黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)核心區(qū)土壤重金屬元素質(zhì)量評價

朱柳琴，楊偉衛(wèi)，盧 鵬，沈 軍，劉 徽，閆 芳，王 宇

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì),湖北 大冶 435100)

隨著城鎮(zhèn)化和工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐加快,城市人口不斷增長,各種各樣的人類活動如交通運(yùn)輸、工業(yè)排放、市政建設(shè)、大氣沉降、礦山開采與冶煉、濫施化肥、污水排放、污泥農(nóng)用等,將含重金屬的污染物排放進(jìn)入土壤,造成重金屬元素在土壤中累積,并通過大氣、揚(yáng)塵、水體、食物鏈直接或者間接威脅人類的健康甚至生命[1]。因此,研究土壤中重金屬污染特征并采取防治措施對保障人們生活健康至關(guān)重要。

近年來,土壤重金屬污染現(xiàn)象引起廣泛關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于土壤污染特征、評價、治理等方面的研究工作。Benhaddya等[2]利用GIS技術(shù)研究了阿爾及利亞表層土壤重金屬污染的空間分布特征；宋大平等[3]研究了湖南省蘇仙區(qū)典型礦區(qū)周邊重金屬污染情況,并對居民健康風(fēng)險進(jìn)行評價；魏葉敏[4]基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論并結(jié)合GIS技術(shù),分析了重慶市土壤重金屬元素的空間分布特征,并用多種指數(shù)法對重金屬污染程度進(jìn)行評估；賈中民等[5]研究了重慶西北地區(qū)土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分布特征及其生態(tài)風(fēng)險；楊德敏等[6]采用“單因子指數(shù)法”、“內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”、“Muller地積累指數(shù)法”、“Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法”對重慶市煤礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評價；劉君俠等[7]采用“單因子指數(shù)法”、“內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”對武漢城市圈不同行業(yè)五個場地土壤重金屬污染進(jìn)行評價。相關(guān)研究表明,深入分析土壤重金屬元素污染特征,并對重金屬污染程度進(jìn)行評價,有利于提高土壤環(huán)境質(zhì)量,改善人類居住環(huán)境。

大冶湖生態(tài)新區(qū)核心區(qū)定位為黃石市未來行政副中心、城市會客廳,是黃石市近期重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域。核心區(qū)建設(shè)對土壤環(huán)境質(zhì)量要求較高,但至今尚無針對核心區(qū)土壤重金屬分布特征方面的研究,因此,本次基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論并結(jié)合GIS技術(shù),對核心區(qū)土壤8種重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其環(huán)境質(zhì)量情況進(jìn)行研究,以期對核心區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價,并為建設(shè)用地的使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

核心區(qū)地處湖北省大冶市東部,大冶湖生態(tài)新區(qū)的西北部,南鄰大冶湖,東靠長江,面積約22 km2,土地利用類型以建設(shè)用地為主。核心區(qū)地層簡單,主要為第四紀(jì)沉積物和白堊紀(jì)—第三紀(jì)公安寨組(K1E1g)紅層,第四紀(jì)沉積物出露面積約占全區(qū)的90%以上,北部地區(qū)主要為湖沖積物,南部近湖地區(qū)主要為以往圍湖造田及核心區(qū)建設(shè)所填雜填土、素填土等。第四紀(jì)深部隱伏基巖主要為白堊紀(jì)—第三紀(jì)公安寨組紅層,巖性以紫紅色粉砂巖為主。核心區(qū)構(gòu)造和巖漿巖均不發(fā)育。

2 工作方法與技術(shù)

2.1 樣品采集與處理

土壤樣品按照網(wǎng)格+圖斑的方式進(jìn)行布設(shè),核心區(qū)共采集表層土壤樣241件采樣密度為10.86點(diǎn)/km2,采樣深度為0～20 cm(圖1)。每個樣品分別由東、南、西、北4個分樣點(diǎn)和中心樣點(diǎn)均勻混合后組成,原始重量>1 000 g,晾干后,充分過20目的尼龍篩,縮分取25 g外送分析。

