云南會(huì)澤東北部地區(qū)重金屬環(huán)境污染評(píng)價(jià)

黃家鑫, 許勝超, 龔慶杰*, 陳子萬, 黃 釗

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083; 2)云南省地質(zhì)調(diào)查院, 云南昆明 650216

土壤重金屬環(huán)境問題一直受到人們的重視(王英輝等, 2007; 陳翠華等, 2008; 劉青枰等, 2018;Liu et al., 2018; Xu et al., 2021), 2014年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示, 西南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大,工礦業(yè)(尤其是金屬礦的開采和冶煉)、農(nóng)業(yè)等人為活動(dòng)以及土壤環(huán)境背景值高是造成土壤污染或超標(biāo)的主要原因(李瑞萍等, 2009; 國(guó)土資源部和環(huán)境保護(hù)部, 2014; 駱永明和滕應(yīng), 2018)。

按照全國(guó)多目標(biāo)地球化學(xué)填圖計(jì)劃, 為進(jìn)一步調(diào)查西南地區(qū)土壤重金屬狀況, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所開展了“西南重金屬高背景區(qū)1:25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查”項(xiàng)目, 其子項(xiàng)目“云南省滇中-滇東北地區(qū)1:25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查”工作由云南省地質(zhì)調(diào)查院于 2016—2018年完成, 獲得了 54項(xiàng)元素或氧化物的含量數(shù)據(jù)(云南省地質(zhì)調(diào)查院, 2019)。本文基于這次調(diào)查數(shù)據(jù)和新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—2018), 針對(duì)會(huì)澤東北部地區(qū)開展重金屬污染環(huán)境評(píng)價(jià)研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于云南省曲靖市會(huì)澤縣東北部, 地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng) 103°35′30″—103°53′49″, 北緯26°28′22″—26°50′12″, 面積約 740 km2(圖 1)。研究區(qū)地貌以山地為主(陸泗進(jìn)等, 2015), 屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候, 夏無酷暑, 冬無嚴(yán)寒, 氣候宜人, 年平均氣溫 12.6℃, 降水比較充沛, 年平均降雨量817.7 mm(山成棟, 2020)。

區(qū)內(nèi)發(fā)育自震旦紀(jì)至第四紀(jì)各時(shí)代地層, 具體巖性簡(jiǎn)述于圖1的圖注中。區(qū)內(nèi)巖漿巖中侵入巖不發(fā)育, 但大面積出露峨眉山玄武巖(P2-3)。研究區(qū)構(gòu)造較發(fā)育, 褶皺以北北東復(fù)式背斜為主, 斷裂以近南北向、北東向、北西向斷裂為主(韓潤(rùn)生等, 2012)。區(qū)內(nèi)金屬礦產(chǎn)以鉛鋅多金屬礦床為主(張長(zhǎng)青, 2008;楊斌等, 2018), 代表性礦床為位于礦山鎮(zhèn)境內(nèi)的會(huì)澤超大型鉛鋅礦(黃智龍等, 2004)。會(huì)澤超大型鉛鋅礦主要包括礦山廠和麒麟廠兩個(gè)礦段(張艷等, 2017;李志平等, 2018; 江小均等, 2018)。

前人對(duì)會(huì)澤地區(qū)土壤重金屬環(huán)境評(píng)價(jià)主要集中在重金屬元素含量特征、對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—1995)(原來的標(biāo)準(zhǔn))評(píng)價(jià)重金屬超標(biāo)程度并探索可能的污染來源等方面, 其數(shù)據(jù)處理方法包含污染指數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析(房輝和曹敏,2009; 陸泗進(jìn)等, 2014, 2015; 吳勁楠等, 2018)。2018年生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家市場(chǎng)管理總局聯(lián)合發(fā)布新的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)(生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家市場(chǎng)管理總局, 2018), 重金屬污染環(huán)境狀況需要基于新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià), 如葉金利等(2019)對(duì)云南會(huì)澤縣者海鎮(zhèn)礦區(qū)226個(gè)土壤樣品按照新標(biāo)準(zhǔn)中污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值針對(duì)Pb、As、Cd、Zn、Cu、Cr、Hg共計(jì)7個(gè)重金屬進(jìn)行了污染評(píng)價(jià), 結(jié)果發(fā)現(xiàn) Pb、Cd、Cu、Zn平均值均超標(biāo), 而 As、Cr、Hg的平均值均達(dá)標(biāo)。葉金利等的研究區(qū)位于本次研究區(qū)西南部的新店子村—胡家坡一帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Regional geological sketch map of the study area

