湖北紅安縣生態(tài)地質(zhì)調(diào)查土壤重金屬分布特征及生態(tài)風險評價

居字龍，秦志軍，萬翔，袁航，張小波，王登

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

0 引言

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，是各類生命活動進行的重要媒介。重金屬作為典型的累積性污染物，具有顯著的生物毒性和持久性，過量的重金屬元素能進入到生物圈，并參與到地球整體的循環(huán)，進而危害整個生態(tài)環(huán)境[1-2]。因此，研究土壤污染中重金屬元素空間分布特征及其對環(huán)境的潛在危害程度，對于生態(tài)環(huán)境保護具有十分重要的意義[3-8]。

生態(tài)地質(zhì)調(diào)查是將地質(zhì)背景和生態(tài)地質(zhì)問題有機結合，呈現(xiàn)出一體化的地質(zhì)調(diào)查思維[9-12]。目前開展的生態(tài)地質(zhì)調(diào)查中的土壤工作，主要側重于巖石—土壤—水—生物—大氣多圈層交互作用研究，厘清地質(zhì)建造對不同土壤類型平面分布的控制作用[13-17],而較少關注土壤重金屬元素的空間分布特征及其生態(tài)環(huán)境影響。

本文依托湖北省地質(zhì)局“湖北省紅安縣生態(tài)地質(zhì)調(diào)查(方法示范)”項目，在紅安縣開展湖北省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查試點，結合縣域的經(jīng)濟及地質(zhì)分布特征，篩選金沙湖、覓兒寺鎮(zhèn)工業(yè)園兩個重點調(diào)查區(qū)，系統(tǒng)開展土壤重金屬元素空間分布特征及其生態(tài)風險評價工作，以期為紅安縣后期生態(tài)治理提供科學依據(jù)，并為其他生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的土壤工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紅安縣地處大別山南麓低山丘陵地帶，隸屬于湖北省黃岡市，地理坐標介于114°23′E～114°49′E，30°56′N～31°35′N，總面積約1 796 km2[18]。區(qū)內(nèi)氣候屬亞熱帶氣候，平均溫度15.7 ℃，年平均降水量為1 116.2 mm。區(qū)內(nèi)地貌類型為由北向南逐漸傾斜的低山丘陵地貌，北部為低山，坡度陡，植物分布茂密，最高海拔為840.5 m，平均海拔200 m,整體上為天臺山自然風景保護區(qū)；中部城關鎮(zhèn)為縣政府所在地，另有金沙湖流經(jīng)，為全縣飲用水一級保護地；南部為覓兒寺工業(yè)園開發(fā)區(qū)，主要有天然生物科技、機械電子、家具生產(chǎn)等相關產(chǎn)業(yè)[18]。

研究區(qū)地質(zhì)背景處于揚子陸塊和華北陸塊的交接部位，屬于秦嶺—大別造山帶。紅安縣分為3個構造區(qū)帶，以中部NW向永佳河—高橋蛇綠混雜巖帶為界，北部為華北板塊南緣構造區(qū)之卡房—龜峰山構造區(qū)，南部為揚子板塊北緣構造區(qū)之大悟—河口構造區(qū)，區(qū)內(nèi)總體構造線方向為NW向[19]。巖性上以沉積變質(zhì)巖和巖漿變質(zhì)巖為主，具體有白云鈉長石英片麻巖、白云鈉長片麻巖、二云鈉長片麻巖、黑(二)云斜長片麻巖等。成土母巖主要為片麻巖、石英片巖風化物和河流沖積物，還有少量泥質(zhì)巖、基性巖、石灰?guī)r風化物[19]。

1.2 樣品的采集

著力于土壤調(diào)查工作的針對性，筆者結合縣域的地質(zhì)、經(jīng)濟背景，選定縣域中部的金沙湖和南部覓兒寺工業(yè)園為重點調(diào)查區(qū)(圖1)，面積分別為309 km2和73.2 km2。兩個調(diào)查區(qū)分別旨在調(diào)查金沙湖水源地附近土壤質(zhì)量及工業(yè)園對周邊土壤質(zhì)量的影響。

