河南省濟源市典型地區土壤污染調查評價

劉洪戰

（1. 河南省地質調查院，河南·鄭州 450001；2. 河南省城市地質工程技術研究中心，河南·鄭州 450001）

河南省濟源市典型地區土壤污染調查評價

劉洪戰1，2

（1. 河南省地質調查院，河南·鄭州 450001；2. 河南省城市地質工程技術研究中心，河南·鄭州 450001）

河南省濟源市土壤受污染面積達117.19km2，污染源主要為鉛鋅等金屬礦產選礦冶煉廠。通過對典型地區土壤取樣發現主要污染因子為Pb，結合土壤檢測數據，利用Surfer8軟件的Kriging局部內插值的等值線繪制方法得到土壤表層Pb的水平分布規律，圈定污染分布范圍；將Pb在土壤中不同層位含量的均值繪制成按取樣深度變化的曲線，得到土壤中Pb的垂直分布規律，Pb在土壤垂向剖面上深度為17.23cm處達到土壤環境質量二級標準臨界值。在查明土壤污染分布特征與規律的基礎上，根據土壤環境質量評價標準，進行評價分級，為該地區土壤修復提供技術依據。

土壤污染；分布規律；超標元素；調查評價

土壤污染是一個世界性環境問題，我國的土壤污染問題也日趨嚴重。由于工業生產活動范圍的擴大和程度的加劇，許多工礦區、城市用地也不同程度地存在土壤污染。日益嚴峻的土壤污染形勢對國民健康構成了潛在威脅，已成為影響經濟可持續發展的重大障礙［1，2］。由于土壤污染的隱蔽性、滯后性［3］及土壤污染修復所需的巨大代價，國家在經歷了切膚之痛后，制定了相應的法律法規來保護土壤環境。

濟源市位于河南西北部，是全國重要的鉛鋅深加工基地，已有電解鉛（合金鉛） 企業35家，其中兼粗鉛冶煉的大型企業3家，它們在促進當地經濟發展的同時，對當地的土壤環境及生態安全也帶來了嚴重影響［4］。

為查明土壤中的主要污染物分布規律，在以往的基礎上，選擇濟源市最大鉛鋅加工企業所在地區作為典型調查區，進行區內土壤取樣調查評價。

1　土壤污染調查區范圍

濟源市北部的柿檳村區域鉛鋅冶煉加工企業分布較多，濟源市最大的鉛廠豫光金鉛就分布于此，該區域是調查區土壤重污染中心，土壤類型為超三類土壤，主要污染因子為Pb［5］。為研究該區域土壤中的重金屬分布狀況，分析污染來源、污染途徑和污染程度等，選擇濟源市柿檳村一帶作為典型調查區，面積16km2。運用相關的數理統計和地質統計學軟件分析數據相結合的方法，進行典型區土壤污染調查評價，見圖1。

2　樣品采集和檢測

2.1取樣點布設

圖1　調查區范圍及采樣點分布Fig.1　The survey area and sampling points

參照國家環境保護總局發布實施的土壤環境監測技術規范中農田土壤取樣布點的方法，綜合考慮自然（風向、地貌等）和人為干擾（廠企三廢排放、土地利用類型等）的相關因素，在廠區外圍呈放射性布設剖面取樣點共計42個，取樣間距按50m、100m、200m、300m布置（圖1）；另根據邊界控制原則在外圍增加剖面取樣點10個，共采集剖面樣52組。

