黃河三角洲北海新區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量分析與評價

許 卉，劉 慶，陸兆華

(1.中國礦業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院，北京 100083;2.濱州學院 山東省黃河三角洲野生植物資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，山東 濱州 256603;3.青島農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 青島 266109)

土壤是生物與人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。在維護農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡方面具有重要意義。隨著城市化進程及工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，一些污染物被排放進入土壤，引起土壤的污染，重金屬便是土壤重要污染物之一。由于進入到土壤中的重金屬不易移動且不能被微生物降解，并且會通過食物鏈進入人體，危害人類健康［1－3］。石油是一種以石油烴以及多環(huán)芳烴、苯系物等為主要成分的有機污染物。石油類污染物中也含有一定量的重金屬［4］。石油進入土壤后，若不采取合理、有效的處理措施，則必將會對土壤造成嚴重的污染。因此針對石油及重金屬污染的風險監(jiān)測與評估勢在必行。有關(guān)土壤重金屬與石油類污染物環(huán)境質(zhì)量評價的研究已見許多相關(guān)報道。如Brut等［5］在美國農(nóng)業(yè)部的資助下，收集了486個地塊的土壤樣品，分析了美國土壤中重金屬元素含量，開始建設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)集。陳同斌等［6］對北京市的重金屬背景值進行了調(diào)查研究，李曉秀等［7］對北京地區(qū)基本農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量進行了分析與評價。孟沖等［8］結(jié)合地累積指數(shù)法，研究了某典型石油開采區(qū)土壤重金屬的空間分布規(guī)律和污染等級等。

本研究以黃河三角洲腹地的濱州市北海新區(qū)為研究區(qū)，通過對該區(qū)表層土壤樣品中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr和石油類污染物含量的測定分析，利用單因子指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對其土壤環(huán)境質(zhì)量進行評價，以期為該區(qū)土地利用開發(fā)與環(huán)境保護提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲北海新區(qū)位于渤海灣西南岸的濱州市北部沿海，是山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)7個核心區(qū)之一，系京津冀和山東半島兩大經(jīng)濟區(qū)的連接地帶，地理坐標為東經(jīng)117°48'～118°07'，北緯37°48'～38°15'，海岸線180 km。包括無棣縣馬山子鎮(zhèn)、埕口鎮(zhèn)和沾化縣濱海鄉(xiāng)、馮家鎮(zhèn)各一部分。土地總面積1200 km2，總?cè)丝?.7萬人，是全國沿海人均土地最多的地區(qū)之一。本區(qū)屬暖溫帶季風氣候，大陸性氣候特征明顯，四季差別顯著。受流水、海侵的作用，地貌以緩平坡地和濱海平地為主，主要土壤類型為鹽化潮土與濱海鹽土。黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)上升為國家戰(zhàn)略后，北海新區(qū)步入快速開發(fā)建設(shè)的新階段，初步形成了以鹽化工、石油化工、造船、生態(tài)能源為支柱的工業(yè)體系。本研究通過對研究區(qū)土壤中重金屬、石油類等污染物的分析與評價，為實現(xiàn)本區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境協(xié)調(diào)的發(fā)展模式提供理論依據(jù)。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 采樣設(shè)計與采樣方法 采用隨機布點法進行采樣點布設(shè)，使采樣點在研究區(qū)大致均勻分布，在城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)等區(qū)域適當進行加密采樣，主要采集深度為10～30 cm的表層土壤樣品，研究區(qū)共采集土壤樣品44個。為避免引起土壤二次污染，采樣時全部采用木質(zhì)工具，用干凈的布袋盛裝土壤樣品。采樣時至少采集半徑5 m以內(nèi)的3個樣品進行混合，然后用四分法取其部分帶回實驗室進行分析。土壤采樣點分布示意圖見圖1。

1.2.2 樣品前處理與測定方法 將采集回來的土壤于干燥通風處進行風干，挑出其中的石塊與大的植物根系根，磨細，過100目篩，用于土壤污染物的測定。主要測定項目包括 Pb、Cr、Hg、Cd、As、石油類等。測定方法為:Pb、Cr、Cd用鹽酸－硝酸－高氯酸聯(lián)合消煮，石墨爐原子吸收法測定［9－10］;As、Hg 用

圖1 研究區(qū)采樣點分布Fig.1 Distribution of the soil samples

1∶1王水水浴消煮，雙道原子熒光光譜儀測定［11］;石油類污染物測定方法詳見參考文獻［12］。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子評價 選取山東省土壤環(huán)境背景值作為污染起始值(Xa)，《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅱ類標準作為土壤輕度污染臨界值(Xc)，《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中的Ⅲ類標準作為土壤重度污染臨界值(Xp)，單因子評價計算方法見表1。

