河南省济源市典型地区土壤污染调查评价

刘洪战

（1. 河南省地质调查院，河南·郑州 450001；2. 河南省城市地质工程技术研究中心，河南·郑州 450001）

河南省济源市典型地区土壤污染调查评价

刘洪战1，2

（1. 河南省地质调查院，河南·郑州 450001；2. 河南省城市地质工程技术研究中心，河南·郑州 450001）

河南省济源市土壤受污染面积达117.19km2，污染源主要为铅锌等金属矿产选矿冶炼厂。通过对典型地区土壤取样发现主要污染因子为Pb，结合土壤检测数据，利用Surfer8软件的Kriging局部内插值的等值线绘制方法得到土壤表层Pb的水平分布规律，圈定污染分布范围；将Pb在土壤中不同层位含量的均值绘制成按取样深度变化的曲线，得到土壤中Pb的垂直分布规律，Pb在土壤垂向剖面上深度为17.23cm处达到土壤环境质量二级标准临界值。在查明土壤污染分布特征与规律的基础上，根据土壤环境质量评价标准，进行评价分级，为该地区土壤修复提供技术依据。

土壤污染；分布规律；超标元素；调查评价

土壤污染是一个世界性环境问题，我国的土壤污染问题也日趋严重。由于工业生产活动范围的扩大和程度的加剧，许多工矿区、城市用地也不同程度地存在土壤污染。日益严峻的土壤污染形势对国民健康构成了潜在威胁，已成为影响经济可持续发展的重大障碍［1，2］。由于土壤污染的隐蔽性、滞后性［3］及土壤污染修复所需的巨大代价，国家在经历了切肤之痛后，制定了相应的法律法规来保护土壤环境。

济源市位于河南西北部，是全国重要的铅锌深加工基地，已有电解铅（合金铅） 企业35家，其中兼粗铅冶炼的大型企业3家，它们在促进当地经济发展的同时，对当地的土壤环境及生态安全也带来了严重影响［4］。

为查明土壤中的主要污染物分布规律，在以往的基础上，选择济源市最大铅锌加工企业所在地区作为典型调查区，进行区内土壤取样调查评价。

1　土壤污染调查区范围

济源市北部的柿槟村区域铅锌冶炼加工企业分布较多，济源市最大的铅厂豫光金铅就分布于此，该区域是调查区土壤重污染中心，土壤类型为超三类土壤，主要污染因子为Pb［5］。为研究该区域土壤中的重金属分布状况，分析污染来源、污染途径和污染程度等，选择济源市柿槟村一带作为典型调查区，面积16km2。运用相关的数理统计和地质统计学软件分析数据相结合的方法，进行典型区土壤污染调查评价，见图1。

2　样品采集和检测

2.1取样点布设

图1　调查区范围及采样点分布Fig.1　The survey area and sampling points

参照国家环境保护总局发布实施的土壤环境监测技术规范中农田土壤取样布点的方法，综合考虑自然（风向、地貌等）和人为干扰（厂企三废排放、土地利用类型等）的相关因素，在厂区外围呈放射性布设剖面取样点共计42个，取样间距按50m、100m、200m、300m布置（图1）；另根据边界控制原则在外围增加剖面取样点10个，共采集剖面样52组。

2.2取样方法和检测

结合以往研究成果［6～8］，采用分层取样的方法进行土样采集。取样时去除表面杂物，在取样段保证上下均匀采集，土壤样品原始重量大于1000g，使用标准化的土壤取样记录卡用代码和文字记录样品的特征。同时应用Muller地积指数法［9］，对土壤重金属含量分布现状及其生态环境质量进行风险评价。研究结果表明：该区域表层土壤中Pb元素污染严重，深层土壤中Pb也有不同程度的元素富集现象。为研究土壤元素在垂向上的运移规律，设计垂向剖面深度180cm，表层样0～20cm，表层以下分别按40～60cm、80～100cm、120～140cm和160～180cm采集土样。样品经自然干燥，去除动植物残留体、砾石、肥料团块等，研磨过筛达到相应的检测要求，为研究超标元素Pb的分布规律，对土壤中的含量进行了分析检测。

3　土壤环境元素的分布

根据土壤垂向剖面取样方式，按深度分五个取样段对各土壤元素进行描述统计，参照土壤环境质量标准（GB15618-1995）对土壤环境元素在不同层位的含量进行分析。应用Kolmogorov-Smirnov Test（K-S）检验对数据进行正态分布检验（P＜0.05），检验时取显著水平α=0.05，使用精确检验概率值，若Pk-s＞0.05，则认为数据服从正态分布。参照《土壤环境检测技术规范》，根据公式N=t2Cv2/m2计算出置信水平为95%、允许相对偏差m=20%条件下，各土壤环境元素在不同层位所需的基础样品数量。

Pb元素的统计结果见表1，表层土壤（0～20cm）中Pb元素的平均含量为751.40mg/kg，约为三级标准值的1.5倍，其他层位均未超出土壤环境二级标准；从变异系数来看，各层变异系数范围在0.49～0.70之间属于中等变异强度；从基础样品数来看，Pb元素在五个层位的取样数满足要求。

表1　Pb元素的统计特征值Table 1　Pb statistical characteristics value

4　土壤超标元素的空间分布特征

结合土壤环境质量标准，从土壤元素统计特征值来看，研究区内表层土壤Pb元素的富集程度高，污染较为严重。统计性描述从表面上说明了各种土壤元素的含量特征，不能完全反映整个研究区元素的空间分布信息，而运用地质统计学方法可以反映出元素的空间结构性、随机性、相关性及独立性。半变异函数即半方差函数，是分析区域化变量空间变异性最为有效的工具之一。

