趙曦，黃藝，李娟，成功，宋麗紅，陸克定，寧沖

1. 深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518001；2. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100871

大型垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量水平、空間分布、來源及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

趙曦1*，黃藝2，李娟1，成功1，宋麗紅1，陸克定2，寧沖1

1. 深圳市環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 深圳 518001；2. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100871

摘要：通過采集珠三角東部某市大型垃圾焚燒廠周邊表層土壤樣品，分析了各樣品中Cd、Pb、Hg、As、Cr、Cu、Ni、Zn 和Co等9種重金屬含量，研究了重金屬的含量水平、空間分布、來源及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，研究范圍內(nèi)表層土壤重金屬含量分別為Cd(0.183±0.07) mg·kg-1、Pb(34.8±18.7) mg·kg-1、Hg(0.081±0.028) mg·kg-1、As(11.5±9.1) mg·kg-1、Cr(31.5±19.1) mg·kg-1、Cu(17.6±12.3) mg·kg-1、Ni(7.13±4.20) mg·kg-1、Zn(82.4±44.2) mg·kg-1、Co(3.37±3.08) mg·kg-1。其中，Hg和Zn的含量分別超出廣東省土壤歷史背景值1倍和2倍，其余重金屬含量與背景值相差不大。綜合空間分布特征分析、相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析的結(jié)果，可以將9種重金屬分為4類。Cr、Ni、Cu、Co的分布特征極為相似，且相互之間有極顯著相關(guān)性，結(jié)合聚類分析和主成分分析結(jié)果，其來源主要為土壤母質(zhì)。As、Zn、Pb的空間分布特征具有一定相似性，但相關(guān)性分析和聚類分析顯示元素間聯(lián)系不緊密，結(jié)合主成分分析結(jié)果，其來源與土壤母質(zhì)和多種人類活動(dòng)污染有關(guān)。Cd和Hg的空間分布特征均顯示這兩種重金屬與垃圾焚燒廠存在聯(lián)系，Cd與垃圾焚燒廠存在一定聯(lián)系，而Hg與垃圾焚燒廠存在較強(qiáng)聯(lián)系。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該研究區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不高，多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的范圍為51～269.79，Hg和Cd對(duì)RI的貢獻(xiàn)率相對(duì)較大，分別為52.33%和18.30%。研究表明，垃圾焚燒廠周邊表層土壤Hg具有獨(dú)特的環(huán)境污染特征，在垃圾焚燒廠周邊的土壤重金屬污染調(diào)查中，Hg污染應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。

關(guān)鍵詞：重金屬；汞；城市生活垃圾焚燒廠；土壤；空間分布；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

引用格式：趙曦，黃藝，李娟，成功，宋麗紅，陸克定，寧沖. 大型垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量水平、空間分布、來源及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(6): 1013-1021.

ZHAO Xi, HUANG Yi, LI Juan, CHENG Gong, SONG Lihong, LU Keding, NING Chong. Environmental Levels, Spatial Distribution, Sources and Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Soils Surrounding A Large Solid Waste Incinerator [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 1013-1021.

重金屬元素具有較強(qiáng)的生物富集性和環(huán)境遷移性，可經(jīng)空氣、水、食物鏈等途徑進(jìn)入人體，生物毒性顯著，易引發(fā)慢性中毒，具有致癌、致畸及致突變作用，對(duì)免疫系統(tǒng)有一定影響，威脅人體健康，并對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成極大的危害（陸泗進(jìn)等，2014）。日本在二十世紀(jì)發(fā)生的水俁病和痛痛病即分別由重金屬甲基汞和鎘污染引起。2009年以來，我國連續(xù)發(fā)生的陜西鳳翔縣、湖南武岡市和瀏陽市等多起重特大重金屬污染事件，對(duì)群眾健康造成了嚴(yán)重威脅（陳明等，2010）。

我國城市生活垃圾中含有各種人造或自然物質(zhì)，其中含有一定量的重金屬。例如，廈門垃圾焚燒發(fā)電廠入廠生活垃圾中含有銅17.99 mg·kg-1、鉛15.51 mg·kg-1、鋅55.29 mg·kg-1、鎳0.44 mg·kg-1、鎘0.43 mg·kg-1、鉻5.48 mg·kg-1、汞0.08 mg·kg-1（張厚堅(jiān)等，2013）。在垃圾焚燒過程中，重金屬會(huì)遷移至底渣和煙氣，煙氣經(jīng)活性炭吸附和布袋除塵后，其中的重金屬大部分會(huì)進(jìn)入飛灰，少部分會(huì)吸附在細(xì)微粉塵中或以氣態(tài)形式隨煙氣排放，垃圾焚燒煙氣中重金屬排放量取決于垃圾重金屬含量、焚燒操作條件和末端治理設(shè)施的運(yùn)行效果（趙曦等，2015）。為進(jìn)一步控制垃圾焚燒廠重金屬污染，我國新修訂的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485─2014）將煙氣重金屬指標(biāo)從原有的“鎘、鉛、汞”等3種重金屬擴(kuò)大至“鎘+鉈、銻+砷+鉛+ 鉻+鈷+銅+錳+鎳、汞”等11種重金屬，并收嚴(yán)了相應(yīng)的排放濃度限值。

