某市土壤重金属污染评价与防治问题研究

赵玉龙

（甘肃省环境监测中心站，兰州 730000）

1 某市重金属污染现状

某市位于我国西部地区，属温带干旱、半干旱大陆性气候，地势西北高、东南低，北部为沙漠平川和山间盆地，地势平坦，中部为祁连山余脉山地，山峦起伏。作为我国最重要的有色金属工业基地，目前该地区已发现铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、金（An）、银（Ag）等矿产资源几十种，同时也是西部重要的新型化工能源基地和国家级地质找矿整装勘查区，煤炭、稀土、凹凸棒、陶土资源丰富[1]。该市现辖2 区3 县，A 区是市政府驻地和主要工业聚集地，位于该市西侧；B 区是陶瓷、发电行业聚集区，位于该市东侧63km 处；C 县是煤炭、有色金属加工、稀土新材料行业聚集区，位于该市东侧43km 处；D 县是发电、有色金属加工聚集区，位于该市北侧73km 处；E 县是农产品加工、农业配套制造聚集区，位于该市东南侧117km 处。作为能源型城市，该地区拥有有色金属采选冶炼、化工、煤炭、电力、机械、医药、轻纺、建材、陶瓷、农畜产品加工等行业的大中型企业及其配套企业。这在推动城市经济社会发展的同时，也给环境造成了严重污染。

2 点位布设与监测

土壤布点按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）[2]、《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）等技术规范和技术标准要求执行[3]。根据某市实际情况，耕地网格定为8km×8km、林草地网格定为16km×16km、未利用地网格定位为32km×32km，利用ArcGIS 软件按上述布点原则和技术要求，以1 ∶ 250 000 电子地图作为布点底图进行网格布点，共布设采样点259 个，取中心点表层土。采用石墨炉原子吸收分光光度法、原子荧光法、火焰原子吸收分光光度法对Cu、Pb、Zn、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）、镍（Ni）等8 种重金属进行了测定。

3 数理统计

3.1 数据汇总与分布

本文利用SPSS19.0 软件对重金属监测结果进行正态分布检验、偏度描述、变异系数、平均值等统计分析。利用ArcGIS 的统计模块拟合变异函数、确定相关参数、分析反距离权重（IDW）插值和趋势面[4]。在进行空间结构描述前，要先对异常值进行识别和剔除，因为在用IDW 对变量进行插值处理时，数据异常值会影响到表面连续性，产生中断表面，使半方差函数产生畸变，从而掩盖变量原有的空间结构特征，增加短距离变异性，空间相关的变程距离缩小。采用格鲁布斯检验法对259 个土壤点位中重金属监测结果进行分析，经过对异常值进行检验、剔除及分布检验，得出的频数分布见频数分布图。

根据偏度描述，Cr 含量呈正态分布，Cu 含量呈对数正态分布，其余As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn 金属呈偏态分布。

变异系数反映了总体样本中各采样点平均变异程度。由统计结果可以看出，该区域8 种重金属变异系数为0.154—0.865。其中，Cd 的变异系数最大，为0.865，属偏强变异强度；Hg 的变异系数次之，为0.853，属偏强变异强度。这说明土壤中的Hg、Cd 受外界干扰明显，空间分布差异较大，变异系数的统计结果与该市冶炼、化工、陶瓷、电力行业的产业结构相吻合。

从极大值与极小值来分析，8 种重金属元素含量的极大值与极小值的差值都比较大。其中，Cd 的极大值与极小值相差最大，极大值为0.951mg/kg，极小值仅为0.017mg/kg；Hg 的极大值与极小值相差次之，极大值为0.232mg/kg，极小值仅为0.005mg/kg。As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 等金属极值差异相对较小，其中，Cu 的极大值与极小值相差相对最小，极大值为37mg/kg，极小值为13.9mg/kg。结合图中各金属元素频数分布情况可以看出，该地区土壤重金属在不同地点存在明显的空间分布差异，与周边矿山开采、化工生产导致土壤重金属含量差异较大有关，与该地区涉重企业的特征重金属污染排放情况吻合。

3.2 土壤重金属元素相关性分析

来源相同的重金属元素在土壤中的含量具有一定的相关性。本文利用SPSS19.0 软件对监测结果进行皮尔逊相关性分析，根据不同元素之间的相关程度来判断区域内各金属污染物的来源是否相同。具有显著相关性的金属元素，其污染途径可能相同或相似；不具有显著相关性的金属元素，其污染途径或来源可能不同，或是受到了其他复杂因素影响，具体见表1。分析结果表明，Pb、Zn、Cu、As、Ni 之间具有显著的相关性（P〈 0.01）。其中，Pb-Zn、Pb-Cu、Zn-Cu呈现显著的正相关，其相关系数分别为0.887、0.666、0.501，说明研究区耕地耕层土壤中这3 种元素受人为活动干预强烈，具有相似的污染途径和来源；As与Pb、Zn、Cu、Ni，Cr 与Pb、Zn、Cu，虽然呈显著正相关，但其相关系数较低，相关性不强，说明这几种元素之间的污染源或污染途径可能相似。

