋅礦(杭州市) [43] 、銅陵銅礦(安徽省) [44] 、棲霞山鉛鋅礦(南京市) [45] 等，導(dǎo)致土壤重金屬污染較為嚴(yán)重.長(zhǎng)三角地區(qū)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤中Cd元素的平均地累積指數(shù)為3.776，屬?gòu)?qiáng)污染，污染尤為突出. 北方以重工業(yè)生產(chǎn)及能源開(kāi)采為主，金屬開(kāi)采加工較少，污染比南方地區(qū)輕. 東北工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤Cd、Cu、Zn三種元素的平均地累積指數(shù)分別為1.736、1.093和1.303，均屬中度污染. 整體來(lái)看，東北地區(qū)的污染與其他地區(qū)相比較輕 [46] .

圖5 區(qū)域平均地累積指數(shù) Fig.5 Regional average geo-accumulation index

2.3 行業(yè)土壤重金屬污染特征

2.3.1  行業(yè)分組分析

礦產(chǎn)開(kāi)采、金屬冶煉、化工生產(chǎn)等人為活動(dòng)是引起土壤重金屬污染的主要原因 [47] . 礦區(qū)由于污染時(shí)間長(zhǎng)、情況復(fù)雜、隱患高，需要優(yōu)先控制區(qū) [39] . 按研究所涉及的5類行業(yè)(化石能源開(kāi)采、有色金屬礦、黑色金屬礦、輕工業(yè)生產(chǎn)及重工業(yè)生產(chǎn))進(jìn)行分組分析，各組研究數(shù)量及合并效應(yīng)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 不同行業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬含量的合并效應(yīng)值( E ++ ) Fig.6 Combined effect value ( E ++ ) of soil heavy metal content in various industrial sites

注：括號(hào)內(nèi)標(biāo)注表示各組研究數(shù)量.

由圖6可見(jiàn)，有色金屬礦污染最嚴(yán)重，Cd、Zn、As、Cu、Pb五種元素合并效應(yīng)值的95% CI下限均大于0，表明有色金屬礦場(chǎng)地及周邊土壤重金屬含量顯著高于背景值. 土壤Cd、Zn、As、Cu、Pb含量的增幅分 別為964.40%、487.09%、352.67%、311.24%和310.83%，Cd污染十分突出. 化石燃料開(kāi)采場(chǎng)地及周邊土壤重金屬的合并效應(yīng)值較小，且As、Pb的95% CI均包含0，表明土壤Pb、As含量與背景值差異不顯著. 研究 [48-50] 表明，我國(guó)煤礦開(kāi)采通常導(dǎo)致土壤Cd、Pb、Zn、As、Cu、Hg、Ni等重金屬元素富集，通常Cd污染最嚴(yán)重，Pb污染常源于燃煤過(guò)程中的降塵，As則常源于地質(zhì)背景成因，且大多數(shù)煤礦開(kāi)采區(qū)土壤重金屬污染較輕微.

2.3.2  土壤重金屬污染的行業(yè)分布

我國(guó)早期經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依賴資源開(kāi)發(fā)和重工業(yè)，如采礦、冶金、化工等. 這些行業(yè)耗能高，污染物排放量大，涉重金屬原料多，易導(dǎo)致土壤污染 [51] . 為進(jìn)一步了解不同行業(yè)土壤重金屬污染現(xiàn)狀，通過(guò)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)5類行業(yè)土壤重金屬的污染情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可見(jiàn)，化石能源開(kāi)采、有色金屬礦開(kāi)采、黑色金屬礦開(kāi)采、重工業(yè)生產(chǎn)和輕工業(yè)生產(chǎn)土壤重金屬污染達(dá)強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)以上的點(diǎn)位占比分別為39.13%、73.02%、64.29%、59.09%和52.94%. 49.21%的有色金屬礦開(kāi)采場(chǎng)地及周邊土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為極強(qiáng)等級(jí)，情況不容樂(lè)觀 [52] . 化石能源礦產(chǎn)開(kāi)采造成的土壤重金屬污染相對(duì)較輕，中等風(fēng)險(xiǎn)及以下的點(diǎn)位占60.87%.

圖7 不同行業(yè)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布 Fig.7 Class distribution of comprehensive potential ecological risk for heavy metals of in different industry soils

注：標(biāo)注百分?jǐn)?shù)表示不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)場(chǎng)地的占比.

由圖8可見(jiàn)，工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤Cd污染最嚴(yán)重，5類行業(yè)土壤Cd的平均 (單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù))大于240，為極強(qiáng)等級(jí)，Pb、As污染次之，有色金屬礦污染尤為突出. 其他4類行業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤Pb、As元素的平均  小于30，為輕微污染；總體而言，Cu、Zn污染較輕，5類行業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)都為輕微等級(jí). 根據(jù) 3.3.1 節(jié)，Zn相對(duì)于背景值的平均升高倍數(shù)比Cu大，但由于其金屬毒性響應(yīng)系數(shù)較小，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較輕；Cd的毒性響應(yīng)系數(shù)較高，且平均累積含量相對(duì)于背景值的升高倍數(shù)最大，應(yīng)重點(diǎn)管制.

圖8 不同行業(yè)土壤重金屬平均單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)( )及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) Fig.8 Comparison of average one-factor potential ecological risk index for heavy metals in different industry soils

3 結(jié)論

a) 我國(guó)工礦業(yè)活動(dòng)使土壤Cd、Pb、Zn、Cu、As元素含量顯著高于其背景值，其合并效應(yīng)值( E ++ )計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)為Cd(2.300)＞Pb(1.204)＞Zn(1.201)＞Cu(1.088)＞As(0.998)，表明與土壤背景值相比，我國(guó)工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤中上述5種重金屬元素含量分別平均增加了約897.42%、233.34%、232.34%、196.83%和171.29%.

b) 土壤重金屬污染的區(qū)域分布差異是自然過(guò)程和人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果，我國(guó)南方地區(qū)工礦業(yè)土壤污染更嚴(yán)重，尤其是沿海地區(qū)和資源型省份，如廣東省、江蘇省、湖南省、貴州省等；而北方地區(qū)工礦業(yè)土壤重金屬污染相對(duì)較輕，東北地區(qū)以遼寧省更為突出. 部分區(qū)域工礦業(yè)場(chǎng)地及周邊土壤As污染的形成與土壤母質(zhì)有關(guān)(如貴州省、云南省等). Cd是首要污染物.

c) 不同行業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的土壤重金屬污染情況不同. 根據(jù)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，化石能源開(kāi)采、有色金屬礦開(kāi)采、黑色金屬礦開(kāi)采、重工業(yè)生產(chǎn)和輕工業(yè)生產(chǎn)土壤重金屬污染達(dá)強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)以上的點(diǎn)位占比分別為39.13%、73.02%、64.29%、59.09%和52.94%，有色金屬礦土壤重金屬污染最嚴(yán)重. 根據(jù)平均單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，Cd的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最高，5類行業(yè)都為極強(qiáng)等級(jí)；Pb、As次之，除有色金屬礦以外，其他行業(yè)為輕微等級(jí)；Cu、Zn較低，5類行業(yè)都為輕微等級(jí)；由于Cd元素的重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)較高，且相對(duì)于元素背景值累積最大，應(yīng)重點(diǎn)管制.