典型復墾工業場地土壤垂直剖面重金屬污染特征及潛在生態風險

徐志豪, 吳 健, 王 敏, 黃宇馳, 鄢忠純, 吳建強, 黃沈發

(1.東華大學 環境科學與工程學院, 上海 201620; 2.上海市環境科學研究院, 上海 200233)

土壤是水體、大氣及各類營養元素和化學物質的過濾器和緩沖器，也為人類提供了生存發展所需的物質基礎[1-2]。在工業化高速發展的進程中，各類污染物不斷在土壤中積累，導致土壤環境質量急劇下降，其中重金屬污染因其生物積累性和毒性危害而備受關注[3-6]。上海市作為全國老工業基地之一，工業發達，隨著城市化的快速推進，土地資源日趨緊張，為緩解人地矛盾，大量工業企業關停并轉，尤其是近年來低效工業用地復墾還耕力度加大，亟需掌握這些工業遺留場地的污染狀況，探明場地土壤重金屬污染特征，以保障人居環境安全和農產品安全。目前，對復墾場地土壤重金屬污染的研究主要集中于礦區周圍[7-9]，而針對城市復墾工業場地的研究相對缺乏[10]。不同于礦山復墾土地，工業場地內的地下儲罐、原輔料輸送管線的“跑冒滴漏”均可能會對場地深層土壤乃至地下水造成污染。而場地復墾過程對土壤環境的擾動[11]也易使下層土壤外露，進而對外界產生潛在危害和影響。因此，本研究利用上海市近年來推進低效工業場地復墾還耕的契機，選擇典型行業的33塊復墾工業場地進行土壤分層采樣檢測，分析其重金屬污染特征及潛在生態風險，以期為此類工業復墾場地管理和治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集、處理與測定

選擇上海市33塊典型復墾工業場地，行業類型主要涉及金屬制品、機械加工、化工等。根據現場踏勘及行業污染特征，結合原企業生產工藝流程，在場地內識別其生產車間、貯存區、廢物處置區等潛在污染區域，每個場地設置3～4個采樣點，采用梅花布點法使用螺旋鉆機采集各采樣點表層(0～0.5 m)、中層(地下水水位以上，1～3 m)及深層(地下水水位以下，3～6 m)土壤混合樣品各500 g左右，裝入采樣瓶封裝[12]。在實驗室室溫自然風干樣品，揀出枯枝落葉、磚瓦塊和垃圾等侵入體，然后將樣品碾碎，全部通過2 mm尼龍篩并充分混合，用瑪瑙研缽進一步研磨，使之全部通過0.149 mm尼龍篩備用。土壤樣品經鹽酸—硝酸—氫氟酸—高氯酸消解后，采用USEPA6010C-2007方法，利用2100DV等離子發射光譜儀對As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn進行檢測；經硫酸—硝酸—高錳酸鉀消解后，采用《GB/T17136-1997》方法，使用NICMA-3000測汞儀對Hg進行檢測。測定過程中，隨機選取10%土壤樣品做平行樣，與樣品測試結果偏差在20%以內，符合質控要求。

1.2 評價方法

1.2.1 內梅羅污染指數法 內梅羅污染指數法是國內外普遍采用的土壤重金屬綜合評價方法之一，不僅能反映不同污染物對環境的綜合污染狀況，還考慮了高含量污染物對環境質量的影響。其計算公式為：

(1)

(2)

式中：Ci——重金屬i的實測含量(mg/kg)；Si——重金屬i的評價標準(mg/kg)，本文采用上海市土壤環境背景值作為評價標準[15]；Pi——重金屬i的單污染指數；Pimax，Piave——重金屬單污染指數的最大值和平均值；PN——內梅羅綜合污染指數。內梅羅綜合污染指數法(PN)評價標準為：PN≤0.7，清潔；0.73.0，重度污染。

1.2.2 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數法[16]側重于多元素間的協同作用，并綜合考慮了重金屬的生態效應和毒理學效應，是綜合反映重金屬對生態環境潛在影響的指標，因此得到了較為廣泛的應用。

(3)

(4)

(5)

