關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬污染研究

曹曉暉,趙宇通,蔣紅麗

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；5.陜西地建土地工程質量檢測有限責任公司，陜西 西安 710021)

1 引言

土壤重金屬污染指的是人為活動導致的土壤中重金屬元素含量升高的現象[1]，其中包括超過背景值的微量污染以及長期累積、遷移等導致的過量污染，重金屬污染已成為威脅人類健康以及生態系統的重要因素[2，3]。

研究表明，土壤重金屬污染的來源主要分為2個方面，第一是自然來源，如成土母質的風化、水力和風力搬運過程中導致的化學遷移等，第二則是人為干擾，如冶金、采礦、農藥施用、交通運輸等[4～6]，這2個方面相比，后者影響較大，其中以冶金和采礦最為嚴重[7]。據估計，全國范圍內，受到重金屬污染的糧食高達1200萬t，造成的經濟損失高達200多億元[8，9]。要想解決土壤重金屬污染問題，控制和消除污染源是關鍵。因此，找到污染源迫在眉睫。

近些年，國內外土壤重金屬污染事件頻頻發生，引起了人們的高度重視，有關冶煉廠區土壤重金屬污染也成了當前研究熱點[10～16]。因此，于2020年4月中下旬，對關中地區某鉛鋅冶煉廠周邊的土壤進行采集、分析測試重金屬含量，并作污染狀況評價，旨在為該區域找到土壤重金屬污染源，并為今后重金屬防護、治理提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

陜西省寶雞市鳳翔縣長青鎮，位于距市區20 km、距縣城12 km的西南部。本研究以該鎮某鉛鋅冶煉廠周邊的土壤作為對象，分析測定土壤中重金屬元素的含量，并對其進行污染研究及評價。

2.2 樣品采集

2020年4月下旬，根據現場的實際調查情況，該冶煉廠所在區域的地形地貌以及土地利用類型確定，采樣點主要分布在冶煉廠的東南和西北2個方向，由于該冶煉廠周邊區域土壤特征相近、土地使用功能相同，因此本研究采用“系統隨機布點法”進行土壤采樣點布設。分別在這兩個方向布設20個土壤采樣點，累計布設40個土壤采樣點。在每個采樣點上采集4個土壤樣品(采樣深度為0～30 cm)，充分混合均勻后，采用“四分法”保留土壤樣品1 kg左右置入自封袋，避免所采集的樣品被外界污染。最終在冶煉廠的東南和西北兩個方向累計采集土壤樣品40個。

將采集完成的土壤樣品帶回實驗室，進行統一轉碼后，置于室溫下的通風、避光環境中，使其自然晾干。將晾干的土壤樣品經過研磨處理后，依次通過2 mm、1 mm、0.149 mm的尼龍篩，并分成3份。1份用來測定土壤的基礎理化性質，1份用來測定重金屬元素Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn、As和Ni的含量，1份留樣保存。

2.3 樣品處理與測試

土壤樣品處理與測試方法如表1所示。

表1 土壤養分測定項目及方法

3 結果與討論

3.1 重金屬元素含量

通過分析測定得出，關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤呈微堿性，pH值范圍為7.76～8.45，平均值為8.24，土壤有機質含量為12.9～57.5 g/kg，平均值為28.4 g/kg。

由表2[17]可知，該冶煉廠周邊土壤中重金屬元素Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn、As和Ni的平均含量分別為0.40、85、26.0、48、0.078、108、12.5、26 mg/kg，在這8種重金屬元素中，除Ni外，其他重金屬平均含量均高出中國土壤元素背景值和陜西省土壤元素背景值，尤其以Cd和Pb最為嚴重，含量分別為陜西省土壤元素背景值的4.26和2.28倍，分別為中國土壤元素背景值的4.12和1.85倍。由表2得出，該冶煉廠周邊土壤中重金屬元素Cd、Pb和Zn的標準偏差和變異系數都較大，說明其在土壤中累積較明顯。

表2 關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬含量

3.2 重金屬元素富集特征

根據地累積污染指數法對該鉛鋅冶煉廠周邊土壤中重金屬污染情況得出的結果如表3所示，從平均值來看，該研究區域土壤僅受到Cd、Pb、Hg 3種重金屬元素的污染，其他重金屬元素的污染并未體現出。然而，從最大值來看，Cd元素在某些區域已經到達中度—強污染水平，Pb和Hg元素達到中度污染水平，Zn、Cu和Cr則達到了輕度—中度污染水平。從采樣區域來看，處于西北方向的土壤整體比東南方向的土壤中重金屬污染要嚴重，其中以Cd和Pb污染最為嚴重，已經達到中度—強污染水平。

表3 地累積污染指數法評價結果

3.3 重金屬元素隨距離變化特征

本實驗通過對距關中某鉛鋅冶煉廠西北方向0～1500 m的表層土壤進行采集，并對Cd、Hg和Pb元素含量進行測定與分析，最終得出這3種重金屬元素含量的橫向分布規律。本實驗采集土壤樣品的具體方法為：在距離關中某鉛鋅冶煉廠西北方向0～400 m，每隔50 m取一個樣點，400～1500 m則每隔100 m取一個樣點，共采集20個土樣。Cd、Hg和Pb元素的含量變化特征如圖1所示。

圖1 冶煉廠區西北方向不同距離元素含量變化特征

由圖1可知，處于關中某鉛鋅冶煉廠西北方向的土壤中，重金屬元素Cd、Hg和Pb的含量隨著距該冶煉廠距離的增加而遞減，距離鉛鋅冶煉廠越近，土壤中重金屬元素含量越高，即受到的重金屬污染越嚴重。在距冶煉廠0～400 m范圍內，Cd、Hg和Pb含量變化的曲線斜率均較大，說明重金屬元素含量變化較大，遞減較快，即衰減急劇，而在距冶煉廠400～1500 m內，Cd、Hg和Pb含量變化的曲線接近水平，即重金屬元素含量變化明顯減慢，衰減趨勢明顯變弱，由此推測，該冶煉廠即為該區域內導致土壤中重金屬元素含量較高的重要污染源。綜上所述，關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤中重金屬元素Cd、Pb、Cu的含量均隨著距污染源距離的增加而減少，重金屬元素含量的衰減具有明顯的階段性。

4 結論

(1)關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤中除Ni之外，Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn和As平均含量均高于中國土壤元素背景值和陜西省土壤元素背景值，尤其是Pb和Cd。相較背景值，8種重金屬元素含量由大到小的順序依次為Cd>Hg>Pb>Zn>Cr>Cu>As>Ni。

(2)地累積污染指數評價結果表明，從平均值來看，該冶煉廠周邊土壤僅受到Cd、Pb、Hg 3種重金屬元素的污染，其他重金屬元素的污染并未體現出。然而，從最大值來看，Cd元素在某些區域已經到達中度—強污染水平，Pb和Hg元素達到中度污染水平，Zn、Cu和Cr則達到了輕度—中度污染水平。

(3)重金屬元素隨距離變化特征分析表明，該冶煉廠周邊土壤中重金屬元素Cd、Pb、Cu的含量均隨著距污染源距離的增加而減少，重金屬元素含量的衰減具有明顯的階段性。

綜上所述，關中某鉛鋅冶煉廠周邊土壤主要受到以重金屬Cd污染為主的多種重金屬復合交叉污染，該冶煉廠周邊的大氣沉降與擴散以及排放的煙塵氣溶膠等或為主要污染源。