河南省濟(jì)源市典型地區(qū)土壤污染調(diào)查評(píng)價(jià)

劉洪戰(zhàn)

（1. 河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南·鄭州 450001；2. 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南·鄭州 450001）

河南省濟(jì)源市典型地區(qū)土壤污染調(diào)查評(píng)價(jià)

劉洪戰(zhàn)1，2

（1. 河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南·鄭州 450001；2. 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南·鄭州 450001）

河南省濟(jì)源市土壤受污染面積達(dá)117.19km2，污染源主要為鉛鋅等金屬礦產(chǎn)選礦冶煉廠。通過對(duì)典型地區(qū)土壤取樣發(fā)現(xiàn)主要污染因子為Pb，結(jié)合土壤檢測數(shù)據(jù)，利用Surfer8軟件的Kriging局部內(nèi)插值的等值線繪制方法得到土壤表層Pb的水平分布規(guī)律，圈定污染分布范圍；將Pb在土壤中不同層位含量的均值繪制成按取樣深度變化的曲線，得到土壤中Pb的垂直分布規(guī)律，Pb在土壤垂向剖面上深度為17.23cm處達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值。在查明土壤污染分布特征與規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，為該地區(qū)土壤修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。

土壤污染；分布規(guī)律；超標(biāo)元素；調(diào)查評(píng)價(jià)

土壤污染是一個(gè)世界性環(huán)境問題，我國的土壤污染問題也日趨嚴(yán)重。由于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大和程度的加劇，許多工礦區(qū)、城市用地也不同程度地存在土壤污染。日益嚴(yán)峻的土壤污染形勢對(duì)國民健康構(gòu)成了潛在威脅，已成為影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙［1，2］。由于土壤污染的隱蔽性、滯后性［3］及土壤污染修復(fù)所需的巨大代價(jià)，國家在經(jīng)歷了切膚之痛后，制定了相應(yīng)的法律法規(guī)來保護(hù)土壤環(huán)境。

濟(jì)源市位于河南西北部，是全國重要的鉛鋅深加工基地，已有電解鉛（合金鉛） 企業(yè)35家，其中兼粗鉛冶煉的大型企業(yè)3家，它們在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境及生態(tài)安全也帶來了嚴(yán)重影響［4］。

為查明土壤中的主要污染物分布規(guī)律，在以往的基礎(chǔ)上，選擇濟(jì)源市最大鉛鋅加工企業(yè)所在地區(qū)作為典型調(diào)查區(qū)，進(jìn)行區(qū)內(nèi)土壤取樣調(diào)查評(píng)價(jià)。

1　土壤污染調(diào)查區(qū)范圍

濟(jì)源市北部的柿檳村區(qū)域鉛鋅冶煉加工企業(yè)分布較多，濟(jì)源市最大的鉛廠豫光金鉛就分布于此，該區(qū)域是調(diào)查區(qū)土壤重污染中心，土壤類型為超三類土壤，主要污染因子為Pb［5］。為研究該區(qū)域土壤中的重金屬分布狀況，分析污染來源、污染途徑和污染程度等，選擇濟(jì)源市柿檳村一帶作為典型調(diào)查區(qū)，面積16km2。運(yùn)用相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，進(jìn)行典型區(qū)土壤污染調(diào)查評(píng)價(jià)，見圖1。

2　樣品采集和檢測

2.1取樣點(diǎn)布設(shè)

圖1　調(diào)查區(qū)范圍及采樣點(diǎn)分布Fig.1　The survey area and sampling points

參照國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布實(shí)施的土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范中農(nóng)田土壤取樣布點(diǎn)的方法，綜合考慮自然（風(fēng)向、地貌等）和人為干擾（廠企三廢排放、土地利用類型等）的相關(guān)因素，在廠區(qū)外圍呈放射性布設(shè)剖面取樣點(diǎn)共計(jì)42個(gè)，取樣間距按50m、100m、200m、300m布置（圖1）；另根據(jù)邊界控制原則在外圍增加剖面取樣點(diǎn)10個(gè)，共采集剖面樣52組。

