優先控制因子分析下土壤重金屬污染風險與修復研究

陳小娟

關鍵詞：優先控制因子；土壤重金屬；污染風險；土壤污染修復

中圖分類號：X820.4 文獻標志碼：B

前言

目前，土壤污染源的數量隨著土地資源利用率的提高而增加。其中，由工業企業生產和人為活動導致的重金屬污染問題最為嚴重，導致了污染場地存在金屬陽離子和金屬陰離子共存的復雜重金屬復合污染特征。此外，污染物濃度較高，不僅對場地造成嚴重污染，還構成了周邊生態環境的潛在風險。研究旨在通過分析研究區域內土壤重金屬污染水平，將金屬含量水平與縱向分布特征與優先控制因子分析法相結合，探究重金屬對土壤的污染指數。根據土壤重金屬污染風險劃分標準，確定研究區域內的金屬污染等級，以采用具有針對性的土壤污染修復措施。希望通過對于不同來源下土壤金屬對環境風險的貢獻的定量評價與土壤重金屬污染修復技術的設計，能夠在源頭上降低金屬污染程度，改善生態環境。

1材料與方法

1.1研究區概況

現有試驗地塊位于某城區東北部平原過渡帶，研究區土地區劃圖見圖1。

西北側為相對肥沃的沖積平原，東南側為低山丘陵區，野生資源較為豐富；地塊周圍存在一個流速為42 km的河灣，呈半封閉形狀；該區域屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫60C～8℃，四季濕潤；年最大降水量為856 mm，無霜期長達150天；地塊所在轄區面積1256.7 km²，耕地面積12 548 hm²。試驗選擇的試驗地塊位于轄區水土保持生態功能區內，是重點保護和限制開發區。因此，對于工業生產相關項目具有較高的環境準入條件，形成了主要來自工業企業和農業的土壤重金屬污染特征。

1.2土壤樣品采集

研究中在供試地塊中選取了8個典型綠地土壤作為研究對象，點位數量為162個，一個土壤樣本采集單元由大約500m²的耕地組成，每個采集單元按扇形分布方式設置8個采樣點。土壤采集深度根據土壤表面到底部的距離進行劃分，共分為五層，依次為0 cm～10 cm、10cm～20 cm、20 cm～30 cm、30cm～40 cm和40 cm～50 cm，每層重0.5kg。將每層土壤混合均勻，采用二元法取0.3 kg作為取樣點的混合樣品。根據上述土壤采樣點布置方法，在距離研究區約3 km的耕地上采集4層原狀土，采用二元取樣法，取每層土壤約0.3 kg作為土壤取樣點的對照樣品。

1.3研究方法

根據勘探樣品的分析方法，對土壤中的重金屬元素進行檢測。為便于分析，設定土壤樣品中鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（AS）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鋅（Zn）8種重金屬元素的檢出上限分別為0.65、0.006、0.008、0.125、3.201、0.754、0.954和0.451mg/kg。對土壤樣品重金屬元素污染風險的分析采用有限控制污染因子分析法，對核心區土壤污染趨勢進行特征分析，確定優先控制污染因子，進而制定相應的重金屬污染修復措施。

2土壤重金屬污染風險分析

2.1土壤重金屬含量水平分析

利用上述測定方法對土壤樣品進行重金屬檢測，8種風險重金屬在表層土壤中均有檢出，檢測結果統計見表1。

由表1中數據可知，鎘、銅、鋅的最大檢出量分別為156.31 mg/kg、256mg/kg、256.38mg/kg，分別超出對應允許值（123mg/kg、105 mg/kg、200 mg/kg）的1.27倍、2.44倍和1.28倍，均屬于中等變異，點位超標率也位列前三。說明在該研究地塊中，鎘、銅、鋅的含量水平相對較高，存在較大的生態風險。

2.2土壤重金屬垂直分布特征分析

在上述基礎上，分析鎘、銅、鋅三種重金屬的垂直分布特征。考慮到研究區域內的表層土壤的酸堿度主要呈現出弱酸性，因此，根據現行土壤環境質量評價標準，分析這3種重金屬在土壤中的縱向分布特征，結果見圖2。

如圖2所示，對照組銅的含量隨著土壤垂直剖面深度的增加而緩慢增加，在20 cm土壤處達到峰值，鎘和鋅的含量均隨著土壤深度的增加而呈現出先下降后增加的趨勢。研究組的鎘與銅的含量變化趨勢不明顯，且整體含量較低，均在40 mg/kg以下，而鋅元素的含量變化幅度較大，在表層土壤到30 cm深度范圍內，其含量區間為18～56mg/kg，表明其遷移能力在深層土壤中較強。研究區表層土鎘、鋅的含量要遠大于深層土，且鋅元素具有表聚性。綜上可知，鎘、銅、鋅三種重金屬的分布特征較為顯著，使得研究區域的重金屬污染指數較高。

