某典型污染地块土壤砷垂向分布及评价

2023-09-27白江伟刘清俊贺瑾瑞刘芬芬张羽顾海波罗伊王天宇贾唯远

城市地质 2023年3期

白江伟　刘清俊　贺瑾瑞　刘芬芬　张羽　顾海波　罗伊　王天宇　贾唯远

摘要：使用直推式钻机在面积约73 484 m2污染地块内采集深度0～6 m土壤原状样品225件，垂向采样间距为0.5～1 m。土壤砷含量范围为1.13～1 004 mg·kg-1，平均值为78.5 mg·kg-1。采用ArcGIS、数理统计法对不同深度土壤中砷含量进行分析，结果表明：土壤砷含量自上而下呈下降趋势，0～2 m人工填土中的砷明显偏高，最大值位于1 m处，3～6 m原状土中的砷显著降低；样品砷总超标率为20.9%，0～6 m超标率分别为51.92%、30%、14.81%、6.67%、10.53%、0、4.76%，超标率自上而下呈下降趋势。运用地累积指数法评价土壤污染状况，0～1 m为中强污染，2 m为中污染，3 m为轻微污染，4～6 m为无污染。

关键词：污染地块；土壤；砷；垂向分布；污染评价；地累积指数法

Vertical distribution and evaluation of soil arsenic in typically polluted plot

BAI Jiangwei1， LIU Qingjun1， HE Jinrui2， LIU Fenfen1， ZHANG Yu1， GU Haibo1， LUO Yi1，

Wang Tianyu1， Jia weiyuan1

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100011， China；

2.Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100011， China）

Abstract： Direct push drill was used to collect 225 soil samples with a depth of 0～6 m in a contaminated plot with an area of 73 484 m2， and the vertical sampling interval was 0.5～1 m. Soil arsenic content ranged from 1.13 mg·kg-1 to 1 004 mg·kg-1， with an average of 78.5 mg·kg-1. ArcGIS and mathematical statistics were used to analyze the arsenic content in soil at different depths. The results show that the arsenic content in soil decreased from top to bottom. The arsenic content in 0～2 m artificially filled soil was significantly higher， and the maximum value was 1m， while the arsenic content in 3～6 m undisturbed soil was significantly lower. The total exceedance rate of the arsenic samples was 20.9%， and the exceedance rates at 0～6 m were 51.92%， 30%， 14.81%， 6.67%， 10.53%， 0， and 4.76% respectively. The exceedance rates showed a downward trend from top to bottom. Soil pollution was evaluated by soil accumulation index method. 0～1 m was considered as moderate to heavy pollution， 2 m as moderate pollution， 3 m as light pollution， and 4～6 m as no pollution.

Keywords： contaminated land; soil; Arsenic; vertical distribution; pollution assessment; ground accumulation index method

土壤污染是当今世界的热点问题（周友亚等，2015），化石能源、农药化肥的大量使用以及工业“三废”都会使重金属向土壤中扩散从而导致土壤受到污染（李小平等，2018；孙小华，2021）。重金属污染多分布于工业发达地区以及矿区（徐启胜等，2018），通常，工业园区尘土中的重金属含量远高于矿区、居民区、农场等区域（李春辉等，2017）。

重金属难以被生物降解，可在各环境介质中扩散迁移（许飘，2016）。有案例表明，土壤As含量随城市GDP的上升呈对数增长模式（余斐等，2022），城市土壤As元素主要与燃煤以及农业生产相关（乔俊等，2010）。砷对人体有害，其化合物三氧化二砷被称为砒霜，具有剧毒性、持久性、累积性，目前砷污染会通过植物重新进入区域食物链（赵烨等，2008），故砷元素在土壤环境调查中常被重点关注。砷的来源主要有地质成因与人类活动排放两种，人类活动排放主要包括化石燃料燃烧和含砷农药、化肥的使用等。

目前有关化工厂土壤砷污染的研究，多数为表层土壤砷分布状况（刘孟晓，2022）以及土壤砷背景值的研究，来源分析关注点多集中于化工厂的生产过程或者原料、产品运输过程中遗撒等造成的土壤污染，而对于地表已经完成硬化防渗的仓储区，或者生活区中的灌木农林用地中的外来人工填土中混有颜色明显异常的外来物质携带的污染物关注较少。有研究显示，杂填土中的活动态As含量百分比大于粉黏土、粉細砂，重金属含量为杂填土＞粉黏土＞粉细砂≈砂砾石层（项广鑫等，2015）。本文以某典型地块为研究对象，通过采集不同深度的土壤样品，分析土壤砷含量与深度、地层岩性的对应关系，以期为相关部门开展环境评价和治理提供参考依据。研究发现重金属砷污染主要聚集于土壤浅表层（0～2 m），且在地层岩性为颗粒细密的黏性土层下，重金属含量明显降低，可能是由于黏性土对重金属的阻隔吸附造成的。