目前，國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)對(duì)垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量水平進(jìn)行了研究。然而，對(duì)于垃圾焚燒廠是否會(huì)造成周邊土壤重金屬污染，相關(guān)文獻(xiàn)存在不同觀點(diǎn)。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為垃圾焚燒廠的Hg、Cd和Pb等重金屬會(huì)對(duì)周邊土壤造成明顯的污染，例如，嘉興市垃圾焚燒廠周邊區(qū)域表層土壤的Pb很可能源于焚燒尾氣的擴(kuò)散沉降及其在土壤中的累積（鐘山等，2014）；意大利Pisa垃圾焚燒廠周邊土壤中的Pb、Cd和Hg與垃圾焚燒煙氣污染物排放有關(guān)（Bretzel和Calderisi，2011）；意大利Rimini垃圾焚燒廠周邊土壤的Cd和Pb在1997年至2000年期間存在逐年積累的趨勢，而此期間垃圾焚燒廠Cd和Pb的排放量也大幅增加，提示土壤重金屬含量水平與垃圾焚燒廠重金屬排放之間存在聯(lián)系（Morselli等，2002）。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量水平與垃圾焚燒廠的重金屬排放沒有明顯關(guān)聯(lián)，例如，英國Newcastle Byker生活垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬的污染與垃圾焚燒廠沒有明顯聯(lián)系，主要來自于其他污染源（Rimmer等，2006）；西班牙Constanti某垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬濃度的變化受垃圾焚燒廠的影響非常輕微，而主要受其他重金屬污染源的影響（Nadal等，2005）。第三種觀點(diǎn)則認(rèn)為，垃圾焚燒廠會(huì)對(duì)周邊土壤重金屬產(chǎn)生影響，但其他因素掩蓋（masking）了這種影響，例如，對(duì)西班牙Tarragona生活垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬在1997年至1999年的變化趨勢的研究顯示，其他重金屬污染源的排放掩蓋了垃圾焚燒廠的重金屬排放（Llobet等，2002）；王俊堅(jiān)等認(rèn)為深圳市清水河垃圾焚燒廠運(yùn)營25年后周邊土壤9種重金屬濃度并未發(fā)生明顯增長，不過垃圾焚燒廠的重金屬元素輸入可改變周邊原土壤環(huán)境中的重金屬聚類結(jié)構(gòu)（王俊堅(jiān)等，2011）。

不過，國內(nèi)外目前開展的相關(guān)研究主要集中在垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量水平及變化趨勢上，鮮見將土壤重金屬含量與垃圾焚燒廠重金屬排放特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，也較少對(duì)重金屬的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

本研究通過采集垃圾焚燒廠周邊表層土壤樣品，對(duì)重金屬含量進(jìn)行分析，結(jié)合該垃圾焚燒廠重金屬排放特征，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析表層土壤重金屬的可能來源，并嘗試采用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為進(jìn)一步控制垃圾焚燒過程中重金屬的排放提供理論依據(jù)。本研究結(jié)合《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485─2014）中的煙氣重金屬指標(biāo)和文獻(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注的重金屬種類，選定鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鋅（Zn）和鈷（Co）等9種重金屬進(jìn)行研究。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)域概況

本研究中的焚燒廠所屬區(qū)域位于珠三角東部某市（22°41'03" N，114°05'47" E），區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)亞熱帶海洋性氣候。氣候溫和，年平均氣溫22.4 ℃。雨量充沛，每年4─9月為雨季，年降雨量1933.3 mm。日照時(shí)間長，平均年日照時(shí)數(shù)2120.5 h，太陽年輻射量5225年兆焦耳/平方米。常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，平均每年受熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）影響4～5次。垃圾焚燒廠西側(cè)和南側(cè)均為山體，高程在70 m 至180 m之間，起伏較大，東側(cè)和北側(cè)地勢平坦，高程在70 m左右。

