重要风险区域土壤重金属污染特征及来源分析

李姗姗， 谭光超， 彭晓晨， 虞昊哲， 柳晓晨， 王万里

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)

江汉平原西部位于长江中游、湖北省中南部，面积27 996 km2，是中国三大平原之一的长江中下游平原的重要组成部分。江汉平原土地肥沃，人口密集，工业发达，一直是湖北省乃至全国的粮、棉、油生产基地。近30年来，随着社会经济的快速发展，加之地质环境保护意识不强，区内水生态恶化，土壤质量降低，污染日益严重，人居环境和粮食安全等受到严重影响。为了研究不同风险区域土壤重金属的污染状态，本研究采用调查取样的方法，以污染行业企业周边、油田采矿区周边、规模化畜禽养殖场周边、集中式饮用水源地保护区、果蔬种植基地等需要重点关注的风险区域的农用地土壤数据进行测试分析，参考湖北省土壤背景值，结合国家《土壤环境质量标准》(GB 15618—2018试行)中的农用地土壤污染风险筛选值，运用单因子污染指数及内梅罗综合污染指数等方法评估该地区重金属的污染状况。同时，利用多元统计分析的方法，研究土壤重金属的空间分布特征并对重金属的可能来源进行分析，以期为江汉平原西部土壤重金属风险预警及生态环境质量的监控提供科学依据[1]。

1 材料与方法

1.1 采样点布设及采集

本次土壤环境质量监测风险点位共布设150个，其中污染行业企业(含工业园)周边95个，固废集中处理处置场周边12个，油田采矿区3个，规模化畜禽养殖场周边12个，集中式饮用水源地保护区13个，果蔬种植基地15个，形成了较为完善的土壤环境质量风险点位监测网络。

为获取研究区土壤样品，于2016年和2017年在风险点位周边农田50 m×50 m范围内取5个点，采集土壤表层0～20 cm土壤混合制成样品。空间位置参见图1。各金属总量测试方法参考《土壤污染风险管控标准——农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)。

1.2 样品测试与分析

土壤样品在室内风干，研磨前去除碎石与植物残体等杂物，过200目筛后装袋备用。采用pH计测定土壤样品的pH(水土比2.5∶1)，经过HNO3-HC1-HF-HC1O法消解后，供6种重金属项目测定：原子荧光光谱法(HG-AFS)测定土壤As、Hg含量，石墨炉原子吸收分光光度法(GF-AAS)测定Cd、Pb含量，火焰原子吸收分光光度法(F-AAS)测定Cu、Cr含量。样品分析所用试剂均为优级纯，分析过程采用国家一级土壤标准物质进行全程质量控制，测定结果均在误差允许范围内。本次研究数据采用SPSS 19.0、Excel 2010进行统计分析。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution map of sampling point1.工业企业；2.规模化畜禽养殖基地；3.油田采矿区；4.果蔬种植基地；5.集中式饮用水源地。

1.3 评价方法

研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价。

(1) 单因子污染指数法。通过计算土壤中单因子的污染指数来确定其在土壤中的污染程度，土壤单因子污染指数的计算公式为：

(1)

式中：Pi为土壤中污染物i的污染指数；Ci为土壤中污染物i的实测含量；C0i为土壤中污染物i的评价标准。

(2) 内梅罗综合污染指数法。本文采用内梅罗综合污染指数法进行综合评价，其计算公式为：

(2)

式中：P为土壤综合污染指数；I为土壤中污染物i的污染指数；n为参与评价的污染物的指标个数；Imax2为土壤中污染指数最大值的平方。

表1 土壤重金属污染指数分级标准Table 1 Classification standard of heavy metal pollution index in soil

单因子污染指数法是国内外普遍采用的方法之一，是对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价。内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害。依据单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5个等级，如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量统计

表2 研究区土壤重金属描述性统计Table 2 Descriptive statistics of heavy metals in soils of research areas

研究区150个土壤样品测试结果表明，Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu的平均含量为0.53、0.04、10.07、27.54、78.26、40.40 mg/kg，其中Cd、Pb、Cu均高于湖北土壤背景值。不同元素超出背景值的程度不同，重金属含量与背景值比值大小依次为Cd>Cu>Pb>Cr>As>Hg。Cd元素与Cu元素超出土壤背景值的样品比例高于70%，尤其以Cd元素最为显著，达到94.67%，说明在人类活动影响下，呈现出一定程度的富集。

变异系数可以表征数据的离散程度，变异系数越大，表明土壤重金属分布受到干扰活动越强。从表2可以看出，6种重金属平均变异程度大小顺序为Hg>Cd>As>Pb>Cu>Cr。其中Hg、Cd、As的变异系数均在0.9以上，说明研究区这3种重金属元素相对于其他重金属元素来说具有更强的空间变异性，更易受到人类活动的影响。