表1 某市土壤重金属含量相关系数

4 环境影响评价

本文采用单项污染指数法进行环境质量评价，其计算公式为：

式中，Pip为污染物i的单项污染指数；Ci为污染物i的实测浓度；Sip为污染物i的评价标准。

超标率的计算公式为：

式中，Pie为某组数据的超标率；e为某组监测数据中超标数据的个数；n为某组监测数据的个数。

以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）二级标准作为评价标准，按照单因子污染指数对研究区259 个土壤样品中重金属含量进行计算，并对评价结果进行统计分析，其结果见表2。由表2 可知，土壤中各种金属元素的最大单因子污染指数从大到小依次为Cd、As、Cr、Zn、Ca、Ni、Pb、Hg。8 种重金属中，As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 平均单因子污染指数均小于1。可见，土壤未受到金属As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 的明显污染，土壤整体安全，但As 浓度较高，最大值达到0.892，平均值达到0.5，应引起足够的重视；Cd 有9 个点位的浓度值超标，污染指数最大值为1.585，属轻微污染，超标率为3.47%。

某市土壤重金属元素频数分布图

5 重金属空间分布

地理统计学方法适用于具有空间分布特征的区域性变量的分析研究，该方法在环境领域已得到广泛应用。因此，本文利用地理信息系统（GIS）和地统计学方法对土壤重金属空间分布及变异情况进行分析，并研究重金属污染来源和影响因素。利用ArcGIS 地统计分析模块分析某市土壤中重金属的空间变异性，通过对比不同插值方法的结果，确定该市土壤重金属空间变异的最优插值模型，从而获取各重金属空间分布状况[4]。根据监测和统计结果可以得出，土壤重金属Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 浓度与自然背景值差距都不大，全市都属于清洁区。因此，运用ArcGIS 地统计模块，将浓度较高的As、Cd 元素的监测点位和监测数据输入系统，用IDW 方法进行差值计算，得到该市土壤重金属空间分布图。通过把握度可以确定最近原则对于结果的影响程度，搜索半径可以控制插值点的个数,其内插结果可信度较高[5]。

5.1 As 含量空间分布

由监测结果结合空间分布情况可以看出，某市土壤中重金属As 含量虽未超标，但整体含量普遍较高。其中位于A 区中部地区的4 个乡镇的As 浓度最高，为14.1—15.1mg/kg，被划分为预警区。该市其他绝大部分地区，As 浓度为12—14mg/kg，归属为重金属As的尚清洁区。B 县北部地区、南部地区的3 个乡镇，以及E 县东部地区、北部地区、南部地区的5 个乡镇的As 浓度在11.9mg/kg 以下，归属为重金属As 的清洁区。整体而言，该市土壤中重金属As 空间分布规律明显，主要集中在城区和工矿用地周边地区。

5.2 Cd 含量空间分布

由监测结果结合空间分布情况可以得出，某市土壤中重金属Cd 超标的区域主要分布在A 区西北地区的2 个乡镇，Cd 含量大于0.6mg/kg，归属为Cd 的轻度污染地区。C 县东部地区2 个乡镇，D 县南部地区2 个乡镇，E 县北部地区、南部地区3 个乡镇的重金属Cd 含量为0.3—0.6mg/kg，归属为预警区。C 县南部地区2 个乡镇，D 县北部地区、南部地区、西部地区6 个乡镇，E 县北部地区、南部地区6 个乡镇的Cd 浓度在0.1mg/kg 以下，归属为重金属Cd 的清洁区。其他区域重金属Cd 浓度为0.102—0.3mg/kg，归属为重金属Cd 的尚清洁区。E 县与该市主要重金属企业距离较远，直线距离超过11km，因此可以判断土壤中Cd 含量较高与该市重金属污染无关,可能与农药使用或本底值偏高有关。

6 结语

通过对某市259 个土壤点位中重金属进行分析，按照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）二级标准进行评价，8 种重金属中As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni平均单因子污染指数均小于1，说明土壤未受到金属As、Pb、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni 的明显污染，土壤整体安全。但是As 含量在A 区浓度较高，属于预警区域；Cd 有9 个点位的浓度值超标，污染指数最大值为1.585，属轻微污染，超标率为3.47%。

运用ArcGIS 地统计模块计算该市土壤重金属空间分布情况。通过分析可知，土壤中Cd 轻度污染地区主要位于A 区西北地区，As 浓度较高地区位于A区中部地区，该市属于Ni、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 等重金属的清洁区。土壤重金属在不同地点存在明显的空间分布差异，这和周边矿山的开采、化工生产导致土壤重金属含量差异较大有关，与该地区涉重企业的特征重金属污染排放情况吻合。

表2 某市土壤重金属污染物评价统计结果

7 污染原因分析与防治对策

某市曾因矿产资源开发、化工污水排放造成了严重的环境污染。矿产资源开发过度，工艺落后，尾矿污染物进入水体和土壤，环境破坏严重。作为该市支柱产业的化工生产造成了严重的重金属污染。

经过多年治理，该市土壤污染加重趋势总体上已经得到了遏制，土壤环境质量逐步改善。加大重点区域污染防控、调整工业规划布局仍是目前该市土壤环境治理的主要方向。该市土壤污染防治工作的重点应为：（1）加快产业结构调整，淘汰落后产能，权衡能耗、环保、效益多重标准，促进产业结构优化升级；（2）严格控制新增污染，严格环境准入制度，对不符合环保政策标准的项目一律不予审批或立项[6]；（3）加强涉重企业污染治理，加大行业监督检查力度，严格执行重金属污染物总量控制和重点污染物特别排放限值，改进生产工艺，提升工业废物处理技术和综合利用水平[7]；（4）提升土壤重金属污染治理能力和技术水平，综合运用新型工程修复技术、生物修复技术和化学修复技术等，提升土壤污染治理技术水平[8]。