关中某铅锌冶炼厂周边土壤重金属污染研究

曹晓晖,赵宇通,蒋红丽

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075；5.陕西地建土地工程质量检测有限责任公司，陕西 西安 710021)

1 引言

土壤重金属污染指的是人为活动导致的土壤中重金属元素含量升高的现象[1]，其中包括超过背景值的微量污染以及长期累积、迁移等导致的过量污染，重金属污染已成为威胁人类健康以及生态系统的重要因素[2，3]。

研究表明，土壤重金属污染的来源主要分为2个方面，第一是自然来源，如成土母质的风化、水力和风力搬运过程中导致的化学迁移等，第二则是人为干扰，如冶金、采矿、农药施用、交通运输等[4～6]，这2个方面相比，后者影响较大，其中以冶金和采矿最为严重[7]。据估计，全国范围内，受到重金属污染的粮食高达1200万t，造成的经济损失高达200多亿元[8，9]。要想解决土壤重金属污染问题，控制和消除污染源是关键。因此，找到污染源迫在眉睫。

近些年，国内外土壤重金属污染事件频频发生，引起了人们的高度重视，有关冶炼厂区土壤重金属污染也成了当前研究热点[10～16]。因此，于2020年4月中下旬，对关中地区某铅锌冶炼厂周边的土壤进行采集、分析测试重金属含量，并作污染状况评价，旨在为该区域找到土壤重金属污染源，并为今后重金属防护、治理提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

陕西省宝鸡市凤翔县长青镇，位于距市区20 km、距县城12 km的西南部。本研究以该镇某铅锌冶炼厂周边的土壤作为对象，分析测定土壤中重金属元素的含量，并对其进行污染研究及评价。

2.2 样品采集

2020年4月下旬，根据现场的实际调查情况，该冶炼厂所在区域的地形地貌以及土地利用类型确定，采样点主要分布在冶炼厂的东南和西北2个方向，由于该冶炼厂周边区域土壤特征相近、土地使用功能相同，因此本研究采用“系统随机布点法”进行土壤采样点布设。分别在这两个方向布设20个土壤采样点，累计布设40个土壤采样点。在每个采样点上采集4个土壤样品(采样深度为0～30 cm)，充分混合均匀后，采用“四分法”保留土壤样品1 kg左右置入自封袋，避免所采集的样品被外界污染。最终在冶炼厂的东南和西北两个方向累计采集土壤样品40个。

将采集完成的土壤样品带回实验室，进行统一转码后，置于室温下的通风、避光环境中，使其自然晾干。将晾干的土壤样品经过研磨处理后，依次通过2 mm、1 mm、0.149 mm的尼龙筛，并分成3份。1份用来测定土壤的基础理化性质，1份用来测定重金属元素Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn、As和Ni的含量，1份留样保存。

2.3 样品处理与测试

土壤样品处理与测试方法如表1所示。

表1 土壤养分测定项目及方法

3 结果与讨论

3.1 重金属元素含量

通过分析测定得出，关中某铅锌冶炼厂周边土壤呈微碱性，pH值范围为7.76～8.45，平均值为8.24，土壤有机质含量为12.9～57.5 g/kg，平均值为28.4 g/kg。

由表2[17]可知，该冶炼厂周边土壤中重金属元素Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn、As和Ni的平均含量分别为0.40、85、26.0、48、0.078、108、12.5、26 mg/kg，在这8种重金属元素中，除Ni外，其他重金属平均含量均高出中国土壤元素背景值和陕西省土壤元素背景值，尤其以Cd和Pb最为严重，含量分别为陕西省土壤元素背景值的4.26和2.28倍，分别为中国土壤元素背景值的4.12和1.85倍。由表2得出，该冶炼厂周边土壤中重金属元素Cd、Pb和Zn的标准偏差和变异系数都较大，说明其在土壤中累积较明显。

表2 关中某铅锌冶炼厂周边土壤重金属含量

3.2 重金属元素富集特征

根据地累积污染指数法对该铅锌冶炼厂周边土壤中重金属污染情况得出的结果如表3所示，从平均值来看，该研究区域土壤仅受到Cd、Pb、Hg 3种重金属元素的污染，其他重金属元素的污染并未体现出。然而，从最大值来看，Cd元素在某些区域已经到达中度—强污染水平，Pb和Hg元素达到中度污染水平，Zn、Cu和Cr则达到了轻度—中度污染水平。从采样区域来看，处于西北方向的土壤整体比东南方向的土壤中重金属污染要严重，其中以Cd和Pb污染最为严重，已经达到中度—强污染水平。

表3 地累积污染指数法评价结果

3.3 重金属元素随距离变化特征

本实验通过对距关中某铅锌冶炼厂西北方向0～1500 m的表层土壤进行采集，并对Cd、Hg和Pb元素含量进行测定与分析，最终得出这3种重金属元素含量的横向分布规律。本实验采集土壤样品的具体方法为：在距离关中某铅锌冶炼厂西北方向0～400 m，每隔50 m取一个样点，400～1500 m则每隔100 m取一个样点，共采集20个土样。Cd、Hg和Pb元素的含量变化特征如图1所示。

图1 冶炼厂区西北方向不同距离元素含量变化特征

由图1可知，处于关中某铅锌冶炼厂西北方向的土壤中，重金属元素Cd、Hg和Pb的含量随着距该冶炼厂距离的增加而递减，距离铅锌冶炼厂越近，土壤中重金属元素含量越高，即受到的重金属污染越严重。在距冶炼厂0～400 m范围内，Cd、Hg和Pb含量变化的曲线斜率均较大，说明重金属元素含量变化较大，递减较快，即衰减急剧，而在距冶炼厂400～1500 m内，Cd、Hg和Pb含量变化的曲线接近水平，即重金属元素含量变化明显减慢，衰减趋势明显变弱，由此推测，该冶炼厂即为该区域内导致土壤中重金属元素含量较高的重要污染源。综上所述，关中某铅锌冶炼厂周边土壤中重金属元素Cd、Pb、Cu的含量均随着距污染源距离的增加而减少，重金属元素含量的衰减具有明显的阶段性。

4 结论

(1)关中某铅锌冶炼厂周边土壤中除Ni之外，Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Zn和As平均含量均高于中国土壤元素背景值和陕西省土壤元素背景值，尤其是Pb和Cd。相较背景值，8种重金属元素含量由大到小的顺序依次为Cd>Hg>Pb>Zn>Cr>Cu>As>Ni。

(2)地累积污染指数评价结果表明，从平均值来看，该冶炼厂周边土壤仅受到Cd、Pb、Hg 3种重金属元素的污染，其他重金属元素的污染并未体现出。然而，从最大值来看，Cd元素在某些区域已经到达中度—强污染水平，Pb和Hg元素达到中度污染水平，Zn、Cu和Cr则达到了轻度—中度污染水平。

(3)重金属元素随距离变化特征分析表明，该冶炼厂周边土壤中重金属元素Cd、Pb、Cu的含量均随着距污染源距离的增加而减少，重金属元素含量的衰减具有明显的阶段性。

综上所述，关中某铅锌冶炼厂周边土壤主要受到以重金属Cd污染为主的多种重金属复合交叉污染，该冶炼厂周边的大气沉降与扩散以及排放的烟尘气溶胶等或为主要污染源。