特殊地块土壤污染状况调查模式与污染土壤特征研究内容

刘清俊 孟美杉 顾海波 刘芬芬 贾唯远 罗伊

摘 要：当前，建设用地土壤污染状况调查的方式不够全面，污染土壤特征研究不够深入。文章提出了特殊地块土壤污染状况调查模式、污染土壤特征研究的思路与内容。特殊地块土壤污染状况调查采用全面与重点结合、详细与简略结合的系统性三段调查模式，即第一阶段土壤污染状况筛查、第二阶段土壤污染状况调查（污染证实）和第三阶段土壤污染状况调查（参数获取）。污染土壤特征研究包括土壤组成、污染物在土壤中赋存方式和土壤中自有矿物对修复作用的影响。深入掌握污染土壤特征，为实施精准风险管控与修复治理提供策略和技术选择，为绿色修复提供思路与方向。

关键词：特殊地块;土壤污染;调查模式;污染土壤特征;研究内容

Investigation mode of soil contamination for special land and characteristic research on contaminated soil

LIU Qingjun， MENG Meishan， GU Haibo， LIU Fenfen， JIA Weiyuan， LUO Yi

（Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100011， China）

Abstract： Technical guidelines for investigation on soil contamination of land for construction cannot meet the needs for soil contamination investigation of special land and calls for thorough research on characteristics of contaminated soil. This paper puts forward an investigation mode of soil contamination for special land and carries out deep research on characteristics of contaminated soil suitable for normal or special land. This mode adopts a systematic investigation method that combines both spot and regional land investigation in both detailed and simplified ways. Three phases are involved： soil contamination screening， soil contamination investigation for the purpose of contamination confirmation and for obtaining environmental and exposure parameters. The deep research on the characteristics of contaminated soil covers the composition of soil， the occurrence mode of pollutants in soil and effects on remediation from indigenous minerals in soil. Deeply grasping the characteristics of contaminated soil can provide strategies and technical options for accurate risk control and remediation， as well as ideas and directions for green remediation.

Keywords： special land; soil contamination; investigation mode; contaminated soil; characteristic research

當前，水土环境问题越来越得到重视，水、土壤污染防治成为国家的重大战略，绿色发展、生态环境保护成为当下坚持的主要方针。为摸清建设用地土壤环境质量家底，需要开展土壤污染状况调查，此项工作在国内取得了快速的发展，已经形成了一系列导则、标准（HJ 25.1-2019，DB 11/T 656-2009，GB 36600-2018），用以规范、指导建设用地土壤污染状况调查工作的科学性、客观性。建设用地土壤污染状况调查技术导则详细规定了一般地块调查的原则、内容、程序和技术要求，而对于急于开发建设的众多地块组合的“特殊地块”如何开展调查没有涉及。土壤污染状况调查的目的是确定地块是否被污染以及污染程度和范围，由于土壤本身具有复杂性、土壤污染具有隐蔽性，因此精准圈定污染范围是建立在对土壤特征精细研究基础上的;已有成果表明对土壤特征只停留在其机械组成，而缺乏对土壤矿物组成及其特性的研究，对污染物在土壤中的赋存方式未见研究（张建荣等，2016;王佩等，2015;董敏刚等，2015;张大定等，2012）。土壤污染状况调查为后续土壤污染风险管控和修复提供基础数据和信息，土壤特征对修复治理策略和技术选择起到至关重要的作用，而且土壤中普遍存在的黏土类矿物和金属氧化物天然矿物材料在修复重金属污染土壤和有机污染土壤中得到较为广泛的应用，但其研究成果仍处于实验室和田间试验阶段，类似矿物如何自然修复污染土壤或影响土壤修复效果尚未见研究与实际工程应用报道（刘云等，2011;鲁安怀，2001;朱维等，2018;马博，2018;Kumpiene et al.，2008;汤艳杰等，2002）。因此，研究土壤的矿物组成及其特性为后续风险管控和修复治理提供基础信息也是土壤污染状况调查精细研究中的一项内容。

本文针对特殊地块土壤污染状况调查模式与污染土壤特征精细研究提出了研究新思路与新内容，旨在推动和加强相关方面的深入研究与广泛应用，同时也为环境管理和政策制定提供相关依据。

1  特殊地块土壤污染状况调查模式

1.1  调查模式

特殊地块是指由多个紧密相连的不同功能地块组合成的混合区域，具有面积大、用地类型复杂、农业用地与建设用地共存、土壤环境质量迥异、用地需求紧迫的特点。一般地块的“点状”调查方式在地质体之间的相互关联和不可分割性方面考虑不足，难以保障用地安全需求和时间需求。特殊地块系统性调查采用全面与重点结合、详细与简略结合的三阶段模式，即第一阶段土壤污染状况筛查、第二阶段土壤污染状况调查（以污染证实为目的）、第三阶段土壤污染状况调查（以参数获取为目的）（图1、表1）。

