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土地资源是地球圈层中生命活动的空间载体，是人类社会可持续发展的重要基础资源，因此土壤资源的保护是环境领域重点关注的对象。由于受到人类活动的广泛影响，全球范围内绝大多数的土壤均受到不同程度的重金属元素污染，涉及耕地、建设用地、海底沉积物等，这些有害重金属元素通过土壤-植物-人体或者土壤-水-人体方式进入人体，危害人体健康，土壤生态环境问题越来越受到政府部门和科研工作者的关注[1-8]。
目前军事地质在生态环境保护方面的研究包括两个方面，一是过去战争对战区环境的遗留影响评估。二是在军事基地内开展的军事训练及武器装备测试对周围生态环境的影响评价[9-10]。近年来对军事活动区的生态环境研究较为广泛，得到了很多学者的关注。国外很早就开展了射击场土壤重金属的环境化学行为、健康风险分析和污染治理与修复技术等方面的研究[11-14]。近些年来，国内学者也相继发表了有关军事环境的研究成果，如含砷高危废旧弹药销毁中易造成水质污染[15]，轻武器射击（步枪或手枪）靶场表层土壤存在重金属元素Pb、Cu、Hg、Sb污染，并且Pb、Cu、Sb具有较高的迁移性和生物利用性，对周围环境和人体健康具有潜在的毒理[16-17]。报废弹药烧毁作业环境废气污染治理研究[18]。由此可见，战场环境弹药的使用和弹药的销毁对所在环境产生了严重的破坏，特别是重金属在土壤中受进一步的风化作用后，在垂向和侧向迁移，会危害到周边土壤、地下水、地表河流水质和农田耕地土壤等，甚至危害人体和家畜健康。因此重金属对土壤的污染越来越引起人们的高度重视。
前人的研究多集中在轻武器射击靶场（步枪或手枪）和报废弹药销毁场地的重金属污染研究方面，对类似高寒山区重武器（火炮、榴弹炮、坦克炮）射击靶场的研究还尚未涉及。由于重武器与轻武器在弹壳材质、火药容量和类型、弹药爆破对土壤的破坏程度等方面截然不同，同时，对于该军事训练场的环境研究仅限于有害生物监测与喷雾器械的应用方面[19]，并未涉及到重武器射击对土壤重金属污染方面。因此，本文通过在西藏某军事训练场炮弹靶场与背景区系统采集土壤样品，并通过试验分析测试其重金属元素含量，利用统计分析原理，对炮弹靶场土壤重金属元素富集特征、污染来源、生态风险等级进行深入研究，从而为军事训练场地土壤环境质量评价和生态修复提供理论支撑。
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本次研究工作区位于西藏某综合军事训练场。隶属于西藏自治区拉萨市当雄县，地处藏北高寒山地，平均海拔4300 m，炮弹靶场面积约0.66 km2，属高原温带季风半湿润气候与高原亚寒带季风半干旱气候的过渡带，气候湿润，日照充足。年平均气温2.1 ℃，土壤类型为砂土和黏土，平均厚度大于5 m，土壤表层主要生长高寒草甸。该军事训练靶场主要开展重武器射击活动，如榴弹炮、坦克炮、火箭炮等。
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本次调查在工作区共采集29件土壤样品，样点间距80 m，采样深度为0—20 cm、采用手持式GPS对采样点进行标定，采用组合样法采集，即一个样品在设计点位20—30 m范围内3—5处多点采集组合而成。为了便于分析和进行对比，采用对比对照的方式采集土壤样品，在炮弹靶场采集25件土壤样品，样品主要采自炮弹着落点附近。在邻近炮弹打击区的东侧背景区采集4件土壤样品作为对照样品（图1）。采集时，避开草根，碎石等杂物。经自然风干、研磨后，过2 mm（20目）的尼龙筛，混合均匀后装入样品带，样品重量大于150 g，最后送往实验室进行分析测试。
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土壤样品的分析测试由国土资源部成都矿产资源监督检测中心完成。严格按照《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130-2006)[20]的要求开展分析测试工作。基本样品分析29件，国家一级标准物质样品分析3件，重复样品分析3件。元素As和Hg采用原子荧光光谱仪（AFS）测定，Cd、Cu、Ni、Pb电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定，Cr和Zn采用X射线荧光光谱仪（XRF）测定。各元素标准物质合格率均为100%；各元素报出率均为100%；各元素重复性检验合格率均为100%（表1）。
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主要运用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0进行数理统计分析工作，利用Origin2021进行图件制作。