表1 修正后的潛在生態風險指數分級標準

2 結果與討論

2.1 土壤剖面重金屬含量分布特征

如表2所示，8項重金屬在復墾工業場地各點位土壤垂直剖面樣品中有不同程度檢出。表層土壤中，重金屬Cd，Cu，Pb和Zn平均含量均高于上海市土壤背景值，分別為背景值的1.4，1.2，1.1和1.3倍，接近于上海市農田、綠地土壤[13,17-21]重金屬平均含量，但低于上海市工業區土壤重金屬含量[3,22-23]。下層(中層和深層)土壤中重金屬平均含量均低于上海市土壤背景值，部分點位存在一定的重金屬累積。各層土壤中重金屬含量檢出含量總體表現為：表層>中層>深層，其中表層和下層土壤中Cr，Cu，Ni和As含量無顯著性差異(p>0.05)；表層和下層土壤中Zn，Hg以及各層土壤間Cd，Pb含量差異顯著，表明場地土壤已受到明顯Zn，Hg，Cd，Pb污染，其中Zn，Hg污染主要在表層富集(p<0.05)。

表2 復墾工業場地土壤重金屬含量統計 mg/kg

注：樣本數n=100； ND表示未檢出。

對比《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)(GB15618-2018)》，8項重金屬平均含量均低于風險篩選值。如圖1所示，17個點位土壤重金屬As，Cd，Cr，Cu，Pb和Zn含量介于篩選值和管制值之間，其中以Cu和Zn超標較為嚴重，最大檢出含量分別為風險篩選值的4.24，4.73倍。各重金屬點位超篩選值比例≤5%，超篩選值樣品主要位于土壤表層，各有1個點位中層土壤檢出As和Cd含量高于篩選值，占比為1%。

2.2 土壤重金屬污染評價

根據公式(1)—(2)，計算典型復墾工業場地土壤垂直剖面重金屬單因子指數Pi和綜合污染指數PN，結果分別如表3和圖2所示。從單因子指數Pi來看，復墾工業場地表層土壤Cd，Cu，Pb，Zn和Hg總體處于輕度污染水平，個別點位Cd，Cu，Zn和Hg達到中度污染水平，占比分別為6%，8%，8%和7%，其中Cd污染程度最大，8個點位達到重度污染水平；下層土壤中各重金屬Pi值有不同程度降低，Pi平均值均位于警戒線以下，呈尚清潔水平。從綜合污染指數PN來看，表層土壤總體處于輕度污染水平，個別點位污染水平較高，中度和重度污染比例分別為16%和12%，中層和深層土壤重度污染比例分別為1%和2%。

圖1 土壤剖面重金屬點位超標情況

表3 內梅羅綜合污染指數評價結果

圖2 土壤重金屬單因子指數分布

對比相關研究，天津大港工業區表層土壤PN值達到4.0以上，污染嚴重，其中以Cd污染最為突出[23-24]；內蒙古某復墾礦區土壤PN值為2.72，各重金屬Pi值均大于1，其中Hg的Pi值為3.48，處于重度污染水平[25]；重慶某制藥企業退役場地表層及下層土壤PN值分別為2.79，1.53，其中Pb和Cu的Pi值居首，分別達到了3.6，2.6[12]。本研究表層、中層和深層土壤PN值分別為1.21，0.78，0.73，低于上述研究結果。此外，與上述研究有所不同的是，Cd和Zn是本研究的主要污染因子，對研究區表層土壤PN值的貢獻率較高，這可能與場地行業類型的差異有關。本研究中，Cd和Zn高含量值主要分布于金屬制品及機械加工，這些企業對重金屬的用量較大[26-27]，尤其是Cd和Zn因其良好的理化特性，常作為其生產、加工工藝的主要原輔材料，因此污染較為嚴重。

2.3 土壤重金屬潛在生態風險

表4 潛在生態風險指數評價結果

圖3 土壤重金屬潛在生態風險系數分布

3 結 論

復墾工業場地土壤重金屬整體風險可控，各項重金屬平均含量低于農用地風險篩選值，部分點位表層Cu，Cd，Hg和Zn污染問題突出，存在一定程度的污染富集和潛在生態風險，考慮到毒性響應因素，則Hg和Cd更應引起關注。根據場地土壤條件及重金屬污染特征，可通過低富集型作物種植等農藝調控和替代種植等措施達到農業安全生產需求[31-32]。