1.1.1  第一阶段土壤污染状况筛查

首先，通过资料收集、现场踏勘以及人员访谈等方式了解整个特殊地块用地历史、环境及相关记录等情况，定性分析该地块的环境质量，为调查点位布设提供依据;其次，在整个区域内布设一定数量的调查点，调查点位布设遵循全面与重点结合、深与浅结合的原则，每个调查点代表性强且调查点密度总体稀疏;再次，开展现场采样、数据评估与分析，特殊情况可用便携式仪器现场采样检测、数据评估与分析;如果该区域不存在环境风险，则调查结束;如果有环境风险，则进入下一阶段。

与一般地块同阶段调查相比，增加了全区实物筛查（表1），可以发现一些由介质中的污染物跨地块迁移而形成的“非常规重点行业地块”的潜在风险点（现行土壤污染状况调查重点关注污染风险大的石油、化工、冶炼等行业地块）以及由此形成的一些隐蔽污染地块，运用定量的方法同时评估多个组合地块的用地安全性，从而有效保障了用地的整体安全需求。

1.1.2  第二阶段土壤污染状况调查（污染证实）

对经第一阶段土壤污染状况筛查确认有环境风险的区域，开展第二阶段土壤污染状况调查，其调查内容、方式及要求均與一般地块同阶段调查相同（表1），遵循国家和地方相应的标准、导则（HJ 25.1-2019，DB 11/T 656-2009，GB 36600-2018）。第二阶段土壤污染状况调查目的是确定污染物种类、浓度和空间分布，包括初步采样分析与详细采样分析。

初步采样分析：在有风险的区域，制定较为详细的采样分析工作计划，实施现场采样及开展数据评估与分析。以第一阶段土壤污染状况筛查成果为基础，确定采样深度及数量、测试指标种类。经过评估与分析，没有环境风险，则调查结束;如果有环境风险，则进入详细采样分析。

详细采样分析：在初步采样分析基础上，制定更详细的采样分析工作计划，实施现场采样及开展数据评估与分析，采样深度与数量、测试指标种类需满足初步采样分析结论的要求，从而进一步确认污染程度和范围。

1.1.3  第三阶段土壤污染状况调查（参数获取）

第三阶段土壤污染状况调查以补充采样和测试为主，获得满足风险评估及土壤和地下水修复所需的参数（HJ 25.1-2019，DB 11/T 656-2009，GB 36600-2018），即环境特征参数与受体暴露参数，第三阶段土壤污染状况调查与第二阶段土壤污染状况调查可合并开展。

特殊地块系统性调查不但满足了一般地块调查的技术要求（表1），而且又提供了特殊地块调查的新思路，从定量角度同时评估了特殊地块的整体用地安全。该调查模式即保障了土地利用安全，还能满足污染地块的相关管理需求，具有一定的推广和借鉴意义。

1.2  应用

某建设用地作为一个集建设用地与农业用地为一体的特殊地块，分布60余家不同土地权属的各行各业的工厂，并包含一定的“非常规重点行业企业”地块。不同用地方式下的水土环境质量安全存在着较大的差异性与不确定性，因而制约着区域功能规划，需要开展调查来确保用地的环境质量安全。特殊地块系统性调查模式在该建设用地水土环境质量调查中得到了很好的应用。下面以建设区三大场馆为例进行详细说明。

三大场馆由位置A到C共经过了2个调查阶段，即第一阶段土壤污染状况筛查和第二阶段土壤污染状况调查。

1.2.1  第一阶段土壤污染状况筛查

建设区（含博物馆最初位置）为特殊地块（图2），通过资料收集与分析、现场踏勘及人员访谈获知，该地块占地面积约3 km2，用地性质为工矿仓储用地、林地以及住宅用地。三大场馆初期位置均与工矿仓储用地有密切关系，其中剧院约½区域位于造纸厂内，图书馆位于化工厂北门和汽车修理厂附近，博物馆位于化工厂火炬和高分子公司附近（图2a），从某种程度上说明其潜在环境风险大。采用便携式挥发性有机物检测仪PID和土壤元素分析仪XRF进行全域筛查，发现三大场馆内及其周边有多个PID和XRF的高值点，即潜在风险点;综合分析相关工厂的生产历史并结合便携式仪器检测结果，推断三大场馆初期位置土壤环境质量潜在风险高，并结合其他因素将三大场馆位置变更到中期位置（图2b）。为进一步查明该特殊地块的环境质量，立即开展了第二阶段的土壤污染状况调查。