1 材料与方法

1.1 污染地块概况

某典型地块面积约73 484 m2，建厂历史约20年，查阅历史遥感影像可知，其北侧、西侧、东侧院墙外在2013年以前为农田（图1-a），2013年地块东北角为废品回收站（图1-b），2014年开始出现外来人工堆土，该堆土为杂填土，渣土、建筑垃圾等，南部200 m为村庄（图1-c），2019年地块北侧、西侧人工堆土上有树木种植、东侧堆土覆盖工程绿网（图1-d）。地块内分为生活区、仓储区、生产区，其中生活区有办公楼、车库、职工食堂、篮球场、水塔等设施以及部分灌木林地，地表除灌木林地外均已硬化；仓储区、生产区地表均使用水泥做防渗处理，但局部水泥面有破损和裂缝，生产区可见露天污水处理池。该厂早期为养猪场，后变为化肥厂，主要生产复合肥、混合肥、氮肥等，主要的生产原料是磷酸铵、硝酸铵、氯化铵、氯化钾、青海钾、普钙等。

1.2 地层岩性及水文地质条件

地块位于永定河、潮白河冲洪积平原，地层为第四系新近沉积层。表层大部分为5～10 cm的水泥硬化地面，下部依次为人工填土及原状土（图2），地层剖面线位置见图1-d。其中：人工填土颜色为黄褐色—杂色，多数含砖块、碎石、煤渣、水泥块等，植物根系较少，稍密，稍湿；原状土岩性主要为砂质粉土、黏质粉土、粉细砂等，颜色以灰色、灰黑色、黄褐色为主，密实，湿。地层岩性概化分层如下：0～2 m为外来人工填土层，2～3 m存在一层粉质黏土层，局部有缺失，夹细砂、粉砂透镜体，3～6 m为粉细砂层夹粉土。土壤包气带2～3 m的黏性土层对于污染物的垂向运移有一定的吸附阻隔作用。

该区浅层地下水埋深为5～8 m，地下水流向自东向西。地块地下水等水位线图见图3。

生产区：1-1复合肥生产车间，1-2氮肥生产车间（含锅炉房），1-3花肥、菜肥分装车间；仓库区：2-1 1号仓库，2-22号仓库，2-3 3号仓库，2-4 肥料仓库；生活区：3-1 办公楼，3-2 员工宿舍、篮球场，3-3食堂、小花园，3-4 私人车库，4-1 水塔，4-2 锅炉房原经贸公司地块，5-1 生产车间，5-2 仓库，5-3 办公楼。

1.3 采样点布设

依据HJ 25.1―2019《建设场地土壤污染状况调查技术导则》，对于污染分布不明确的地块采取系统布点，全面与重点结合、深与浅结合的原则（刘清俊等，2022），平面上布点间距为50 m × 50 m，共布设76个点。结合场地内现场情况及遗留未拆除厂房及是否具有施工条件综合考虑点位。依据以上导则要求的0.5～2 m等间距设置采样位置，确定垂向上采样间距为1 m，采样深度分别为0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。

1.4 土壤样品采集及设备

在清理地表杂物并去除表层硬化后，使用美国Geoprobe钻机分别钻进到0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m深度，提钻后取出取样内管，剖开内管取出相应深度的原位原状土壤样品，使用木铲取采样管内的土壤样品约500 g，装在自封袋中，及时送实验室检测分析。结合钻井勘探数据，在地层岩性、含水率、颜色等要素发生明显变化的层位顶端取样并做好现场记录，尤其在地层岩性由非黏性土向黏性土变层处需要格外注意。

采样设备为美国Geoprobe-7822DT直推式土壤取样钻机（张建杰等，2023），该钻机有内外两层套管，其中内管为取样管，外管为钻进护管，在液压助力下将取样管推入地层（彭新明等，2020），使样品贯入取样管内，非常适合不含大块卵砾石的平原区粉土、黏土地层土壤采样。其取样内管材质为特氟龙（聚四氟乙烯），具有稳定的化学性质，在与样品接触的过程中不会对样品造成二次污染，而且由于其密封性良好，也不会造成采集的样品中挥发性污染物的扩散，保证了所取样品为地下原位原状土壤样品，使采集样品更贴近真实污染状况。钻机情况见图4。

