云南会泽东北部地区重金属环境污染评价

2022-02-16黄家鑫许胜超龚庆杰陈子万

地球学报 2022年1期

黄家鑫, 许胜超, 龚庆杰*, 陈子万, 黄钊

1)中国地质大学(北京), 北京 100083; 2)云南省地质调查院, 云南昆明 650216

土壤重金属环境问题一直受到人们的重视(王英辉等, 2007; 陈翠华等, 2008; 刘青枰等, 2018;Liu et al., 2018; Xu et al., 2021), 2014年国家环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示, 西南地区土壤重金属超标范围较大,工矿业(尤其是金属矿的开采和冶炼)、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因(李瑞萍等, 2009; 国土资源部和环境保护部, 2014; 骆永明和滕应, 2018)。

按照全国多目标地球化学填图计划, 为进一步调查西南地区土壤重金属状况, 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所开展了“西南重金属高背景区1:25万土地质量地球化学调查”项目, 其子项目“云南省滇中-滇东北地区1:25万土地质量地球化学调查”工作由云南省地质调查院于 2016—2018年完成, 获得了 54项元素或氧化物的含量数据(云南省地质调查院, 2019)。本文基于这次调查数据和新颁布的国家标准(GB15618—2018), 针对会泽东北部地区开展重金属污染环境评价研究。

1 区域地质背景

研究区位于云南省曲靖市会泽县东北部, 地理坐标范围为东经 103°35′30″—103°53′49″, 北纬26°28′22″—26°50′12″, 面积约 740 km2(图 1)。研究区地貌以山地为主(陆泗进等, 2015), 属亚热带高原季风气候, 夏无酷暑, 冬无严寒, 气候宜人, 年平均气温 12.6℃, 降水比较充沛, 年平均降雨量817.7 mm(山成栋, 2020)。

区内发育自震旦纪至第四纪各时代地层, 具体岩性简述于图1的图注中。区内岩浆岩中侵入岩不发育, 但大面积出露峨眉山玄武岩(P2-3)。研究区构造较发育, 褶皱以北北东复式背斜为主, 断裂以近南北向、北东向、北西向断裂为主(韩润生等, 2012)。区内金属矿产以铅锌多金属矿床为主(张长青, 2008;杨斌等, 2018), 代表性矿床为位于矿山镇境内的会泽超大型铅锌矿(黄智龙等, 2004)。会泽超大型铅锌矿主要包括矿山厂和麒麟厂两个矿段(张艳等, 2017;李志平等, 2018; 江小均等, 2018)。

前人对会泽地区土壤重金属环境评价主要集中在重金属元素含量特征、对照《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)(原来的标准)评价重金属超标程度并探索可能的污染来源等方面, 其数据处理方法包含污染指数的计算和统计分析(房辉和曹敏,2009; 陆泗进等, 2014, 2015; 吴劲楠等, 2018)。2018年生态环境部和国家市场管理总局联合发布新的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准(试行)》(GB15618—2018)(生态环境部和国家市场管理总局, 2018), 重金属污染环境状况需要基于新的标准进行评价, 如叶金利等(2019)对云南会泽县者海镇矿区226个土壤样品按照新标准中污染风险筛选值针对Pb、As、Cd、Zn、Cu、Cr、Hg共计7个重金属进行了污染评价, 结果发现 Pb、Cd、Cu、Zn平均值均超标, 而 As、Cr、Hg的平均值均达标。叶金利等的研究区位于本次研究区西南部的新店子村—胡家坡一带(图1)。

图1 研究区地质简图Fig. 1 Regional geological sketch map of the study area

2 样品与方法

2.1 样品

在研究区共采集 182件表层土壤样品, 表层土壤样品采样点的布设工作遵循《多目标区域地球化学调查规范(1: 25万)》(DZ/T 0258—2014)的要求。野外采样工作参照叠加了土地利用类型图的1: 5万地形图, 采样密度一般为 1点/km2。采样位置的选择根据地形地貌、土壤类型、土地利用分布等实际情况而定, 基于手持卫星导航仪(GPS)定点。

表层土壤样品主要采集耕作层的表层土壤, 为增强样品的代表性, 一个表层土壤样品一般由多个子样组合而成。首先在中心子样点垂直向地下挖掘深大于20 cm的采样坑, 通过专用采集镐沿坑壁垂直以刻槽方式均匀采集0～20 cm段土壤样品, 去除植物根系、砾石、砖瓦块、肥料团块等杂物后装入布袋中。在中心子样点周围100 m范围内3～5处多点采集子样, 将子样组合成一个样品, 并保证原始样品重量大于1000 g。样品采好后系紧布袋口, 外套聚乙烯塑料袋。

通过日光自然晾晒及 50℃以下低温烘干样品,在干燥过程中经常揉搓或用木棒轻轻敲打, 使土壤样品恢复自然粒级状态。清除杂质后过20目筛, 在干净的蜡光纸或塑料薄膜上充分拌匀、缩分、称重后, 装入聚乙烯样瓶中。

