云南某化工厂厂区土壤重金属分布特征分析

李丽娜 曾沛艺 吴见珣 魏中华 和丽萍＊

（云南省生态环境科学研究院,云南 昆明 650000）

随着工业化进程推进,我国土壤正面临严重的砷（梁桂云等,2015）和铬（黄顺红,2009）污染。其中,可溶性六价铬是国际公认的危险废弃物,具有高致癌、致突变性,一旦释放到环境中,将对人体健康产生严重威胁（尹贞等,2015）。生产场地废料堆积区（如：铬渣场）的重金属污染治理已得到广泛关注（黄顺红,2009；刘玉强等,2009；许友泽等,2011）。但企业投入运行后,重金属在工厂不同功能区的分布特征及其成因尚需要进一步研究。本研究以云南省某废弃了两年的化工厂（主要生产重铬酸钠和铬酸酐,生产过程中产生含铬废渣和含铬废水）为研究对象,分析土壤中砷、总铬和六价铬含量在该厂区不同功能单元的分布特征,并探讨土壤物理性质对这些重金属含量分布的影响。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

该化工厂占地9×104km2,主要包括渣场堆放区、生产区和生活区三个功能区。厂区土壤重金属污染物主要有铬、砷等。采用样线法和随机布样结合的方法布设采样点,共设置了44 个采样点（图1）。参照《原状土取样技术标准》（JBJ89-92）,采用50 钻机（螺旋钻杆、合金钻头）分别采集0～1m、1～3m 和3～10m 的土样,共采集了149 个样品。样品采集后及时送实验室进行分析。

图1 土壤样品分布

1.2 土壤样品指标测定

1.2.1 土壤重金属含量测定根据中华人民共和国国家标准（GB/T 22105.1-2008）测定土壤样品中砷的含量；根据中华人民共和国国家标准（GB/T 17137-1997）测定土壤样品中总铬的含量；土壤硝解后,采用分光光度计测定六价铬的含量（徐非和谢争,2008）。

1.2.2 土壤物理性质测定

土壤中含水率、湿密度、干密度、饱和度、孔隙比、塑性指数、液性指数、有机质含量、垂直渗透系数、水平渗透系数和平均粒径等指标按照土工试验方法标准（GBT50123-1999）进行测定。

1.3 数据分析

采用ArcGIS 对土壤重金属含量进行插值。采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）分析重金属含量在渣场、生产区和生活区不同土层的差异；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）分析表层（0～1m）土壤物理性质在三个功能区的差异；采用Pearson 相关系数分析表层土壤重金属含量和土壤物理性质的关系。所有统计分析均在IBMSPSS 19.0 中完成。另外,根据《场地土壤环境风险评价筛选值》（DB11/T811-2011）的标准,当砷、总铬和六价铬的含量分别超过20mg/kg,800mg/kg 和30mg/kg 时,认为土壤重金属含量超标。

2 结果

2.1 土壤重金属分布特征

根据场地调查结果,对场地土壤的六价铬和总砷用ArcGIS 进行插值计算做出土壤六价铬和总砷浓度分布图,如图2 所示。根据插值结果可知六价铬污染物主要分布在渣场中部偏废水收集池区域,板栗园、生产区的干燥车间、原料堆放场、精细车间、铬渣堆放场、成品车间和芒硝堆放地以及生活区原2 号水池与3 号水池之间的区域,这几个区域的六价铬浓度都在30 mg/kg 以上。而在场地上部渣场的四周,以及生活区和生产区的西部区域污染较轻,浓度低于评价标准30 mg/kg。砷污染主要分布在生产区的精细车间、铬渣堆放场、成品车间、堆放芒硝的区域,生活区1 号废水收集池和3 号废水收集池之间的区域。浓度均高于评价标准20 mg/kg。原渝滇化工厂的总铬污染主要分布在渣场中部区域生产区的精细车间、铬渣堆放场、成品车间的区域,生活区1号废水收集池和3 号废水收集池之间的区域。这几个区域总铬浓度都在800 mg/kg 以上。浓度均高于北京市地方筛选值800 mg/kg。统计分析进一步表明：生活区和生产区土壤中砷和总铬含量显著高于渣场,而六价铬的含量在三个区域没有显著差异（图2(a)、(b)）。随土壤深度增加,砷含量有增加的趋势,总铬含量则呈下降趋势（图2(a)、(b)）。生产区和渣场土壤中六价铬含量随土层厚度增加呈下降趋势,在生活区则呈上升趋势（图2(c)）。