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为了比较炮弹打击对土壤中重金属元素含量的影响作用，对研究区炮弹靶场和背景区分别统计重金属元素的地球化学参数，如表2所示。由统计数据可知，炮弹靶场表层土壤pH平均值为7.01，土壤酸碱度为中性，背景区土壤pH平均值为6.47，为弱酸性。炮弹靶场表层土壤8项重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的平均值分别为：0.2、0.021、50.59、46.38、43.89、39.76、23.4、93.92 mg·kg−1。背景区Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的平均值分别为0.35、0.025、23.88、63.73、51.25、23.5、27.7、145.55 mg·kg−1。从研究区各重金属元素含量平均值可以看出，炮弹靶场元素Cd、Pb、Cr和Zn含量低于背景区土壤含量，炮弹靶场As和Cu的平均含量显著高于背景区土壤含量，其中炮弹靶场As的含量是背景区的2.1倍，Cu含量是背景区的1.7倍。
元素含量变异系数可以表征元素含量的数值离散程度大小，在一定程度上可以反映元素受人为干扰的程度，通常分为弱变异（CV＜0.1）、中等变异（0.1≤CV＜1）、强变异（CV≥1）[3-4]。研究区炮弹靶场土壤重金属元素的变异系数（CV）大小顺序为1＞Cd＞As＞Cu＞Zn＞Hg＞Pb＞Cr＞Ni＞0.1。属于中度变异，表明所有重金属元素在炮弹靶场污染程度空间分异性中等，受外界干扰中等，而Cd、As、Cu的变异系数接近0.5，远超其他重金属元素。
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富集因子是评价土壤中相应元素富集程度的重要指标，用于分析和判断人为活动与自然过程对土壤中元素含量的贡献水平[21-22]。一般选用在地壳中稳定存在、化学性质相对惰性、含量相对较高的元素作为参考元素，富集因子的计算公式如下：
式中，EF为富集因子；Ci表示样品中元素i的浓度，单位为mg·kg−1；Cref表示样品中选定的参比元素的浓度；单位为mg·kg−1；Bi表示元素i的背景浓度，单位为mg·kg−1，Bref表示参比元素的背景浓度。由于TFe2O3在土壤形成过程中，化学性质相对惰性，同一地质背景下，其含量较为稳定，炮弹靶场和背景区TFe2O3的变异系数（CV）相等，本次以TFe2O3为参比元素，选择背景区的土壤重金属元素含量均值作为元素背景值。计算所有炮弹靶场土壤样品重金属元素富集因子EF值。按照Sutherland[23]以富集因子划分富集程度，共分为五个等级，无富集（EF＜1.5）；弱富集（1.5＜EF＜3）；中等富集（3＜EF＜5）；中等显著富集（5＜EF＜10）；显著富集（10＜EF＜25）；非常显著富集（25＜EF＜50）极度富集（EF＞50）。
如表3和图2所示，该炮弹靶场土壤Cd富集因子均值为0.7，所有样品Cd为无—弱污染；Hg富集因子均值为1.0，所有样品Hg为无—弱污染；As富集因子均值为2.3，其中16件样品为无—弱污染，占比53.3%，13件样品为中污染，占比43.3%，1件样品为显著污染，占比3.4；Pb富集因子均值为0.9，所有样品Pb为无—弱污染；Cr富集因子均值为1，所有样品Cr为无—弱污染；Cu富集因子均值为1.8，其中23件样品为无—弱污染，占比76.6%，6件样品为中污染，占比20%，1件样品为显著污染，占比3.4%；Ni富集因子均值为1.0，所有样品Ni为无—弱污染；Zn富集因子均值为0.8，所有样品Zn为无—弱污染。以上表明该炮弹靶场重金属As和Cu达到中—显著富集程度，对应污染等级为中度—显著污染，其余重金属元素为无—弱污染，同时As和Cu的富集因子值离散程度远大于其他元素（图3）。
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参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）[24]，炮弹靶区土壤中As含量超过风险值的样品数为23件，超过管控值的样品数为1件；Cd含量超过风险值的样品有4件，Cu含量超过风险值的样品数为1件（图3），其它重金属元素含量均低于相应的风险筛选值。该重武器炮弹靶场表层土壤主要遭受重金属元素As、Cd、Cu的污染，对人类健康产生风险。其中As对人类的健康风险危害最为显著，这可能与炮弹中弹壳和弹药的金属含量有关。
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土壤重金属污染源通常主要由自然背景源、人为源以及自然背景源与人为源的混合源组成。