2 樣品與方法

2.1 樣品

在研究區(qū)共采集 182件表層土壤樣品, 表層土壤樣品采樣點(diǎn)的布設(shè)工作遵循《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1: 25萬)》(DZ/T 0258—2014)的要求。野外采樣工作參照疊加了土地利用類型圖的1: 5萬地形圖, 采樣密度一般為 1點(diǎn)/km2。采樣位置的選擇根據(jù)地形地貌、土壤類型、土地利用分布等實(shí)際情況而定, 基于手持衛(wèi)星導(dǎo)航儀(GPS)定點(diǎn)。

表層土壤樣品主要采集耕作層的表層土壤, 為增強(qiáng)樣品的代表性, 一個(gè)表層土壤樣品一般由多個(gè)子樣組合而成。首先在中心子樣點(diǎn)垂直向地下挖掘深大于20 cm的采樣坑, 通過專用采集鎬沿坑壁垂直以刻槽方式均勻采集0～20 cm段土壤樣品, 去除植物根系、礫石、磚瓦塊、肥料團(tuán)塊等雜物后裝入布袋中。在中心子樣點(diǎn)周圍100 m范圍內(nèi)3～5處多點(diǎn)采集子樣, 將子樣組合成一個(gè)樣品, 并保證原始樣品重量大于1000 g。樣品采好后系緊布袋口, 外套聚乙烯塑料袋。

通過日光自然晾曬及 50℃以下低溫烘干樣品,在干燥過程中經(jīng)常揉搓或用木棒輕輕敲打, 使土壤樣品恢復(fù)自然粒級(jí)狀態(tài)。清除雜質(zhì)后過20目篩, 在干凈的蠟光紙或塑料薄膜上充分拌勻、縮分、稱重后, 裝入聚乙烯樣瓶中。

表層土壤樣品采用大格組合樣測(cè)試分析, 即把4 km2內(nèi)的所有樣品取出、單個(gè)混勻后, 稱取等量組合為一件組合樣, 組合樣混勻后, 再次過20目篩后取30 g樣品裝袋用作pH分析, 另取80 g左右樣品在 60℃以下的烘箱中烘干后用無污染的行星球磨機(jī)粉碎至 200目粒度, 以備元素含量測(cè)試分析使用。

2.2 樣品分析測(cè)試方法

樣品分析測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所分析測(cè)試研究中心和四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都綜合巖礦測(cè)試中心完成, 測(cè)定樣品中 54項(xiàng)指標(biāo), 包含本文研究所需的 Pb、Cd、As、Cr、Hg和pH。Pb和Cd的含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定, Cr含量采用X射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定, As和Hg的含量采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定, pH采用電位法(POT)測(cè)定。具體檢測(cè)方法詳見《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1:250000): DZ/T 0258—2014》(國(guó)土資源部, 2014)。

上述測(cè)試方法中 Pb、As、Cr的檢出限分別為2 μg/g、1 μg/g、5 μg/g, Cd 和 Hg 的檢出限分別為30 ng/g和0.5 ng/g。分析質(zhì)量采用土壤國(guó)家一級(jí)標(biāo)樣和重復(fù)樣進(jìn)行監(jiān)控, 樣品分析的準(zhǔn)確度、精密度以及重復(fù)樣分析合格率均達(dá)到了多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 含量特征

會(huì)澤東北部地區(qū)182件土壤組合樣的pH值和5項(xiàng)重金屬含量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 會(huì)澤東北部地區(qū)土壤地球化學(xué)測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 1 Statistical parameters of the analytical values of soil samples in the northeast of Huize area

