長江沿岸帶某工業園區土壤重金屬空間分布特征及來源淺析

劉萬亮，胡元平，丁余輝，朱晛亭，李定遠，劉 力，翁茂芝，羅 華*

(1.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034; 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430034;3.湖北省自然資源廳，湖北 武漢 430071)

土壤是支撐經濟社會可持續發展的基礎資源，也是生態環境保護的關鍵對象[1]。隨著工農業及城市化的快速發展，各類污染物被排入土壤，造成一系列土壤污染問題。已有研究表明，長江沿線工業區、礦區、農用地的土壤中普遍存在As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬污染[2-4]。重金屬污染具有難降解、長期性、隱蔽性、滯后性等特點[5-6]，已經成為全球許多國家面臨的主要環境問題之一[7-10]，尤其是工業園區的重金屬污染問題更加受到人們關注。前人圍繞長江經濟帶典型工業園區的重金屬污染問題開展了許多研究工作，主要涉及重金屬分布特征、形態、來源、生態風險、污染防治等，例如劉朋超等[11]綜述了長江流域重金屬污染主要來源及分布特征；龔關等[12]探討了湖北省境內長江沿線典型工業區土壤重金屬形態及分布特征；何軍等[13]以長江北岸長江新區為研究區，分析了該區表層土壤重金屬污染狀況及潛在生態風險；朱柳琴等[14]以長江南岸黃石段為研究區，研究了該區表層土壤重金屬分布特征及環境質量情況。

某工業園區位于長江中游沿岸帶，是華中地區重要的以化工企業為代表的工業園區[15]。隨著長年的發展，重金屬已成為該園區土壤中常見的污染指標。按照“共抓長江大保護”要求，當前亟需查清該園區重金屬污染狀況，以便精準有效地開展污染防治，但目前尚未針對該園區開展重金屬污染調查等工作。本文依托湖北省自然資源廳組織實施的某長江沿岸帶水土質量調查評價項目，以某工業園區土壤(深度0～2.0 m)為研究對象，通過分析測定不同深度土壤的重金屬含量，查明土壤重金屬分布現狀和污染程度，并簡要探討重金屬來源及遷移規律，可為長江沿岸帶生態環境保護和修復提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于某沿江城市的長江北岸沿岸帶，面積為26.21 km2。該區地處黃陵山地與江漢平原接壤的丘陵地帶，地貌類型包括低山、丘陵、崗狀平原。區內地質構造較為復雜，構造形跡多被掩蓋，沿江一帶廣泛發育厚約30～50 m的第四系河湖相松散堆積物，丘陵、低山地帶多出露白堊系、古近系—新近系紅層[16]。長江為最大過境客水，自西北向東南流經研究區西南部，岸線長約22 km。研究區受亞熱帶濕潤季風氣候影響，年平均氣溫17.7℃，年降水量1 102.5 mm。區內用地類型主要為建設用地、農用地和其他用地，面積分別為19.30、6.19和0.72 km2。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

在研究區共采集土壤樣298件，其中表層樣259件、深層樣39件。樣品主要采集于工場地和農用地區塊，采集時間避開雨季，采集部位避開溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、人工堆土、糞堆及微地形高低不平處等無代表性地段。采樣深度分為表層0～0.2 m和深層0.2～2.0 m，其中表層樣取樣深度為0.2 m,由2～4個子樣等量混合組成；深層樣利用淺井工程施工采集，每個淺井中采集1件表層樣(取樣深度為0.2 m)和3件深層樣(取樣深度分別為0.5、1.0、1.5 m)。采樣結果顯示，工場地和農用地兩個區塊的采樣密度分別為15～30樣/km2和5～15樣/km2，滿足規范要求。將野外采集的樣品風干后充分混合，采用四分法等量混合為1件樣品，樣重>2 kg，然后用木棍碾壓后過20目篩保存，送實驗室分析檢測。

2.2 樣品測試分析

樣品測試由湖北省地質實驗測試中心(國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心)完成，分析項目包括As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn。樣品經王水消解后，采用原子熒光光譜法(AFS)測定As、Hg。樣品經氫氟酸、鹽酸、硝酸和高氯酸消解后，采用X射線熒光光譜法(XRF)測定Cr，采用電感耦合等離子體全譜直讀發射光譜法(ICP-OES)測定Ni，采用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定Cd、Cu、Pb、Zn。分析過程中采用國家一級標準物質控制準確度，采用土壤一級標準物質監控精密度，各元素合格率均為100%。上述樣品測試要求參照《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》(GB/T 22105—2008)[17-19]、《土壤和沉積物12種金屬元素的測定 王水提取—電感耦合等離子體質譜法》(HJ 803—2016)[20]等標準規范。