圖1 核心區(qū)土壤重金屬采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Sampling point location distribution map of the soil heavy metals in the core area1.水田；2.水澆地；3.旱地；4.果園；5.茶園；6.有林地；7.灌木林；8.其他林地；9.其他草地；10.鐵路用地；11.公路用地；12.農(nóng)村道路；13.港口碼頭用地；14.管道運(yùn)輸用地；15.河流水面；16.湖泊水面；17.水庫水面；18.坑塘水面；19.溝渠；20.水工建筑用地；21.設(shè)施農(nóng)用地；22.城市；23.建制鎮(zhèn)；24.村莊；25.采礦用地；26.風(fēng)景名勝及特殊用地；27.水系；28.行政村；29.已建區(qū)；30.點(diǎn)位。

2.2 樣品測試

核心區(qū)土壤樣品測試由湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)。分析項(xiàng)目選擇Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8種重金屬元素。測試方法技術(shù)和質(zhì)量監(jiān)控體系按照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)、《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130—2006)等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行,Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8種重金屬元素的數(shù)據(jù)報出率、準(zhǔn)確度合格率、精密度合格率及內(nèi)檢合格率均為100%,符合規(guī)范要求,數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007對土壤重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤環(huán)境質(zhì)量評價進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算,空間插值利用MapGIS完成,用GeoIPAS成圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤重金屬元素含量特征

核心區(qū)表層土壤重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1，其空間分布如圖2所示,不同重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大,Cd為0.061～1.64 μg/g，Cu為8.81～143 μg/g，Ni為10.7～96.7 μg/g，Pb為20.1～128 μg/g，Cr為27.8～515 μg/g，Zn為24.9～349 μg/g，Hg為5.27～324 ng/g，As為1.59～65.3 μg/g。

與鄂州—黃石地區(qū)表層土壤背景值[8]對比,核心區(qū)表層土壤重金屬元素Cd、Cu、Pb、As、Zn、Cr平均值高于背景值,表明6種重金屬元素在核心區(qū)有一定程度的累積。其中Cd元素的累積效應(yīng)最大,是背景值的2.25倍,高于背景值樣品率達(dá)89%；Cu元素次之,是背景值的1.56倍,高于背景值樣品率達(dá)86%；其余四種元素累積效應(yīng)較小,是背景值的1.47～1.03倍,高于背景值樣品率為44%～86%。Ni、Hg元素平均值略低于鄂州—黃石淺層土壤背景值,高于背景值樣品率分別為17%、29%、43%。

與《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)中規(guī)定的一類建設(shè)用地篩選值[9]對比,Ni、Cd、Cu、Pb、As、Hg重金屬元素平均值遠(yuǎn)低于一類建設(shè)用地篩選值。Ni、Cd、Cu、Pb、Hg重金屬元素所有樣品均沒有超過一類建設(shè)用地篩選值(表1，圖2)；As元素241組樣品中有44組超過了一類建設(shè)用地篩選值，超標(biāo)率為18.26%，但未超過管制值，超標(biāo)樣品主要分布于核心區(qū)中部(圖2-a)。因此，241組無機(jī)樣品中，所有元素未見超過一類用地管制值，僅有As元素含量超過一類建設(shè)用地篩選值，因此，整體而言核心區(qū)土壤質(zhì)量良好，適宜作為工程建設(shè)用地。