圖1 研究區(qū)概況及采樣點分布

依照《生態(tài)地質(zhì)調(diào)查技術要求(1∶50 000)(試行)》(DD 2019—09)以及中國地質(zhì)調(diào)查局多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范，樣品采集密度為1個點/km2，居民區(qū)和工業(yè)園區(qū)周邊局部加密為4個點/ km2，總體采樣為740件(金沙湖402件、覓兒寺338件)，采樣時兼顧土壤類型、利用方式等多重因素，采樣深度為0～20 cm，剔除動植物殘體、石塊等雜物。

依照內(nèi)部《湖北省縣級土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查術要求》中土壤垂向剖面的部署密度要求，共部署17條垂直土壤剖面(金沙湖9條、覓兒寺8條)，剖面深度為100～150 cm。土壤剖面樣品采集時，一般采取自然剖面為主，人工剖面為輔的原則，以20 cm點距連續(xù)采樣并編號。

1.3 評價方法

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

分別以湖北省土壤背景值[20-21]及《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地污染風險》(GB 15168—2018)的風險篩選值作為參比值，采用單因子污染指數(shù)對研究區(qū)重金屬進行污染評價[22-23]，并利用主成分分析方法辨析重金屬來源[24]。

Pi=Ci/Si

,

(1)

式中：Pi為單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i指標的實測濃度；Si為污染物的的參考標準，分別取湖北省土壤背景值[21,25]及《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15168—2018)中的篩選值(表1)。

表1 單因子指數(shù)評價重金屬元素含量參考值

1.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

Hakanson從沉積學角度，根據(jù)重金屬性質(zhì)及環(huán)境行為特點，建立了一套評價重金屬潛在生態(tài)危害的方法[26-29]，主要包括單個重金屬潛在生態(tài)風險因子Ei和綜合生態(tài)危害指數(shù)RI。計算公式如下：

Ei=Ti·Pi

,

(2)

,

(3)

式中：Pi為單因子污染指數(shù)；Ti為某重金屬i的毒性相應系數(shù)，反映重金屬的毒性水平及土壤對重金屬污染的敏感性，參考相關研究[1,3-4]，Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg的毒性相應系數(shù)分別為5、5、1、2、5、30、10和40；RI為重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征

實驗室獲得Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg共8種重金屬含量，利用箱型圖直觀表示調(diào)查區(qū)重金屬的數(shù)理統(tǒng)計特征(圖2)。統(tǒng)計結果表明：Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg平均含量分別為21.48×10-6、21.75×10-6、63.60×10-6、53.24×10-6、20.25×10-6、0.13×10-6、5.44×10-6和0.04×10-6，平均值都處于國標(GB 15618—2018)重金屬污染篩選值和湖北省背景值以下，只有少量數(shù)據(jù)點含量超標。初略判斷這8種重金屬元素含量整體污染程度較低。

圖2 調(diào)查區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計

以湖北省背景值為參考標準，運用單因子污染指數(shù)法統(tǒng)計重金屬元素的超標情況(表2)，可以看出， Cu、Cr、Ni和Cd在調(diào)查區(qū)表層土壤污染積累相對富集，其超標率分別達到14.59%、11.89%、21.49%和14.59%，其余4種重金屬元素在10%以內(nèi)。單因子的污染指數(shù)(Pi)的平均值大部分為2以下，只有Cd由于局部高值導致單因子污染指數(shù)達到2.75。

表2 調(diào)查區(qū)土壤重金屬含量超標情況統(tǒng)計

以國標(GB 15618—2018)風險篩選值為參考標準，并以15區(qū)間分別定義輕微污染、輕度污染、中度污染和重度污染，統(tǒng)計各重金屬超標點的污染程度。結果表明，Hg沒有含量超標，超標點以輕微污染為主；Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As的點位超標率分別為1.48%、0.14%、0.27%、2.57%、2.16%、2.03%和0.27%；8種重金屬元素整體的超標率為3%以下(表2)。從超標點污染程度占比(圖3)可以看出，Cu、Cr、Ni、Cd和As的超標點位絕大部分屬于輕微污染，Cu、Pb、Zn、Ni和Cd出現(xiàn)局部中度—重度污染，經(jīng)過數(shù)據(jù)核實這些中度—重度污染點集中于八里灣鎮(zhèn)東北側附近的錳鈷礦點，有研究表明錳鈷礦多伴隨Mn、Cd、Cr、Pb等重金屬污染，且具有點狀分布特點[30-31]，外圍擴散能力較弱，不具有整體的代表性。

