某搬遷企業(yè)原址用地土壤中Pb污染成因及其生態(tài)風險評價研究

胡昱欣，宋 煒，周瑞靜，金子文，倪寶峰，李小朋

(北京市地質工程勘察院，北京 100048 )

近年來，隨著國家產(chǎn)業(yè)轉移等政策的實施，一些污染較重、生產(chǎn)工藝較落后的工業(yè)企業(yè)逐步關閉、拆遷、騰退，原土地暫時閑置或進行開發(fā)再利用[1]。土壤環(huán)境質量關乎人體健康，因而土壤污染成為環(huán)境領域關注的熱點和難點[2]。國外土壤污染調查、風險評估與管控、修復治理等方面的研究工作開展較早，我國學者亦充分吸取國外的研究經(jīng)驗和方法，取得了較多的研究成果[3-5]。Pb是土壤中廣泛存在且容易蓄積的重金屬類環(huán)境污染物，在重金屬毒性表中位于前列[6]，土壤中含量越大，毒性越高。動植物吸收過量Pb會阻礙其生長，人體攝入過量鉛會對神經(jīng)、消化、免疫和生殖系統(tǒng)造成不可逆轉的損害[7]。Pb來源包括自然本底和人為活動，人為源占比較高，而人為源中以工業(yè)污染最重[8]，尤其是金屬冶煉生產(chǎn)企業(yè)。國內外已經(jīng)進行了Pb在土壤中的化學形態(tài)、生態(tài)風險、暴露與兒童健康等方面的基礎研究，且就減少Pb污染、修復Pb污染土壤等方面開展了較多的應用研究[9-17]，但關于Pb在土壤中的形態(tài)、遷移轉化、吸附解吸、污染成因等還需進行深入的研究。筆者采用單因子指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對某搬遷企業(yè)原址土壤中Pb含量進行污染累積和生態(tài)風險評價，旨在全面剖析Pb污染成因和空間分布特征，可為污染土壤調查、修復治理和污染風險管控等方案的制定提供技術支撐。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為某生產(chǎn)鑄鐵管公司原址用地，于20世紀60年代建成投產(chǎn)，占地約15.50萬m2。起初以煉鐵為主，后由于生產(chǎn)工藝較落后，在國家政策引導下，企業(yè)將煉鐵高爐拆除，以煤、原料鐵、球化劑、增碳劑、聚渣劑等作為主要原料，轉型生產(chǎn)球墨鑄鐵管，并為自來水、燃氣行業(yè)提供輸水、輸氣管道。根據(jù)國家“退二進三”政策[18]，企業(yè)于2012年底已全部搬遷平整，未來計劃作為居住用地。生產(chǎn)車間主要位于廠區(qū)中部以及東部區(qū)域，大量的原材料、廢渣曾長期堆存于廠區(qū)南側。企業(yè)及周邊區(qū)域原為海域，最初通過回填海域而成。據(jù)了解，研究區(qū)用于回填的材料有厚度不等的建筑拆除垃圾、堿渣、硫鐵礦渣、用于植物生長的客土等。其中，附近某硫氨車間生產(chǎn)硫酸后廢棄的呈暗紅色硫鐵礦渣是重要的回填材料，研究區(qū)地表以下一定深度回填材料種類較多，性質較復雜[19]。

1.2 樣品采集與分析

研究區(qū)地層從上到下大體分為雜填土、淤泥質粉質黏土、含礫粉質黏土、中風化白云巖等，還存在厚度不等的硫鐵礦渣、堿渣等回填材料。依據(jù)地層結構特點將土層按剖面深按0～2.5、>2.5～6.0、>6.0～10.0、>10.0～14.0、>14.0 m分為5層。采用網(wǎng)格布點與專業(yè)判斷布點相結合的方法，布點密度整體達40 m×40 m，部分重點區(qū)域密度達20 m×20 m，共布設土壤采樣點87個。采樣過程中通過X-射線熒光分析儀(XRF)檢測Pb含量。采樣最大深度需同時滿足土層深度達到黏土層或弱透水層內至少0.5 m和Pb檢測值低于限量標準值2個條件，故污染較重的采樣點取樣深度較大，采集的樣品數(shù)量較多，研究區(qū)土壤采樣深度最大為20.0 m。采用沖擊鉆進行土壤鉆探，各土層分別采集150、100、136、74、41個樣品，共計采集土壤樣品501個。此外，在研究區(qū)東北方向受人為影響較小的區(qū)域布設3個對照采樣點(B01、B02和B03)，采樣深度為0～7.5 m，采集11個對照土樣。所有采樣點均采用全站儀進行平面坐標和海拔高程測定，樣品采集與保存嚴格按照相關要求[20]。采集后的土壤樣品通過自然風干、除雜過0.147 mm孔徑篩后待測。依據(jù)石墨爐原子吸收分光光度法[21]測定總Pb含量，采樣點位置分布如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理與評價方法