1.2垃圾焚燒廠概況

垃圾焚燒廠分為一期（WI-A）和二期（WI-B）。一期的焚燒爐設(shè)計(jì)規(guī)模為675 t·d-1，二期的焚燒爐設(shè)計(jì)規(guī)模為1000 t·d-1，日常實(shí)際處理規(guī)模均為滿負(fù)荷。煙氣處理設(shè)施均為爐內(nèi)SNCR脫硝、石灰半干法除酸、活性炭噴射和布袋除塵器，煙囪高度均為80 m。

1.3采樣布點(diǎn)

本研究在項(xiàng)目廠界及周邊環(huán)境共布設(shè)12個(gè)土壤樣品采樣點(diǎn)（見圖1），于2014年1月進(jìn)行1次采樣。結(jié)合垃圾焚燒廠周邊地形特征，以垃圾焚燒廠煙囪為中心，以主導(dǎo)風(fēng)向（東北風(fēng)）的下風(fēng)向?yàn)檩S，按垂直十字交叉的方式確定東北（NE）、東南（SE）、西南（SW）和西北（NW）4個(gè)采樣方向。采樣點(diǎn)采取等距離環(huán)狀布點(diǎn)結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)向布點(diǎn)的方式，以WI-A和WI-B的煙囪連線中點(diǎn)為煙囪中心，在據(jù)煙囪中心500、1000和1500 m處，共布置12個(gè)采樣點(diǎn)位。采樣點(diǎn)使用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位。

圖1　研究區(qū)域等高線圖及采樣布點(diǎn)示意Fig. 1 Sampling distribution in the contour map of research area

1.4樣品采集

在各樣點(diǎn)采集0～20 cm的表層土壤封存于PVC袋內(nèi)，每個(gè)采樣點(diǎn)在小范圍內(nèi)采集4份平行樣品，每個(gè)樣品均根據(jù)梅花布點(diǎn)法在采樣點(diǎn)3 m×3 m范圍內(nèi)采集的5個(gè)等容小樣均勻混合而成。

1.5樣品分析

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎過100目篩，取0.20 g用反王水-雙氧水在最佳的消解條件下進(jìn)行微波消解。利用美國PerkinElmer公司的FIMS-400型流動(dòng)注射儀分析樣品中的Hg含量；利用PerkinElmer公司的NexION 300X型ICP-MS分析樣品中的Cd 和As；利用PerkinElmer公司的Optima 8000型ICP-OES分析樣品中Cu、Co、Pb、Zn、Cr和Ni。每批樣品同時(shí)用相同方法測定空白和平行樣品，每個(gè)樣品測定3次，誤差在±5%之內(nèi)。用標(biāo)準(zhǔn)黃色紅壤（GBW07406，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心）測定精確度。每消解一批樣品分別用上述標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，回收率在90%～110%范圍內(nèi)。

1.6數(shù)據(jù)分析

1.6.1統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Office Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理及制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析等統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤各類重金屬含量之間的相關(guān)性，分析前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取對(duì)數(shù)處理，使其呈正態(tài)分布。聚類分析采用分層聚類法的R型聚類進(jìn)行分析。

1.6.2潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用瑞典學(xué)者Hakanson（1980）提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法（The Potential Ecological Risk Index，RI）對(duì)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。單個(gè)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子的計(jì)算公式為：。Ci為重金屬含量；為重金屬背景值，采用廣東省土壤重金屬背景值（廣東省環(huán)境監(jiān)測中心站，1990）；為重金屬毒性系數(shù)，Hg、Cd、As、Co、Cu、Pb、Ni、Cr和Zn的毒性系數(shù)分別取40、30、10、5、5、5、5、2和1（徐爭啟等，2008）。各重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為各重金屬之和。重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1（Hakanson，1980）。

表1　潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Ecological risk index and classification of risk intensity

表2　土壤重金屬濃度與其他文獻(xiàn)案例對(duì)比Table 2 Heavy metal concentrations in top soils and comparison with other MSWIs mg·kg-1

2　結(jié)果與討論

2.1表層土壤重金屬含量水平

本研究中的垃圾焚燒廠周邊1.5 km范圍內(nèi)表層土壤中各重金屬的含量見表2，各元素均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618─1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（pH 6.5～7.5）。除Hg和Zn分別超出廣東省土壤歷史背景值1倍和2倍外，其余重金屬含量與背景值相差不大。與國內(nèi)外對(duì)其他垃圾焚燒廠周邊土壤的研究報(bào)道對(duì)比，本研究區(qū)域內(nèi)表層土壤各重金屬的整體含量水平低于嘉興市、Pisa（意大利）、Montcada（西班牙）和Newcastle（英國）等地垃圾焚燒廠周邊土壤，Hg含量水平低于上海市浦東垃圾焚燒廠周邊土壤，Cd、Pb、Hg等重金屬含量水平略高于深圳市清水河和Tarragona（西班牙）等地垃圾焚燒廠周邊土壤。

