長(zhǎng)江沿岸帶黃石段土壤重金屬元素分布特征及環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

朱柳琴， 盧 鵬， 沈 軍， 劉 徽， 閆 芳， 王 宇， 宋玉龍

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北 大冶 435100)

土壤對(duì)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要支撐作用[1]。隨著城市化和工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，各種各樣的人類活動(dòng)如交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、市政建設(shè)、生活垃圾堆積等，不斷將含有重金屬元素的污染物排入土壤。由于重金屬元素具有隱蔽性、潛伏性、長(zhǎng)期性和不可逆性等特征，使其逐漸在土壤中累積，并通過(guò)大氣、揚(yáng)塵、水體、食物鏈等途徑直接或間接威脅人類的健康甚至生命[2]。因此，研究土壤中重金屬污染特征并采取相應(yīng)的防治措施具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注土壤重金屬污染狀況，開展了相關(guān)研究工作。Benhaddya等[3]采用GIS技術(shù)研究了阿爾及利亞表層土壤重金屬元素的空間分布特征及其污染狀況；朱柳琴等[4]采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)了黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)核心區(qū)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量；王天欣等[5]等采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等方法評(píng)價(jià)了長(zhǎng)春市建成區(qū)表層土壤重金屬元素的空間分布情況及其污染程度；賴書雅等[6]采用多種方法評(píng)價(jià)了南陽(yáng)盆地東部山區(qū)土壤重金屬元素分布特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；杜昊霖等[7]采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)了青藏高原典型流域土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究表明，分析土壤重金屬元素分布特征、評(píng)價(jià)重金屬污染程度可以為提高土壤環(huán)境保護(hù)水平提供依據(jù)。

湖北省黃石市正依托長(zhǎng)江“黃金水道”，以黃石港工業(yè)園、西塞山工業(yè)園、黃石新港物流(工業(yè))園和富池工業(yè)園為重點(diǎn)，著力打造黃石沿江經(jīng)濟(jì)帶。黃石沿江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江沿岸帶黃石段的土壤環(huán)境質(zhì)量要求較高，但目前該區(qū)尚未開展相關(guān)研究工作。為此，本次基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)，研究長(zhǎng)江沿岸帶黃石段表層土壤(0～20 cm)中Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8種重金屬元素的分布特征，評(píng)價(jià)該區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，以期對(duì)該區(qū)土壤污染防治提出對(duì)策建議，助力“長(zhǎng)江大保護(hù)”和“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江沿岸帶黃石段北起黃石長(zhǎng)江大橋，南至富池鎮(zhèn)，沿長(zhǎng)江南岸岸線向南延伸約1 km(圖1)，分為黃石城區(qū)段、西塞段，總長(zhǎng)約30 km，面積約32.42 km2。研究區(qū)用地類型以建設(shè)用地為主(占比78.19%)，農(nóng)用地次之(占比10.94%)，城市綠地(5.64%)、風(fēng)景旅游用地(3.11%)、交通用地(2.12%)等相對(duì)較少。

2 工作方法

2.1 樣品采集與測(cè)試

在研究區(qū)內(nèi)按2.6樣/km2的密度采集表層土壤樣，共采集84件樣品(圖1)。采樣時(shí)，先在樣點(diǎn)周圍20 cm范圍內(nèi)使用竹鏟或竹片采集5件子樣品，然后充分混合子樣品并采用四分法留取1.0～1.5 kg裝入樣品袋，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)試。

圖1 土壤采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution map of soil sampling points

樣品測(cè)試由湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，分析項(xiàng)目為Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg 等8種重金屬元素。樣品測(cè)試執(zhí)行《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[8]、《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 36600—2018)[9]、《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130—2006)[10]等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本次測(cè)試插入8件內(nèi)部監(jiān)控樣品和4件內(nèi)檢樣品，各元素的測(cè)試方法、檢出限如表1所示。各元素測(cè)試數(shù)據(jù)的報(bào)出率、準(zhǔn)確度合格率、精密度合格率及內(nèi)檢合格率均為100%，符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

表1 各元素測(cè)試方法及檢出限Table 1 Test methods and detection limits for each element

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)土壤重金屬元素含量、土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，空間插值和成圖采用ArcGIS完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤重金屬元素含量特征

研究區(qū)表層土壤重金屬元素含量分布情況如表2、圖2所示。各重金屬元素含量差異較大，Zn含量為69.52～1 996.95 μg/g，Ni為16.16～113.05 μg/g，Cd為0.009～36.81 μg/g，Cu為21.49～534.72 μg/g，Cr為44.24～278.43 μg/g，Pb為26.50～795.18 μg/g，As為7.18～119.12 μg/g，Hg為57.30～606.50 ng/g，平均值分別為255.11、38.34、2.57、75.82、106.01、187.57、25.92 μg/g和191.50 ng/g。

圖2 土壤重金屬元素含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metal elements

表2 土壤重金屬元素參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of soil heavy metal element parameters