圖1 土壤樣品點位圖

2.3 數據處理

3 結果與討論

3.1 水平分布特征

3.1.1總體分布特征

由259件表層樣檢測結果(表1)可知，研究區表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分別為3.36～61.2、0.01～1.14、11.6～460、4.35～57.6、0.03～1.58、6.29～156、11.6～183、19.6～775 μg/g，平均值分別為13.37、0.09、72.24、30.37、0.22、32.79、29.99、93.92 μg/g。與中國土壤(A層)背景值[23]相比，研究區表層土壤重金屬平均值均大于中國土壤(A層)背景值，表明研究區重金屬均出現富集現象，其中Cd明顯富集，其他重金屬較富集。

按照2.3節數據處理方法，求得研究區表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn的背景值分別為10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g，平均富集系數分別為1.26、1.50、0.99、1.02、0.88、1.09、1.10、1.14，表明研究區內土壤中As、Hg較富集，其他重金屬與背景值相差不大。

工場地、農用地與其他類型用地的重金屬含量有一定差距，但平均值差別不大(表1)。在工場地內采集表層樣202件，其中高異常(K≥2.00)樣品有75件，占比37.1%；達到污染風險級別(超過一類建設用地土壤污染風險篩選值)的樣品有2件，占比1.0%，主要表現為Hg、Cd、Pb、Zn污染。在農用地與其他類型用地中采集表層樣57件，其中高異常樣品有21件，占比36.8%；達到污染風險級別的樣品有14件，占比24.6%，主要表現為As、Hg、Cd、Pb污染。

表1 表層土壤重金屬含量統計表

3.1.2剖面分布特征

(1)剖面PM1。該剖面呈NE向展布，主要穿越工場地，土壤類型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣18件，重金屬含量見表2。該剖面土壤中重金屬富集系數為0.20～5.77，主要集中于0.50～1.50，其中As、Cr、Ni較富集，平均富集系數為1.07～1.49；Cd、Hg、Zn較貧化，平均富集系數為0.74～0.93；Cu、Pb與背景值接近。在所有重金屬中，以As最為富集，其平均富集系數為1.49；以Cd最為貧化，平均富集系數僅為0.74。PM1表層土壤重金屬富集系數曲線圖(圖2)顯示，除了As以外，其他重金屬富集系數變化較穩定，在距離長江岸線2.4～2.8 km處，樣品PM1-12—PM1-14具有明顯的As高值異常，其富集系數為1.96～5.77，調查發現這些樣品采自工廠及道路附近的人工草坪地內，As異?？赡芘c外來覆土本身含砷有關。此外，由圖2可以看出，在距離長江岸線0.2 km處，樣品PM1-1中所有重金屬均表現為明顯富集，除了As以外(K=1.17)，其他重金屬的富集系數均為所有樣品的最高值(K=1.34～3.60)；樣品PM1-1平均富集系數為2.07，明顯高于其他樣品，這說明該剖面上重金屬具有向長江遷移、匯聚的特點。

表2 PM1表層土壤重金屬含量統計表

圖2 PM1表層土壤重金屬富集系數曲線圖

(2)剖面PM2。該剖面NE向展布，主要穿越工場地、空閑地、居民生活區及少量城市綠化用地，土壤類型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣12件，重金屬含量見表3。該剖面土壤中重金屬富集系數為0.10～1.53，主要集中于0.70～1.25，其中Zn、As略富集，平均富集系數為1.08～1.11；Cd、Hg、Pb較貧化，平均富集系數為0.76～0.91；Cr、Ni、Cu與背景值接近。PM2表層土壤重金屬富集系數曲線圖(圖3)顯示，在距長江岸線1.0 km處，樣品PM2-5具有顯著的Zn高值異常，其富集系數為2.60，調查發現該樣品位于工廠及道路附近的荒地內，Zn異?？赡芘c后期填土等外源污染有關。此外，距離長江岸線由遠及近，樣品平均富集系數總體表現為升高趨勢(表3)，亦表現出重金屬向長江遷移、匯聚的特點。

圖3 PM2表層土壤重金屬富集系數曲線圖

表3 PM2表層土壤重金屬含量統計表

(3)剖面PM3。該剖面順長江岸線呈NW向展布，距長江岸線<0.4 km，主要穿越工場地、荒地、林草地等，土壤類型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣22件，重金屬含量見表4。該剖面土壤中重金屬富集系數為0.32～5.83，主要集中于0.80～2.50，除了As、Cr、Ni含量與背景值差距不大外，其他重金屬均表現為較富集，平均富集系數為1.14～1.80，說明靠近長江岸線地段普遍存在重金屬富集現象。按照用地類型來劃分，工場地表層樣的平均富集系數為0.88～2.07，農用地與其他類型用地為0.60～1.23，說明工場地重金屬污染程度高于農用地與其他類型用地。PM3表層土壤重金屬富集系數曲線圖(圖4)顯示，在距長江岸線0.4 km范圍內，表層土壤重金屬富集系數變異性強烈，總體表現為重金屬富集狀態；重金屬富集程度的高低與用地類型有關，富集系數高值區大多數位于工場地，少量位于農用地與其他類型用地；各重金屬中，尤以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu明顯富集，表明研究區以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu污染為主。