1.3.1土壤污染評價

關于土壤污染及風險評價方法較多，采用單因子指數(shù)法和地累積指數(shù)法評價研究區(qū)土壤污染程度，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤中Pb的潛在生態(tài)風險進行評價[22-23，各評價方法參照文獻[24-25]。根據(jù)GB 36600—2018《土壤環(huán)境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》，Pb限量標準值取第1類用地篩選值，即400 mg·kg-1[21]。土壤Pb背景值取25 mg·kg-1[26-27]，修正系數(shù)(k)一般取1.5，毒性系數(shù)(Tr)取5[28]。單因子指數(shù)法評價結果分級標準為：P≤1為非污染，15為重度污染。地累積指數(shù)法評價結果分級標準為：Igeo≤0為無污染，0320為極高等潛在生態(tài)風險。

1.3.2數(shù)據(jù)分析處理

采用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計特征參數(shù)，采用Matlab 2020軟件進行污染與風險評價，采用ESRI ArcGIS 10.4軟件分析污染空間分布特征，采用Origin 2018和ESRI ArcGIS 10.4軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 數(shù)理統(tǒng)計與超標評價

根據(jù)前述研究區(qū)地層概化方法，將研究區(qū)土壤分為5層，研究區(qū)土壤中Pb含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計與超標評價結果如表1所示，研究區(qū)土壤中Pb超標點位分布如圖2所示。

表1 土壤Pb含量統(tǒng)計與評價

結合表1與圖2可知，土樣Pb點位超標率為73.56%。第1～3層土壤Pb含量超標點位數(shù)逐漸增多，分別為16、31和40個。剖面深度>10.0～14.0和>14.0 m范圍土壤超標點位分別為13和2個，超標點位數(shù)量明顯減少。Pb含量最大值出現(xiàn)在第3層S12點位，為13 700 mg·kg-1，是限量標準值400 mg·kg-1的34倍，該點位所在區(qū)域早年為硫鐵礦渣堆存區(qū)域，后為企業(yè)原材料堆存區(qū)域。第1～5層土壤中Pb含量標準差均較大，且變異系數(shù)均大于1，說明土壤中Pb含量空間分布具有極高的變異度。由圖2可知，研究區(qū)采樣點超標范圍較大，Pb污染較重的區(qū)域主要為中心生產(chǎn)車間及原材料和廢渣堆存的南部和西南部區(qū)域。對照點采集的11個土樣中，僅B01點位7.5 m深處Pb含量超標0.27倍，其他對照土樣中Pb含量均未超標?？梢姡芯糠秶酝馐苋祟惢顒佑绊戄^小區(qū)域土壤中Pb含量整體較低。

2.2 土壤污染評價

采用單因子指數(shù)法和地累積指數(shù)法對研究區(qū)土壤中Pb污染進行分級評價，評價結果見表2～表3，各污染級別占比見圖3。分析上述圖表可知，全區(qū)土壤中Pb含量單因子指數(shù)平均值(PAVG)為1.07，屬于輕微污染水平，地累積指數(shù)平均值(IAVG)為1.47，為中等累積水平；單因子指數(shù)最大值(PMAX)和地累積指數(shù)最大值(IMAX)分別為34.25和8.51，均為重度污染水平。研究區(qū)土壤地表以下0～18.0 m均存在不同程度的Pb污染，地表以下0～10.0 m土壤中Pb污染逐漸加重，尤以地表以下>6.0～10.0 m深度污染最重，>10.0 m深度污染逐漸降低。研究區(qū)土壤pH均值為9.82，土壤整體為極強堿性環(huán)境；pH值的變異系數(shù)均低于0.20，空間上變異度較低，土壤堿性環(huán)境較均衡穩(wěn)定。第1和5層土壤pH均值均大于8.5，為強堿性環(huán)境；第2～4層pH均值大于9.5，為極強堿性環(huán)境。

表2 單因子指數(shù)法評價結果統(tǒng)計

表3 地累積指數(shù)法評價結果統(tǒng)計

2.3 土壤生態(tài)風險分析

在前述2種污染評價方法基礎上，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法定量評價Pb污染在土壤中的生態(tài)危害程度，其評價結果統(tǒng)計見表4。由表4可知，研究區(qū)土壤生態(tài)風險為低潛在生態(tài)風險級別占比最高，為97.60%。地表以下>14.0 m深度土壤均為低風險級別，總體看來，研究區(qū)土壤中Pb潛在生態(tài)風險較低。土壤中Pb最大潛在生態(tài)危害指數(shù)為171.25，為高潛在生態(tài)風險級別，出現(xiàn)在S12點位第3層土壤中10 m處，Pb含量為13 700 mg·kg-1，污染評價結果亦為最高級別。