3.2 土壤重金屬元素含量變異系數(shù)比較

自然條件下,土壤中重金屬元素含量波動范圍較小,但是在人類的生產(chǎn)活動過程中,會產(chǎn)生重金屬元素污染源,這些重金屬污染源對土壤造成不可恢復(fù)性影響，一般變異系數(shù)越大,元素在土壤中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布越不均勻,說明受人類活動影響越大[10]。由表1可知,Zn、Ni、Cu、Cr、Pb、As、Hg屬均勻分布型元素(變異系數(shù)為0.25～0.5),僅Cd屬弱變異型元素(變異系數(shù)為0.5～0.75),8種重金屬元素變異系數(shù)均低于1,說明8種金屬元素在核心區(qū)含量起伏變化不大,受生產(chǎn)、生活活動因素影響不顯著,人為活動對核心區(qū)土壤造成的污染較小。

表1 土壤重金屬超標(biāo)情況Table 1 Excessive situation of the soil heavy metals

圖2 土壤重金屬元素含量分布特征Fig.2 Distribution characteristics map of the soil heavy metals

3.3 土壤重金屬質(zhì)量評價

3.3.1土壤重金屬單因子指數(shù)法

通過單因子評價,可以確定主要的重金屬環(huán)境質(zhì)量及其危害程度。一般以單因子指數(shù)來表示,以重金屬含量實(shí)測值和評價標(biāo)準(zhǔn)相比除去量綱來計(jì)算單因子指數(shù)：

(1)

式中：Pi為i重金屬元素的單因子指數(shù)；Ci為重金屬含量實(shí)測值；SI為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值[11]。單因子指數(shù)環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。本次采用一類建設(shè)用地土壤風(fēng)險篩選值作為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),各重金屬元素單因子指數(shù)評價結(jié)果如圖3。

表2 土壤單項(xiàng)環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standard of the soil single pollution degree

根據(jù)單因子評價結(jié)果,Ni、Cd、Cu、Pb、Hg(Pi≤1,圖3-a)均無污染,核心區(qū)整體環(huán)境質(zhì)量為優(yōu),僅As元素(圖3-b)在上錯咀以北、大咀頭以西、劉浦咀以南環(huán)境質(zhì)量為良,在長咀壢環(huán)境質(zhì)量為一般。因此,核心區(qū)整體土壤環(huán)境質(zhì)量好,適宜作為工程建設(shè)用地。

3.3.2土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

單因子指數(shù)只能反映單個重金屬元素的環(huán)境質(zhì)量,不能全面反映土壤環(huán)境質(zhì)量,而“內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響,兼顧了單因子指數(shù)法平均值和最高值,可以突出質(zhì)量指數(shù)較高的重金屬污染物的影響。綜合指數(shù)計(jì)算方法如下：

(2)

根據(jù)“內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”,對核心區(qū)重金屬元素進(jìn)行分級計(jì)算,成果如圖4。核心區(qū)大部分地區(qū)均沒有污染,土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良,約為21.73 km2,占整個研究區(qū)的98.79%(其中清潔的為18.074 km2,占整個研究區(qū)的82.15%；尚清潔的為3.66 km2,占整個研究區(qū)的16.64%)。核心區(qū)長咀壢附近(0.266 km2)土壤質(zhì)量為一般,占整個研究區(qū)的1.21%。

表3 土壤綜合環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standard of the soil comprehensive pollution degree

圖4 核心區(qū)重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價及防治對策建議圖Fig.4 Nemerow integrated pollution (NPI) and countermeasures & suggestions map of the heavy metals in the core area1.2-3(中污染)；2.1-2(輕污染)；3.0.7-1(尚清潔)；4.0- 0.7(清潔)；5.土壤防治對策建議編號。

3.4 防治對策

(1) “單因子指數(shù)法”和“內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”評價結(jié)果顯示從周在位—石背屋—園博園的核心區(qū)主體部位(圖4中①,18.074 km2)均無污染,土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu),重金屬元素含量均低于一類建設(shè)用地篩選值,因此該地區(qū)建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險可以忽略,適合作為建設(shè)用地,該地區(qū)土壤無需處理。該地區(qū)主要為農(nóng)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地,建議合理施用農(nóng)藥化肥及飼料,城鎮(zhèn)周邊應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管,對糞便、垃圾和生活污水進(jìn)行無害化處理,預(yù)防污染源頭。

