优先控制因子分析下土壤重金属污染风险与修复研究

陈小娟

关键词：优先控制因子；土壤重金属；污染风险；土壤污染修复

中图分类号：X820.4 文献标志码：B

前言

目前，土壤污染源的数量随着土地资源利用率的提高而增加。其中，由工业企业生产和人为活动导致的重金属污染问题最为严重，导致了污染场地存在金属阳离子和金属阴离子共存的复杂重金属复合污染特征。此外，污染物浓度较高，不仅对场地造成严重污染，还构成了周边生态环境的潜在风险。研究旨在通过分析研究区域内土壤重金属污染水平，将金属含量水平与纵向分布特征与优先控制因子分析法相结合，探究重金属对土壤的污染指数。根据土壤重金属污染风险划分标准，确定研究区域内的金属污染等级，以采用具有针对性的土壤污染修复措施。希望通过对于不同来源下土壤金属对环境风险的贡献的定量评价与土壤重金属污染修复技术的设计，能够在源头上降低金属污染程度，改善生态环境。

1材料与方法

1.1研究区概况

现有试验地块位于某城区东北部平原过渡带，研究区土地区划图见图1。

西北侧为相对肥沃的冲积平原，东南侧为低山丘陵区，野生资源较为丰富；地块周围存在一个流速为42 km的河湾，呈半封闭形状；该区域属温带大陆性季风气候，年平均气温60C～8℃，四季湿润；年最大降水量为856 mm，无霜期长达150天；地块所在辖区面积1256.7 km²，耕地面积12 548 hm²。试验选择的试验地块位于辖区水土保持生态功能区内，是重点保护和限制开发区。因此，对于工业生产相关项目具有较高的环境准入条件，形成了主要来自工业企业和农业的土壤重金属污染特征。

1.2土壤样品采集

研究中在供试地块中选取了8个典型绿地土壤作为研究对象，点位数量为162个，一个土壤样本采集单元由大约500m²的耕地组成，每个采集单元按扇形分布方式设置8个采样点。土壤采集深度根据土壤表面到底部的距离进行划分，共分为五层，依次为0 cm～10 cm、10cm～20 cm、20 cm～30 cm、30cm～40 cm和40 cm～50 cm，每层重0.5kg。将每层土壤混合均匀，采用二元法取0.3 kg作为取样点的混合样品。根据上述土壤采样点布置方法，在距离研究区约3 km的耕地上采集4层原状土，采用二元取样法，取每层土壤约0.3 kg作为土壤取样点的对照样品。

1.3研究方法

根据勘探样品的分析方法，对土壤中的重金属元素进行检测。为便于分析，设定土壤样品中镉（Cd）、汞（Hg）、砷（AS）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）和锌（Zn）8种重金属元素的检出上限分别为0.65、0.006、0.008、0.125、3.201、0.754、0.954和0.451mg/kg。对土壤样品重金属元素污染风险的分析采用有限控制污染因子分析法，对核心区土壤污染趋势进行特征分析，确定优先控制污染因子，进而制定相应的重金属污染修复措施。

2土壤重金属污染风险分析

2.1土壤重金属含量水平分析

利用上述测定方法对土壤样品进行重金属检测，8种风险重金属在表层土壤中均有检出，检测结果统计见表1。

由表1中数据可知，镉、铜、锌的最大检出量分别为156.31 mg/kg、256mg/kg、256.38mg/kg，分别超出对应允许值（123mg/kg、105 mg/kg、200 mg/kg）的1.27倍、2.44倍和1.28倍，均属于中等变异，点位超标率也位列前三。说明在该研究地块中，镉、铜、锌的含量水平相对较高，存在较大的生态风险。

2.2土壤重金属垂直分布特征分析

在上述基础上，分析镉、铜、锌三种重金属的垂直分布特征。考虑到研究区域内的表层土壤的酸碱度主要呈现出弱酸性，因此，根据现行土壤环境质量评价标准，分析这3种重金属在土壤中的纵向分布特征，结果见图2。

如图2所示，对照组铜的含量随着土壤垂直剖面深度的增加而缓慢增加，在20 cm土壤处达到峰值，镉和锌的含量均随着土壤深度的增加而呈现出先下降后增加的趋势。研究组的镉与铜的含量变化趋势不明显，且整体含量较低，均在40 mg/kg以下，而锌元素的含量变化幅度较大，在表层土壤到30 cm深度范围内，其含量区间为18～56mg/kg，表明其迁移能力在深层土壤中较强。研究区表层土镉、锌的含量要远大于深层土，且锌元素具有表聚性。综上可知，镉、铜、锌三种重金属的分布特征较为显著，使得研究区域的重金属污染指数较高。

