黄石大冶湖生态新区核心区土壤重金属元素质量评价

朱柳琴，杨伟卫，卢 鹏，沈 军，刘 徽，闫 芳，王 宇

(湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

随着城镇化和工农业现代化步伐加快,城市人口不断增长,各种各样的人类活动如交通运输、工业排放、市政建设、大气沉降、矿山开采与冶炼、滥施化肥、污水排放、污泥农用等,将含重金属的污染物排放进入土壤,造成重金属元素在土壤中累积,并通过大气、扬尘、水体、食物链直接或者间接威胁人类的健康甚至生命[1]。因此,研究土壤中重金属污染特征并采取防治措施对保障人们生活健康至关重要。

近年来,土壤重金属污染现象引起广泛关注,国内外学者开展了大量关于土壤污染特征、评价、治理等方面的研究工作。Benhaddya等[2]利用GIS技术研究了阿尔及利亚表层土壤重金属污染的空间分布特征；宋大平等[3]研究了湖南省苏仙区典型矿区周边重金属污染情况,并对居民健康风险进行评价；魏叶敏[4]基于地统计学理论并结合GIS技术,分析了重庆市土壤重金属元素的空间分布特征,并用多种指数法对重金属污染程度进行评估；贾中民等[5]研究了重庆西北地区土壤中重金属质量分数、分布特征及其生态风险；杨德敏等[6]采用“单因子指数法”、“内梅罗综合指数法”、“Muller地积累指数法”、“Hakanson潜在生态危害指数法”对重庆市煤矿区土壤重金属污染进行综合评价；刘君侠等[7]采用“单因子指数法”、“内梅罗综合指数法”对武汉城市圈不同行业五个场地土壤重金属污染进行评价。相关研究表明,深入分析土壤重金属元素污染特征,并对重金属污染程度进行评价,有利于提高土壤环境质量,改善人类居住环境。

大冶湖生态新区核心区定位为黄石市未来行政副中心、城市会客厅,是黄石市近期重点建设区域。核心区建设对土壤环境质量要求较高,但至今尚无针对核心区土壤重金属分布特征方面的研究,因此,本次基于地质统计学理论并结合GIS技术,对核心区土壤8种重金属元素质量分数及其环境质量情况进行研究,以期对核心区土壤环境质量进行评价,并为建设用地的使用提供科学依据。

1 研究区概况

核心区地处湖北省大冶市东部,大冶湖生态新区的西北部,南邻大冶湖,东靠长江,面积约22 km2,土地利用类型以建设用地为主。核心区地层简单,主要为第四纪沉积物和白垩纪—第三纪公安寨组(K1E1g)红层,第四纪沉积物出露面积约占全区的90%以上,北部地区主要为湖冲积物,南部近湖地区主要为以往围湖造田及核心区建设所填杂填土、素填土等。第四纪深部隐伏基岩主要为白垩纪—第三纪公安寨组红层,岩性以紫红色粉砂岩为主。核心区构造和岩浆岩均不发育。

2 工作方法与技术

2.1 样品采集与处理

土壤样品按照网格+图斑的方式进行布设,核心区共采集表层土壤样241件采样密度为10.86点/km2,采样深度为0～20 cm(图1)。每个样品分别由东、南、西、北4个分样点和中心样点均匀混合后组成,原始重量>1 000 g,晾干后,充分过20目的尼龙筛,缩分取25 g外送分析。

图1 核心区土壤重金属采样点位分布图Fig.1 Sampling point location distribution map of the soil heavy metals in the core area1.水田；2.水浇地；3.旱地；4.果园；5.茶园；6.有林地；7.灌木林；8.其他林地；9.其他草地；10.铁路用地；11.公路用地；12.农村道路；13.港口码头用地；14.管道运输用地；15.河流水面；16.湖泊水面；17.水库水面；18.坑塘水面；19.沟渠；20.水工建筑用地；21.设施农用地；22.城市；23.建制镇；24.村庄；25.采矿用地；26.风景名胜及特殊用地；27.水系；28.行政村；29.已建区；30.点位。

2.2 样品测试

核心区土壤样品测试由湖北省地质局第六地质大队实验室承担。分析项目选择Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8种重金属元素。测试方法技术和质量监控体系按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)、《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)等相关技术标准的要求执行,Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8种重金属元素的数据报出率、准确度合格率、精密度合格率及内检合格率均为100%,符合规范要求,数据质量可靠。

