某典型污染地塊土壤砷垂向分布及評價(jià)

白江偉　劉清俊　賀瑾瑞　劉芬芬　張羽　顧海波　羅伊　王天宇　賈唯遠(yuǎn)

摘 要：使用直推式鉆機(jī)在面積約73 484 m2污染地塊內(nèi)采集深度0～6 m土壤原狀樣品225件，垂向采樣間距為0.5～1 m。土壤砷含量范圍為1.13～1 004 mg·kg-1，平均值為78.5 mg·kg-1。采用ArcGIS、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對不同深度土壤中砷含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：土壤砷含量自上而下呈下降趨勢，0～2 m人工填土中的砷明顯偏高，最大值位于1 m處，3～6 m原狀土中的砷顯著降低；樣品砷總超標(biāo)率為20.9%，0～6 m超標(biāo)率分別為51.92%、30%、14.81%、6.67%、10.53%、0、4.76%，超標(biāo)率自上而下呈下降趨勢。運(yùn)用地累積指數(shù)法評價(jià)土壤污染狀況，0～1 m為中強(qiáng)污染，2 m為中污染，3 m為輕微污染，4～6 m為無污染。

關(guān)鍵詞：污染地塊；土壤；砷；垂向分布；污染評價(jià)；地累積指數(shù)法

Vertical distribution and evaluation of soil arsenic in typically polluted plot

BAI Jiangwei1， LIU Qingjun1， HE Jinrui2， LIU Fenfen1， ZHANG Yu1， GU Haibo1， LUO Yi1，

Wang Tianyu1， Jia weiyuan1

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100011， China；

2.Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100011， China）

Abstract： Direct push drill was used to collect 225 soil samples with a depth of 0～6 m in a contaminated plot with an area of 73 484 m2， and the vertical sampling interval was 0.5～1 m. Soil arsenic content ranged from 1.13 mg·kg-1 to 1 004 mg·kg-1， with an average of 78.5 mg·kg-1. ArcGIS and mathematical statistics were used to analyze the arsenic content in soil at different depths. The results show that the arsenic content in soil decreased from top to bottom. The arsenic content in 0～2 m artificially filled soil was significantly higher， and the maximum value was 1m， while the arsenic content in 3～6 m undisturbed soil was significantly lower. The total exceedance rate of the arsenic samples was 20.9%， and the exceedance rates at 0～6 m were 51.92%， 30%， 14.81%， 6.67%， 10.53%， 0， and 4.76% respectively. The exceedance rates showed a downward trend from top to bottom. Soil pollution was evaluated by soil accumulation index method. 0～1 m was considered as moderate to heavy pollution， 2 m as moderate pollution， 3 m as light pollution， and 4～6 m as no pollution.

Keywords： contaminated land; soil; Arsenic; vertical distribution; pollution assessment; ground accumulation index method

土壤污染是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問題（周友亞等，2015），化石能源、農(nóng)藥化肥的大量使用以及工業(yè)“三廢”都會使重金屬向土壤中擴(kuò)散從而導(dǎo)致土壤受到污染（李小平等，2018；孫小華，2021）。重金屬污染多分布于工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)以及礦區(qū)（徐啟勝等，2018），通常，工業(yè)園區(qū)塵土中的重金屬含量遠(yuǎn)高于礦區(qū)、居民區(qū)、農(nóng)場等區(qū)域（李春輝等，2017）。

重金屬難以被生物降解，可在各環(huán)境介質(zhì)中擴(kuò)散遷移（許飄，2016）。有案例表明，土壤As含量隨城市GDP的上升呈對數(shù)增長模式（余斐等，2022），城市土壤As元素主要與燃煤以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)（喬俊等，2010）。砷對人體有害，其化合物三氧化二砷被稱為砒霜，具有劇毒性、持久性、累積性，目前砷污染會通過植物重新進(jìn)入?yún)^(qū)域食物鏈（趙燁等，2008），故砷元素在土壤環(huán)境調(diào)查中常被重點(diǎn)關(guān)注。砷的來源主要有地質(zhì)成因與人類活動排放兩種，人類活動排放主要包括化石燃料燃燒和含砷農(nóng)藥、化肥的使用等。

