優(yōu)先控制因子分析下土壤重金屬污染風(fēng)險與修復(fù)研究

陳小娟

關(guān)鍵詞：優(yōu)先控制因子；土壤重金屬；污染風(fēng)險；土壤污染修復(fù)

中圖分類號：X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

目前，土壤污染源的數(shù)量隨著土地資源利用率的提高而增加。其中，由工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)和人為活動導(dǎo)致的重金屬污染問題最為嚴(yán)重，導(dǎo)致了污染場地存在金屬陽離子和金屬陰離子共存的復(fù)雜重金屬復(fù)合污染特征。此外，污染物濃度較高，不僅對場地造成嚴(yán)重污染，還構(gòu)成了周邊生態(tài)環(huán)境的潛在風(fēng)險。研究旨在通過分析研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染水平，將金屬含量水平與縱向分布特征與優(yōu)先控制因子分析法相結(jié)合，探究重金屬對土壤的污染指數(shù)。根據(jù)土壤重金屬污染風(fēng)險劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定研究區(qū)域內(nèi)的金屬污染等級，以采用具有針對性的土壤污染修復(fù)措施。希望通過對于不同來源下土壤金屬對環(huán)境風(fēng)險的貢獻(xiàn)的定量評價與土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的設(shè)計，能夠在源頭上降低金屬污染程度，改善生態(tài)環(huán)境。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

現(xiàn)有試驗地塊位于某城區(qū)東北部平原過渡帶，研究區(qū)土地區(qū)劃圖見圖1。

西北側(cè)為相對肥沃的沖積平原，東南側(cè)為低山丘陵區(qū)，野生資源較為豐富；地塊周圍存在一個流速為42 km的河灣，呈半封閉形狀；該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫60C～8℃，四季濕潤；年最大降水量為856 mm，無霜期長達(dá)150天；地塊所在轄區(qū)面積1256.7 km²，耕地面積12 548 hm²。試驗選擇的試驗地塊位于轄區(qū)水土保持生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，是重點保護(hù)和限制開發(fā)區(qū)。因此，對于工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)項目具有較高的環(huán)境準(zhǔn)入條件，形成了主要來自工業(yè)企業(yè)和農(nóng)業(yè)的土壤重金屬污染特征。

1.2土壤樣品采集

研究中在供試地塊中選取了8個典型綠地土壤作為研究對象，點位數(shù)量為162個，一個土壤樣本采集單元由大約500m²的耕地組成，每個采集單元按扇形分布方式設(shè)置8個采樣點。土壤采集深度根據(jù)土壤表面到底部的距離進(jìn)行劃分，共分為五層，依次為0 cm～10 cm、10cm～20 cm、20 cm～30 cm、30cm～40 cm和40 cm～50 cm，每層重0.5kg。將每層土壤混合均勻，采用二元法取0.3 kg作為取樣點的混合樣品。根據(jù)上述土壤采樣點布置方法，在距離研究區(qū)約3 km的耕地上采集4層原狀土，采用二元取樣法，取每層土壤約0.3 kg作為土壤取樣點的對照樣品。

1.3研究方法

根據(jù)勘探樣品的分析方法，對土壤中的重金屬元素進(jìn)行檢測。為便于分析，設(shè)定土壤樣品中鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（AS）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鋅（Zn）8種重金屬元素的檢出上限分別為0.65、0.006、0.008、0.125、3.201、0.754、0.954和0.451mg/kg。對土壤樣品重金屬元素污染風(fēng)險的分析采用有限控制污染因子分析法，對核心區(qū)土壤污染趨勢進(jìn)行特征分析，確定優(yōu)先控制污染因子，進(jìn)而制定相應(yīng)的重金屬污染修復(fù)措施。

2土壤重金屬污染風(fēng)險分析

2.1土壤重金屬含量水平分析

利用上述測定方法對土壤樣品進(jìn)行重金屬檢測，8種風(fēng)險重金屬在表層土壤中均有檢出，檢測結(jié)果統(tǒng)計見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，鎘、銅、鋅的最大檢出量分別為156.31 mg/kg、256mg/kg、256.38mg/kg，分別超出對應(yīng)允許值（123mg/kg、105 mg/kg、200 mg/kg）的1.27倍、2.44倍和1.28倍，均屬于中等變異，點位超標(biāo)率也位列前三。說明在該研究地塊中，鎘、銅、鋅的含量水平相對較高，存在較大的生態(tài)風(fēng)險。

2.2土壤重金屬垂直分布特征分析

在上述基礎(chǔ)上，分析鎘、銅、鋅三種重金屬的垂直分布特征?？紤]到研究區(qū)域內(nèi)的表層土壤的酸堿度主要呈現(xiàn)出弱酸性，因此，根據(jù)現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，分析這3種重金屬在土壤中的縱向分布特征，結(jié)果見圖2。

如圖2所示，對照組銅的含量隨著土壤垂直剖面深度的增加而緩慢增加，在20 cm土壤處達(dá)到峰值，鎘和鋅的含量均隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢。研究組的鎘與銅的含量變化趨勢不明顯，且整體含量較低，均在40 mg/kg以下，而鋅元素的含量變化幅度較大，在表層土壤到30 cm深度范圍內(nèi)，其含量區(qū)間為18～56mg/kg，表明其遷移能力在深層土壤中較強(qiáng)。研究區(qū)表層土鎘、鋅的含量要遠(yuǎn)大于深層土，且鋅元素具有表聚性。綜上可知，鎘、銅、鋅三種重金屬的分布特征較為顯著，使得研究區(qū)域的重金屬污染指數(shù)較高。