與鄂州—黃石地區(qū)表層土壤背景值(簡(jiǎn)稱背景值)[11]相比，上述重金屬元素含量平均值均高于背景值；就單樣品而言，Ni含量超過(guò)背景值的樣品占69.05%，Cr含量超過(guò)背景值的樣品占67.86%，其余各元素含量超過(guò)背景值的樣品占比均>85%，說(shuō)明8種重金屬元素在長(zhǎng)江沿岸帶黃石段土壤中均具有一定程度的累積。與《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中規(guī)定的一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(簡(jiǎn)稱篩選值)[9]相比，Ni、Cd、Cu、Pb、Hg含量平均值遠(yuǎn)低于篩選值，As含量平均值略高于篩選值，但低于一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值(簡(jiǎn)稱管制值)；就單樣品而言，Cd、Pb、As分別有4件、16件、19件樣品的含量超過(guò)了篩選值，超標(biāo)率分別為4.76%、19.05%、22.62%，但均未超過(guò)管制值。因此，整體而言長(zhǎng)江沿岸帶黃石段土壤環(huán)境質(zhì)量良好，但需注意控制Cd、Pb、As的排放。

3.2 土壤重金屬元素含量變異系數(shù)

自然條件下，土壤中重金屬元素含量波動(dòng)范圍較小，但是在人類活動(dòng)影響下，重金屬元素含量會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)，從而對(duì)土壤造成不可恢復(fù)性的影響。一般變異系數(shù)越大，說(shuō)明元素在土壤中的含量分布越不均勻，可能受人類活動(dòng)影響越大[12]。由表2可知，Cd、Pb、Cu、Zn屬?gòu)?qiáng)變異型元素(變異系數(shù)>1)，說(shuō)明這4種重金屬元素受人為因素影響較大，應(yīng)給予格外關(guān)注。

3.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.3.1單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是指土壤中某種重金屬元素含量實(shí)測(cè)值和土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值之比[13]，即：

(1)

式中：Pi為重金屬元素i的單因子指數(shù)；Ci為i的含量實(shí)測(cè)值；Si為i的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值。

單因子環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。本次采用一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值[9]作為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，各重金屬元素單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。

表3 土壤單因子環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of soil single-factor environmental quality

依據(jù)單因子指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果(圖3)，Ni、Cu、Hg的Pi值均≤1，表明長(zhǎng)江沿岸帶黃石段土壤的Ni、Cu、Hg環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)(圖3-a)。Cd的單因子環(huán)境質(zhì)量整體為優(yōu)，唯有黃石港鋼鐵廠和西塞山區(qū)政府附近為良(圖3-b)。Pb的單因子環(huán)境質(zhì)量整體為優(yōu)，僅大冶鋼廠、黃石碼頭附近為良(圖3-c)。As的單因子環(huán)境質(zhì)量整體為優(yōu)，黃石港鋼鐵廠—西塞山風(fēng)景區(qū)為良，西塞山風(fēng)景區(qū)核心區(qū)為一般(圖3-d)。

圖3 土壤單因子指數(shù)評(píng)價(jià)圖Fig.3 Evaluation chart of soil single-factor index

3.3.2內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

單因子指數(shù)法只能反映土壤單個(gè)重金屬元素的環(huán)境質(zhì)量，不能全面反映土壤綜合環(huán)境質(zhì)量，而內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法在加權(quán)過(guò)程中避免了權(quán)重系數(shù)中主觀因素的影響，兼顧了單因子指數(shù)法平均值和最高值，可以突出質(zhì)量指數(shù)較高的重金屬污染物的影響，對(duì)土壤中多種重金屬的超標(biāo)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[14]。計(jì)算公式為：

(2)

內(nèi)梅羅綜合環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4。依據(jù)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果(圖4)，長(zhǎng)江沿岸帶黃石段大部分地區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良，面積約26.7 km2，占整個(gè)研究區(qū)面積的82.28%；而黃石碼頭—西塞山碼頭一帶(5.72 km2)的土壤環(huán)境質(zhì)量為一般，占整個(gè)研究區(qū)面積的17.72%。

表4 土壤綜合環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of soil integrated environmental quality

3.4 土壤污染防治建議

研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量一般的區(qū)域分布于黃石碼頭—西塞山碼頭一帶(圖4)，應(yīng)在這些地區(qū)開展土壤污染防治，建議以預(yù)防為主，監(jiān)控廢水、廢氣、廢碴排放和農(nóng)藥、化肥使用，通過(guò)一定的措施改良土壤，推廣使用天然氣等清潔能源。

圖4 土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)圖及污染防治分區(qū)圖Fig.4 Map of soil Nemerow integrated index evaluation and pollution control zoning