目前有關(guān)化工廠土壤砷污染的研究，多數(shù)為表層土壤砷分布狀況（劉孟曉，2022）以及土壤砷背景值的研究，來源分析關(guān)注點(diǎn)多集中于化工廠的生產(chǎn)過程或者原料、產(chǎn)品運(yùn)輸過程中遺撒等造成的土壤污染，而對于地表已經(jīng)完成硬化防滲的倉儲區(qū)，或者生活區(qū)中的灌木農(nóng)林用地中的外來人工填土中混有顏色明顯異常的外來物質(zhì)攜帶的污染物關(guān)注較少。有研究顯示，雜填土中的活動態(tài)As含量百分比大于粉黏土、粉細(xì)砂，重金屬含量為雜填土＞粉黏土＞粉細(xì)砂≈砂礫石層（項(xiàng)廣鑫等，2015）。本文以某典型地塊為研究對象，通過采集不同深度的土壤樣品，分析土壤砷含量與深度、地層巖性的對應(yīng)關(guān)系，以期為相關(guān)部門開展環(huán)境評價(jià)和治理提供參考依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)重金屬砷污染主要聚集于土壤淺表層（0～2 m），且在地層巖性為顆粒細(xì)密的黏性土層下，重金屬含量明顯降低，可能是由于黏性土對重金屬的阻隔吸附造成的。

1? 材料與方法

1.1? 污染地塊概況

某典型地塊面積約73 484 m2，建廠歷史約20年，查閱歷史遙感影像可知，其北側(cè)、西側(cè)、東側(cè)院墻外在2013年以前為農(nóng)田（圖1-a），2013年地塊東北角為廢品回收站（圖1-b），2014年開始出現(xiàn)外來人工堆土，該堆土為雜填土，渣土、建筑垃圾等，南部200 m為村莊（圖1-c），2019年地塊北側(cè)、西側(cè)人工堆土上有樹木種植、東側(cè)堆土覆蓋工程綠網(wǎng)（圖1-d）。地塊內(nèi)分為生活區(qū)、倉儲區(qū)、生產(chǎn)區(qū)，其中生活區(qū)有辦公樓、車庫、職工食堂、籃球場、水塔等設(shè)施以及部分灌木林地，地表除灌木林地外均已硬化；倉儲區(qū)、生產(chǎn)區(qū)地表均使用水泥做防滲處理，但局部水泥面有破損和裂縫，生產(chǎn)區(qū)可見露天污水處理池。該廠早期為養(yǎng)豬場，后變?yōu)榛蕪S，主要生產(chǎn)復(fù)合肥、混合肥、氮肥等，主要的生產(chǎn)原料是磷酸銨、硝酸銨、氯化銨、氯化鉀、青海鉀、普鈣等。

1.2? 地層巖性及水文地質(zhì)條件

地塊位于永定河、潮白河沖洪積平原，地層為第四系新近沉積層。表層大部分為5～10 cm的水泥硬化地面，下部依次為人工填土及原狀土（圖2），地層剖面線位置見圖1-d。其中：人工填土顏色為黃褐色—雜色，多數(shù)含磚塊、碎石、煤渣、水泥塊等，植物根系較少，稍密，稍濕；原狀土巖性主要為砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂等，顏色以灰色、灰黑色、黃褐色為主，密實(shí)，濕。地層巖性概化分層如下：0～2 m為外來人工填土層，2～3 m存在一層粉質(zhì)黏土層，局部有缺失，夾細(xì)砂、粉砂透鏡體，3～6 m為粉細(xì)砂層夾粉土。土壤包氣帶2～3 m的黏性土層對于污染物的垂向運(yùn)移有一定的吸附阻隔作用。

該區(qū)淺層地下水埋深為5～8 m，地下水流向自東向西。地塊地下水等水位線圖見圖3。

生產(chǎn)區(qū)：1-1復(fù)合肥生產(chǎn)車間，1-2氮肥生產(chǎn)車間（含鍋爐房），1-3花肥、菜肥分裝車間；倉庫區(qū)：2-1 1號倉庫，2-22號倉庫，2-3 3號倉庫，2-4 肥料倉庫；生活區(qū)：3-1 辦公樓，3-2 員工宿舍、籃球場，3-3食堂、小花園，3-4 私人車庫，4-1 水塔，4-2 鍋爐房原經(jīng)貿(mào)公司地塊，5-1 生產(chǎn)車間，5-2 倉庫，5-3 辦公樓。

1.3? 采樣點(diǎn)布設(shè)

依據(jù)HJ 25.1―2019《建設(shè)場地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》，對于污染分布不明確的地塊采取系統(tǒng)布點(diǎn)，全面與重點(diǎn)結(jié)合、深與淺結(jié)合的原則（劉清俊等，2022），平面上布點(diǎn)間距為50 m × 50 m，共布設(shè)76個(gè)點(diǎn)。結(jié)合場地內(nèi)現(xiàn)場情況及遺留未拆除廠房及是否具有施工條件綜合考慮點(diǎn)位。依據(jù)以上導(dǎo)則要求的0.5～2 m等間距設(shè)置采樣位置，確定垂向上采樣間距為1 m，采樣深度分別為0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。