2.3 数据处理

利用Excel 2007对土壤重金属元素质量分数、土壤环境质量评价进行统计分析计算,空间插值利用MapGIS完成,用GeoIPAS成图。

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属元素含量特征

核心区表层土壤重金属元素质量分数统计结果如表1，其空间分布如图2所示,不同重金属元素质量分数差异较大,Cd为0.061～1.64 μg/g，Cu为8.81～143 μg/g，Ni为10.7～96.7 μg/g，Pb为20.1～128 μg/g，Cr为27.8～515 μg/g，Zn为24.9～349 μg/g，Hg为5.27～324 ng/g，As为1.59～65.3 μg/g。

与鄂州—黄石地区表层土壤背景值[8]对比,核心区表层土壤重金属元素Cd、Cu、Pb、As、Zn、Cr平均值高于背景值,表明6种重金属元素在核心区有一定程度的累积。其中Cd元素的累积效应最大,是背景值的2.25倍,高于背景值样品率达89%；Cu元素次之,是背景值的1.56倍,高于背景值样品率达86%；其余四种元素累积效应较小,是背景值的1.47～1.03倍,高于背景值样品率为44%～86%。Ni、Hg元素平均值略低于鄂州—黄石浅层土壤背景值,高于背景值样品率分别为17%、29%、43%。

与《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中规定的一类建设用地筛选值[9]对比,Ni、Cd、Cu、Pb、As、Hg重金属元素平均值远低于一类建设用地筛选值。Ni、Cd、Cu、Pb、Hg重金属元素所有样品均没有超过一类建设用地筛选值(表1，图2)；As元素241组样品中有44组超过了一类建设用地筛选值，超标率为18.26%，但未超过管制值，超标样品主要分布于核心区中部(图2-a)。因此，241组无机样品中，所有元素未见超过一类用地管制值，仅有As元素含量超过一类建设用地筛选值，因此，整体而言核心区土壤质量良好，适宜作为工程建设用地。

3.2 土壤重金属元素含量变异系数比较

自然条件下,土壤中重金属元素含量波动范围较小,但是在人类的生产活动过程中,会产生重金属元素污染源,这些重金属污染源对土壤造成不可恢复性影响，一般变异系数越大,元素在土壤中的质量分数分布越不均匀,说明受人类活动影响越大[10]。由表1可知,Zn、Ni、Cu、Cr、Pb、As、Hg属均匀分布型元素(变异系数为0.25～0.5),仅Cd属弱变异型元素(变异系数为0.5～0.75),8种重金属元素变异系数均低于1,说明8种金属元素在核心区含量起伏变化不大,受生产、生活活动因素影响不显著,人为活动对核心区土壤造成的污染较小。

表1 土壤重金属超标情况Table 1 Excessive situation of the soil heavy metals

图2 土壤重金属元素含量分布特征Fig.2 Distribution characteristics map of the soil heavy metals

3.3 土壤重金属质量评价

3.3.1土壤重金属单因子指数法

通过单因子评价,可以确定主要的重金属环境质量及其危害程度。一般以单因子指数来表示,以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算单因子指数：

(1)

式中：Pi为i重金属元素的单因子指数；Ci为重金属含量实测值；SI为土壤环境质量标准值[11]。单因子指数环境质量分级标准见表2。本次采用一类建设用地土壤风险筛选值作为土壤环境质量标准,各重金属元素单因子指数评价结果如图3。

表2 土壤单项环境质量分级标准Table 2 Grading standard of the soil single pollution degree

根据单因子评价结果,Ni、Cd、Cu、Pb、Hg(Pi≤1,图3-a)均无污染,核心区整体环境质量为优,仅As元素(图3-b)在上错咀以北、大咀头以西、刘浦咀以南环境质量为良,在长咀坜环境质量为一般。因此,核心区整体土壤环境质量好,适宜作为工程建设用地。

3.3.2土壤重金属内梅罗综合指数法

单因子指数只能反映单个重金属元素的环境质量,不能全面反映土壤环境质量,而“内梅罗综合指数法”在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响,兼顾了单因子指数法平均值和最高值,可以突出质量指数较高的重金属污染物的影响。综合指数计算方法如下：

(2)