圖3 調(diào)查區(qū)重金屬含量超標點污染評價

綜上所述，調(diào)查區(qū)表層土壤中Cu、Cr、Ni和Cd重金屬污染積累相對富集，Hg沒有超標，超標點以輕微污染為主，只有單個錳鈷礦點出現(xiàn)重金屬元素中度—重度污染。

2.2 土壤重金屬元素平面分布特征

綜合分析重金屬污染數(shù)據(jù)點空間特征，明確污染點空間分布規(guī)律，可以為后續(xù)的污染治理提建設性意見。從金沙湖調(diào)查區(qū)各元素污染點分布情況(圖4)看出，金沙湖調(diào)查區(qū)存在Cu、Cd、 Ni和Cr重金屬污染，但主要集中分布于西南部的高橋永佳河基性—超基性混雜巖帶，其中Cd污染點主要集中在基性—超基性混雜巖帶，部分散落在城關鎮(zhèn)周邊位置；Ni污染點主要集中在基性—超基性混雜巖帶及金沙湖西側螢石尾礦點；Cr污染相對較分散，出現(xiàn)在混雜巖帶、螢石礦尾礦點以及廢棄磚瓦廠。

圖4 金沙湖調(diào)查區(qū)重金屬污染評價及超標點分布

覓兒寺重點調(diào)查區(qū)存在Cu、Cd、Ni、Cr、Pb、Zn和As重金屬污染，但以Cu、Cd、Ni和Cr為主，Pb、Zn和As只有單個樣點零散分布(圖5)。其中，Cu、Ni和Cr集中分布于覓兒寺工業(yè)園周邊，另有單點分布于南部及西南部礦石堆積點。Cd主要分布在八里鎮(zhèn)東北側的錳鈷礦化點周邊，而局部單個礦化點還存在Pb、Zn和As的中度—重度超標。

圖5 覓兒寺調(diào)查區(qū)重金屬污染程度及超標點分布

2.3 土壤重金屬元素垂向分布特征

土壤剖面中的重金屬含量分布與外界條件變化密切相關，具有非常復雜的分布特征，且和重金屬來源有一定的關聯(lián)[32-38]。土壤本身是一個復雜的巨系統(tǒng)，重金屬在土壤中的富集取決于很多因素，不僅與元素含量有關，還與土壤類型、質(zhì)地、理化性質(zhì)以及重金屬與其他因子之間的關系有關。

本次研究選擇基性—超基性巖混雜帶的HAP15剖面，金沙湖西北角礦山村HAP7剖面、覓兒寺工業(yè)園東南角的HAP3剖面以及工業(yè)園西北部的HAP16剖面作為典型垂向土壤剖面，分析8種重金屬在特殊巖性體、礦山開采、工業(yè)活動區(qū)域垂向剖面的分布特征。

垂向剖面數(shù)理統(tǒng)計及重金屬元素含量變化結果(表3、圖6)表明： HAP15剖面重金屬元素顯著比其他剖面含量高； Cu、Zn、Ni、Cd和As的平均值超過湖北省背景值，但總體上為輕量超標；剖面上元素整體變異系數(shù)較大，僅有Pb的變異系數(shù)低于50%(48.1%)，8種元素的變異系數(shù)順序為Cd>Cu>Hg>As>Ni>Zn>Cr>Pb。綜上所述，土壤重金屬含量縱向分布受到一定程度的外來源干擾。

圖6 垂直剖面土壤重金屬含量

表3 垂直剖面土壤重金屬含量統(tǒng)計

Pb和Hg垂向規(guī)律較為一致，表層土壤含量相對富集，隨著埋深的增加含量迅速降低； Cr和Ni的趨勢則相反，深部土壤含量較高，而表層土壤含量較低； Cu和As則較為混雜，Zn在地表下80 cm處較為富集。