图2 土壤重金属含量在三个功能区的差异(ZC：渣场；

从渣场到生活区,土壤中砷含量超标率急剧增加。其中,生活区半数以上的土壤样品砷含量超标；厂区土壤中六价铬的超标率变化趋势同砷的情况；生产区土壤中总铬的超标率最高为18.2%,其余两区超标率均低于3%（表1）。

表1 土壤重金属含量超标情况

2.2 土壤物理性质

生活区土壤含水率、饱和度、液性指数均显著高于渣场。渣场的土壤水平渗透率显著高于生活区（表2）。从渣场到生活区,土壤孔隙比、有机质含量、垂直渗透率呈增加趋势；土壤干密度、平均粒径则呈下降的趋势（表2）。

表2 表层土壤（0～1m）的物理性质（均值±S.E.）

2.3 表层土壤重金属含量与土壤物理性质的关系

厂区表层土壤中砷含量与土壤含水率、孔隙比、液性指数、有机质含量呈显著正相关,而与土壤密度（包括湿密度和干密度）、水平渗透系数呈显著负相关（表3）。

土壤中总铬含量与土壤饱和度和液性指数呈显著正相关；其与垂直渗透率、水平渗透率和平均粒径呈显著负相关。土壤中六价铬的含量与土壤湿密度、饱和度和液性指数呈显著正相关,而与土壤平均粒径呈显著负相关（表3）。

表3 表层土壤（0～1m）重金属含量与土壤物理性质的相关系数

3 讨论与结论

一般而言,随着土壤厚度增加,重金属含量逐步降低（郑喜珅等,2002）。本研究中,三个功能区土壤中总铬含量的分布特征均与此相符。但砷含量以及生活区土壤中六价铬含量的分布特征与此相反。这可能是原厂废弃之后,表层污染物逐渐下渗富集所致。此外,本研究中总铬与其他两种重金属含量相反的分布特征说明：土壤中总铬的垂直迁移能力可能比砷和六价铬弱。

正常情况下,渣场和生产区的重金属污染程度应该远较生活区严重（黄顺红,2009）,但本研究发现该厂生活区的砷、六价铬超标情况最严重。有研究表明土壤养分含量与土壤重金属含量之间不存在显著的相关关系（刘世梁等,2008）,因此本研究着重探讨了土壤物理性质与土壤重金属的关系,本研究发现：原厂址生活区土壤的含水率、孔隙比和液性指数均最高,而湿密度、干密度、垂直渗透系数、水平渗透系数、平均粒径均最低。与相关分析的结果对比发现,正是这些土壤物理化学特性决定了砷含量自北向南（从渣场到生活区）递增的空间格局、导致了生活区砷含量严重超标的现象。同时,总铬和六价铬含量的空间分布也受这些土壤性质的制约。但与刘世梁等（2008）的研究结果不同的是,本研究发现土壤有机碳含量与砷含量存在显著正相关,这说明土壤重金属含量与土壤养分含量之间的关系可能受特定生产方式的影响。

总体而言,本研究发现对砷、总铬、六价铬含量分布均有显著影响的土壤性质主要是与水分条件相关的性质（包括土壤湿密度、饱和度、液性指数、渗透率）和土壤粒径。此外,土壤有机质含量对砷的含量显著相关,而与总铬和六价铬的含量基本无关。本研究表明,在涉及铬及砷的生产活动中,生产人员生活区选址需要考虑待建地区的土壤水分条件及粒径,以避免重金属污染对生产人员造成危害。