圖4 PM3表層土壤重金屬富集系數曲線圖

表4 PM3表層土壤重金屬含量統計表

3.2 垂向分布特征

前文分析表明，表層土壤中重金屬趨于向長江岸線方向富集，而且工場地重金屬污染程度更高，因此在距長江岸線0.4 km范圍內選擇工場地的淺井QJ1和QJ2，探討土壤中的重金屬垂向分布特征。在每個淺井中采集4件土壤樣，采樣深度分別為0.2、0.5、1.0、1.5 m，重金屬含量見表5，重金屬含量隨深度變化情況見圖5。QJ1和QJ2具有相似的重金屬垂向分布特征，各重金屬的平均富集系數為1.13～3.89，富集程度由高到低為Cd>Hg>Cu>Pb>Zn>Ni>Cr>As，其中Cd、Hg、Cu、Pb、Zn顯著富集(K=1.87～3.89)，Ni、Cr、As較富集(K=1.13～1.49)。土壤中重金屬含量在深度上變化幅度不大，As、Hg、Ni含量幾乎保持不變；Cr、Cd、Cu、Pb、Zn含量先增大后減小，在0.5～1.0 m深度范圍更加富集，在1.5 m深度處減小到與表層土壤(0.2 m)相當的水平。以上說明工場地土壤以遭受Cd、Hg、Cu、Pb、Zn污染為主，重金屬有向下遷移的累積效應，總體在0.5～1.0 m深度范圍更富集。

表5 代表性淺井土壤重金屬含量統計表

圖5 代表性淺井土壤重金屬含量曲線圖

3.3 污染成因分析

(1)重金屬污染源渠道多樣。前文研究發現工場地污染程度明顯高于農用地與其他類型用地，暗示工業生產產生的污染物是土壤重金屬污染的主要來源，其次是農業生產、居民生活中產生的污染物。研究區屬于長江沿線新興工業區，主要分布有化肥、化工原料、油漆、橡膠等化工企業及混凝土、礦產加工等其他企業，在企業生產過程中不可避免地產生廢氣、廢水、廢渣等工業“三廢”，若污染物未達標排放，必然帶來土壤重金屬污染。同時，研究區東部丘陵區分布有大量農田，以旱地種植業為主，農藥、化肥的使用較為普遍，易于產生重金屬殘留，這是造成研究區農用地與其他類型用地中部分點位重金屬含量超標的重要原因。

(2)污染物遷移路徑暢通。研究區上部地層結構為第四系下更新統云池組+白堊系—新近系紅層或第四系全新統孫家河組+第四系下更新統云池組+白堊系—新近系紅層，其中云池組由粉細砂層和礫石層構成，巖石孔隙大，有利于發生水力聯系。研究區地下水類型主要為潛水，受大氣降水補給，與長江水體交換頻繁，使重金屬污染物更易向長江方向遷移，這是造成長江岸線附近重金屬富集的主要原因之一。

(3)地表徑流系統被破壞。研究區建筑物集中，地面固化程度高，地表徑流通道不暢，雨季時大量雨水就地或就近下滲，其所攜帶的污染物因無法及時向外排泄而逐漸下滲、積累，形成局部富集現象，這是近岸土壤0.5～1.0 m深度范圍內重金屬含量更高的原因之一。

4 結論

(1)研究區259件表層樣檢測結果顯示，表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分別為3.36～61.2、0.01～1.14、11.6～460、4.35～57.6、0.03～1.58、6.29～156、11.6～183、19.6～775 μg/g，背景值分別為10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g。

(2)研究區現階段土壤重金屬污染程度相對較輕，但已出現局部顯著污染，超標重金屬主要為Hg、Cd、Pb、Zn、Cu；工場地重金屬污染程度高于農用地與其他類型用地；在水平方向上，表層土壤重金屬有向長江遷移、匯聚的趨勢，大致距長江岸線0.4 km范圍內污染程度更高；在垂向上，土壤中大部分重金屬有向下遷移、累積趨勢，在地表以下0.5～1.0 m深度范圍內更趨于富集。

(3)研究區污染源主要為工業、農業生產活動產生的重金屬污染物，其遷移規律與區內地層巖性和地下水環境密切相關。