2.4 土壤重金屬空間分布特征的控制因素

重金屬來源辨析能有效解釋重金屬的空間分布特征，并明確空間分布特征的控制因素，對于土壤的后期治理工作有重要意義[21,23,32]。主成分分析主要是針對土壤重金屬的信息進行集中和提取，從而得出重金屬污染來源的一種方法[2，24]。本次研究提取2個特征值大于1的主成分，并將數(shù)據(jù)進行Kaiser標準化的正交旋轉，得到旋轉后的成分圖(圖7)，梳理各重金屬元素的控制因素。結果表明： Cu、Cr、Ni和Zn在第一成分(PC1)中載荷較高，歸為自然污染來源，屬于自然因素控制。有關學者認為Cr和Ni為土壤母質(zhì)的重要元素，且在基性巖和超基性巖中富集[35]，而Cr和Cu在渭庫綠洲研究中定位為自然來源[39]； Pb和Hg在第二成分(PC2)中載荷含量高，相應的載荷因子分別為0.828和0.604，歸為工農(nóng)業(yè)污染，屬于外因控制。研究認為Hg和Pb多為汽車尾氣、發(fā)電工廠排放的氣體，經(jīng)過風力作用沉降富集在土壤中[33、35]，故Pb和Hg重金屬為工農(nóng)業(yè)污染來源； As、Cd和Zn的分布相對分散，研究認為Zn和Cd為同族元素，在石灰?guī)r母質(zhì)中含量較高，在礦山開發(fā)過程中也會產(chǎn)生聚集[33、38-39]，故As、Cd和Zn為受到成土母質(zhì)和工農(nóng)業(yè)污染的雙重控制下的混合來源。

圖7 研究區(qū)土壤重金屬主成分分析

上述重金屬污染來源的分類和土壤空間分布特征聯(lián)系緊密。其中，Hg和Pb為工農(nóng)業(yè)污染來源，屬于外因控制，其平面分布多為點狀分布，擴散范圍小，而縱向上表現(xiàn)為表層相對富集，隨著埋深增加含量迅速降低；Cu、Ni和Cr為自然污染源來源，受自然因素控制，其平面上連續(xù)分布，集中于金沙湖調(diào)查區(qū)西南部的高橋永佳河基性—超基性混雜巖帶，而縱向上Cr和Ni表現(xiàn)出深層土壤含量高而表層含量低的特征，體現(xiàn)出母巖重金屬含量相對較高的趨勢。

2.5 土壤重金屬元素潛在生態(tài)風險評價

參照前人的潛在生態(tài)風險分級標準[1-5](表4)，將重金屬的單項和綜合潛在生態(tài)風險進行分級。單項重金屬潛在風險統(tǒng)計結果表明： Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg重金屬含量的潛在生態(tài)風險因子的平均值分別為3.53、4.12、0.87、1.24、3.82、31.02、4.42、21.98；表層土壤潛在危害最大的是Cd，研究區(qū)共有35個樣點(占全部樣點的4.73%)存在中等潛在生態(tài)風險危害，4個樣點(占全部樣點的0.54%)存在較高潛在生態(tài)風險危害，1個樣點(占全部樣點的0.13%)存在高等潛在生態(tài)風險危害；次風險重金屬元素為Hg，研究區(qū)共有54個樣點(占全部樣點的7.30%)存在中等潛在生態(tài)風險危害，6個樣點(占全部樣點的0.81%)存在較高潛在生態(tài)風險危害，3個樣點(占全部樣點的0.40%)存在高等潛在生態(tài)風險危害。

表4 重金屬潛在生態(tài)風險分級評價標準

研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)RI的平均值為71，按照綜合生態(tài)風險指數(shù)分級整體處于低等潛在生態(tài)風險，僅有4個點為中等生態(tài)風險，2個點為較高生態(tài)風險，1個點為高生態(tài)風險點。由于單元素中 Cd 和 Hg 的生態(tài)危害風險因子相對較高，毒性水平較高，長期累積對身體危害較大，值得重視，因此本次研究考慮Hg、Cd單項生態(tài)風險因子來綜合劃分調(diào)查區(qū)整體潛在生態(tài)風險。