2.2重金屬含量空間分布特征

不同方位不同距離表層土壤9種重金屬含量的空間分布特征見圖2。按空間分布特征，9種重金屬可分為四類，分別為Cr、Ni、Cu和Co，As、Zn 和Pb，Cd，Hg。

圖2　垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬含量空間分布特征Fig. 2 Spatial distributions of heavy metals in studied area

Cr、Ni、Cu和Co的空間分布特征非常相似，最大值均出現(xiàn)在東北方向（垃圾焚燒廠上風(fēng)向），東南方向次之，最低值出現(xiàn)在西南方向（垃圾焚燒廠下風(fēng)向），且各方向上基本呈現(xiàn)重金屬含量隨距離增加而增加的格局。

As、Zn和Pb的空間分布特征具有一定相似性，最大值出現(xiàn)在東北方向（垃圾焚燒廠上風(fēng)向）和西北方向，東南方向和西南方向（垃圾焚燒廠下風(fēng)向）較低，各方位上含量與距離之間的規(guī)律不明顯。

Cd和Hg的空間分布特征有相似性但不盡相同。兩者均為西南方向高于其他方向，且最大值均出現(xiàn)在西南方向1000 m處，與垃圾焚燒廠煙氣擴(kuò)散的空間分布規(guī)律存在一致性。不過，Cd在各方向各方位上含量與距離之間的規(guī)律不明顯，而Hg在各方位上基本呈隨距離增加而降低的格局。

2.3重金屬來源分析

2.3.1重金屬相關(guān)性分析

相關(guān)性分析已經(jīng)被廣大國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于土壤重金屬研究，重金屬元素之間的相關(guān)性分析有助于重金屬來源的辨識(shí)（呂建樹等，2012）。本研究的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果見表3。

Co、Cr、Cu和Ni等元素之間均有極顯著相關(guān)性（P<0.01），這幾種元素通常來源于成土過程中母巖風(fēng)化，說明這4種重金屬元素主要為自然來源，受母質(zhì)影響較大，而受外界環(huán)境影響較小。

Zn和Cd之間存在顯著相關(guān)性（P=0.042），這指示人類活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境的影響（Lv等，2013）。

另外，Hg與As、Cr、Cu、Zn等元素之間呈顯著負(fù)相關(guān)。這與Wang等（2011）對(duì)深圳市清水河垃圾焚燒廠周邊土壤的研究結(jié)果極為相似，該研究結(jié)果顯示Hg與Cr、Cu、Se和Zn等元素之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.3.2聚類分析

通過采用組間類平均法進(jìn)行變量標(biāo)準(zhǔn)化，距離測量采用平方歐氏距離，對(duì)9種重金屬進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖3。選擇5為組間距離標(biāo)準(zhǔn)，得到差異明顯的6個(gè)組，Cr、Ni、Cu、Co聚為一類，As、Zn、Cd、Pb、Hg各自成一類。根據(jù)陶澍等2001年對(duì)本研究區(qū)域所在市的土壤重金屬R聚類分析結(jié)果顯示，區(qū)域土壤重金屬主要聚集在兩類中，分別與查瓦里茲基分類中的鐵族元素和親硫元素一致。其中，Cr、Cu、Ni、As、Co等鐵族元素聚為一類，而Cd、Zn、Pb、Hg等親硫元素為另一類（陶澍等，2001）。因此，本研究的聚類結(jié)果說明表層土壤Cr、Ni、Cu、Co等元素之間的平衡未受外界輸入影響，而As、Zn、Cd、Pb、Hg等可能受到了人類活動(dòng)的影響，改變了相互之間的平衡。

圖3　垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬R型聚類Fig. 3 Hierarchical cluster analysis dendrogram for soil samples surrounding MSWI

表3　重金屬之間相關(guān)性系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of heavy metals in study area