1.2.2  第二阶段土壤污染状况调查

在掌握第一阶段土壤污染状况筛查结果与场地地层结构的基础上，参考DB 11/T 656-2009《场地环境评价导则》，布设3种密度（40 m × 40 m，80 m × 80 m，120 m × 120 m）、2种主要深度（-6 m和-10 m）的调查点，并实施了现场采样、数据评估与分析;调查结果表明存在一些有机污染和无机污染的健康风险点或区，三大场馆位置再次变更，变更到最终位置（图2c），从而有效保障了三大场馆用地的环境质量安全。

2  污染土壤特征研究内容

土壤污染状况调查的目的是为土壤污染风险管控和修复提供基础数据和信息（HJ 25.1-2019），调查阶段提供的数据越详细、信息越丰富，对风险管控策略和修复策略的选择、修复技术筛选以及修复费用估算、修复效果评估越准确。因此需要对污染土壤特征精细研究，研究其土壤组成、污染物在土壤中的精准分布及赋存方式，以及土壤中自有矿物对修复效用的影响等。

2.1  土壤组成

地层岩性的精细刻画在矿产、能源领域有很普遍的应用，在水土环境调查过程中罕见应用（张建荣等，2016;王佩等，2015;董敏刚等，2015;张大定等，2012;王玉满等，2012;刘清俊等，2012）。土壤的组成包括2个方面，机械组成与矿物组成。机械组成是外在表现，矿物组成是内在本质，人们普遍认为土壤的渗透率与土壤的机械组成有很大的关系，其实起决定作用的是矿物组成。土壤的机械组成将土壤颗粒分成砂粒、粉粒、黏粒，然而土壤组成的复杂性决定了它绝不是单一成分的简单的组合，即使是相同的机械组成其矿物组成也可迥然不同（黄昌勇等，2012），如构成砂粒的矿物除石英之外，还可以有很多种硅酸盐矿物;黏粒矿物成分就更有很多，仅黏土类矿物就有8个种族（图3），土壤的渗透率是制约修复药剂在土壤中运移及其效用发挥的重要因素。

根据北京及周边污染场地调查中土壤矿物组成分析成果，土壤中的矿物主要有石英、长石（斜长石、钾长石）、黏土矿物（高岭石、伊利石、伊蒙混层、绿泥石、绿蒙混层）、碳酸盐矿物（方解石、白云石）、铁锰矿物（角闪石、黄铁矿、针铁矿、云母等）;其中石英、长石类、黏土类矿物含量高，一般在20%～50%之间;碳酸盐矿物和铁锰矿物含量低，仅占总量的1%～10%左右，特殊情况除外，如以碳酸盐岩或基性岩浆岩为母质发育的土壤。

2.2  污染物在土壤中的赋存方式

污染物进入土壤后通过各种物理化学作用结合在土壤颗粒的不同部位，形成了不同的赋存方式，有矿物颗粒之间的粒间孔隙、裂隙、粒内孔隙、矿物晶格以及吸附礦物颗粒/有机质表面（Schwarzenbach et al.，1993;于兴河，2009）;它受土壤性质（有机质、矿物组成、颗粒及孔径大小与分布等）、污染物性质（溶解度、憎水性、极性及可电离基团等）以及污染物与土壤作用时间等因素影响（李冰等，2016），其中对污染物赋存方式贡献最大的是土壤的矿物组成，矿物组成决定了土壤的孔隙结构与对污染物的截留方式。污染物在石英颗粒中的赋存方式是颗粒之间搭成的格架即粒间孔隙，较易于去除。黏土矿物、胶体和有机质对污染物的截留方式以吸附作用为主，长石对污染物的截留方式为其粒内溶孔、晶层内以及形成的次生黏土矿物的吸附;由于类质同象和同质多象的存在，矿物组成的复杂性增加，即使是同一类矿物，如高岭石与蒙脱石，由于阳离子交换量和表面积差异较大，高岭石阳离子交换量为30～150 mmol·kg-1，比表面积为9～70 m2·g-1;蒙脱石阳离子交换量为700～1300 mmol·kg-1，比表面积为600～850 m2·g-1;其对污染物的吸附截留作用也相差很大。

因此查明土壤组成，污染物在土壤中的赋存方式，对于推断污染物在地层中的精准分布、修复药剂运移路径及到达精准程度具有重要的意义，从而为后续精准风险管控或修复治理提供目标靶向。

2.3  土壤中自有矿物对土壤的修复效用的影响

已有成果表明，土壤质地、湿度、pH和有机质对土壤修复作用产生一定的影响（刘少卿等，2012;骆传婷，2014;刘雪等，2010），但土壤中自有矿物对土壤修复作用影响研究尚未见报道。土壤中矿物对土壤修复功能具有促进作用、抑制作用以及中性矿物。