研究區(qū)土壤pH介于4.66～8.16, 其中96件樣品pH≤5.5, 47件樣品5.5＜pH≤6.5, 28件樣品6.5＜pH≤7.5, 11件樣品pH＞7.5, 土壤整體偏酸性。

參照土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—2018): ①Pb含量介于 19～1360 μg/g, 其中7件樣品Pb含量高于污染風(fēng)險(xiǎn)管制值, 37件樣品含量介于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值之間, 138件樣品 Pb含量低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值;②Cd含量介于440～21700 ng/g, 其中45件樣品Cd含量高于污染風(fēng)險(xiǎn)管制值, 137件的含量介于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值之間; ③As含量介于2.89～50.7 μg/g, 其中 6件樣品As含量介于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值之間, 176件含量低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值; ④Cr含量介于 59.3～431 μg/g, 其中 66件樣品 Cr含量介于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值之間,116件含量低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值; ⑤Hg含量介于28～1280 ng/g, 182件樣品Hg含量均低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

3.2 污染指數(shù)

目前有關(guān)土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究多集中在含量測(cè)定或污染指數(shù)計(jì)算方面(高瑞英,2012)。污染指數(shù)可分為單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)(Gong et al., 2008), 單項(xiàng)污染指數(shù)主要有污染因子、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子(Hakanson, 1980)、富集因子(Zoller et al., 1974)、地累積指數(shù)等, 綜合污染指數(shù)主要有內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(Cheng et al., 2007)以及其他基于單項(xiàng)污染指數(shù)進(jìn)行不同運(yùn)算獲得的綜合污染指數(shù)(Gong et al., 2008)。

參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618—2018)中的其他農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)對(duì)會(huì)澤東北部地區(qū)土壤進(jìn)行重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。依據(jù)GB15618—2018, 可將土壤樣品的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)劃分為 3級(jí): 當(dāng)重金屬含量低于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí)可以忽略其風(fēng)險(xiǎn)而將其劃分為無風(fēng)險(xiǎn)級(jí),或稱為背景級(jí); 當(dāng)介于篩選值和管制值之間時(shí)認(rèn)為可能存在污染風(fēng)險(xiǎn)而將其劃分為監(jiān)測(cè)級(jí); 當(dāng)大于或等于管制值時(shí)認(rèn)為污染風(fēng)險(xiǎn)高而將其劃分為管制級(jí)(李金哲等, 2021)。本文提出基于篩選值和管制值的重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù), 以便實(shí)現(xiàn)從定量計(jì)算到定性描述的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)等級(jí),并將其應(yīng)用于研究區(qū)以查明會(huì)澤東北部地區(qū)重金屬的污染狀況。

3.2.1 單項(xiàng)污染指數(shù)

依據(jù)GB15618—2018中風(fēng)險(xiǎn)篩選值(Risk Screen value)和風(fēng)險(xiǎn)管制值(Risk Intervention value)的劃分,單項(xiàng)污染指數(shù)PI(Pollution Index)的定義為:

式中,PI為單項(xiàng)污染指數(shù),C為樣品中元素的含量,CRS為元素的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,CRI為元素的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值。即元素含量大于其風(fēng)險(xiǎn)管制值時(shí)PI賦值為 10, 介于管制值和篩選值之間時(shí)賦值為1, 低于篩選值時(shí)賦值為0。

按照式(1)針對(duì) Pb、Cd、As、Cr、Hg這 5種元素對(duì)研究區(qū) 182件樣品計(jì)算其單項(xiàng)污染指數(shù), 進(jìn)而繪制單項(xiàng)污染指數(shù)地球化學(xué)圖, 通過不同色階直觀表達(dá)區(qū)域內(nèi)重金屬污染的空間分布(An et al.,2022)。研究區(qū)5中元素的單項(xiàng)污染指數(shù)地球化學(xué)剖析圖如圖2所示。

圖2 會(huì)澤東北部地區(qū)重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)地球化學(xué)剖析圖Fig. 2 Geochemical comparison map of single pollution index of heavy metals in the northeast of Huize area

