某搬迁企业原址用地土壤中Pb污染成因及其生态风险评价研究

胡昱欣，宋 炜，周瑞静，金子文，倪宝峰，李小朋

(北京市地质工程勘察院，北京 100048 )

近年来，随着国家产业转移等政策的实施，一些污染较重、生产工艺较落后的工业企业逐步关闭、拆迁、腾退，原土地暂时闲置或进行开发再利用[1]。土壤环境质量关乎人体健康，因而土壤污染成为环境领域关注的热点和难点[2]。国外土壤污染调查、风险评估与管控、修复治理等方面的研究工作开展较早，我国学者亦充分吸取国外的研究经验和方法，取得了较多的研究成果[3-5]。Pb是土壤中广泛存在且容易蓄积的重金属类环境污染物，在重金属毒性表中位于前列[6]，土壤中含量越大，毒性越高。动植物吸收过量Pb会阻碍其生长，人体摄入过量铅会对神经、消化、免疫和生殖系统造成不可逆转的损害[7]。Pb来源包括自然本底和人为活动，人为源占比较高，而人为源中以工业污染最重[8]，尤其是金属冶炼生产企业。国内外已经进行了Pb在土壤中的化学形态、生态风险、暴露与儿童健康等方面的基础研究，且就减少Pb污染、修复Pb污染土壤等方面开展了较多的应用研究[9-17]，但关于Pb在土壤中的形态、迁移转化、吸附解吸、污染成因等还需进行深入的研究。笔者采用单因子指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对某搬迁企业原址土壤中Pb含量进行污染累积和生态风险评价，旨在全面剖析Pb污染成因和空间分布特征，可为污染土壤调查、修复治理和污染风险管控等方案的制定提供技术支撑。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区为某生产铸铁管公司原址用地，于20世纪60年代建成投产，占地约15.50万m2。起初以炼铁为主，后由于生产工艺较落后，在国家政策引导下，企业将炼铁高炉拆除，以煤、原料铁、球化剂、增碳剂、聚渣剂等作为主要原料，转型生产球墨铸铁管，并为自来水、燃气行业提供输水、输气管道。根据国家“退二进三”政策[18]，企业于2012年底已全部搬迁平整，未来计划作为居住用地。生产车间主要位于厂区中部以及东部区域，大量的原材料、废渣曾长期堆存于厂区南侧。企业及周边区域原为海域，最初通过回填海域而成。据了解，研究区用于回填的材料有厚度不等的建筑拆除垃圾、碱渣、硫铁矿渣、用于植物生长的客土等。其中，附近某硫氨车间生产硫酸后废弃的呈暗红色硫铁矿渣是重要的回填材料，研究区地表以下一定深度回填材料种类较多，性质较复杂[19]。

1.2 样品采集与分析

研究区地层从上到下大体分为杂填土、淤泥质粉质黏土、含砾粉质黏土、中风化白云岩等，还存在厚度不等的硫铁矿渣、碱渣等回填材料。依据地层结构特点将土层按剖面深按0～2.5、>2.5～6.0、>6.0～10.0、>10.0～14.0、>14.0 m分为5层。采用网格布点与专业判断布点相结合的方法，布点密度整体达40 m×40 m，部分重点区域密度达20 m×20 m，共布设土壤采样点87个。采样过程中通过X-射线荧光分析仪(XRF)检测Pb含量。采样最大深度需同时满足土层深度达到黏土层或弱透水层内至少0.5 m和Pb检测值低于限量标准值2个条件，故污染较重的采样点取样深度较大，采集的样品数量较多，研究区土壤采样深度最大为20.0 m。采用冲击钻进行土壤钻探，各土层分别采集150、100、136、74、41个样品，共计采集土壤样品501个。此外，在研究区东北方向受人为影响较小的区域布设3个对照采样点(B01、B02和B03)，采样深度为0～7.5 m，采集11个对照土样。所有采样点均采用全站仪进行平面坐标和海拔高程测定，样品采集与保存严格按照相关要求[20]。采集后的土壤样品通过自然风干、除杂过0.147 mm孔径筛后待测。依据石墨炉原子吸收分光光度法[21]测定总Pb含量，采样点位置分布如图1所示。