1.4? 土壤樣品采集及設(shè)備

在清理地表雜物并去除表層硬化后，使用美國Geoprobe鉆機(jī)分別鉆進(jìn)到0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m深度，提鉆后取出取樣內(nèi)管，剖開內(nèi)管取出相應(yīng)深度的原位原狀土壤樣品，使用木鏟取采樣管內(nèi)的土壤樣品約500 g，裝在自封袋中，及時(shí)送實(shí)驗(yàn)室檢測分析。結(jié)合鉆井勘探數(shù)據(jù)，在地層巖性、含水率、顏色等要素發(fā)生明顯變化的層位頂端取樣并做好現(xiàn)場記錄，尤其在地層巖性由非黏性土向黏性土變層處需要格外注意。

采樣設(shè)備為美國Geoprobe-7822DT直推式土壤取樣鉆機(jī)（張建杰等，2023），該鉆機(jī)有內(nèi)外兩層套管，其中內(nèi)管為取樣管，外管為鉆進(jìn)護(hù)管，在液壓助力下將取樣管推入地層（彭新明等，2020），使樣品貫入取樣管內(nèi)，非常適合不含大塊卵礫石的平原區(qū)粉土、黏土地層土壤采樣。其取樣內(nèi)管材質(zhì)為特氟龍（聚四氟乙烯），具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在與樣品接觸的過程中不會對樣品造成二次污染，而且由于其密封性良好，也不會造成采集的樣品中揮發(fā)性污染物的擴(kuò)散，保證了所取樣品為地下原位原狀土壤樣品，使采集樣品更貼近真實(shí)污染狀況。鉆機(jī)情況見圖4。

土壤中砷的檢測方法為原子熒光法（HJ 680―2013），檢出限為0.01 mg·kg-1。設(shè)置空白樣、平行樣、密碼樣控制檢測質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來源于國家CMA（中國計(jì)量認(rèn)證）認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室出具的正式測試報(bào)告。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 地塊土壤砷總體分布

1）平面分布

使用ArcGIS反距離插值法繪制地塊不同深度（地表，1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m）的土壤砷（As）平面分布圖，統(tǒng)計(jì)不同深度的土壤砷分布范圍及污染情況，發(fā)現(xiàn)平面上砷污染點(diǎn)位在生產(chǎn)區(qū)、倉儲區(qū)、生活區(qū)均有分布。由圖5可知：除5 m處沒有超標(biāo)點(diǎn)外，0～6 m土壤砷均有超標(biāo)點(diǎn)，但是主要的超標(biāo)點(diǎn)位集中分布在0～1 m，5～6 m砷無超標(biāo)點(diǎn)位；最大值出現(xiàn)在1 m處的，屬于生產(chǎn)區(qū)；地表處的超標(biāo)點(diǎn)主要位于地塊的東部、北部及西部，屬于地塊的倉儲區(qū)和生產(chǎn)區(qū)；1 m處超標(biāo)的點(diǎn)位主要位于地塊的中部，屬于地塊的倉儲區(qū)和生活區(qū)，污染面積比地表處明顯減小，2 m處的污染面積比1 m處更小，屬于地塊的倉儲區(qū)和生活區(qū)，總體上由上到下呈現(xiàn)土壤砷濃度和面積均降低的趨勢?，F(xiàn)有研究表明：砷濃度總體上隨深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，農(nóng)田土壤砷垂向分布表明樣區(qū)土壤表層受污染最嚴(yán)重。本次研究結(jié)果與韓小賓（2022）、劉歡（2022）等作者的研究結(jié)論是一致的。

2）垂向分布

垂向上隨著采樣深度的增加砷濃度總體上呈現(xiàn)下降趨勢，高值點(diǎn)在0～2 m深度的回填土層中集中分布，3～6 m深度顯著降低?？赡苁怯捎诘貕K的上層回填土層砷污染較重，結(jié)構(gòu)松散，故上層土層中的砷在雨水淋濾作用下向下遷移，若遇到密實(shí)的巖性為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土的原狀土層，會產(chǎn)生一定的吸附富集，從而滯留在黏性土層中，使黏性土層下部的地層受到較小的污染。

地塊土壤總樣品砷含量平均值為78.5 mg·kg-1，是北京某煤礦區(qū)表層土壤中As平均含量7.39 mg·kg-1（姚世廳等，2016）的10.62倍，說明總體污染較重。以GB 36600―2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中第二類用地篩選值60 mg·kg-1為標(biāo)準(zhǔn)，對225個(gè)土壤砷含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

