重要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域土壤重金屬污染特征及來源分析

李?yuàn)檴櫍?譚光超， 彭曉晨， 虞昊哲， 柳曉晨， 王萬里

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

江漢平原西部位于長江中游、湖北省中南部，面積27 996 km2，是中國三大平原之一的長江中下游平原的重要組成部分。江漢平原土地肥沃，人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，一直是湖北省乃至全國的糧、棉、油生產(chǎn)基地。近30年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加之地質(zhì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)不強(qiáng)，區(qū)內(nèi)水生態(tài)惡化，土壤質(zhì)量降低，污染日益嚴(yán)重，人居環(huán)境和糧食安全等受到嚴(yán)重影響。為了研究不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域土壤重金屬的污染狀態(tài)，本研究采用調(diào)查取樣的方法，以污染行業(yè)企業(yè)周邊、油田采礦區(qū)周邊、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場周邊、集中式飲用水源地保護(hù)區(qū)、果蔬種植基地等需要重點(diǎn)關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的農(nóng)用地土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行測試分析，參考湖北省土壤背景值，結(jié)合國家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018試行)中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，運(yùn)用單因子污染指數(shù)及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)等方法評(píng)估該地區(qū)重金屬的污染狀況。同時(shí)，利用多元統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究土壤重金屬的空間分布特征并對(duì)重金屬的可能來源進(jìn)行分析，以期為江漢平原西部土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)控提供科學(xué)依據(jù)[1]。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)及采集

本次土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位共布設(shè)150個(gè)，其中污染行業(yè)企業(yè)(含工業(yè)園)周邊95個(gè)，固廢集中處理處置場周邊12個(gè)，油田采礦區(qū)3個(gè)，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場周邊12個(gè)，集中式飲用水源地保護(hù)區(qū)13個(gè)，果蔬種植基地15個(gè)，形成了較為完善的土壤環(huán)境質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

為獲取研究區(qū)土壤樣品，于2016年和2017年在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位周邊農(nóng)田50 m×50 m范圍內(nèi)取5個(gè)點(diǎn)，采集土壤表層0～20 cm土壤混合制成樣品。空間位置參見圖1。各金屬總量測試方法參考《土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)——農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)。

1.2 樣品測試與分析

土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，研磨前去除碎石與植物殘?bào)w等雜物，過200目篩后裝袋備用。采用pH計(jì)測定土壤樣品的pH(水土比2.5∶1)，經(jīng)過HNO3-HC1-HF-HC1O法消解后，供6種重金屬項(xiàng)目測定：原子熒光光譜法(HG-AFS)測定土壤As、Hg含量，石墨爐原子吸收分光光度法(GF-AAS)測定Cd、Pb含量，火焰原子吸收分光光度法(F-AAS)測定Cu、Cr含量。樣品分析所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，分析過程采用國家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行全程質(zhì)量控制，測定結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)。本次研究數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0、Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of sampling point1.工業(yè)企業(yè)；2.規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖基地；3.油田采礦區(qū)；4.果蔬種植基地；5.集中式飲用水源地。

1.3 評(píng)價(jià)方法

研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1) 單因子污染指數(shù)法。通過計(jì)算土壤中單因子的污染指數(shù)來確定其在土壤中的污染程度，土壤單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù)；Ci為土壤中污染物i的實(shí)測含量；C0i為土壤中污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。本文采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：P為土壤綜合污染指數(shù)；I為土壤中污染物i的污染指數(shù)；n為參與評(píng)價(jià)的污染物的指標(biāo)個(gè)數(shù)；Imax2為土壤中污染指數(shù)最大值的平方。

表1 土壤重金屬污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of heavy metal pollution index in soil

單因子污染指數(shù)法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一，是對(duì)土壤中的某一污染物的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴(yán)重的污染物給環(huán)境造成的危害。依據(jù)單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法可將土壤重金屬污染劃分為5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)

表2 研究區(qū)土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of heavy metals in soils of research areas

研究區(qū)150個(gè)土壤樣品測試結(jié)果表明，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu的平均含量為0.53、0.04、10.07、27.54、78.26、40.40 mg/kg，其中Cd、Pb、Cu均高于湖北土壤背景值。不同元素超出背景值的程度不同，重金屬含量與背景值比值大小依次為Cd>Cu>Pb>Cr>As>Hg。Cd元素與Cu元素超出土壤背景值的樣品比例高于70%，尤其以Cd元素最為顯著，達(dá)到94.67%，說明在人類活動(dòng)影響下，呈現(xiàn)出一定程度的富集。

變異系數(shù)可以表征數(shù)據(jù)的離散程度，變異系數(shù)越大，表明土壤重金屬分布受到干擾活動(dòng)越強(qiáng)。從表2可以看出，6種重金屬平均變異程度大小順序?yàn)镠g>Cd>As>Pb>Cu>Cr。其中Hg、Cd、As的變異系數(shù)均在0.9以上，說明研究區(qū)這3種重金屬元素相對(duì)于其他重金屬元素來說具有更強(qiáng)的空間變異性，更易受到人類活動(dòng)的影響。