1.3 数据处理与评价方法

1.3.1土壤污染评价

关于土壤污染及风险评价方法较多，采用单因子指数法和地累积指数法评价研究区土壤污染程度，采用潜在生态危害指数法对土壤中Pb的潜在生态风险进行评价[22-23，各评价方法参照文献[24-25]。根据GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》，Pb限量标准值取第1类用地筛选值，即400 mg·kg-1[21]。土壤Pb背景值取25 mg·kg-1[26-27]，修正系数(k)一般取1.5，毒性系数(Tr)取5[28]。单因子指数法评价结果分级标准为：P≤1为非污染，15为重度污染。地累积指数法评价结果分级标准为：Igeo≤0为无污染，0320为极高等潜在生态风险。

1.3.2数据分析处理

采用SPSS 19.0软件统计特征参数，采用Matlab 2020软件进行污染与风险评价，采用ESRI ArcGIS 10.4软件分析污染空间分布特征，采用Origin 2018和ESRI ArcGIS 10.4软件绘图。

2 结果与分析

2.1 数理统计与超标评价

根据前述研究区地层概化方法，将研究区土壤分为5层，研究区土壤中Pb含量数据统计与超标评价结果如表1所示，研究区土壤中Pb超标点位分布如图2所示。

表1 土壤Pb含量统计与评价

结合表1与图2可知，土样Pb点位超标率为73.56%。第1～3层土壤Pb含量超标点位数逐渐增多，分别为16、31和40个。剖面深度>10.0～14.0和>14.0 m范围土壤超标点位分别为13和2个，超标点位数量明显减少。Pb含量最大值出现在第3层S12点位，为13 700 mg·kg-1，是限量标准值400 mg·kg-1的34倍，该点位所在区域早年为硫铁矿渣堆存区域，后为企业原材料堆存区域。第1～5层土壤中Pb含量标准差均较大，且变异系数均大于1，说明土壤中Pb含量空间分布具有极高的变异度。由图2可知，研究区采样点超标范围较大，Pb污染较重的区域主要为中心生产车间及原材料和废渣堆存的南部和西南部区域。对照点采集的11个土样中，仅B01点位7.5 m深处Pb含量超标0.27倍，其他对照土样中Pb含量均未超标。可见，研究范围以外受人类活动影响较小区域土壤中Pb含量整体较低。

2.2 土壤污染评价

采用单因子指数法和地累积指数法对研究区土壤中Pb污染进行分级评价，评价结果见表2～表3，各污染级别占比见图3。分析上述图表可知，全区土壤中Pb含量单因子指数平均值(PAVG)为1.07，属于轻微污染水平，地累积指数平均值(IAVG)为1.47，为中等累积水平；单因子指数最大值(PMAX)和地累积指数最大值(IMAX)分别为34.25和8.51，均为重度污染水平。研究区土壤地表以下0～18.0 m均存在不同程度的Pb污染，地表以下0～10.0 m土壤中Pb污染逐渐加重，尤以地表以下>6.0～10.0 m深度污染最重，>10.0 m深度污染逐渐降低。研究区土壤pH均值为9.82，土壤整体为极强碱性环境；pH值的变异系数均低于0.20，空间上变异度较低，土壤碱性环境较均衡稳定。第1和5层土壤pH均值均大于8.5，为强碱性环境；第2～4层pH均值大于9.5，为极强碱性环境。

表2 单因子指数法评价结果统计

表3 地累积指数法评价结果统计

2.3 土壤生态风险分析

在前述2种污染评价方法基础上，采用潜在生态危害指数法定量评价Pb污染在土壤中的生态危害程度，其评价结果统计见表4。由表4可知，研究区土壤生态风险为低潜在生态风险级别占比最高，为97.60%。地表以下>14.0 m深度土壤均为低风险级别，总体看来，研究区土壤中Pb潜在生态风险较低。土壤中Pb最大潜在生态危害指数为171.25，为高潜在生态风险级别，出现在S12点位第3层土壤中10 m处，Pb含量为13 700 mg·kg-1，污染评价结果亦为最高级别。