會(huì)澤東北部地區(qū)182件土壤樣品中, 5種重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)結(jié)果表明:

①對(duì)于Pb元素, 7件樣品的PI值為10, 屬于管制級(jí); 37件樣品的PI值為1, 屬于監(jiān)測(cè)級(jí); 138件樣品的PI值為0, 屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。這表明會(huì)澤東北部地區(qū)僅局部屬于農(nóng)用地管制級(jí), 主要出現(xiàn)在會(huì)澤超大型鉛鋅礦的礦山廠和麒麟廠礦段以及胡家坡西部和新店子村附近; 沿會(huì)澤鉛鋅礦至胡家坡—新店子村的北東向區(qū)域農(nóng)用地屬于監(jiān)測(cè)級(jí); 其他地區(qū)則屬于無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

②對(duì)于Cd元素, 45件樣品的PI值為10, 屬于管制級(jí); 137件樣品的PI值為1, 屬于監(jiān)測(cè)級(jí); 無樣品的 PI值為 0。這表明會(huì)澤東北部地區(qū)農(nóng)用地整體處于監(jiān)測(cè)級(jí), 局部處于管制級(jí), 如會(huì)澤鉛鋅礦至胡家坡—新店子村的北東向區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)用地管制級(jí)。

③對(duì)于As元素, 無管制級(jí)樣品; 6件樣品的PI值為1, 其余176件樣品的PI值均為0。這表明除零星地段外會(huì)澤東北部地區(qū)整體屬于農(nóng)用地?zé)o風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

④對(duì)于Cr元素, 無管制級(jí)樣品; 66件樣品的PI值為1; 116件樣品的PI值為0。這表明會(huì)澤東北部地區(qū)局部屬于農(nóng)用地監(jiān)測(cè)級(jí), 而大部分區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)用地?zé)o風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

⑤對(duì)于Hg元素, 182件樣品的PI值均為0, 屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。即會(huì)澤東北部地區(qū)屬于農(nóng)用地?zé)o風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

綜上所述, 會(huì)澤東北部地區(qū)如果均作為非水田的農(nóng)用地使用, 則局部地段如會(huì)澤鉛鋅礦至胡家坡—新店子村的北東向區(qū)域?qū)儆?Pb、Cd的污染風(fēng)險(xiǎn)管制級(jí), 而 As、Cd僅在零星或局部地段屬于污染風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)級(jí), Hg則全區(qū)屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

3.2.2 綜合污染指數(shù)

基于上述單項(xiàng)污染指數(shù)PI, 此處將綜合污染指數(shù)PIn的定義為:

式中, PIn為n個(gè)單項(xiàng)污染指數(shù)組成的綜合污染指數(shù), PI為單項(xiàng)污染指數(shù)。即將單項(xiàng)污染指數(shù)的值累加而形成綜合污染指數(shù)。

按照式(2)依據(jù) Pb、Cd、As、Cr、Hg這 5種元素在研究區(qū)182件樣品中的單項(xiàng)污染指數(shù)PI值即可計(jì)算其綜合污染指數(shù)PI5。依據(jù)式(1)和式(2)可知PI5的理論取值范圍為0、1～5、10～14、20～23、30～32、40～41、50。當(dāng) PI5＝0時(shí), 表示樣品的 5種重金屬含量均小于對(duì)應(yīng)的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值, 屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí);當(dāng)0＜PI5≤5時(shí), 表示樣品的5種重金屬含量均小于其污染風(fēng)險(xiǎn)管制值, 但可能有 1～5種重金屬含量大于污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值, 屬于監(jiān)測(cè)級(jí); 當(dāng) 10≤PI5≤50時(shí),PI5值的十位數(shù)n表示5種重金屬中有n種重金屬含量大于污染風(fēng)險(xiǎn)管制值, 可將其稱為n級(jí)管制。