2.3.3主成分分析

經(jīng)KMO檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn)（P<0.001），主成分分析結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過主成分分析，對(duì)垃圾焚燒廠周邊表層土壤重金屬的來源進(jìn)行研究。9種重金屬共提出2個(gè)主成分，這2個(gè)主成分揭示了表層土壤中9種重金屬的76.4%的影響因子，大大縮減了表層土壤重金屬含量的影響因素，其主成分因子載荷量見表4和圖4。主成分1 （principle component 1，PC1）的方差貢獻(xiàn)率為51.5%，Cu、Ni、Cr、Co、Zn、As都具有較大的正載荷，結(jié)合相關(guān)性分析和聚類分析結(jié)果，可以將其歸于土壤母質(zhì)背景成分。主成分2（PC2）解釋了總方差的24.9%，且Pb、Cd、Zn和As具有較大正載荷，相關(guān)研究表明，當(dāng)Pb、Cd和Zn被分在同一主成分時(shí)，在地方尺度（local scale）上受到人為活動(dòng)的影響（Lv等，2013；Cai等，2012）。除垃圾焚燒以外，電池制造和電鍍行業(yè)等工業(yè)活動(dòng)會(huì)造成多種重金屬污染。在農(nóng)業(yè)活動(dòng)中，畜禽糞便及飼料會(huì)造成As、Cd、Pb等多種重金屬污染（羅小玲等，2014）。而交通活動(dòng)引起的重金屬污染也不容忽視，盡管目前已經(jīng)禁止使用含Pb汽油，但汽車輪胎磨損及發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油的燃燒是Zn、Cd的主要來源（韓玉麗等，2015；Markus和Mcbratney，1996；Wilcke等，1998）。結(jié)合本研究區(qū)域內(nèi)存在工業(yè)區(qū)、荔枝果園和交通主干路等多種人為污染源的情況，可判斷PC2與多種人為排放源關(guān)系密切。

表4　土壤重金屬主成分載荷Table 4 Component matrix for metals in soils

圖4　表層土壤重金屬因子載荷散點(diǎn)圖Fig. 4 Principal component analysis of heavy metals concentrations in topsoil

Zn和As在2個(gè)主成分中均占有一定的正載荷量，這說明該兩種元素來源比較復(fù)雜，可能受到自然地質(zhì)背景和人類活動(dòng)的共同控制。

值得注意的是，Hg在第一主成分上具有較大的負(fù)載荷量，王俊堅(jiān)等（2011）對(duì)深圳市清水河周邊土壤重金屬的主成分分析也出現(xiàn)了類似的情況，并認(rèn)為與Hg的負(fù)載荷相關(guān)的主成分為地形高程，地形對(duì)垃圾焚燒廠Hg的遷移擴(kuò)散起阻擋作用。而本研究中表層土壤Hg的分布規(guī)律與地形高程無明顯聯(lián)系，東北方向、東南方向、西南方向和西北方向的采樣點(diǎn)高程范圍分別為64～65、81～84、95～166 和70～117 m，Hg含量水平與高程之間無顯著相關(guān)性（r=0.339，P=0.280）。不過，與王俊堅(jiān)（2011）等的研究較為一致的是，Hg的含量水平與采樣點(diǎn)所處的垃圾焚燒廠上下風(fēng)向存在聯(lián)系，Hg的負(fù)載荷可能提示Hg與垃圾焚燒廠煙氣擴(kuò)散規(guī)律存在聯(lián)系。

2.3.4表層土壤重金屬與垃圾焚燒廠的聯(lián)系

本研究從垃圾焚燒廠重金屬排放量和重金屬在焚燒過程中的遷移特征兩個(gè)方面來進(jìn)行分析。

從垃圾焚燒廠重金屬排放量來看。根據(jù)該垃圾焚燒廠運(yùn)營以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算出的9種重金屬累計(jì)排放量見表5。在假定垃圾焚燒廠排放的重金屬全部匯入周邊1.5 km范圍內(nèi)的20 cm厚的表層土壤（假設(shè)土壤容重為1.33 g·cm-3），且不考慮淋溶等輸出作用的情況下，垃圾焚燒廠排放的Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn和Co對(duì)周邊1.5 km范圍內(nèi)的表層土壤中相應(yīng)重金屬含量的潛在貢獻(xiàn)率未超過1%，Hg和Cd的潛在貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了41.0%和14.2%?？梢姡艟C合考慮環(huán)境中煙氣重金屬實(shí)際擴(kuò)散范圍以及多種遷移途徑，以及土壤淋溶等多種輸出作用，垃圾焚燒廠排放的Pb、As、Cr、Cu、Ni、Zn和Co對(duì)周邊表層土壤的實(shí)際影響非常輕微，而Hg和Cd對(duì)周邊土壤相應(yīng)元素含量水平的影響相對(duì)較大。

表5　垃圾焚燒廠重金屬排放總量與周邊表層土壤重金屬總量對(duì)比Table 5 Comparison of total mass of heavy metals released and total mass of heavy metals in the top soil surrounding the MSWI