表4 潜在生态危害指数法评价结果统计

3 讨论

3.1 研究方法与研究结果对比

从评价方法的优缺点和适用性分析上看，单因子指数法的优势在于方法简单，可直观评价土壤是否存在污染，但从更微观角度难以反映人类活动对本底环境的影响。地累积指数法以土壤本底环境中Pb含量为参考，侧重于反映人为活动对土壤本底环境中Pb含量累积的影响；潜在生态危害指数法则从毒性角度评价Pb在土壤中的潜在生态风险，反映人为环境影响后的土壤潜在生态风险。运用地累积指数法可以较好地弥补单因子指数法在污染评价上的局限性，2种方法的结果可互为补充，而潜在生态危害指数法对于污染土壤修复治理、污染管控等方案制定具有重要的参考价值，3种方法综合应用效果更佳。从评价结果分析上看，研究区土壤单因子指数、地累积指数和潜在生态危害指数均值分别为1.07、1.47和5.37，处于轻微污染、中等累积和低潜在生态风险水平，采用上述评价方法进行土壤Pb风险评价，其结果一致性较好，可靠性较高。Pb含量相较于土壤背景环境值(25 mg·kg-1)存在一定程度的累积，最高达极严重累积水平，说明人为活动已造成土壤环境中Pb存在一定的累积与污染，宜开展相应修复治理工作或采取污染风险管控措施。

3.2 污染成因讨论

从土壤中Pb污染来源角度分析，由于研究区最初依靠回填海域而达到海陆转化，仅表层一定厚度为适宜种植的客土，客土以下为回填建筑拆除垃圾、硫铁矿渣、碱渣等。故分析土壤中Pb一部分来源于大量回填的硫铁矿渣、碱渣；另一部分来源于企业生产车间和原材料堆存区泄露及少量拆除后的污染残留。

从土壤中Pb迁移角度分析，土壤中Pb运移速度与土壤渗透系数和pH值紧密相关。通过对研究区土壤渗透系数的测试研究得出，研究区土壤渗透系数在4.40×10-8～1.80×10-6之间，存在一定的渗透性。土壤pH值反应土壤酸碱性环境，是土壤对重金属吸附的重要影响因素。结合前述分析，研究区土壤空间上变异度较低，总体呈较均衡和稳定的强碱性环境。第1和5层土壤为强碱性环境，第2～4层土壤为极强碱性环境。据前人研究成果[33]，当土壤pH值>7时，土壤的吸附能力随pH值的增加而小幅度增强，pH值越高，土壤对Pb2+吸附能力越强；吸附量越大，土壤中Pb2+的浓度亦较高。研究区土壤中Pb污染最重的是第2～4层，而第2～4层土壤pH均值大于9.5。此外，降雨冲刷作用为Pb在土壤中运移提供了水动力条件，使得多种形态Pb向下迁移，造成土壤中Pb污染较深。

4 结论

通过对研究区土壤中Pb污染和生态风险进行评价，深入分析Pb污染成因、空间分布特征等，获得如下结论：

(1)研究区土壤采样点位超标率为73.56%，土壤中Pb含量均值为轻微污染、中等累积、低潜在生态风险水平；不同土层土壤中Pb含量超标范围各异，中心与西南部生产车间分布区域、西部原材料与废渣堆存区域是重要超标区域。

(2)Pb浓度和污染面积垂向变化趋势表现为地表以下0～10.0 m逐渐增大，尤以>6.0～10.0 m污染最重；>10.0 m土壤Pb污染逐渐减轻。

(3)大量回填的硫铁矿渣、原材料堆放不当、生产车间污染泄露、重点区域防渗工作缺失、强碱性和极强性土壤环境是造成土壤Pb污染范围较大、污染较重的主要原因。此外，降雨冲刷作用为多种形态Pb在土壤中迁移提供了水动力条件，加速了土壤中多种形态Pb的纵向迁移。