2.3.1  土壤中矿物对修复效果的促进作用

对土壤修复功能具有促进作用的矿物既土壤中具有自然修复功能的矿物。土壤均具有一定的自净能力，其净化能力的大小取决于所含具体矿物的类型及其含量（鲁安怀，2001）。土壤中的黏土矿物、铁锰铝氧化物、硅氧化物、硫化物、氢氧化物和碳酸盐等通过吸附、解析、固定、氧化以及催化降解等一系列的特殊作用，对土壤中的有机污染物与无机污染物进行拦截、阻止、限制与净化。

固化/稳定化技术是修复重金属污染土壤普遍应用的技术之一，高岭土、蒙脱石、海泡石、膨润土和沸石等黏土类矿物主要通过吸附、共沉淀等作用，降低土壤中重金属的生物有效性和移动性（朱维等，2018）。铁锰氧化物良好的表面活性能净化土壤中有毒有害的无机污染物，铁锰氧化物含有变价元素可以氧化降解土壤中的有机污染物（刘少卿等，2012）。利用土壤中自有矿物修复污染土壤，达到自治、自净的目的，对于解决当下土壤污染问题，具有重大的环境效益和经济效益，与当下坚持的自然恢复为主的方针相一致，更加体现了人与自然和谐发展的特色，还能进一步丰富环境矿物材料对污染土壤修复治理的理论。

2.3.2  土壤中的矿物对修复效果的负面影响

化学氧化修复技术对于有机污染和重金属污染土壤均有广泛的应用。它是利用氧化剂的氧化性能，使污染物氧化分解，转变成无毒或毒性较小的物质，从而消除土壤中的污染。常用的氧化剂有芬顿试剂、过硫酸盐、高锰酸盐和臭氧等，还原性矿物造成氧化剂的失活或过分消耗而影响修复效果。如土壤中的碳酸盐、碳酸氢盐、氯化物、硝酸盐、磷酸盐或含硫的矿物质等可以和OH-或SO_4^（2-）反应，降低芬顿试剂、活化过硫酸盐及臭氧的氧化效率，减缓修复进程和影响修复效果。黏土类矿物如蒙脱石（膨润土）类遇水膨胀阻塞孔隙通道，减缓或阻塞药剂到达指定修复区域。掌握土壤中矿物特性为修复试剂类型优选和试剂量投放提供充分依据，也为修复治理效果提升、二次危害减少具有重要意义。

2.3.3  土壤中矿物对修复效果保持中立

受土壤修复环境影响微弱的是石英和长石类矿物。

石英在土壤中含量高、分布广泛。石英类矿物由于其硬度大，抗风化能力强，只发生机械破碎，不发生化学转化，其在土壤中的粒度相对较粗，一般以砂粒、粉粒形式存在;石英类矿物含量多的土壤孔隙发育，渗透系数高，通透性好，有利于地下水或修复试剂的运移扩散。且石英抗腐蚀能力强，土壤本底环境的改变对其矿物原有性能的影响微弱，能很好地保持原有状态。尤其是化学修复使用的林林总总的药剂，不会与石英发生反应，不会对药剂作用的发挥产生干扰作用。

长石在土壤中的含量与石英相当，其稳定性和抗腐蚀能力较石英稍弱，但原有的土壤环境使长石发生改变的概率很小。长石类矿物的稳定性普遍受到pH值、温度、有机络合物、离子浓度和次生矿物形成等主要因素的影响，不同类型的长石其溶解产物不同，对土壤孔隙率和污染物的赋存与吸附的贡献作用也迥异，而且在一定的条件下向黏土矿物转化。由于受污染土壤基本是在浅层，地层的原始温度变化不大，对长石的影响可以忽略。孔隙流体主要是来自于各种试剂的输入，因此在进行试剂类型和量的选取时，可对长石类矿物给予一定的考虑。

3  结论与建议

3.1  结论

1）特殊地块是指由多个紧密相连的不同功能地块组合成的混合区域。特殊地块土壤污染状况的三阶段调查模式，即第一阶段土壤污染状况筛查、第二阶段土壤污染状况调查（污染证实）和第三阶段土壤污染状况调查（参数获取）。三阶段调查模式既满足建设用地一般地块土壤污染状况调查的规范和要求，又保障了特殊地块土地安全利用、规划周期时效需求。

2）污染土壤特征研究包括土壤组成、污染物在土壤中赋存方式、土壤中自有矿物对土壤修复作用的影响。该研究不仅有助于推断污染物在地层中的精准分布、修复药剂运移路径及到达精准程度，而且对污染地块后期风险管控与修复策略选择、修复治理效果提升等具有重要意义。

3.2  建议

1）对面积较大、急于开发建设的特殊地块采用系统性点面结合、详细与简略结合的土壤污染调查模式，以满足土地安全利用和规划时效需求。

2）在已有土壤污染状况调查的基础上，加强土壤岩性、污染物赋存方式、土壤中自有矿物对土壤修复作用的影响研究。

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