2.3基于优先控制污染因子的土壤重金属污染风险计算

结合核心区土壤重金属污染特征，选择镉、铜和锌作为层次分析的方案层（C），将研究区域不同深度土壤作为准则层（B），将优先控制污染因子选择作为目标层（A），建立优先控制污染因子选择层次结构模型。根据研究区域土壤断面的管辖级别与敏感程度等因素，计算各取样点单因子指数，通过单因子指数值的分级标准确定单一金属污染物对土壤的污染程度。单一因子指数的计算公式为式（1）：

根据计算结果对其划分，设计土壤重金属污染风险分级标准。当污染综合指数≤0.7时，其污染程度为安全，重金属污染等级为1级；当污染综合指数在0.7～1.0之间时，其污染程度为警戒，重金属污染等级为2级；当污染综合指数在1.0～2.0之间时，其污染程度为轻污染，重金属污染等级为3级；当污染综合指数在2.0～3.0之间时，其污染程度为中污染，其重金属等级为4级；当污染综合指数>3.0时，其污染程度为重污染，其重金属污染等级为5级。计算研究区域内8种重金属的综合污染指数，确定土壤重金属污染风险等级。各项重金属对土壤的污染指数从高到低依次为Cu、Ni、Pb、Cr、Zn、As、Cd、Hg，其中Cu和Ni对土壤的污染风险等级为中污染。表明在后期对该研究区域土壤重金属污染进行处理修复时，应优先考虑治理Cu、Ni污染。

3土壤重金属污染修复方法

基于上述结果，治理与修复该区域内土壤重金属污染，并以土壤重金属的去除效果为评估指标，以验证采用的土壤污染修复技术的可行性。

3.1土壤改良修复实验

用于修复的试验土壤取自上述研究区域中心采样点的农田土壤，改良剂包括沸石、磷矿粉、钙镁磷肥、猪粪以及蘑菇渣等五种。定量称量试验土壤，分别按10%和20%的比例添加改良剂，充分混合，将样品置于人工气候箱中，在25℃和60%湿度下培养，为每个样品设置三个平行实验。在第15天、第30天和第45天采集所有样本，并使用优先控制污染因子法分析土壤中的重金属形态。

将4.5 kg的风干土壤添加不同比例的改良剂，混合后将电离水和乙醇添加到试验地块最大含水量的50%。盆栽试验在室温下平衡三周后开始。实验中改良剂的用量水平见表2。

根据表2，在盆栽土壤中添加不同比例的改良剂，共进行了5次处理，包括未添加融合改良剂的对照土壤。将获得的土壤样品自然风干，在研钵中研磨，并分别通过30目和50目筛网，用于随后的重金属去除率分析。

3.2改良修复结果分析

使用火焰原子吸收分光光度计测定经改良修复实验后土壤中的重金属含量，并计算土壤重金属去除率，公式为式（3）：

分别利用表2中5种配比的改良剂修复实验土壤，利用式（3）计算经过修复后土壤的重金属去除率，以确定使得土壤修复效果最佳的改良剂配比，结果见图3。

如图3所示，处理水平为A的改良剂获得的土壤重金属去除效果最好，对于土壤中的Cr、Cu和Zn的有效去除率均达到了80%以上，其次为E处理水平，对重金属去除率不低于70%。相比之下，处理水平为B、C、D三种配比的改良剂的土壤修复效果较差。对比表2可知，处理水平为A和E的改良剂中，沸石与蘑菇渣的施用水平均为4，说明改良剂中沸石与蘑菇渣的用量的提高能够实现土壤重金属的最大去除，可有效实现土壤重金属污染的修复。由此可知，当改良剂中沸石与蘑菇渣的用量水平为4时，能够取得最佳修复效果。

4结束语

随着环保意识的提升，人类越来越关注生态环境污染，并采取措施加以防治，以改善环境质量。文章以优先控制因子分析方法为核心，选用实际试验地块为研究背景，通过对土壤取样及重金属含量的测定，分析土壤重金属污染风险等级，并结合污染区的概况，采用混合改良剂钝化方法对研究区域内土壤进行修复，结果表明，该方法可对土壤中的重金属污染进行科学评估，且对于土壤重金属去除效果良好，能够达到改良修复土壤的目的。