表1 單因子評價計算方法Tab.1 Method of single:factor contaminant index

1.3.2 綜合評價 在單項污染指數(shù)評價的基礎(chǔ)上，對每一個采樣點的土壤樣品，采用“小數(shù)疊加法”計算其綜合污染指數(shù)。然后根據(jù)綜合污染指數(shù)計算結(jié)果與綜合評價標準比較，判斷其土壤綜合污染程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中各污染物的描述統(tǒng)計

研究區(qū)表層土壤重金屬及石油類污染物的描述統(tǒng)計結(jié)果見表2。由表2可以看出，研究區(qū)土壤中重金屬與石油類污染物最小值均小于山東省土壤背景值［13］，而最大值均超過山東省土壤背景值，但均未超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準中的二級標準。從其變異系數(shù)來看，各污染物在土壤中的變異均不大，說明其受外界環(huán)境影響較小，污染物在各采樣點土壤中含量分布較為均勻。

表2 土壤中各污染物的統(tǒng)計特征值Tab.2 Statistical characteristics of the pollutants in surface soil

表3 單因子評價參考標準值Tab.3 Reference standard of single-factor evaluation mg/kg

表4 單因子污染指數(shù)計算結(jié)果Tab.4 Results of single-factor contaminant index

2.2 污染物的空間分布特征

基于各采樣點污染物含量特征及在空間上的分布狀況，對研究區(qū)各污染物在區(qū)域上的空間分布特征進行分析。As元素的低值區(qū)主要分布于岔尖堡周圍和傅家山子以北、傅家堡子以南區(qū)域，土體構(gòu)型主要為粘－砂－粘多層結(jié)構(gòu)，高值區(qū)主要分布于研究區(qū)南部、東南部地區(qū)，其中，譚莊子至羊屋子一帶是研究區(qū)As含量最高的區(qū)域;Hg元素在研究區(qū)的分布整體比較均勻;Cr元素的低值區(qū)主要分布于東風港以北區(qū)域，土體構(gòu)型主要為上部粘性多層土結(jié)構(gòu)，東風港以南為高值區(qū)，其中，譚莊子至渤海農(nóng)場一帶和羊屋子附近是研究區(qū)Cr含量最高的區(qū)域，其分布特點與As大致相同;Pb元素的低值區(qū)主要分布于東風港以北、大堡以西區(qū)域，徒駭河上游附近和河東村附近也有零星分布，土體構(gòu)型主要為上部粘性多層土結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域為高值區(qū)，其中，譚莊子至渤海農(nóng)場一帶和羊屋子附近是研究區(qū)Pb含量最高的區(qū)域，其分布與Cr元素基本相同;Cd元素在全區(qū)的分布較為均勻，總體上東風港以南的區(qū)域高于以北的區(qū)域;石油類污染物的高值區(qū)主要分布于岔尖、大堡、東風港西側(cè)、濱海鎮(zhèn)以及東山后一帶，其他區(qū)域為低值區(qū)，土體構(gòu)型主要為上部粘性多層土結(jié)構(gòu)。

2.3 單因子污染評價

為準確判斷各污染物在土壤中的累積狀況與污染水平，利用單因子污染指數(shù)法對研究區(qū)表層土壤重金屬和石油類污染物的污染水平進行計算。利用表1中單因子指數(shù)計算公式，并以山東省土壤背景值［13］和國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB/T1618－1995)中的二級標準［14］為參考標準(表3)，對研究區(qū)土壤樣品各指標污染指數(shù)進行計算，見表4和表5。

由表4和表5可知，研究區(qū)除As元素有1個樣點Pi值處于2～3，達到了輕度污染水平外，其余各重金屬元素和石油類污染物均處于無污染和起始污染水平。研究區(qū)污染最輕的是石油類，有76.8%的采樣點土壤樣品無污染，僅有27.2%的樣點達到起始污染水平;污染較重的是As、Hg和Cd，有90%以上樣點達到起始污染水平。

表5 單因子評價結(jié)果Tab.5 Results of single-factor evaluation

2.4 綜合評價

單因子污染指數(shù)的計算結(jié)果僅顯示出各采樣點土壤樣品中不同重金屬元素和石油類污染物各自的累積狀況，無法反映研究區(qū)土壤的綜合污染水平。因此，本研究在單項污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，利用“小數(shù)疊加法”對研究區(qū)土壤樣品的重金屬和石油類污染物的綜合污染指數(shù)進行計算，從而實現(xiàn)對研究區(qū)土壤重金屬和石油類污染的綜合評價。

“小數(shù)疊加法”的具體計算方法是:在各點的單項污染指數(shù)中選取最高的指數(shù)級別作為該點的綜合指數(shù)，如果同時有若干個這種級別的指數(shù)，對大于1的單項指數(shù)將他們的小數(shù)部分相加，超過1者，該綜合指數(shù)在原指數(shù)的級別上增加1級，若未超過1，其綜合指數(shù)不變，只增加小數(shù)部分數(shù)值，對小于1的單項指數(shù)不疊加其小數(shù)部分。