2.2取樣方法和檢測

結合以往研究成果［6～8］，采用分層取樣的方法進行土樣采集。取樣時去除表面雜物，在取樣段保證上下均勻采集，土壤樣品原始重量大于1000g，使用標準化的土壤取樣記錄卡用代碼和文字記錄樣品的特征。同時應用Muller地積指數法［9］，對土壤重金屬含量分布現狀及其生態環境質量進行風險評價。研究結果表明：該區域表層土壤中Pb元素污染嚴重，深層土壤中Pb也有不同程度的元素富集現象。為研究土壤元素在垂向上的運移規律，設計垂向剖面深度180cm，表層樣0～20cm，表層以下分別按40～60cm、80～100cm、120～140cm和160～180cm采集土樣。樣品經自然干燥，去除動植物殘留體、礫石、肥料團塊等，研磨過篩達到相應的檢測要求，為研究超標元素Pb的分布規律，對土壤中的含量進行了分析檢測。

3　土壤環境元素的分布

根據土壤垂向剖面取樣方式，按深度分五個取樣段對各土壤元素進行描述統計，參照土壤環境質量標準（GB15618-1995）對土壤環境元素在不同層位的含量進行分析。應用Kolmogorov-Smirnov Test（K-S）檢驗對數據進行正態分布檢驗（P＜0.05），檢驗時取顯著水平α=0.05，使用精確檢驗概率值，若Pk-s＞0.05，則認為數據服從正態分布。參照《土壤環境檢測技術規范》，根據公式N=t2Cv2/m2計算出置信水平為95%、允許相對偏差m=20%條件下，各土壤環境元素在不同層位所需的基礎樣品數量。

Pb元素的統計結果見表1，表層土壤（0～20cm）中Pb元素的平均含量為751.40mg/kg，約為三級標準值的1.5倍，其他層位均未超出土壤環境二級標準；從變異系數來看，各層變異系數范圍在0.49～0.70之間屬于中等變異強度；從基礎樣品數來看，Pb元素在五個層位的取樣數滿足要求。

表1　Pb元素的統計特征值Table 1　Pb statistical characteristics value

4　土壤超標元素的空間分布特征

結合土壤環境質量標準，從土壤元素統計特征值來看，研究區內表層土壤Pb元素的富集程度高，污染較為嚴重。統計性描述從表面上說明了各種土壤元素的含量特征，不能完全反映整個研究區元素的空間分布信息，而運用地質統計學方法可以反映出元素的空間結構性、隨機性、相關性及獨立性。半變異函數即半方差函數，是分析區域化變量空間變異性最為有效的工具之一。

使用GS+5.1軟件計算研究區的半變異函數及參數，并對所有采樣點數據進行空間建模［10］。元素Pb的半變異性分析結果見表2。比較不同模型下兩種元素的擬合度和殘差，確定元素Pb均采用高斯模型擬合。變程是土壤性質存在空間變異結構的最大相關距離，元素Pb的變程較小，說明其受植物吸收、施肥、灌水等小尺度因素影響，導致Pb自身在一個較小的距離范圍內存在相關關系；元素Pb的C0/（C0+C）值小于25%，說明系統具有強烈的空間相關性（即結構性），其變異主要是由結構性因素引起，如氣候、地形、土壤質地等自然因素，目前雖然受到一些施肥、污灌等小尺度因素的影響，但還沒有達到破壞其原有空間格局的程度。

表2　研究區表層土壤元素的半方差函數模型Table 2　Semivariance of topsoil elements in the study area

4.1土壤超標元素的水平分布規律

數據空間相關時，可進行空間插值。前面提到土壤中元素Pb具有一定程度的空間相關性，故取其濃度的空間分布進行具體分析。此處結合GS+5.1軟件和土壤普查階段的檢測數據，利用Surfer8軟件的Kriging局部內插值的等值線繪制方法得到土壤表層Pb的空間分布圖（圖2）。

從元素的空間分布可以看出：鉛廠的東南角為Pb元素的高濃度富集區，以此為中心向周圍遞減，向西、向南遞減較慢。在東北方向的孔山和西南方向的寶峰寺區域，隨地勢增高，污染物濃度明顯降低，說明地勢高對污染物的運移有一定程度的阻隔作用。