根据“内梅罗综合指数法”,对核心区重金属元素进行分级计算,成果如图4。核心区大部分地区均没有污染,土壤环境质量为优良,约为21.73 km2,占整个研究区的98.79%(其中清洁的为18.074 km2,占整个研究区的82.15%；尚清洁的为3.66 km2,占整个研究区的16.64%)。核心区长咀坜附近(0.266 km2)土壤质量为一般,占整个研究区的1.21%。

表3 土壤综合环境质量分级标准Table 3 Grading standard of the soil comprehensive pollution degree

图4 核心区重金属内梅罗综合指数评价及防治对策建议图Fig.4 Nemerow integrated pollution (NPI) and countermeasures & suggestions map of the heavy metals in the core area1.2-3(中污染)；2.1-2(轻污染)；3.0.7-1(尚清洁)；4.0- 0.7(清洁)；5.土壤防治对策建议编号。

3.4 防治对策

(1) “单因子指数法”和“内梅罗综合指数法”评价结果显示从周在位—石背屋—园博园的核心区主体部位(图4中①,18.074 km2)均无污染,土壤环境质量为优,重金属元素含量均低于一类建设用地筛选值,因此该地区建设用地土壤污染风险可以忽略,适合作为建设用地,该地区土壤无需处理。该地区主要为农用地和城镇建设用地,建议合理施用农药化肥及饲料,城镇周边应加强监管,对粪便、垃圾和生活污水进行无害化处理,预防污染源头。

(2) “内梅罗综合指数法”显示叶家咀—鼻孔梁地区(图4中③,0.476 km2)为无污染,土壤环境质量为良。单因子指数法显示该地区土壤环境质量为优良。As元素质量分数显示该地区As超过一类建设用地筛选值,但未超过二类用地筛选值。根据土地利用规划要求,叶家咀—鼻孔梁地区为二类建设用地,因此,该地区土壤亦无需处理。

(3) “内梅罗综合指数法”显示刘浦咀以南乌泥滩以北(图4中②)、大咀头(图4中④)为无污染,土壤环境质量为良,长咀坜(图4中⑤)土壤环境质量为一般。“单因子指数法”显示刘浦咀以南乌泥滩以北、大咀头土壤环境质量为良,长咀坜As土壤环境质量为一般,其余元素土壤环境质量为优。As元素质量分数显示该地区As超过一类建设用地筛选值,但未超过管制值。该地区为居民灌溉养殖区(图1),推断农药化肥及饲料的施用为主要污染源。根据土地利用规划要求,该地区为一类居住用地,因此建议对该地区开展场地环境调查,对As超过一类建设用地筛选值(20 mg/kg)的区域开展详细调查,查明该地区是否有As的污染源,同时控制污染源头,合理施用和控制农药化肥使用量,或添加土壤改良剂加速农药降解,慎重推广污水灌溉,对灌溉农田的污水要严格进行监测和控制,最好使用处理后的污水。

4 结论与建议

(1) 与鄂州—黄石地区表层土壤背景值对比,核心区表层土壤重金属元素Cd、Cu、Pb、As、Zn、Cr平均值高于背景值,Ni、Hg元素平均值略低于背景值,表明重金属元素在核心区有一定程度的累积。但与《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》(GB 36600—2018)中一类建设用地筛选值对比,8种重金属元素中仅As超标,但均低于管制值,整体而言核心区土壤质量良好,适宜作为工程建设用地。

(2) “单因子指数法”评价结果表明Ni、Cd、Cu、Pb、Hg重金属元素在核心区均无污染,核心区整体环境质量为优,仅As元素在上错咀以北、大咀头以西、刘浦咀以南环境质量为良,在长咀坜环境质量为一般。“内梅罗综合指数法”评价结果表明核心区大部分地区(21.73 km2)均没有污染,土壤环境质量优良,占整个研究区的98.79%,长咀坜附近(0.266 km2)土壤环境质量一般,仅占整个研究区的1.21%。

(3) 核心区主体部位(18.07 km2)土壤环境质量优,作为建设用地对人体健康的风险可以忽略,可不对土壤作任何处理,适宜作为工程建设用地；刘浦咀以南乌泥滩以北、大咀头土壤环境质量良,长咀坜土壤环境质量一般,建议开展场地环境调查,对As>20 mg/kg且集中分布的区域开展详细调查,查明是否有污染源并采取防治措施。