(1) 1號(hào)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量一般，建議以預(yù)防為主，做好實(shí)時(shí)監(jiān)控。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)顯示勝陽(yáng)港街道東南側(cè)一帶土壤環(huán)境質(zhì)量一般，單因子指數(shù)顯示該地區(qū)土壤中除Pb外，其余元素環(huán)境質(zhì)量均為優(yōu)。該地區(qū)屬于城市人口密集區(qū)，多分布醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等，Pb的累積可能是由汽車尾氣、城市固體廢棄物排放所致。根據(jù)該地區(qū)土壤理化性質(zhì)和超標(biāo)情況，建議加強(qiáng)對(duì)周圍土壤環(huán)境質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；選擇合適的綠化植物，改善公路兩側(cè)的綠化帶；提倡使用新能源汽車，妥善處置廢棄車輛。

(2) 2號(hào)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量一般，建議控制污染排放，避免重大工程規(guī)劃建設(shè)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)顯示西塞山區(qū)政府一帶土壤環(huán)境質(zhì)量一般，單因子指數(shù)顯示該地區(qū)土壤的Pb、Cd環(huán)境質(zhì)量為良，其余元素為優(yōu)。

該地區(qū)屬于城區(qū)，推測(cè)Pb主要來(lái)源于城市垃圾和汽車尾氣排放，Cd主要來(lái)源于上游工廠排放的廢水和電廠帶來(lái)的顆粒污染物。該地區(qū)為公路、鐵路規(guī)劃用地，交通建設(shè)可能加重土壤重金屬沉淀。因此建議在該區(qū)進(jìn)行場(chǎng)地污染調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、場(chǎng)地分類和修復(fù)治理，并加強(qiáng)對(duì)上游工廠的管控，嚴(yán)格按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制工廠廢料的排放量和排放濃度。

(3) 3號(hào)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量一般，建議以預(yù)防為主，加強(qiáng)監(jiān)控預(yù)警，促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)顯示西塞山區(qū)政府以東—西塞山風(fēng)景區(qū)以西土壤環(huán)境質(zhì)量一般，單因子指數(shù)顯示該地區(qū)土壤As、Cd、Pb環(huán)境質(zhì)量為良，其余元素為優(yōu)。該地區(qū)為煉鋼廠、煉鐵廠、化工廠及村民居住區(qū)，Pb的累積可能是由工廠、汽車排放含鉛廢氣和農(nóng)業(yè)施用化肥導(dǎo)致的；Cd的累積可能來(lái)源于礦石的冶煉、含鎘廢棄物的不當(dāng)處理以及磷肥的施用；As的累積可能是由含砷農(nóng)藥等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用、煤的燃燒導(dǎo)致的。由此來(lái)看，煤炭和農(nóng)藥的使用可能是相關(guān)重金屬污染的主要源頭，因而在該地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)控，鼓勵(lì)使用天然氣等清潔能源，對(duì)高砷煤采取強(qiáng)制性脫砷處理，禁用重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)藥，加強(qiáng)垃圾的回收治理。

(4) 4號(hào)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量一般，建議以預(yù)防為主，做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用植物修復(fù)法提高土壤凈化能力。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)顯示西塞山風(fēng)景區(qū)西側(cè)一帶土壤環(huán)境質(zhì)量一般，單因子指數(shù)顯示該地區(qū)土壤As環(huán)境質(zhì)量為良，推測(cè)As的累積可能是由上游工礦企業(yè)排放導(dǎo)致的。該地區(qū)為西塞山風(fēng)景區(qū)，建議對(duì)該地區(qū)土壤進(jìn)行綜合治理，優(yōu)先種植能強(qiáng)吸收重金屬的植物。

4 結(jié)論

(1) 在長(zhǎng)江沿岸帶黃石段采集了84件表層土壤樣，檢測(cè)顯示Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8種重金屬元素含量分別為69.52～1 996.95、16.16～113.05、0.009～36.81、21.49～534.72、44.24～278.43、26.50～795.18、7.18～119.12 μg/g和57.30～606.50 ng/g，平均值分別為255.11、38.34、2.57、75.82、106.01、187.57、25.92 μg/g和191.50 ng/g。上述重金屬元素含量平均值均高于鄂州—黃石地區(qū)表層土壤背景值，Ni、Cd、Cu、Pb、Hg含量平均值遠(yuǎn)低于一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，As含量平均值略高于該篩選值，但低于一類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值。

(2) 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示長(zhǎng)江沿岸帶黃石段土壤的Ni、Cu、Hg環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)；Cd、Pb、As環(huán)境質(zhì)量整體為優(yōu)，唯有少數(shù)地區(qū)如黃石碼頭、西塞山區(qū)政府、大冶鋼廠、西塞山風(fēng)景區(qū)附近為良。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示長(zhǎng)江沿岸帶黃石段大部分地區(qū)(占比82.28%)的土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良，黃石碼頭—西塞山碼頭一帶(占比17.72%)的土壤環(huán)境質(zhì)量為一般。

(3) 建議在黃石碼頭—西塞山碼頭一帶開展土壤污染防治工作，以預(yù)防為主，監(jiān)控廢水、廢氣、廢碴排放和農(nóng)藥、化肥使用，通過(guò)一定的措施改良土壤，推廣使用天然氣等清潔能源。