圖2　土壤表層（0～20cm）Pb元素的濃度等值線圖Fig.2　Pb concentration contours of topsoil （0～20cm）

4.2土壤超標元素的垂向分布規律

研究區內土壤表層中Pb的濃度明顯高于土壤深層的濃度，元素的空間分布在小尺度范圍內存在較強的變異作用。為研究整個區域內元素的分布規律，將Pb在土壤中不同層位含量的均值繪制成按取樣深度變化的曲線。

Pb元素在土壤剖面中的分布情況見圖3。如圖所示：Pb元素在土壤垂向剖面上的平均含量隨深度增加而降低，趨近于冪函數分布；表層土壤（0～20cm）中Pb元素的平均濃度明顯高于下層土壤，具有表層富集現象；土壤普查階段確定Pb元素的環境背景值為30.67mg/kg，Pb元素在0～20cm、40～60cm、801～100cm層位的平均含量超出背景值；根據土壤環境質量二級標準，Pb元素的臨界值為350mg/kg，由趨勢線推測Pb元素在土壤深度為17.23cm時達到土壤環境質量二級標準臨界值。

圖3　土壤中Pb元素的垂向分布圖Fig.3　Pb vertical distribution in soil

5　結論

通過調查研究，查明區土壤環境元素均有不同程度的超標現象，而元素Pb的富集最為顯著，土壤表層元素的含量已超出土壤環境質量三級標準。

水平方向上，鉛廠的東南角為元素Pb的高濃度富集區，以此為中心向周圍遞減，向西、向南遞減較慢。在東北方向的孔山和西南方向的寶峰寺區域，隨地勢增高，污染物濃度明顯降低，說明地勢高對污染物的運移有一定程度的阻隔作用。

垂向剖面上，鉛在0～20cm、40～60cm、80～100cm層位的平均含量超出背景值。根據趨勢線推測，Pb在土壤垂向剖面上深度為17.23cm處達到土壤環境質量二級標準臨界值。

通過對典型地區土壤化學特征、污染因子及其在水平、垂直方向的分布特征與規律的分析，為該地區土壤修復提供了基礎技術依據。

建議下步選擇典型地塊作為示范區，進行土壤污染修復治理研究，為大規模治理提供參考。根據以往研究成果［11，12］，污染修復治理可采用植物修復法，其中野菊花［Dendranthema indicum （L.） Des Moul.］、旋鱗莎草［Cyperus michelianus （L.） Link］、五節芒［Miscanthus floridulus （Labill.）Warb. ex Schum. et Laut.］3種植物對Pb向地上部轉運能力較強，對污染土壤有一定的修復潛力。

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Evaluation of a soil pollution survey in a typical area of Jiyuan City, Henan Province

LIU Hong-Zhan1,2
（1. Henan Institute of Geological Survey， Henan Zhengzhou 450001， China；
2. Research Center of Urban Geological Engineering Technology of Henan Province， Henan Zhengzhou 450001， China）

An area of contaminated soil covering 117.19 km2 exists in Jiyuan， Henan. The polluting sources are mainly smelting plants for Pb-Zn and other metallic minerals. The main polluting element is Pb， according to soil sampling and test data from a typical area. This paper uses data on the Pb contamination of topsoil， and delineates its horizontal distribution by interpolating the contours with a local Kriging method， using Surfer8 software. In the vertical section， the secondary standard threshold for Pb content is reached at a depth of 17.23 cm， according to the depth curve. This work establishes the characteristics and distribution pattern of the soil pollution， evaluates and classifies the pollution according to the assessment standards for soil environmental quality， and provides basic parameters for soil restoration.

soil pollution； regularities of distribution； overproof chemical element； survey and evaluating

X142

A

2095-1329（2016）03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.017

2016-01-14

2016-02-29

劉洪戰（1965-），男，高級工程師，主要從事水文地質與環境地質研究.

電子郵箱: 695636629@qq.com

聯系電話: 0371-60131768

河南省地質科研類項目“濟源市重金屬污染土地修復治理研究”（258）