表层土壤样品采用大格组合样测试分析, 即把4 km2内的所有样品取出、单个混匀后, 称取等量组合为一件组合样, 组合样混匀后, 再次过20目筛后取30 g样品装袋用作pH分析, 另取80 g左右样品在 60℃以下的烘箱中烘干后用无污染的行星球磨机粉碎至 200目粒度, 以备元素含量测试分析使用。

2.2 样品分析测试方法

样品分析测试在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所分析测试研究中心和四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心完成, 测定样品中 54项指标, 包含本文研究所需的 Pb、Cd、As、Cr、Hg和pH。Pb和Cd的含量采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定, Cr含量采用X射线荧光光谱法(XRF)测定, As和Hg的含量采用原子荧光光谱法(AFS)测定, pH采用电位法(POT)测定。具体检测方法详见《多目标区域地球化学调查规范(1:250000): DZ/T 0258—2014》(国土资源部, 2014)。

上述测试方法中 Pb、As、Cr的检出限分别为2 μg/g、1 μg/g、5 μg/g, Cd 和 Hg 的检出限分别为30 ng/g和0.5 ng/g。分析质量采用土壤国家一级标样和重复样进行监控, 样品分析的准确度、精密度以及重复样分析合格率均达到了多目标地球化学调查所要求的标准。

3 结果与讨论

3.1 含量特征

会泽东北部地区182件土壤组合样的pH值和5项重金属含量的统计参数如表1所示。

表1 会泽东北部地区土壤地球化学测试指标统计参数Table 1 Statistical parameters of the analytical values of soil samples in the northeast of Huize area

研究区土壤pH介于4.66～8.16, 其中96件样品pH≤5.5, 47件样品5.5＜pH≤6.5, 28件样品6.5＜pH≤7.5, 11件样品pH＞7.5, 土壤整体偏酸性。

参照土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准(GB15618—2018): ①Pb含量介于 19～1360 μg/g, 其中7件样品Pb含量高于污染风险管制值, 37件样品含量介于污染风险筛选值和管制值之间, 138件样品 Pb含量低于污染风险筛选值;②Cd含量介于440～21700 ng/g, 其中45件样品Cd含量高于污染风险管制值, 137件的含量介于污染风险筛选值和管制值之间; ③As含量介于2.89～50.7 μg/g, 其中 6件样品As含量介于污染风险筛选值和管制值之间, 176件含量低于污染风险筛选值; ④Cr含量介于 59.3～431 μg/g, 其中 66件样品 Cr含量介于污染风险筛选值和管制值之间,116件含量低于污染风险筛选值; ⑤Hg含量介于28～1280 ng/g, 182件样品Hg含量均低于污染风险筛选值。

3.2 污染指数

目前有关土壤重金属污染风险评价的研究多集中在含量测定或污染指数计算方面(高瑞英,2012)。污染指数可分为单项污染指数和综合污染指数(Gong et al., 2008), 单项污染指数主要有污染因子、生态风险因子(Hakanson, 1980)、富集因子(Zoller et al., 1974)、地累积指数等, 综合污染指数主要有内梅罗综合污染指数(Cheng et al., 2007)以及其他基于单项污染指数进行不同运算获得的综合污染指数(Gong et al., 2008)。

参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准(试行)》(GB15618—2018)中的其他农用地标准对会泽东北部地区土壤进行重金属污染风险评价。依据GB15618—2018, 可将土壤样品的重金属污染风险划分为 3级: 当重金属含量低于污染风险筛选值时可以忽略其风险而将其划分为无风险级,或称为背景级; 当介于筛选值和管制值之间时认为可能存在污染风险而将其划分为监测级; 当大于或等于管制值时认为污染风险高而将其划分为管制级(李金哲等, 2021)。本文提出基于筛选值和管制值的重金属单项污染指数和综合污染指数, 以便实现从定量计算到定性描述的土壤重金属污染评价等级,并将其应用于研究区以查明会泽东北部地区重金属的污染状况。

3.2.1 单项污染指数

依据GB15618—2018中风险筛选值(Risk Screen value)和风险管制值(Risk Intervention value)的划分,单项污染指数PI(Pollution Index)的定义为:

式中,PI为单项污染指数,C为样品中元素的含量,CRS为元素的农用地土壤污染风险筛选值,CRI为元素的农用地土壤污染风险管制值。即元素含量大于其风险管制值时PI赋值为 10, 介于管制值和筛选值之间时赋值为1, 低于筛选值时赋值为0。

按照式(1)针对 Pb、Cd、As、Cr、Hg这 5种元素对研究区 182件样品计算其单项污染指数, 进而绘制单项污染指数地球化学图, 通过不同色阶直观表达区域内重金属污染的空间分布(An et al.,2022)。研究区5中元素的单项污染指数地球化学剖析图如图2所示。

图2 会泽东北部地区重金属单项污染指数地球化学剖析图Fig. 2 Geochemical comparison map of single pollution index of heavy metals in the northeast of Huize area