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土壤是基岩经过一定的物理风化和化学风化作用形成的表层产物。成土母质即基岩的物质成分对土壤的化学成分起到决定作用。成土母质可以作为土壤重金属元素污染的自然源因素。研究区土壤的成土母质岩石主要由酸性火山碎屑岩夹多层安山岩和少量流纹岩组成，同时发育南北向构造断裂，形成区内Cd的强烈富集[24]。前已述及，由于区内Cd的背景值为0.34 mg·kg−1，与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618-2018）[25]中Cd的风险筛选值（0.3 mg·kg−1）接近。因此土壤Cd的污染风险主要由于区内土壤较高的背景值导致，以自然源为主。在地质作用过程中，Cu具有亲硫的地球化学行为，多与硫形成硫化物，如黄铜矿、铜绿等。自然土壤中Cu多以黄铜矿、硫酸铜的化合物，而该炮弹靶场土壤中重金属元素Cu与S无相关关系（图4h），表明Cu的污染更可能为人为源造成。
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炮弹的弹头、弹头碎片和其他相关材料多由金属材质制作而成，炮弹发射出后经过碰撞摩擦，爆炸，形成大量的金属碎片，经降水和土壤的腐蚀淋溶进入土壤中，当其含量超过一定的限值而达到污染土壤。该训练场炮弹靶场土壤的重金属元素As与Cu具有较好的正相关性（R2=0.95）（图4e），炮弹靶场土壤中As和Cu的含量高于背景区域。而As与土壤中的其他重金属元素无显著相关性（图4a、b、c、d、f、g）。说明土壤中As与Cu具有同源性。由于该靶场长期进行炮弹射击活动，发射的炮弹中含有大量的Cu、As等元素，因此该炮弹靶场的土壤中As和Cu的污染主要来源于炮弹等武器装备的试验活动。
前人对国内主要的轻武器射击靶场表层土壤的研究发现，轻武器射击靶场土壤重金属污染主要以元素Pb、Cu、Hg为主。而研究区属于重武器炮弹靶场，土壤重金属的污染以As和Cu为主。与传统轻武器射击靶场的重金属污染元素种类截然不同。轻武器射击靶场主要的射击活动为步枪或者手枪等轻型武器，所消耗的弹药主要为含铅的钢制弹头，含铅钢制弹头在射击出枪膛后，由于撞击变形、摩擦等形成碎块，弹头的表面积增大，进入土壤后更容易遭受风化，造成土壤的污染。而研究区属于坦克炮、榴弹炮、火箭炮等重型武器射击靶场，这些重武器的的火药量和金属材质与轻武器不同，使用了大量覆铜钢制弹壳和含砷火药。因此火炮着落炮炸后造成重金属元素As和Cu污染。炮弹着落后对着落点的土体产生剧烈的爆炸冲击力，造成土壤土质结构松散，加快了土壤的风化淋滤进程，更有利于土壤中部分重金属元素发生迁移，使得表层土壤Cd、Pb、Cr和Zn含量低于背景对照区土壤含量。
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研究区土壤重金属潜在生态风险评价采用Lars Hakanson提出的潜在生态指数法（RI）进行评价[26]。该方法将重金属含量、重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应综合考虑，是目前生态风险评价中较为广泛的方法[22]。
式中，
$ {\mathit{E}}_{\mathit{r}}^{\mathit{i}} $ 为单项重金属元素潜在生态风险指数，$ {\mathit{T}}_{\mathit{r}}^{\mathit{i}} $ 为某重金属元素的毒性相应参数，$ {\mathit{C}}_{\mathit{i}} $ 为某重金属元素的实测值，$ {\mathit{C}}_{\mathit{n}}^{\mathit{i}} $ 某重金属元素的参比值。由于研究区土壤的重金属元素含量的富集贫化主要受成土母质和地质背景的影响，因此，本次采用背景区土壤重金属含量的均值作为参比值。各重金属毒性响应参数为:Zn=1＜Cr=Mn＜Cu=Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40，根据计算结果，将单因子潜在生态危害和总潜在生态风险危害分级（表4）。通过对靶场25件表层土壤样品重金属元素统计分析（表5）可知，该炮弹靶场土壤中Pb、Cr、Cu、Ni、Zn单因子潜在生态风险指数均小于40，为轻微生态风险级别，Cd潜在生态风险指数为8.63—53.53、Hg潜在生态风险指数为23.53—47.06、As潜在生态风险指数为9.3—51.1，存在轻微-中等生态风险。其中Cd中等生态风险指数样品2件（占比8%），Hg中等生态风险指数样品9件（占比36%），As中等生态风险指数样品2件（占比8%）。因此区内土壤主要潜在生态危害重金属元素为Hg、As、Cd。靶场土壤总潜在生态风险指数RI为66.05—142.73，均小于150，存在轻微生态风险。区内长期的军事射击活动导致区内土壤Hg、As、Cd等重金属生态风险。
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（1）该军事训练场炮弹靶场土壤重金属元素与背景区含量差异较大，As和Cu含量高于地区土壤背景值，元素Cd、Pb、Cr、Ni、Zn含量低于地区土壤背景区，元素Hg含量与背景区相近。