2.2取樣方法和檢測

結(jié)合以往研究成果［6～8］，采用分層取樣的方法進(jìn)行土樣采集。取樣時(shí)去除表面雜物，在取樣段保證上下均勻采集，土壤樣品原始重量大于1000g，使用標(biāo)準(zhǔn)化的土壤取樣記錄卡用代碼和文字記錄樣品的特征。同時(shí)應(yīng)用Muller地積指數(shù)法［9］，對(duì)土壤重金屬含量分布現(xiàn)狀及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：該區(qū)域表層土壤中Pb元素污染嚴(yán)重，深層土壤中Pb也有不同程度的元素富集現(xiàn)象。為研究土壤元素在垂向上的運(yùn)移規(guī)律，設(shè)計(jì)垂向剖面深度180cm，表層樣0～20cm，表層以下分別按40～60cm、80～100cm、120～140cm和160～180cm采集土樣。樣品經(jīng)自然干燥，去除動(dòng)植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等，研磨過篩達(dá)到相應(yīng)的檢測要求，為研究超標(biāo)元素Pb的分布規(guī)律，對(duì)土壤中的含量進(jìn)行了分析檢測。

3　土壤環(huán)境元素的分布

根據(jù)土壤垂向剖面取樣方式，按深度分五個(gè)取樣段對(duì)各土壤元素進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，參照土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）對(duì)土壤環(huán)境元素在不同層位的含量進(jìn)行分析。應(yīng)用Kolmogorov-Smirnov Test（K-S）檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)（P＜0.05），檢驗(yàn)時(shí)取顯著水平α=0.05，使用精確檢驗(yàn)概率值，若Pk-s＞0.05，則認(rèn)為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。參照《土壤環(huán)境檢測技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)公式N=t2Cv2/m2計(jì)算出置信水平為95%、允許相對(duì)偏差m=20%條件下，各土壤環(huán)境元素在不同層位所需的基礎(chǔ)樣品數(shù)量。

Pb元素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，表層土壤（0～20cm）中Pb元素的平均含量為751.40mg/kg，約為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的1.5倍，其他層位均未超出土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；從變異系數(shù)來看，各層變異系數(shù)范圍在0.49～0.70之間屬于中等變異強(qiáng)度；從基礎(chǔ)樣品數(shù)來看，Pb元素在五個(gè)層位的取樣數(shù)滿足要求。

表1　Pb元素的統(tǒng)計(jì)特征值Table 1　Pb statistical characteristics value

4　土壤超標(biāo)元素的空間分布特征

結(jié)合土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從土壤元素統(tǒng)計(jì)特征值來看，研究區(qū)內(nèi)表層土壤Pb元素的富集程度高，污染較為嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)性描述從表面上說明了各種土壤元素的含量特征，不能完全反映整個(gè)研究區(qū)元素的空間分布信息，而運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以反映出元素的空間結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性、相關(guān)性及獨(dú)立性。半變異函數(shù)即半方差函數(shù)，是分析區(qū)域化變量空間變異性最為有效的工具之一。

使用GS+5.1軟件計(jì)算研究區(qū)的半變異函數(shù)及參數(shù)，并對(duì)所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間建模［10］。元素Pb的半變異性分析結(jié)果見表2。比較不同模型下兩種元素的擬合度和殘差，確定元素Pb均采用高斯模型擬合。變程是土壤性質(zhì)存在空間變異結(jié)構(gòu)的最大相關(guān)距離，元素Pb的變程較小，說明其受植物吸收、施肥、灌水等小尺度因素影響，導(dǎo)致Pb自身在一個(gè)較小的距離范圍內(nèi)存在相關(guān)關(guān)系；元素Pb的C0/（C0+C）值小于25%，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性（即結(jié)構(gòu)性），其變異主要是由結(jié)構(gòu)性因素引起，如氣候、地形、土壤質(zhì)地等自然因素，目前雖然受到一些施肥、污灌等小尺度因素的影響，但還沒有達(dá)到破壞其原有空間格局的程度。

表2　研究區(qū)表層土壤元素的半方差函數(shù)模型Table 2　Semivariance of topsoil elements in the study area

4.1土壤超標(biāo)元素的水平分布規(guī)律

數(shù)據(jù)空間相關(guān)時(shí)，可進(jìn)行空間插值。前面提到土壤中元素Pb具有一定程度的空間相關(guān)性，故取其濃度的空間分布進(jìn)行具體分析。此處結(jié)合GS+5.1軟件和土壤普查階段的檢測數(shù)據(jù)，利用Surfer8軟件的Kriging局部內(nèi)插值的等值線繪制方法得到土壤表層Pb的空間分布圖（圖2）。

從元素的空間分布可以看出：鉛廠的東南角為Pb元素的高濃度富集區(qū)，以此為中心向周圍遞減，向西、向南遞減較慢。在東北方向的孔山和西南方向的寶峰寺區(qū)域，隨地勢增高，污染物濃度明顯降低，說明地勢高對(duì)污染物的運(yùn)移有一定程度的阻隔作用。