会泽东北部地区182件土壤样品中, 5种重金属的单项污染指数结果表明:

①对于Pb元素, 7件样品的PI值为10, 属于管制级; 37件样品的PI值为1, 属于监测级; 138件样品的PI值为0, 属于无风险级。这表明会泽东北部地区仅局部属于农用地管制级, 主要出现在会泽超大型铅锌矿的矿山厂和麒麟厂矿段以及胡家坡西部和新店子村附近; 沿会泽铅锌矿至胡家坡—新店子村的北东向区域农用地属于监测级; 其他地区则属于无风险区。

②对于Cd元素, 45件样品的PI值为10, 属于管制级; 137件样品的PI值为1, 属于监测级; 无样品的 PI值为 0。这表明会泽东北部地区农用地整体处于监测级, 局部处于管制级, 如会泽铅锌矿至胡家坡—新店子村的北东向区域属于农用地管制级。

③对于As元素, 无管制级样品; 6件样品的PI值为1, 其余176件样品的PI值均为0。这表明除零星地段外会泽东北部地区整体属于农用地无风险级。

④对于Cr元素, 无管制级样品; 66件样品的PI值为1; 116件样品的PI值为0。这表明会泽东北部地区局部属于农用地监测级, 而大部分区域属于农用地无风险级。

⑤对于Hg元素, 182件样品的PI值均为0, 属于无风险级。即会泽东北部地区属于农用地无风险级。

综上所述, 会泽东北部地区如果均作为非水田的农用地使用, 则局部地段如会泽铅锌矿至胡家坡—新店子村的北东向区域属于 Pb、Cd的污染风险管制级, 而 As、Cd仅在零星或局部地段属于污染风险监测级, Hg则全区属于无风险级。

3.2.2 综合污染指数

基于上述单项污染指数PI, 此处将综合污染指数PIn的定义为:

式中, PIn为n个单项污染指数组成的综合污染指数, PI为单项污染指数。即将单项污染指数的值累加而形成综合污染指数。

按照式(2)依据 Pb、Cd、As、Cr、Hg这 5种元素在研究区182件样品中的单项污染指数PI值即可计算其综合污染指数PI5。依据式(1)和式(2)可知PI5的理论取值范围为0、1～5、10～14、20～23、30～32、40～41、50。当 PI5＝0时, 表示样品的 5种重金属含量均小于对应的污染风险筛选值, 属于无风险级;当0＜PI5≤5时, 表示样品的5种重金属含量均小于其污染风险管制值, 但可能有 1～5种重金属含量大于污染风险筛选值, 属于监测级; 当 10≤PI5≤50时,PI5值的十位数n表示5种重金属中有n种重金属含量大于污染风险管制值, 可将其称为n级管制。

研究区182件样品的PI5值实际取值介于1～23之间, 其中136件样品的PI5值介于1～5, 属于监测级; 40件样品的 PI5值介于 10～14, 属于 1级管制;6件样品的PI5值介于20～23, 属于2级管制。依据PI5计算值绘制综合污染指数PI5的地球化学剖析图如图3所示。

图3 会泽东北部地区重金属综合污染指数地球化学剖析图Fig. 3 Geochemical comparison map of integrated pollution index of heavy metals in the northeast of Huize area

依据 GB15618—2018, 会泽东北部地区整体属于监测级, 局部地区如会泽铅锌矿区、滥银厂矿区、胡家坡—新店子村一带和顾家—尖山坡一带属于管制级, 尤其是胡家坡西部和新店子村附近则属于2级管制区。

综上所述, 会泽东北部地区如果均作为非水田的农用地使用, 则局部地段如会泽铅锌矿区、滥银厂矿区、胡家坡—新店子村一带和顾家—尖山坡一带属于管制级; 而其他地区则属于监测级。

4 EGAPI软件

基于上文提出的重金属单项污染指数 PI和综合污染指数 PIn, 本文开发出软件 EGAPI GB15618(Ecological Geochemistry Assessment-Pollution Index GB15618)以便计算农用地土壤的重金属污染指数。EGAPI GB15618在Visual Studio环境下使用C#语言开发, 并设计为单文档界面(图 4), 用户界面主要分为“选择数据(Select Data)”和“农用地国标(GB15618 Agricultural Land)”两部分。

图4 EGAPI GB15618软件用户界面Fig. 4 User interface of the EGAPI GB15618 software

待计算的数据存储为 Access格式的数据文件,首先在用户界面左侧的“Select Data”区域打开数据文件(Open Database)并选择数据表(Select Table);然后在用户界面右侧“GB15618 Agricultural Land”区域中的“Select the Single Pollution Indices”部分勾选需要计算单项污染指数的元素, 在“Select the Integrated Pollution Index”部分勾选是否计算综合污染指数; 最后点击“Calculate Indices”按钮即可实现污染指数的计算。

污染指数的计算结果仍保存在界面左侧所选择的数据表中, 可单击界面左侧的“Refresh”文字以进行更新, 然后在“Select Data Columns”列表框中进行字段查看。