（2）与传统轻武器射击靶场重金属以Pb污染为主不同，炮弹等重武器靶场重金属As和Cu达到中—显著富集程度，对应污染等级为中度—显著污染，其余重金属元素为无—弱污染，部分样品重金属元素As、Cd、Cu超过风险值，1件样品重金属As超过管控值。该炮弹靶场重金属Cd的污染主要来源于高背景自然源，而As和Cu的污染主要源于炮弹射击试验活动中碎片弹壳炸裂导致的细碎残片导致。
（3）该靶场土壤以轻微潜在生态风险等级为主，仅Hg、As、Cd部分样品存在中等风险，占总样本数的百分比分别为36%、8%、8%。其主要受靶场射击试验等军事活动影响。
军事训练场炮弹靶场土壤重金属污染特征及生态风险评价——以西藏某训练场为例
Study on characteristics and ecological risks of heavy metal pollution in soil of projectile range in military training ground ——A case of a training ground in Tibet
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摘要: 为了调查军事训练场地重武器炮弹靶场表层土壤重金属污染特征及其潜在生态风险状况，本文以西藏某军事训练场重武器炮弹着落靶区的表层土壤为研究对象，测试分析了（0—20 cm）30件土壤样品中的As、Cd、Hg、Pb、Ni、Cu、Zn等重金属元素。通过空白对照研究和相关数理统计分析，开展炮弹靶场土壤重金属含量、污染风险等级评价、污染源分析和生态风险评价研究。结果表明，该重武器炮弹靶场土壤的重金属元素As和Cu含量显著高于地区土壤背景值。靶场重金属As和Cu达到中度-显著污染，其余重金属元素为无-弱污染，部分样品重金属As、Cd、Cu超过风险值。结合区内土壤重金属背景含量和人为长期的军事活动分析，判断土壤Cd污染主要源于较高的土壤自然背景，As和Cu污染源于靶场炮弹射击人为源。区内土壤重金属生态风险等级以轻微潜在生态风险为主，仅Hg、As、Cd部分样品存在中等风险。Abstract: The article has investigated the characteristics and potential ecological risks of heavy metal pollution in the surface soil of the artillery projectile range in the heavy weapons military training field by analyzing heavy metal（As, Cd, Hg, Pb, Ni, Cu and Zn）content in 30 surface soil samples ( 0 – 20 cm ) collected from a heavy weapons training field in Tibet. By the blank control study and related mathematical statistics analysis, the content of heavy metals in the soil and the corresponding crisis grade were evaluated. The results showed that the content of As and Cu in the soil of the artillery heavy weapons projectile range was Indigenous higher than that of the original soil background. As and Cu in the shooting range reached moderate to obvious indigenous pollution, and the heavy metals were non-weak pollution. As, Cd and Cu in some samples exceeded the risk value. Combined with the soil background and human activities in the area, it was judged that the soil Cd pollution was mainly due to the high natural background, and As and Cu pollution sources were from the shooting source of the projectile in the shooting range.