從垃圾焚燒過程中重金屬遷移特征來看。根據(jù)課題組對(duì)該垃圾焚燒廠重金屬遷移特征的研究成果，9種重金屬呈現(xiàn)出四類不同的遷移特征，Co、Cr、Cu、Ni主要遷移至底渣中，As、Pb、Zn主要遷移至底渣和飛灰中，Cd主要遷移至飛灰中，Hg主要遷移至飛灰和煙氣中（趙曦等，2015）。而這一分類與周邊土壤重金屬空間分布格局極為一致，且與周邊土壤重金屬相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析的特征均有相似性。

以上結(jié)果表明，研究區(qū)域表層土壤中的Hg和Cd可能與垃圾焚燒廠的排放存在較大的關(guān)聯(lián)，其中Hg的聯(lián)系較為緊密。

2.4潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度最大，58.3%的采樣點(diǎn)達(dá)到中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，33.3%的采樣點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度次之，但以輕微風(fēng)險(xiǎn)為主。其他7種重金屬均屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。由各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)的均值來看，潛在生態(tài)危害大小順序?yàn)椋篐g（73.64）>Cd（25.75）>As（12.92）>Pb （7.73）>Cu（7.32）>Co（5.27）>Ni（3.75）>Zn （2.84）>Cr（1.49）。

9種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的范圍為51～269.79。75%采樣點(diǎn)處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，25%的采樣點(diǎn)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。可見，本研究區(qū)域表層土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不高。

不過，重金屬Hg在潛在生態(tài)危害中占有較大的貢獻(xiàn)率，不同的釆樣點(diǎn)的Hg潛在生態(tài)危害系數(shù)與相應(yīng)的RI值據(jù)有較好的一致性，與Hg潛在生態(tài)危害較大有關(guān)。該區(qū)域內(nèi)表層土壤Hg的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起重視。

3　討論

盡管目前文獻(xiàn)關(guān)于垃圾焚燒廠是否對(duì)周邊土壤造成重金屬污染存在不同結(jié)論，但不可否認(rèn)垃圾焚燒廠難免會(huì)向周邊環(huán)境排放一定量的重金屬。一方面，是否造成土壤重金屬污染主要取決于垃圾焚燒廠的重金屬排放水平、區(qū)域土壤的重金屬背景水平以及重金屬在土壤中的自然輸入輸出條件等。Morselli等（2002）的研究表明，當(dāng)意大利Rimini垃圾焚燒廠Hg和Ni的年排放量分別從1997年的12和110 kg降至2000年的1.6和20 kg時(shí)，周邊表層土壤的Hg和Ni含量分別下降了50%和10%左右，說明當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件使得土壤中重金屬存在高強(qiáng)度的輸出作用。而本研究區(qū)域地處年氣溫高、降水量大的亞熱帶，土壤重金屬可能較高強(qiáng)度的輸出過程，當(dāng)?shù)責(zé)o碳酸鹽巖石風(fēng)化殼上發(fā)育的酸性土壤受到強(qiáng)烈的風(fēng)化和淋溶作用，使土壤中微量元素含量明顯降低（Shi等，2007）。本研究中，垃圾焚燒廠Hg排放對(duì)土壤Hg含量的潛在貢獻(xiàn)率相對(duì)其他重金屬較大，雖然土壤存在強(qiáng)輸出的作用，但Hg含量相比歷史背景水平偏高，應(yīng)受重點(diǎn)關(guān)注。另一方面，重金屬也存在眾多其他污染源，除來自工業(yè)污染源外，As、Cd和Pb也可能來源于農(nóng)業(yè)污染源，Zn、Cd也可能來源于交通污染。在一些地區(qū)，這些污染源的重金屬排放量遠(yuǎn)高于垃圾焚燒廠的排放量，使得其他重金屬污染源的排放掩蓋了垃圾焚燒廠的重金屬排放（Llobet等，2002）。這充分說明了土壤重金屬來源的復(fù)雜性，因此對(duì)垃圾焚燒廠周邊土壤重金屬監(jiān)測結(jié)果不可一概而論。

表6　重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 6 Assessment of the ecological risk of heavy metals in soil