土壤中砷的检测方法为原子荧光法（HJ 680―2013），检出限为0.01 mg·kg-1。设置空白样、平行样、密码样控制检测质量，实验室数据来源于国家CMA（中国计量认证）认证的实验室出具的正式测试报告。

2 结果与分析

2.1 地块土壤砷总体分布

1）平面分布

使用ArcGIS反距离插值法绘制地块不同深度（地表，1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m）的土壤砷（As）平面分布图，统计不同深度的土壤砷分布范围及污染情况，发现平面上砷污染点位在生产区、仓储区、生活区均有分布。由图5可知：除5 m处没有超标点外，0～6 m土壤砷均有超标点，但是主要的超标点位集中分布在0～1 m，5～6 m砷无超标点位；最大值出现在1 m处的，属于生产区；地表处的超标点主要位于地块的东部、北部及西部，属于地块的仓储区和生产区；1 m处超标的点位主要位于地块的中部，属于地块的仓储区和生活区，污染面积比地表处明显减小，2 m处的污染面积比1 m处更小，属于地块的仓储区和生活区，总体上由上到下呈现土壤砷浓度和面积均降低的趋势。现有研究表明：砷浓度总体上随深度的增加呈现下降趋势，农田土壤砷垂向分布表明样区土壤表层受污染最严重。本次研究结果与韩小宾（2022）、刘欢（2022）等作者的研究结论是一致的。

2）垂向分布

垂向上隨着采样深度的增加砷浓度总体上呈现下降趋势，高值点在0～2 m深度的回填土层中集中分布，3～6 m深度显著降低。可能是由于地块的上层回填土层砷污染较重，结构松散，故上层土层中的砷在雨水淋滤作用下向下迁移，若遇到密实的岩性为粉质黏土、黏质粉土的原状土层，会产生一定的吸附富集，从而滞留在黏性土层中，使黏性土层下部的地层受到较小的污染。

地块土壤总样品砷含量平均值为78.5 mg·kg-1，是北京某煤矿区表层土壤中As平均含量7.39 mg·kg-1（姚世厅等，2016）的10.62倍，说明总体污染较重。以GB 36600―2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》中第二类用地筛选值60 mg·kg-1为标准，对225个土壤砷含量数据进行统计分析，统计结果见表1。

将样品按不同采样深度分层统计，分析不同深度的样品砷均值及超标率。由表1可知：地表处样品超标率最高，为51.92%；1 m处样品均值最高，为160 mg·kg-1；各个深度样品砷均值由上到下呈现降低趋势。0～1 m土壤砷超标率均高于30%，2～6 m超标率均低于15%；随着采样深度的增加，各个深度样品砷超标率总体上由上到下呈现下降趋势。

绘制采样点地层剖面图并在不同层位标注砷含量值。由图6可知：0～2 m多为回填土，回填土层中的砷呈现高异常特征，均值为120.7 mg·kg-1；2～3 m大致存在一层不连续的黏性土层，砷含量比0～2 m明显降低，均值为58.95 mg·kg-1；黏性土层的下部3～6 m间，只存在土壤砷高值单点，均值为17.23 mg·kg-1。不同岩性的土壤中砷含量由大到小分别为人工填土>黏性土>砂土。

2.2 地块土壤砷来源分析

地块原为化肥厂，调查得知，该厂曾生产复合肥、氮肥、磷肥等。故砷可能是来源于磷肥制造磷矿的尾洗液和煤使用过程中的污废水等。

地块土壤砷高值点在生产区，仓储区和生活区均有分布，主要集中分布在地块浅层的回填土层中，其中生产区和仓储区的地表均已完成水泥硬化，生活区中的农林区域地表未硬化。由于硬化地面会一定程度上保护地下土壤减少生产过程中原料遗撒对地下土壤的污染，故推测在生产区和仓储区已完成硬化的区域，下部的外来回填土受到污染，一方面是由于地块生产造成的，另一方面有可能是由于外来回填土本身砷超标；而对于生活区地表未硬化的农林用地中的外来填土的土壤砷超标现象，推测是由于外来回填土本身砷超标导致。具体不同深度的污染状况及污染物可能来源如下：

地表土壤砷超标率为51.92%。最高值位于生产区（AJ53），岩性为人工填土，该点位东部2 m处有废水处理池，可能是由于生产过程中的原料遗撒泄露或者废水的存储、排放过程中渗漏造成的。