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Key words:
- military training ground /
- heavy metal pollution /
- ecological risks
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图 2 土壤重金属元素富集程度箱线图
Figure 2. Box diagram of enrichment degree of heavy metal elements in soil
图 3 炮弹靶区土壤重金属元素超标情况
Figure 3. The exceeding standard of heavy metal elements in soil of shell target area
表 1 土壤样品分析方法、检出限、分析质量
Table 1. analysis method, detection limit, analysis quality of Soil sample
指标
Index检测方法
Detect method检出限/（mg·kg−1)
Detection limit标准物质合格率/%
Qualified rate of standard substance重复样合格率/%
Qualified rate of repeated samplesCd ICP-MS 0.03 100 100 Hg AFS 0.0005 100 100 As AFS 0.5 100 100 Pb ICP-MS 2 100 100 Cr XRF 2.5 100 100 Cu ICP-MS 1 100 100 Ni ICP-MS 2 100 100 Zn XRF 4 100 100 
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表 2 研究区表层土壤重金属元素含量（mg·kg−1）统计参数
Table 2. Statistical parameters of heavy metal elements in surface soil of the study area（mg·kg−1）
指标
Index炮弹靶场（25件）Artillery projectile range 背景区（4件）Background area 最小值Minimum 最大值Maximum 平均值Average 变异系数Variable coefficient 平均值Average Cd 0.1 0.62 0.20 0.59 0.35 Hg 0.015 0.029 0.021 0.21 0.025 As 25.2 122 50.39 0.46 23.88 Pb 37.2 66.9 46.38 0.15 63.73 Cr 29.1 56.4 43.89 0.14 51.25 Cu 20.6 116 39.76 0.45 24.03 Ni 18.8 28.8 23.6 0.12 23.70 Zn 71.1 142 93.92 0.21 145.55 Co 7.99 12.5 10.60 0.10 11.18 Mn 497 696 594.96 0.09 792.00 F 455 616 518.60 0.08 521.75 S 88.3 264 158.02 0.31 231.00 TFe2O3 3.8 5.25 4.41 0.08 5.03 pH 6.56 7.4 7.01 0.03 6.47
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表 3 炮弹靶场土壤重金属元素富集程度统计表
Table 3. Statistical table of enrichment degree of heavy metal elements in artillery range soil
EF＜2 2＜EF＜5 5＜EF＜20 20＜EF＜40 EF＞40 Cd 100% 0 0 0 0 Hg 100% 0 0 0 0 As 53.3% 43.3% 3.4% 0 0 Pb 100% 0 0 0 0 Cr 100% 0 0 0 0 Cu 76.6% 20% 3.4% 0 0 Ni 100% 0 0 0 0 Zn 100% 0 0 0 0
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表 4 潜在生态风险评价指标
Table 4. Index of Potential ecological risk evaluation
指数
Index生态危害 Ecological hazard 轻微 Slight 中等 Medium 强 Strong 很强 Very strong 极强 Great $ {\mathit{E}}_{\mathit{r}}^{\mathit{i}} $ ＜40 40—80 80—160 160—320 ＞320 $ \mathrm{R}\mathrm{I} $ ＜150 150—300 300—600 600—1200 ＞1200
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表 5 土壤重金属潜在生态风险指数分级统计表
Table 5. Classification Statistics of Potential Ecological Risk Index of Heavy Metals in Soil
生态危害指数
Ecological Risk Index统计值
Statistic各级样品数
Number of samples at all levels最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Average轻微
Mild中等
Medium强
Strong很强
Very strong极强
GreatEi Cd 8.63 53.53 19.11 23 2 0 0 0 Hg 23.53 47.06 34.24 16 9 0 0 0 As 9.30 51.10 19.65 23 2 0 0 0 Pb 2.92 6.73 3.83 25 0 0 0 0 Cr 1.14 2.20 1.75 25 0 0 0 0 Cu 4.29 24.14 7.82 25 0 0 0 0 Ni 3.39 7.17 4.34 25 0 0 0 0 Zn 0.49 1.31 0.69 25 0 0 0 0 RI 66.05 142.73 91.43 25 0 0 0 0
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