2.2 不同风险点位土壤重金属分布特征

由表3可见，研究区不同风险点位的土壤重金属含量相差较大。除As外，Cd、Hg、Pb、Cr、Cu的最大含量均出现在工业企业周边，其中Cd的平均含量超过背景值[2]的4.58倍。Cd、Pb、Hg、Cr等元素是指示城市环境中人为活动改变局部土壤环境成分的重要标志，在有化工、冶金、印染、电镀等工厂存在的地区，其附近土壤都会发生有关元素的显著富集；油田开采区由于石油开采添加剂中含有大量重金属，导致Cd、As元素超过背景值的5.12倍、3.10倍；果蔬基地由于化肥、农药等施用以及使用污水灌溉等原因造成Cd、Pb、Cu超过背景值的4.05倍、1.05倍、1.14倍；规模化畜禽养殖周边土壤由于饲料中的重金属随粪便和尿液排出后污染导致Cd、Cu超过背景值的3.23倍、1.46倍；集中式饮用水源地由于环境保护政策等原因受人为活动影响较小，重金属均未超过背景值。

表3 研究区风险点位土壤重金属元素含量水平比较(单位：mg/kg)Table 3 Comparison of heavy metals contents in soils at risk points in the study area

2.3 不同风险点位土壤重金属污染评价

图2 风险区域重金属污染程度Fig.2 Heavy metals pollution in risk areas

由图2可知，部分区域的Cd、As数值超过1，也就是出现了污染情况。规模化畜禽养殖基地的Cd元素出现轻微污染；油田采矿区周边的As元素出现了轻微污染；工业企业的Cd元素出现了轻微污染。通过以上分析，规模化畜禽养殖基地、油田采矿区周边、工业企业区域都出现了轻微污染，主要超标元素为Cd和As。

由图3可知，综合污染指数表明江汉平原西部土壤状况较好，大部分风险区域的点位土壤仍处于尚清洁状态，仅工业企业的点位出现了轻微污染状态。研究发现工业活动产生含有Cd、As、Hg和Pb等重金属粉尘、废气和废渣等，通过堆放或干湿沉降的方式导致工业区土壤重金属含量增加，且工业区大多交通便利，交通运输过程中因汽车轮胎老化、磨损而使得Cd、As等金属富集程度较高[3-4]。

图3 风险区域重金属污染程度Fig.3 Heavy metals pollution in risk areas

2.4 不同风险点位土壤重金属相关性及主成分分析

对研究区不同风险区域土壤重金属因子进行皮尔森(Pearson)相关性分析，结果如表4所示。其中，Cd、Cu和Cr，Cr、Cu和Pb，Hg和Pb，Hg和As之间有显著的相关关系。相关系数较大的重金属为Cu-Pb(P<0.01，r=0.68)、Cu-Cd(P<0.01，r=0.66)、Hg-Pb(P<0.01，r=0.59)、Cu-Cr(P<0.01，r=0.58)，其余重金属之间的相关系数均<0.4。说明这几种具有正相关关系的重金属之间可能具有相同的污染来源。

主成分分析结果如表5所示，土壤中6种重金属的全部信息基本可以由2个主成分(特征值：3.224+1.994=5.218)反映73.63%，基本包含了全部数据的大部分信息。主成分1的方差贡献率为53.73%，Cd、Cr、

表4 土壤重金属之间的相关关系Table 4 Rlationship between heavy metals in soil

注：**表示相关系数在0.01水平上显著；*表示相关系数在0.05水平上显著。

表5 土壤重金属元素因子载荷Table 5 Heavy metal element factor load in soil

Pb、Cu的因子载荷分别达到了0.770、0.710、0.881、0.892。这些元素的平均值明显超过了湖北土壤背景值，因此考虑其主要受人类活动影响。研究区监测的工业企业类型多为化工、机械、印染、冶炼等涉及重金属排放的企业，其废水、废气污染物进入周边土壤可能引起部分重金属超标。主成分2的贡献率为19.90%，As的载荷因子达到了0.796，整体处于无污染状态，部分点位受到轻微污染。此外，发现As的污染分布在不同风险区域但集中在仙桃及洪湖地区。据此判断，土壤中As主要受成土母质的影响，这和江汉—洞庭平原地下水资源及其环境问题调查评价报告(湖北)中的结论一致[5]。

3 结论

本文通过对5种风险区域周边土壤重金属污染程度及分布特征进行研究得出：江汉平原西部风险区域土壤重金属呈现出一定程度的富集，其中Cd超标严重；工业企业周边土壤重金属含量在一定程度上高于其他风险区域，污染最为严重，其次是油田采矿区土壤，集中式饮用水源地则未出现污染；多元统计分析结果表明，Cd、Cu和Cr，Cr、Cu和Pb，Hg和Pb，Hg和As之间有显著的相关关系，其中Cd、Cr、Pb、Cu受到人类活动的影响，As主要受成土母质的影响。土壤重金属污染程度的评价及分析对多个行业都具有重要参考价值，但土壤中往往同时存在重金属及有机污染，其复合污染特征需要进一步探讨[6]。