2.3基于優(yōu)先控制污染因子的土壤重金屬污染風(fēng)險計算

結(jié)合核心區(qū)土壤重金屬污染特征，選擇鎘、銅和鋅作為層次分析的方案層（C），將研究區(qū)域不同深度土壤作為準(zhǔn)則層（B），將優(yōu)先控制污染因子選擇作為目標(biāo)層（A），建立優(yōu)先控制污染因子選擇層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)研究區(qū)域土壤斷面的管轄級別與敏感程度等因素，計算各取樣點單因子指數(shù)，通過單因子指數(shù)值的分級標(biāo)準(zhǔn)確定單一金屬污染物對土壤的污染程度。單一因子指數(shù)的計算公式為式（1）：

根據(jù)計算結(jié)果對其劃分，設(shè)計土壤重金屬污染風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)污染綜合指數(shù)≤0.7時，其污染程度為安全，重金屬污染等級為1級；當(dāng)污染綜合指數(shù)在0.7～1.0之間時，其污染程度為警戒，重金屬污染等級為2級；當(dāng)污染綜合指數(shù)在1.0～2.0之間時，其污染程度為輕污染，重金屬污染等級為3級；當(dāng)污染綜合指數(shù)在2.0～3.0之間時，其污染程度為中污染，其重金屬等級為4級；當(dāng)污染綜合指數(shù)>3.0時，其污染程度為重污染，其重金屬污染等級為5級。計算研究區(qū)域內(nèi)8種重金屬的綜合污染指數(shù)，確定土壤重金屬污染風(fēng)險等級。各項重金屬對土壤的污染指數(shù)從高到低依次為Cu、Ni、Pb、Cr、Zn、As、Cd、Hg，其中Cu和Ni對土壤的污染風(fēng)險等級為中污染。表明在后期對該研究區(qū)域土壤重金屬污染進(jìn)行處理修復(fù)時，應(yīng)優(yōu)先考慮治理Cu、Ni污染。

3土壤重金屬污染修復(fù)方法

基于上述結(jié)果，治理與修復(fù)該區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染，并以土壤重金屬的去除效果為評估指標(biāo)，以驗證采用的土壤污染修復(fù)技術(shù)的可行性。

3.1土壤改良修復(fù)實驗

用于修復(fù)的試驗土壤取自上述研究區(qū)域中心采樣點的農(nóng)田土壤，改良劑包括沸石、磷礦粉、鈣鎂磷肥、豬糞以及蘑菇渣等五種。定量稱量試驗土壤，分別按10%和20%的比例添加改良劑，充分混合，將樣品置于人工氣候箱中，在25℃和60%濕度下培養(yǎng)，為每個樣品設(shè)置三個平行實驗。在第15天、第30天和第45天采集所有樣本，并使用優(yōu)先控制污染因子法分析土壤中的重金屬形態(tài)。

將4.5 kg的風(fēng)干土壤添加不同比例的改良劑，混合后將電離水和乙醇添加到試驗地塊最大含水量的50%。盆栽試驗在室溫下平衡三周后開始。實驗中改良劑的用量水平見表2。

根據(jù)表2，在盆栽土壤中添加不同比例的改良劑，共進(jìn)行了5次處理，包括未添加融合改良劑的對照土壤。將獲得的土壤樣品自然風(fēng)干，在研缽中研磨，并分別通過30目和50目篩網(wǎng)，用于隨后的重金屬去除率分析。

3.2改良修復(fù)結(jié)果分析

使用火焰原子吸收分光光度計測定經(jīng)改良修復(fù)實驗后土壤中的重金屬含量，并計算土壤重金屬去除率，公式為式（3）：

分別利用表2中5種配比的改良劑修復(fù)實驗土壤，利用式（3）計算經(jīng)過修復(fù)后土壤的重金屬去除率，以確定使得土壤修復(fù)效果最佳的改良劑配比，結(jié)果見圖3。

如圖3所示，處理水平為A的改良劑獲得的土壤重金屬去除效果最好，對于土壤中的Cr、Cu和Zn的有效去除率均達(dá)到了80%以上，其次為E處理水平，對重金屬去除率不低于70%。相比之下，處理水平為B、C、D三種配比的改良劑的土壤修復(fù)效果較差。對比表2可知，處理水平為A和E的改良劑中，沸石與蘑菇渣的施用水平均為4，說明改良劑中沸石與蘑菇渣的用量的提高能夠?qū)崿F(xiàn)土壤重金屬的最大去除，可有效實現(xiàn)土壤重金屬污染的修復(fù)。由此可知，當(dāng)改良劑中沸石與蘑菇渣的用量水平為4時，能夠取得最佳修復(fù)效果。

4結(jié)束語

隨著環(huán)保意識的提升，人類越來越關(guān)注生態(tài)環(huán)境污染，并采取措施加以防治，以改善環(huán)境質(zhì)量。文章以優(yōu)先控制因子分析方法為核心，選用實際試驗地塊為研究背景，通過對土壤取樣及重金屬含量的測定，分析土壤重金屬污染風(fēng)險等級，并結(jié)合污染區(qū)的概況，采用混合改良劑鈍化方法對研究區(qū)域內(nèi)土壤進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明，該方法可對土壤中的重金屬污染進(jìn)行科學(xué)評估，且對于土壤重金屬去除效果良好，能夠達(dá)到改良修復(fù)土壤的目的。