表4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結果統(tǒng)計

3 討論

3.1 研究方法與研究結果對比

從評價方法的優(yōu)缺點和適用性分析上看，單因子指數(shù)法的優(yōu)勢在于方法簡單，可直觀評價土壤是否存在污染，但從更微觀角度難以反映人類活動對本底環(huán)境的影響。地累積指數(shù)法以土壤本底環(huán)境中Pb含量為參考，側重于反映人為活動對土壤本底環(huán)境中Pb含量累積的影響；潛在生態(tài)危害指數(shù)法則從毒性角度評價Pb在土壤中的潛在生態(tài)風險，反映人為環(huán)境影響后的土壤潛在生態(tài)風險。運用地累積指數(shù)法可以較好地彌補單因子指數(shù)法在污染評價上的局限性，2種方法的結果可互為補充，而潛在生態(tài)危害指數(shù)法對于污染土壤修復治理、污染管控等方案制定具有重要的參考價值，3種方法綜合應用效果更佳。從評價結果分析上看，研究區(qū)土壤單因子指數(shù)、地累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)均值分別為1.07、1.47和5.37，處于輕微污染、中等累積和低潛在生態(tài)風險水平，采用上述評價方法進行土壤Pb風險評價，其結果一致性較好，可靠性較高。Pb含量相較于土壤背景環(huán)境值(25 mg·kg-1)存在一定程度的累積，最高達極嚴重累積水平，說明人為活動已造成土壤環(huán)境中Pb存在一定的累積與污染，宜開展相應修復治理工作或采取污染風險管控措施。

3.2 污染成因討論

從土壤中Pb污染來源角度分析，由于研究區(qū)最初依靠回填海域而達到海陸轉化，僅表層一定厚度為適宜種植的客土，客土以下為回填建筑拆除垃圾、硫鐵礦渣、堿渣等。故分析土壤中Pb一部分來源于大量回填的硫鐵礦渣、堿渣；另一部分來源于企業(yè)生產(chǎn)車間和原材料堆存區(qū)泄露及少量拆除后的污染殘留。

從土壤中Pb遷移角度分析，土壤中Pb運移速度與土壤滲透系數(shù)和pH值緊密相關。通過對研究區(qū)土壤滲透系數(shù)的測試研究得出，研究區(qū)土壤滲透系數(shù)在4.40×10-8～1.80×10-6之間，存在一定的滲透性。土壤pH值反應土壤酸堿性環(huán)境，是土壤對重金屬吸附的重要影響因素。結合前述分析，研究區(qū)土壤空間上變異度較低，總體呈較均衡和穩(wěn)定的強堿性環(huán)境。第1和5層土壤為強堿性環(huán)境，第2～4層土壤為極強堿性環(huán)境。據(jù)前人研究成果[33]，當土壤pH值>7時，土壤的吸附能力隨pH值的增加而小幅度增強，pH值越高，土壤對Pb2+吸附能力越強；吸附量越大，土壤中Pb2+的濃度亦較高。研究區(qū)土壤中Pb污染最重的是第2～4層，而第2～4層土壤pH均值大于9.5。此外，降雨沖刷作用為Pb在土壤中運移提供了水動力條件，使得多種形態(tài)Pb向下遷移，造成土壤中Pb污染較深。

4 結論

通過對研究區(qū)土壤中Pb污染和生態(tài)風險進行評價，深入分析Pb污染成因、空間分布特征等，獲得如下結論：

(1)研究區(qū)土壤采樣點位超標率為73.56%，土壤中Pb含量均值為輕微污染、中等累積、低潛在生態(tài)風險水平；不同土層土壤中Pb含量超標范圍各異，中心與西南部生產(chǎn)車間分布區(qū)域、西部原材料與廢渣堆存區(qū)域是重要超標區(qū)域。

(2)Pb濃度和污染面積垂向變化趨勢表現(xiàn)為地表以下0～10.0 m逐漸增大，尤以>6.0～10.0 m污染最重；>10.0 m土壤Pb污染逐漸減輕。

(3)大量回填的硫鐵礦渣、原材料堆放不當、生產(chǎn)車間污染泄露、重點區(qū)域防滲工作缺失、強堿性和極強性土壤環(huán)境是造成土壤Pb污染范圍較大、污染較重的主要原因。此外，降雨沖刷作用為多種形態(tài)Pb在土壤中遷移提供了水動力條件，加速了土壤中多種形態(tài)Pb的縱向遷移。