本研究根據(jù)空間分布特征將重金屬分為了四類，分別為Cr、Ni、Cu和Co，As、Zn和Pb，Cd，Hg，而這與課題組對(duì)該垃圾焚燒廠內(nèi)重金屬的遷移特征的研究結(jié)果一致。在垃圾焚燒過程中，因其沸點(diǎn)不同，Co、Cr、Cu、Ni主要遷移至底渣中，As、Pb、Zn主要遷移至底渣和飛灰中，Cd主要遷移至飛灰中，Hg主要遷移至飛灰和煙氣中（趙曦等，2015），即垃圾中的重金屬隨煙氣排入周邊環(huán)境的從易到難依次為：Hg>Cd>As、Pb、Zn>Co、Cr、Cu、Ni。這說明重金屬自身的理化性質(zhì)決定了重金屬的遷移特征和環(huán)境分布特征。另外，該結(jié)果也提示，Hg和Cd可能存在不同的污染途徑，低沸點(diǎn)的Hg主要以氣態(tài)的形式排入周邊大氣環(huán)境，而Cd、As、Pb、Zn主要通過吸附在顆粒物上隨之排入周邊大氣環(huán)境。這也解釋了在主成分分析時(shí)，Hg與Cd在不同的主成分上有較大的載荷。垃圾焚燒廠排放的氣態(tài)Hg又分為氣態(tài)單質(zhì)汞Hg0和氣態(tài)二價(jià)汞Hg2+，Hg0由于其較高的蒸汽壓和極低的水溶性，可在大氣環(huán)境中停留長達(dá)0.5～2年；Hg2+易溶于水，可隨干、濕沉降到地面，影響局部區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)；而顆粒態(tài)的重金屬一般在排放源的附近沉降下來，主要影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)（Carpi，1997）。

本研究中，Hg與As、Cr、Cu、Zn等元素之間呈顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析結(jié)果也顯示，Hg在第一主成分上具有較大的負(fù)載荷量。這與深圳市清水河垃圾焚燒廠周邊土壤的研究結(jié)果極為相似，該研究認(rèn)為這是由于垃圾焚燒廠排放的Hg和其他重金屬使原自然土壤中微量元素進(jìn)入生態(tài)學(xué)意義上的非平衡穩(wěn)態(tài)，同時(shí)認(rèn)為與Hg的負(fù)載荷相關(guān)的主成分為地形高程，地形對(duì)垃圾焚燒廠Hg的遷移擴(kuò)散起阻擋作用（王俊堅(jiān)等，2011；Wang等，2011）。不過本研究中表層土壤Hg的分布規(guī)律與地形高程無明顯聯(lián)系，但與王俊堅(jiān)等（2011）的研究一致的是，Hg的含量水平與采樣點(diǎn)所處的垃圾焚燒廠上下風(fēng)向存在聯(lián)系。因此，本研究認(rèn)為Hg與部分元素呈顯著負(fù)相關(guān)提示垃圾焚燒廠污染排放對(duì)元素間平衡的改變，Hg在主成分上較高的負(fù)載荷可能提示Hg與垃圾焚燒廠煙氣擴(kuò)散規(guī)律存在一定聯(lián)系，不過其內(nèi)在機(jī)理仍需進(jìn)一步研究探討。

在本研究的各類分析中，Hg均顯示出獨(dú)特的環(huán)境污染特征。本研究認(rèn)為Hg可以作為垃圾焚燒廠污染的指示元素。首先，從源解析角度來看，相比其他重金屬，我國Hg的人為污染來源相對(duì)集中，主要來源于燃煤燃燒、城市生活垃圾焚燒、非鐵金屬熔煉、建筑材料生產(chǎn)、氯堿工業(yè)、溫度計(jì)生產(chǎn)和熒光燈生產(chǎn)等（Zhang等，2015）。就本項(xiàng)目研究區(qū)域而言，周邊10 km范圍內(nèi)基本不存在城市生活垃圾焚燒以外的其他前述污染源。其次，垃圾焚燒廠排放的Hg對(duì)周邊土壤環(huán)境的潛在貢獻(xiàn)率較大。意大利Rimini垃圾焚燒廠煙氣Hg排放量高于Pb和Cd，而周邊土壤Hg含量分別比Pb和Cd低4個(gè)和1個(gè)數(shù)量級(jí)，Hg的潛在污染貢獻(xiàn)率大于Pb（Morselli等，2002）。而對(duì)于一些垃圾焚燒廠來說，盡管垃圾焚燒尾氣Hg排放量低于Pb（鐘山等，2014），但Hg的土壤背景值和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值遠(yuǎn)低于Pb，Hg的污染貢獻(xiàn)率相對(duì)較大。因此，以Hg作為垃圾焚燒廠的重金屬特征污染物更具研究意義。第三，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的結(jié)果顯示，Hg的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度最大。不僅因?yàn)楸韺油寥繦g監(jiān)測值高于歷史背景值，而且是由于Hg的毒性系數(shù)在9種重金屬中最高。因此，在垃圾焚燒廠周邊的土壤重金屬污染調(diào)查中，Hg污染應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。