2.2 不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位土壤重金屬分布特征

由表3可見，研究區(qū)不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位的土壤重金屬含量相差較大。除As外，Cd、Hg、Pb、Cr、Cu的最大含量均出現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)周邊，其中Cd的平均含量超過背景值[2]的4.58倍。Cd、Pb、Hg、Cr等元素是指示城市環(huán)境中人為活動(dòng)改變局部土壤環(huán)境成分的重要標(biāo)志，在有化工、冶金、印染、電鍍等工廠存在的地區(qū)，其附近土壤都會(huì)發(fā)生有關(guān)元素的顯著富集；油田開采區(qū)由于石油開采添加劑中含有大量重金屬，導(dǎo)致Cd、As元素超過背景值的5.12倍、3.10倍；果蔬基地由于化肥、農(nóng)藥等施用以及使用污水灌溉等原因造成Cd、Pb、Cu超過背景值的4.05倍、1.05倍、1.14倍；規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖周邊土壤由于飼料中的重金屬隨糞便和尿液排出后污染導(dǎo)致Cd、Cu超過背景值的3.23倍、1.46倍；集中式飲用水源地由于環(huán)境保護(hù)政策等原因受人為活動(dòng)影響較小，重金屬均未超過背景值。

表3 研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位土壤重金屬元素含量水平比較(單位：mg/kg)Table 3 Comparison of heavy metals contents in soils at risk points in the study area

2.3 不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

圖2 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域重金屬污染程度Fig.2 Heavy metals pollution in risk areas

由圖2可知，部分區(qū)域的Cd、As數(shù)值超過1，也就是出現(xiàn)了污染情況。規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖基地的Cd元素出現(xiàn)輕微污染；油田采礦區(qū)周邊的As元素出現(xiàn)了輕微污染；工業(yè)企業(yè)的Cd元素出現(xiàn)了輕微污染。通過以上分析，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖基地、油田采礦區(qū)周邊、工業(yè)企業(yè)區(qū)域都出現(xiàn)了輕微污染，主要超標(biāo)元素為Cd和As。

由圖3可知，綜合污染指數(shù)表明江漢平原西部土壤狀況較好，大部分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的點(diǎn)位土壤仍處于尚清潔狀態(tài)，僅工業(yè)企業(yè)的點(diǎn)位出現(xiàn)了輕微污染狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生含有Cd、As、Hg和Pb等重金屬粉塵、廢氣和廢渣等，通過堆放或干濕沉降的方式導(dǎo)致工業(yè)區(qū)土壤重金屬含量增加，且工業(yè)區(qū)大多交通便利，交通運(yùn)輸過程中因汽車輪胎老化、磨損而使得Cd、As等金屬富集程度較高[3-4]。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域重金屬污染程度Fig.3 Heavy metals pollution in risk areas

2.4 不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位土壤重金屬相關(guān)性及主成分分析

對(duì)研究區(qū)不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域土壤重金屬因子進(jìn)行皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析，結(jié)果如表4所示。其中，Cd、Cu和Cr，Cr、Cu和Pb，Hg和Pb，Hg和As之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)較大的重金屬為Cu-Pb(P<0.01，r=0.68)、Cu-Cd(P<0.01，r=0.66)、Hg-Pb(P<0.01，r=0.59)、Cu-Cr(P<0.01，r=0.58)，其余重金屬之間的相關(guān)系數(shù)均<0.4。說明這幾種具有正相關(guān)關(guān)系的重金屬之間可能具有相同的污染來源。

主成分分析結(jié)果如表5所示，土壤中6種重金屬的全部信息基本可以由2個(gè)主成分(特征值：3.224+1.994=5.218)反映73.63%，基本包含了全部數(shù)據(jù)的大部分信息。主成分1的方差貢獻(xiàn)率為53.73%，Cd、Cr、

表4 土壤重金屬之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Rlationship between heavy metals in soil

注：**表示相關(guān)系數(shù)在0.01水平上顯著；*表示相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著。

表5 土壤重金屬元素因子載荷Table 5 Heavy metal element factor load in soil

Pb、Cu的因子載荷分別達(dá)到了0.770、0.710、0.881、0.892。這些元素的平均值明顯超過了湖北土壤背景值，因此考慮其主要受人類活動(dòng)影響。研究區(qū)監(jiān)測的工業(yè)企業(yè)類型多為化工、機(jī)械、印染、冶煉等涉及重金屬排放的企業(yè)，其廢水、廢氣污染物進(jìn)入周邊土壤可能引起部分重金屬超標(biāo)。主成分2的貢獻(xiàn)率為19.90%，As的載荷因子達(dá)到了0.796，整體處于無污染狀態(tài)，部分點(diǎn)位受到輕微污染。此外，發(fā)現(xiàn)As的污染分布在不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域但集中在仙桃及洪湖地區(qū)。據(jù)此判斷，土壤中As主要受成土母質(zhì)的影響，這和江漢—洞庭平原地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告(湖北)中的結(jié)論一致[5]。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)5種風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域周邊土壤重金屬污染程度及分布特征進(jìn)行研究得出：江漢平原西部風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域土壤重金屬呈現(xiàn)出一定程度的富集，其中Cd超標(biāo)嚴(yán)重；工業(yè)企業(yè)周邊土壤重金屬含量在一定程度上高于其他風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，污染最為嚴(yán)重，其次是油田采礦區(qū)土壤，集中式飲用水源地則未出現(xiàn)污染；多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，Cd、Cu和Cr，Cr、Cu和Pb，Hg和Pb，Hg和As之間有顯著的相關(guān)關(guān)系，其中Cd、Cr、Pb、Cu受到人類活動(dòng)的影響，As主要受成土母質(zhì)的影響。土壤重金屬污染程度的評(píng)價(jià)及分析對(duì)多個(gè)行業(yè)都具有重要參考價(jià)值，但土壤中往往同時(shí)存在重金屬及有機(jī)污染，其復(fù)合污染特征需要進(jìn)一步探討[6]。