本研究根據(jù)綜合污染指數(shù)大小，將參與評價因子數(shù)的二分之一作為評價重度污染的標準值，然后按綜合污染指數(shù)大小將土壤污染分為4級，分別為:P＞3為重度污染，2＜P≤3為輕度污染，1＜P≤2為起始污染，P≤1為非污染(表6)。根據(jù)以上評價標準對研究區(qū)土壤綜合污染情況進行評價，評價結(jié)果見表6。

表6 綜合污染指數(shù)等級劃分及評價結(jié)果Tab.6 Standard of comprehensive evaluation classification and the evaluation result

根據(jù)土壤污染綜合指數(shù)大小，區(qū)內(nèi)土壤污染可分為起始污染與輕度污染2個水平。起始污染樣點占總樣點數(shù)的68.2%，綜合指數(shù)為1～2。輕度污染樣點占總樣點數(shù)的31.8%，綜合指數(shù)為2～3。

3 討論

土壤是植物立足之地，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，污染物一旦進入土壤，就變成影響一切生物循環(huán)的一部分，影響著人類的健康和生命。特別是重金屬元素和難降解的有機污染物，使土壤污染具有長期性、隱蔽性和積累性等特點。隨著工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，研究區(qū)石油化工、造紙、釀造等污染企業(yè)增加，是導致研究區(qū)土壤重金屬、石油類污染物增加的主要原因。

3.1 石油開采

研究區(qū)內(nèi)蘊含石油資源，屬勝利油田的一部分，所以石油開采可能是區(qū)內(nèi)土壤重金屬與石油類污染物的主要來源之一。污染源主要為落地原油污染、開采過程中油井附近石油原油拋撒、采集原油的儲油罐拋撒以及輸油管線泄漏等點線或片狀污染源。另外，石油開采過程中的廢棄泥漿中含有大量重金屬Hg、Cd、As、Pb、Cr等，由于鉆井固體廢棄物大都集中堆放于泥漿池中，完鉆后平整井場，泥漿池便被填埋，對附近土壤污染較嚴重。石油類主要來源于油井內(nèi)部，在油田的接轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站的油罐、沉降罐、污水罐、隔油池的底泥、煉廠清除出來的油砂、油泥，對土壤環(huán)境造成污染［15］。

3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

研究區(qū)土壤主要為鹽化潮土和濱海鹽土，農(nóng)作物以棉花為主，因而農(nóng)藥化肥使用比較普遍，特別是農(nóng)藥使用量較高。農(nóng)藥化肥的大量使用，使有害物質(zhì)一起進入土壤，發(fā)生一定程度的積累，形成土壤的面狀潛在污染。

3.3 化工工業(yè)與造船業(yè)

經(jīng)過多年的開發(fā)，濱州市北海新區(qū)已經(jīng)初步形成了以鹽化工、石油化工、造船、生態(tài)能源為支柱的工業(yè)體系。以濱州海洋化工、海源鹽化、金華鹽化、魏橋鹽化為主體的一大批鹽及鹽化工項目迅速崛起，呈現(xiàn)出“鹽業(yè)開發(fā)全面推進，溴素企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)，精細化工破題上路”的發(fā)展格局。2005年以來，以套爾河沿岸為基地的造船業(yè)迅速興起。濱州中盛、津濱船舶重工、長勝造船、舟山船舶修造等11家造船企業(yè)和10個配套項目紛紛在此落戶?；I(yè)與造船業(yè)的興起，給北海新區(qū)帶來經(jīng)濟騰飛的同時，也導致了該區(qū)土壤重金屬污染物的累積。

4 結(jié)論

本文基于黃河三角洲北海新區(qū)表層土壤樣品中重金屬和石油類污染物的測定，分析了土壤中兩類污染物的分布特征和主要影響因素，并利用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，評價了該區(qū)表層土壤中重金屬和石油類污染水平。主要研究結(jié)論如下:

(1)研究區(qū)土壤中重金屬和石油類污染物主要來源于石油開采、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化工工業(yè)與造船業(yè)等行業(yè)。其中石油開采對石油類和重金屬Cr污染貢獻較大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對各類重金屬的貢獻較大，而化工工業(yè)與造船業(yè)等對石油類與重金屬在土壤中累積也有一定的影響。

(2)研究區(qū)土壤中重金屬與石油類污染物含量均值超過了山東省土壤背景值，但總體含量并不高，均未超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準中的二級標準。各污染物在土壤中的變異較小，在區(qū)域內(nèi)土壤中的分布較為均勻。

(3)單因子污染評價結(jié)果顯示研究區(qū)重金屬和石油類污染物均處于無污染和起始污染水平，其中污染程度最輕的是石油類，僅有27.2%的樣點達到起始污染水平;污染較重的是As、Hg和Cd，有90%以上樣點達到起始污染水平。綜合污染評價結(jié)果表明:區(qū)內(nèi)土壤污染處于起始污染與輕度污染2個水平，起始污染樣點占總樣點數(shù)的68.2%，輕度污染樣點占總樣點數(shù)的31.8%。

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