1 m土壤砷超标率32%。最高值位于生产区（AJ53-1），岩性为人工填土，与地表处最高值位置相同，可能是由于上部污染土壤在受雨水淋滤、生产过程遗撒和东部废水池污染扩散等造成的。由于1 m以下地层岩性变为黏质粉土，密实性相对增加，对砷有一定的吸附阻隔作用。有研究表明砷极易吸附在土壤铁氧化物及黏土等矿物中（杨金素，2022）。

2 m土壤砷超标率14%。最高值位于生活区（AJ14-2）中的农林绿地，岩性为回填土，红褐色，有异味，由于附近未发现生产设施及可能造成污染的疑似污染源，所以推测可能是由于回填土本身砷含量高造成的。

3 m土壤砷超标率10%。最高值位于仓储区（AJ29-3），其上部地层岩性均为杂填土并含有大量砖块、煤灰，推测可能是由于回填土本身混有煤灰砷含量高造成的。

4 m土壤砷超标率11%。最高值位于生产区（AJ20-4），巖性为黏质粉土，褐黄色，该点位上部杂填土层含红色砖渣、灰渣、酒红色灰渣，砖渣主要分布在1.2～1.7 m，可能是由于生产过程中遗撒的原料在雨水淋滤作用下向下迁移后被该处致密黏质粉土层阻隔吸附造成的。

5 m土壤砷均不超标。

6 m土壤砷超标率2%。最高值位于仓储区（AJ67-6），岩性为细砂，褐黄，由于其上部地表杂填土砷含量较高（211.36 mg·kg-1），岩性为粉细砂，渗透性较好，故可能是由于地表污染土层中的砷随雨水下渗造成的。

2.3 土壤砷污染评价

研究区各层位土壤重金属地累积指数（Igeo）计算公式为（黄勇等，2022）：

Igeo=log_2 C_n/（K×B_n ）

式中：Cn 为重金属 n 的实测值；Bn 为重金属n 的背景值（以GB 36600―2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中的第一类用地砷筛选值20 mg·kg-1作为背景值Bn）；K为去除沉积物不同地区间的背景值差别而选取的转换系数，一般情况下 K=1.5。

当Igeo≤0为无污染；当0＜Igeo≤1为轻微污染；1＜Igeo≤2为中污染；2＜Igeo≤3为中强污染；3＜Igeo≤4为强污染；4＜Igeo≤5为较强污染；Igeo＞5 为极强污染。

以各个采样深度的样品平均砷含量作为重金属的实测含量Cn（表2），使用地累积法对土壤砷污染情况开展评价。结果表明，0～1 m的Igeo平均值为2～3，为中强污染；2 m的Igeo平均值为1.31，介于1至2之间，为中污染；3 m的Igeo平均值为0.97，介于0至1之间，为轻微污染，4～6 m的Igeo平均值都小于0，为无污染。见图7。

3 结论与建议

3.1 结论

1）某典型污染地块土壤砷含量自上而下呈下降趋势，0～2 m人工填土中的砷明显偏高，最大值位于1 m处，3～6 m原状土中的砷显著降低，最小值位于5 m处，且污染点地层岩性大多为外来人工回填土。

2）样品砷总超标率为20.9%，地表、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m土壤砷含量的超标率分别为52%、32%、14%、10%、11%、0、2%，超标率自上而下呈下降趋势。

3）3～6 m土壤砷含量显著降低，在3 m左右存在的原状黏性土层吸附阻隔砷向下迁移。

4）生活区土壤砷污染可能是外来人工填土本身污染导致；而地表已经完成硬化的区域污染来源可能是地表硬化前的生产污染和外来填土本身的污染共同导致。

5）采用地累积指数法评价土壤重金属污染状况，0～1 m深度为中强污染，2 m深度为中污染，3 m深度为轻微污染，4～6 m深度为无污染。

3.2 建议

1）加大实验数据，进一步模拟重金属垂向分布与地层岩性的关系。

2）对于表层有硬化的地块，除考虑其生产过程中跑冒滴漏排等因素造成的污染外，还应该结合地块历史，明确地块内土层是否为原状土，若非原状土，则还应该考虑外来填土本身的污染状况。

参考文献

韩小宾，熊超，罗志开，赵丙刚，王硕，2022.某工业场地砷污染特征及风险评估［J］.河北环境工程学院学报， 32（1）：54-58.