圖2　土壤表層（0～20cm）Pb元素的濃度等值線圖Fig.2　Pb concentration contours of topsoil （0～20cm）

4.2土壤超標(biāo)元素的垂向分布規(guī)律

研究區(qū)內(nèi)土壤表層中Pb的濃度明顯高于土壤深層的濃度，元素的空間分布在小尺度范圍內(nèi)存在較強(qiáng)的變異作用。為研究整個(gè)區(qū)域內(nèi)元素的分布規(guī)律，將Pb在土壤中不同層位含量的均值繪制成按取樣深度變化的曲線。

Pb元素在土壤剖面中的分布情況見圖3。如圖所示：Pb元素在土壤垂向剖面上的平均含量隨深度增加而降低，趨近于冪函數(shù)分布；表層土壤（0～20cm）中Pb元素的平均濃度明顯高于下層土壤，具有表層富集現(xiàn)象；土壤普查階段確定Pb元素的環(huán)境背景值為30.67mg/kg，Pb元素在0～20cm、40～60cm、801～100cm層位的平均含量超出背景值；根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Pb元素的臨界值為350mg/kg，由趨勢線推測Pb元素在土壤深度為17.23cm時(shí)達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值。

圖3　土壤中Pb元素的垂向分布圖Fig.3　Pb vertical distribution in soil

5　結(jié)論

通過調(diào)查研究，查明區(qū)土壤環(huán)境元素均有不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，而元素Pb的富集最為顯著，土壤表層元素的含量已超出土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

水平方向上，鉛廠的東南角為元素Pb的高濃度富集區(qū)，以此為中心向周圍遞減，向西、向南遞減較慢。在東北方向的孔山和西南方向的寶峰寺區(qū)域，隨地勢增高，污染物濃度明顯降低，說明地勢高對(duì)污染物的運(yùn)移有一定程度的阻隔作用。

垂向剖面上，鉛在0～20cm、40～60cm、80～100cm層位的平均含量超出背景值。根據(jù)趨勢線推測，Pb在土壤垂向剖面上深度為17.23cm處達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)臨界值。

通過對(duì)典型地區(qū)土壤化學(xué)特征、污染因子及其在水平、垂直方向的分布特征與規(guī)律的分析，為該地區(qū)土壤修復(fù)提供了基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)。

建議下步選擇典型地塊作為示范區(qū)，進(jìn)行土壤污染修復(fù)治理研究，為大規(guī)模治理提供參考。根據(jù)以往研究成果［11，12］，污染修復(fù)治理可采用植物修復(fù)法，其中野菊花［Dendranthema indicum （L.） Des Moul.］、旋鱗莎草［Cyperus michelianus （L.） Link］、五節(jié)芒［Miscanthus floridulus （Labill.）Warb. ex Schum. et Laut.］3種植物對(duì)Pb向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，對(duì)污染土壤有一定的修復(fù)潛力。

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Evaluation of a soil pollution survey in a typical area of Jiyuan City, Henan Province

LIU Hong-Zhan1,2
（1. Henan Institute of Geological Survey， Henan Zhengzhou 450001， China；
2. Research Center of Urban Geological Engineering Technology of Henan Province， Henan Zhengzhou 450001， China）

An area of contaminated soil covering 117.19 km2 exists in Jiyuan， Henan. The polluting sources are mainly smelting plants for Pb-Zn and other metallic minerals. The main polluting element is Pb， according to soil sampling and test data from a typical area. This paper uses data on the Pb contamination of topsoil， and delineates its horizontal distribution by interpolating the contours with a local Kriging method， using Surfer8 software. In the vertical section， the secondary standard threshold for Pb content is reached at a depth of 17.23 cm， according to the depth curve. This work establishes the characteristics and distribution pattern of the soil pollution， evaluates and classifies the pollution according to the assessment standards for soil environmental quality， and provides basic parameters for soil restoration.

soil pollution； regularities of distribution； overproof chemical element； survey and evaluating

X142

A

2095-1329（2016）03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.017

2016-01-14

2016-02-29

劉洪戰(zhàn)（1965-），男，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究.

電子郵箱: 695636629@qq.com

聯(lián)系電話: 0371-60131768

河南省地質(zhì)科研類項(xiàng)目“濟(jì)源市重金屬污染土地修復(fù)治理研究”（258）