4　結(jié)論

（1）本研究中的垃圾焚燒廠周邊1.5 km范圍內(nèi)表層土壤中各重金屬的含量水平均滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618─1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（pH 6.5～7.5）。除Hg和Zn分別超出廣東省土壤歷史背景值1倍和2倍外，其余重金屬含量與背景值相差不大。

（2）綜合空間分布特征分析、相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析的結(jié)果，可以將9種重金屬分為4類。Cr、Ni、Cu、Co的分布特征極為相似，且相互之間有極顯著相關(guān)性，結(jié)合聚類分析和主成分分析結(jié)果，其來源主要為土壤母質(zhì)。As、Zn、Pb的空間分布特征具有一定相似性，但相關(guān)性分析和聚類分析顯示元素間聯(lián)系不緊密，結(jié)合主成分分析結(jié)果，其來源與土壤母質(zhì)和多種人類活動(dòng)污染有關(guān)。Cd和Hg的空間分布特征均顯示這兩種重金屬與垃圾焚燒廠存在聯(lián)系，Cd與垃圾焚燒廠存在一定聯(lián)系，而Hg與垃圾焚燒廠存在較強(qiáng)聯(lián)系。

（3）垃圾焚燒廠排放的Hg和Cd對(duì)周邊土壤可能存在不同的污染途徑。Hg主要通過氣態(tài)的形式在環(huán)境中遷移，而Cd則主要通過吸附在顆粒物上，與其他污染來源的重金屬混雜在一起，通過干沉降和濕沉降匯入土壤環(huán)境。

（4）在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，本研究區(qū)域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不高，多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）的范圍為51～269.79，Hg和Cd 對(duì)RI的貢獻(xiàn)率相對(duì)較大，分別為52.33%和18.30%。

（5）垃圾焚燒廠周邊表層土壤Hg具有獨(dú)特的環(huán)境污染特征，在垃圾焚燒廠周邊的土壤重金屬污染調(diào)查中，Hg污染應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。

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Environmental Levels, Spatial Distribution, Sources and Potential Ecological Risk of Heavy Metals in Soils Surrounding A Large Solid Waste Incinerator

ZHAO Xi1, HUANG Yi2, LI Juan1, CHENG Gong1, SONG Lihong1, LU Keding2, NING Chong1
1. Shenzhen Academy of Environmental Sciences, Shenzhen 518001, China; 2. College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Abstracts: The contents of nine selected heavy metals (Cd, Pb, Hg, As, Cr, Cu, Ni, Zn, Co) were determined in the top soils surrounding a large municipal solid waste incinerator (MSWI) in the east of Pearl River Delta. Based on the analyses, the spatial distribution, possible sources and potential ecological risk of the metals were studied. The contents of Cd, Pb, Hg, As, Cr, Cu, Ni, Zn, Co in the top soils were (0.183±0.07) mg·kg-1, (34.8±18.7) mg·kg-1, (0.081±0.028) mg·kg-1, (11.5±9.1) mg·kg-1, (31.5±19.1) mg·kg-1, (17.6±12.3) mg·kg-1, (7.13±4.20) mg·kg-1, (82.4±44.2) mg·kg-1, (3.37±3.08) mg·kg-1, respectively. The mean contents of Hg and Zn were 1 and 2 times higher than their respective background values of Guangdong Province, respectively. Accompanied with Pearson's correlation, hierarchical cluster and principle component analysis, four groups of heavy metals with different spatial distribution were identified: Cr, Ni, Cu, Co originated from lithological sources, Pb, As, Zn were affected by both lithological and human sources (e.g. industrial, agricultural and traffic sources), Cd showed certain spatial correlation with the MSWI, and Hg was strongly related to the MSWI. The range of the potential ecological risk index (RI) of top soil is 51～269.79, of which 52.33% and 18.30% were from Hg and Cd, respectivley. The above results indicated that the unique pollution characteristics of Hg deserve serious attention in pollution monitoring in soils surrounding solid waste incinerator.

Key words:heavy metals; mercury; MSW incinerator; soil; spatial distribution; potential ecological risk

收稿日期：2015-05-06

*通信作者。

作者簡介：趙曦（1982年生），男，工程師，主要從事重金屬和持久性有機(jī)污染物的環(huán)境影響與污染防治研究。E-mail：zhaoxi5257@sina.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41375124）；國家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201309034）；深圳市人居環(huán)境委員會(huì)環(huán)境科研專項(xiàng)基金項(xiàng)目（SZGX2012118D-SCZJ）

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）06-1013-09

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.016