金沙湖調(diào)查區(qū)的潛在生態(tài)風險集中在城關鎮(zhèn)周邊、西南基性—超基性巖以及金沙湖周邊(圖8)。城關鎮(zhèn)周邊東北及東南角存在條帶狀的中等潛在風險帶，延伸寬度約500～800 m。西南部基性—超基性存在連續(xù)分布的中等生態(tài)風險，以圓形分布為主，延伸范圍最長約1 km。金沙湖湖區(qū)周邊有點狀分布，延伸范圍極少，局限于單個采樣點周邊。綜上，應加強城關鎮(zhèn)居民生活及建設用地的監(jiān)督，另外對于西南高橋—永佳河基性—超基性混雜巖帶的開工建設應加強土壤的原地保護。

覓兒寺調(diào)查區(qū)潛在生態(tài)風險集中在在覓兒寺工業(yè)園周邊、西南構造帶附近以及八里灣鎮(zhèn)東北部錳鈷礦帶(圖8)。覓兒寺工業(yè)園東南部及西北部存在面積較大的中等—高生態(tài)風險帶，延展寬度約1 km。經(jīng)過實地調(diào)查認為東南部為某家具廠，而西北部為縣垃圾處理發(fā)電廠，南部為大悟—河口構造帶。值得注意的是八里灣鎮(zhèn)東北錳鈷礦化點出現(xiàn)高生態(tài)風險點，單點綜合生態(tài)風險指數(shù)達到6 143，核查表明Hg、Cd和As含量分別為背景值的218.4、5 735.4、61.7倍，且整體展布范圍和錳鈷礦預測帶接近。綜上，覓兒寺工業(yè)園企業(yè)的尾氣及污水排放強，應實時跟蹤，另外錳鈷礦的后期勘探開采過程中也應加強相應的保護措施，防止重金屬元素擴散導致的二次污染。

(a)金沙湖調(diào)查區(qū) (b)覓兒寺調(diào)查區(qū)

3 結論

1)調(diào)查區(qū)8種重金屬Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As和Hg的平均含量分別為21.48×10-6、21.75×10-6、63.60×10-6、53.24×10-6、20.25×10-6、0.13×10-6、5.44×10-6和0.04×10-6。以湖北省背景值和國標篩選值作為參考值，采用單因子污染指數(shù)法研究表明Cu、Cr、Ni和Cd污染積累相對富集，超標點以輕微污染為主，Hg沒有超標，而單個錳鈷礦點出現(xiàn)重金屬元素中度—重度污染。

2)調(diào)查區(qū)土壤重金屬污染點空間分布特征明顯。金沙湖調(diào)查區(qū)的Cu、Cr、Ni和Cd超標點主要分布于縣城南部的高橋—永佳河基性—超基性混雜巖帶，而覓兒寺調(diào)查區(qū)的Cu、Cr和Ni超標點集中分布于覓兒寺工業(yè)園周邊，Pb、Zn和As超標點主要集中在八里灣東北側錳鈷礦化點附近。Pb和Hg重金屬具有表層相對富集、深層含量減少的垂向分布特征，Cr和Ni的趨勢和Pb、Hg相反，而其他4個元素的垂向分布規(guī)律不明顯。

3)重金屬污染來源及其控制因素和土壤空間分布特征聯(lián)系緊密。Hg和Pb為工農(nóng)業(yè)污染來源，受外因控制，其平面分布多為點狀分布，擴散范圍小，縱向上表現(xiàn)為表層相對富集，而隨著埋深增加含量迅速降低；Cu、Ni和Cr為自然污染源來源，受內(nèi)因控制，平面通常連續(xù)分布，而垂向上則有表層到深部聚集的趨勢。

4)單元素生態(tài)風險較高的為Cd和Hg，基于這兩種元素的綜合生態(tài)風險評價認為金沙湖城關鎮(zhèn)周邊、基性—超基性混雜巖帶、覓兒寺工業(yè)園周邊和八里灣鎮(zhèn)錳鈷礦化帶為中等潛在生態(tài)風險區(qū)域。后期城鎮(zhèn)建設開發(fā)過程中，應加強這些地段的生態(tài)監(jiān)督保護。