研究區(qū)182件樣品的PI5值實(shí)際取值介于1～23之間, 其中136件樣品的PI5值介于1～5, 屬于監(jiān)測(cè)級(jí); 40件樣品的 PI5值介于 10～14, 屬于 1級(jí)管制;6件樣品的PI5值介于20～23, 屬于2級(jí)管制。依據(jù)PI5計(jì)算值繪制綜合污染指數(shù)PI5的地球化學(xué)剖析圖如圖3所示。

圖3 會(huì)澤東北部地區(qū)重金屬綜合污染指數(shù)地球化學(xué)剖析圖Fig. 3 Geochemical comparison map of integrated pollution index of heavy metals in the northeast of Huize area

依據(jù) GB15618—2018, 會(huì)澤東北部地區(qū)整體屬于監(jiān)測(cè)級(jí), 局部地區(qū)如會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)、濫銀廠礦區(qū)、胡家坡—新店子村一帶和顧家—尖山坡一帶屬于管制級(jí), 尤其是胡家坡西部和新店子村附近則屬于2級(jí)管制區(qū)。

綜上所述, 會(huì)澤東北部地區(qū)如果均作為非水田的農(nóng)用地使用, 則局部地段如會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)、濫銀廠礦區(qū)、胡家坡—新店子村一帶和顧家—尖山坡一帶屬于管制級(jí); 而其他地區(qū)則屬于監(jiān)測(cè)級(jí)。

4 EGAPI軟件

基于上文提出的重金屬單項(xiàng)污染指數(shù) PI和綜合污染指數(shù) PIn, 本文開發(fā)出軟件 EGAPI GB15618(Ecological Geochemistry Assessment-Pollution Index GB15618)以便計(jì)算農(nóng)用地土壤的重金屬污染指數(shù)。EGAPI GB15618在Visual Studio環(huán)境下使用C#語言開發(fā), 并設(shè)計(jì)為單文檔界面(圖 4), 用戶界面主要分為“選擇數(shù)據(jù)(Select Data)”和“農(nóng)用地國(guó)標(biāo)(GB15618 Agricultural Land)”兩部分。

圖4 EGAPI GB15618軟件用戶界面Fig. 4 User interface of the EGAPI GB15618 software

待計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 Access格式的數(shù)據(jù)文件,首先在用戶界面左側(cè)的“Select Data”區(qū)域打開數(shù)據(jù)文件(Open Database)并選擇數(shù)據(jù)表(Select Table);然后在用戶界面右側(cè)“GB15618 Agricultural Land”區(qū)域中的“Select the Single Pollution Indices”部分勾選需要計(jì)算單項(xiàng)污染指數(shù)的元素, 在“Select the Integrated Pollution Index”部分勾選是否計(jì)算綜合污染指數(shù); 最后點(diǎn)擊“Calculate Indices”按鈕即可實(shí)現(xiàn)污染指數(shù)的計(jì)算。

污染指數(shù)的計(jì)算結(jié)果仍保存在界面左側(cè)所選擇的數(shù)據(jù)表中, 可單擊界面左側(cè)的“Refresh”文字以進(jìn)行更新, 然后在“Select Data Columns”列表框中進(jìn)行字段查看。

5 結(jié)論

(1)基于 GB15618—2018提出重金屬元素單項(xiàng)污染指數(shù)PI和綜合污染指數(shù)PIn的計(jì)算方法, 以便實(shí)現(xiàn)從定量計(jì)算到定性描述的土壤重金屬污染等級(jí)評(píng)價(jià)。

(2)會(huì)澤東北部地區(qū)如果作為非水田的農(nóng)用地使用, 則局部地段屬于管制級(jí), 而其他地段則屬于監(jiān)測(cè)級(jí)。會(huì)澤鉛鋅礦至胡家坡—新店子村的北東向區(qū)域?qū)儆赑b、Cd的污染風(fēng)險(xiǎn)管制級(jí), 而As、Cd僅在局部地段處于污染風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)級(jí), Hg則全區(qū)均屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

(3)本文開發(fā)了單文檔界面的 EGAPI GB15618軟件, 以便計(jì)算農(nóng)用地土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)PI和綜合污染指數(shù)PIn。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. DD20190317).