2.3基于優先控制污染因子的土壤重金屬污染風險計算

結合核心區土壤重金屬污染特征，選擇鎘、銅和鋅作為層次分析的方案層（C），將研究區域不同深度土壤作為準則層（B），將優先控制污染因子選擇作為目標層（A），建立優先控制污染因子選擇層次結構模型。根據研究區域土壤斷面的管轄級別與敏感程度等因素，計算各取樣點單因子指數，通過單因子指數值的分級標準確定單一金屬污染物對土壤的污染程度。單一因子指數的計算公式為式（1）：

根據計算結果對其劃分，設計土壤重金屬污染風險分級標準。當污染綜合指數≤0.7時，其污染程度為安全，重金屬污染等級為1級；當污染綜合指數在0.7～1.0之間時，其污染程度為警戒，重金屬污染等級為2級；當污染綜合指數在1.0～2.0之間時，其污染程度為輕污染，重金屬污染等級為3級；當污染綜合指數在2.0～3.0之間時，其污染程度為中污染，其重金屬等級為4級；當污染綜合指數>3.0時，其污染程度為重污染，其重金屬污染等級為5級。計算研究區域內8種重金屬的綜合污染指數，確定土壤重金屬污染風險等級。各項重金屬對土壤的污染指數從高到低依次為Cu、Ni、Pb、Cr、Zn、As、Cd、Hg，其中Cu和Ni對土壤的污染風險等級為中污染。表明在后期對該研究區域土壤重金屬污染進行處理修復時，應優先考慮治理Cu、Ni污染。

3土壤重金屬污染修復方法

基于上述結果，治理與修復該區域內土壤重金屬污染，并以土壤重金屬的去除效果為評估指標，以驗證采用的土壤污染修復技術的可行性。

3.1土壤改良修復實驗

用于修復的試驗土壤取自上述研究區域中心采樣點的農田土壤，改良劑包括沸石、磷礦粉、鈣鎂磷肥、豬糞以及蘑菇渣等五種。定量稱量試驗土壤，分別按10%和20%的比例添加改良劑，充分混合，將樣品置于人工氣候箱中，在25℃和60%濕度下培養，為每個樣品設置三個平行實驗。在第15天、第30天和第45天采集所有樣本，并使用優先控制污染因子法分析土壤中的重金屬形態。

將4.5 kg的風干土壤添加不同比例的改良劑，混合后將電離水和乙醇添加到試驗地塊最大含水量的50%。盆栽試驗在室溫下平衡三周后開始。實驗中改良劑的用量水平見表2。

根據表2，在盆栽土壤中添加不同比例的改良劑，共進行了5次處理，包括未添加融合改良劑的對照土壤。將獲得的土壤樣品自然風干，在研缽中研磨，并分別通過30目和50目篩網，用于隨后的重金屬去除率分析。

3.2改良修復結果分析

使用火焰原子吸收分光光度計測定經改良修復實驗后土壤中的重金屬含量，并計算土壤重金屬去除率，公式為式（3）：

分別利用表2中5種配比的改良劑修復實驗土壤，利用式（3）計算經過修復后土壤的重金屬去除率，以確定使得土壤修復效果最佳的改良劑配比，結果見圖3。

如圖3所示，處理水平為A的改良劑獲得的土壤重金屬去除效果最好，對于土壤中的Cr、Cu和Zn的有效去除率均達到了80%以上，其次為E處理水平，對重金屬去除率不低于70%。相比之下，處理水平為B、C、D三種配比的改良劑的土壤修復效果較差。對比表2可知，處理水平為A和E的改良劑中，沸石與蘑菇渣的施用水平均為4，說明改良劑中沸石與蘑菇渣的用量的提高能夠實現土壤重金屬的最大去除，可有效實現土壤重金屬污染的修復。由此可知，當改良劑中沸石與蘑菇渣的用量水平為4時，能夠取得最佳修復效果。

4結束語

隨著環保意識的提升，人類越來越關注生態環境污染，并采取措施加以防治，以改善環境質量。文章以優先控制因子分析方法為核心，選用實際試驗地塊為研究背景，通過對土壤取樣及重金屬含量的測定，分析土壤重金屬污染風險等級，并結合污染區的概況，采用混合改良劑鈍化方法對研究區域內土壤進行修復，結果表明，該方法可對土壤中的重金屬污染進行科學評估，且對于土壤重金屬去除效果良好，能夠達到改良修復土壤的目的。