使用GS+5.1软件计算研究区的半变异函数及参数，并对所有采样点数据进行空间建模［10］。元素Pb的半变异性分析结果见表2。比较不同模型下两种元素的拟合度和残差，确定元素Pb均采用高斯模型拟合。变程是土壤性质存在空间变异结构的最大相关距离，元素Pb的变程较小，说明其受植物吸收、施肥、灌水等小尺度因素影响，导致Pb自身在一个较小的距离范围内存在相关关系；元素Pb的C0/（C0+C）值小于25%，说明系统具有强烈的空间相关性（即结构性），其变异主要是由结构性因素引起，如气候、地形、土壤质地等自然因素，目前虽然受到一些施肥、污灌等小尺度因素的影响，但还没有达到破坏其原有空间格局的程度。

表2　研究区表层土壤元素的半方差函数模型Table 2　Semivariance of topsoil elements in the study area

4.1土壤超标元素的水平分布规律

数据空间相关时，可进行空间插值。前面提到土壤中元素Pb具有一定程度的空间相关性，故取其浓度的空间分布进行具体分析。此处结合GS+5.1软件和土壤普查阶段的检测数据，利用Surfer8软件的Kriging局部内插值的等值线绘制方法得到土壤表层Pb的空间分布图（图2）。

从元素的空间分布可以看出：铅厂的东南角为Pb元素的高浓度富集区，以此为中心向周围递减，向西、向南递减较慢。在东北方向的孔山和西南方向的宝峰寺区域，随地势增高，污染物浓度明显降低，说明地势高对污染物的运移有一定程度的阻隔作用。

图2　土壤表层（0～20cm）Pb元素的浓度等值线图Fig.2　Pb concentration contours of topsoil （0～20cm）

4.2土壤超标元素的垂向分布规律

研究区内土壤表层中Pb的浓度明显高于土壤深层的浓度，元素的空间分布在小尺度范围内存在较强的变异作用。为研究整个区域内元素的分布规律，将Pb在土壤中不同层位含量的均值绘制成按取样深度变化的曲线。

Pb元素在土壤剖面中的分布情况见图3。如图所示：Pb元素在土壤垂向剖面上的平均含量随深度增加而降低，趋近于幂函数分布；表层土壤（0～20cm）中Pb元素的平均浓度明显高于下层土壤，具有表层富集现象；土壤普查阶段确定Pb元素的环境背景值为30.67mg/kg，Pb元素在0～20cm、40～60cm、801～100cm层位的平均含量超出背景值；根据土壤环境质量二级标准，Pb元素的临界值为350mg/kg，由趋势线推测Pb元素在土壤深度为17.23cm时达到土壤环境质量二级标准临界值。

图3　土壤中Pb元素的垂向分布图Fig.3　Pb vertical distribution in soil

5　结论

通过调查研究，查明区土壤环境元素均有不同程度的超标现象，而元素Pb的富集最为显著，土壤表层元素的含量已超出土壤环境质量三级标准。

水平方向上，铅厂的东南角为元素Pb的高浓度富集区，以此为中心向周围递减，向西、向南递减较慢。在东北方向的孔山和西南方向的宝峰寺区域，随地势增高，污染物浓度明显降低，说明地势高对污染物的运移有一定程度的阻隔作用。

垂向剖面上，铅在0～20cm、40～60cm、80～100cm层位的平均含量超出背景值。根据趋势线推测，Pb在土壤垂向剖面上深度为17.23cm处达到土壤环境质量二级标准临界值。

通过对典型地区土壤化学特征、污染因子及其在水平、垂直方向的分布特征与规律的分析，为该地区土壤修复提供了基础技术依据。

建议下步选择典型地块作为示范区，进行土壤污染修复治理研究，为大规模治理提供参考。根据以往研究成果［11，12］，污染修复治理可采用植物修复法，其中野菊花［Dendranthema indicum （L.） Des Moul.］、旋鳞莎草［Cyperus michelianus （L.） Link］、五节芒［Miscanthus floridulus （Labill.）Warb. ex Schum. et Laut.］3种植物对Pb向地上部转运能力较强，对污染土壤有一定的修复潜力。

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Evaluation of a soil pollution survey in a typical area of Jiyuan City, Henan Province

LIU Hong-Zhan1,2
（1. Henan Institute of Geological Survey， Henan Zhengzhou 450001， China；
2. Research Center of Urban Geological Engineering Technology of Henan Province， Henan Zhengzhou 450001， China）

An area of contaminated soil covering 117.19 km2 exists in Jiyuan， Henan. The polluting sources are mainly smelting plants for Pb-Zn and other metallic minerals. The main polluting element is Pb， according to soil sampling and test data from a typical area. This paper uses data on the Pb contamination of topsoil， and delineates its horizontal distribution by interpolating the contours with a local Kriging method， using Surfer8 software. In the vertical section， the secondary standard threshold for Pb content is reached at a depth of 17.23 cm， according to the depth curve. This work establishes the characteristics and distribution pattern of the soil pollution， evaluates and classifies the pollution according to the assessment standards for soil environmental quality， and provides basic parameters for soil restoration.

soil pollution； regularities of distribution； overproof chemical element； survey and evaluating

X142

A

2095-1329（2016）03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.017

2016-01-14

2016-02-29

刘洪战（1965-），男，高级工程师，主要从事水文地质与环境地质研究.

电子邮箱: 695636629@qq.com

联系电话: 0371-60131768

河南省地质科研类项目“济源市重金属污染土地修复治理研究”（258）