(2) “內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”顯示葉家咀—鼻孔梁地區(qū)(圖4中③,0.476 km2)為無污染,土壤環(huán)境質(zhì)量為良。單因子指數(shù)法顯示該地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良。As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯示該地區(qū)As超過一類建設(shè)用地篩選值,但未超過二類用地篩選值。根據(jù)土地利用規(guī)劃要求,葉家咀—鼻孔梁地區(qū)為二類建設(shè)用地,因此,該地區(qū)土壤亦無需處理。

(3) “內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法”顯示劉浦咀以南烏泥灘以北(圖4中②)、大咀頭(圖4中④)為無污染,土壤環(huán)境質(zhì)量為良,長咀壢(圖4中⑤)土壤環(huán)境質(zhì)量為一般?！皢我蜃又笖?shù)法”顯示劉浦咀以南烏泥灘以北、大咀頭土壤環(huán)境質(zhì)量為良,長咀壢As土壤環(huán)境質(zhì)量為一般,其余元素土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)。As元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯示該地區(qū)As超過一類建設(shè)用地篩選值,但未超過管制值。該地區(qū)為居民灌溉養(yǎng)殖區(qū)(圖1),推斷農(nóng)藥化肥及飼料的施用為主要污染源。根據(jù)土地利用規(guī)劃要求,該地區(qū)為一類居住用地,因此建議對該地區(qū)開展場地環(huán)境調(diào)查,對As超過一類建設(shè)用地篩選值(20 mg/kg)的區(qū)域開展詳細(xì)調(diào)查,查明該地區(qū)是否有As的污染源,同時控制污染源頭,合理施用和控制農(nóng)藥化肥使用量,或添加土壤改良劑加速農(nóng)藥降解,慎重推廣污水灌溉,對灌溉農(nóng)田的污水要嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)測和控制,最好使用處理后的污水。

4 結(jié)論與建議

(1) 與鄂州—黃石地區(qū)表層土壤背景值對比,核心區(qū)表層土壤重金屬元素Cd、Cu、Pb、As、Zn、Cr平均值高于背景值,Ni、Hg元素平均值略低于背景值,表明重金屬元素在核心區(qū)有一定程度的累積。但與《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 36600—2018)中一類建設(shè)用地篩選值對比,8種重金屬元素中僅As超標(biāo),但均低于管制值,整體而言核心區(qū)土壤質(zhì)量良好,適宜作為工程建設(shè)用地。

(2) “單因子指數(shù)法”評價結(jié)果表明Ni、Cd、Cu、Pb、Hg重金屬元素在核心區(qū)均無污染,核心區(qū)整體環(huán)境質(zhì)量為優(yōu),僅As元素在上錯咀以北、大咀頭以西、劉浦咀以南環(huán)境質(zhì)量為良,在長咀壢環(huán)境質(zhì)量為一般?！皟?nèi)梅羅綜合指數(shù)法”評價結(jié)果表明核心區(qū)大部分地區(qū)(21.73 km2)均沒有污染,土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良,占整個研究區(qū)的98.79%,長咀壢附近(0.266 km2)土壤環(huán)境質(zhì)量一般,僅占整個研究區(qū)的1.21%。

(3) 核心區(qū)主體部位(18.07 km2)土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu),作為建設(shè)用地對人體健康的風(fēng)險可以忽略,可不對土壤作任何處理,適宜作為工程建設(shè)用地；劉浦咀以南烏泥灘以北、大咀頭土壤環(huán)境質(zhì)量良,長咀壢土壤環(huán)境質(zhì)量一般,建議開展場地環(huán)境調(diào)查,對As>20 mg/kg且集中分布的區(qū)域開展詳細(xì)調(diào)查,查明是否有污染源并采取防治措施。