將樣品按不同采樣深度分層統(tǒng)計(jì)，分析不同深度的樣品砷均值及超標(biāo)率。由表1可知：地表處樣品超標(biāo)率最高，為51.92%；1 m處樣品均值最高，為160 mg·kg-1；各個(gè)深度樣品砷均值由上到下呈現(xiàn)降低趨勢。0～1 m土壤砷超標(biāo)率均高于30%，2～6 m超標(biāo)率均低于15%；隨著采樣深度的增加，各個(gè)深度樣品砷超標(biāo)率總體上由上到下呈現(xiàn)下降趨勢。

繪制采樣點(diǎn)地層剖面圖并在不同層位標(biāo)注砷含量值。由圖6可知：0～2 m多為回填土，回填土層中的砷呈現(xiàn)高異常特征，均值為120.7 mg·kg-1；2～3 m大致存在一層不連續(xù)的黏性土層，砷含量比0～2 m明顯降低，均值為58.95 mg·kg-1；黏性土層的下部3～6 m間，只存在土壤砷高值單點(diǎn)，均值為17.23 mg·kg-1。不同巖性的土壤中砷含量由大到小分別為人工填土>黏性土>砂土。

2.2? 地塊土壤砷來源分析

地塊原為化肥廠，調(diào)查得知，該廠曾生產(chǎn)復(fù)合肥、氮肥、磷肥等。故砷可能是來源于磷肥制造磷礦的尾洗液和煤使用過程中的污廢水等。

地塊土壤砷高值點(diǎn)在生產(chǎn)區(qū)，倉儲區(qū)和生活區(qū)均有分布，主要集中分布在地塊淺層的回填土層中，其中生產(chǎn)區(qū)和倉儲區(qū)的地表均已完成水泥硬化，生活區(qū)中的農(nóng)林區(qū)域地表未硬化。由于硬化地面會一定程度上保護(hù)地下土壤減少生產(chǎn)過程中原料遺撒對地下土壤的污染，故推測在生產(chǎn)區(qū)和倉儲區(qū)已完成硬化的區(qū)域，下部的外來回填土受到污染，一方面是由于地塊生產(chǎn)造成的，另一方面有可能是由于外來回填土本身砷超標(biāo)；而對于生活區(qū)地表未硬化的農(nóng)林用地中的外來填土的土壤砷超標(biāo)現(xiàn)象，推測是由于外來回填土本身砷超標(biāo)導(dǎo)致。具體不同深度的污染狀況及污染物可能來源如下：

地表土壤砷超標(biāo)率為51.92%。最高值位于生產(chǎn)區(qū)（AJ53），巖性為人工填土，該點(diǎn)位東部2 m處有廢水處理池，可能是由于生產(chǎn)過程中的原料遺撒泄露或者廢水的存儲、排放過程中滲漏造成的。

1 m土壤砷超標(biāo)率32%。最高值位于生產(chǎn)區(qū)（AJ53-1），巖性為人工填土，與地表處最高值位置相同，可能是由于上部污染土壤在受雨水淋濾、生產(chǎn)過程遺撒和東部廢水池污染擴(kuò)散等造成的。由于1 m以下地層巖性變?yōu)轲べ|(zhì)粉土，密實(shí)性相對增加，對砷有一定的吸附阻隔作用。有研究表明砷極易吸附在土壤鐵氧化物及黏土等礦物中（楊金素，2022）。

2 m土壤砷超標(biāo)率14%。最高值位于生活區(qū)（AJ14-2）中的農(nóng)林綠地，巖性為回填土，紅褐色，有異味，由于附近未發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施及可能造成污染的疑似污染源，所以推測可能是由于回填土本身砷含量高造成的。

3 m土壤砷超標(biāo)率10%。最高值位于倉儲區(qū)（AJ29-3），其上部地層巖性均為雜填土并含有大量磚塊、煤灰，推測可能是由于回填土本身混有煤灰砷含量高造成的。

4 m土壤砷超標(biāo)率11%。最高值位于生產(chǎn)區(qū)（AJ20-4），巖性為黏質(zhì)粉土，褐黃色，該點(diǎn)位上部雜填土層含紅色磚渣、灰渣、酒紅色灰渣，磚渣主要分布在1.2～1.7 m，可能是由于生產(chǎn)過程中遺撒的原料在雨水淋濾作用下向下遷移后被該處致密黏質(zhì)粉土層阻隔吸附造成的。

5 m土壤砷均不超標(biāo)。

6 m土壤砷超標(biāo)率2%。最高值位于倉儲區(qū)（AJ67-6），巖性為細(xì)砂，褐黃，由于其上部地表雜填土砷含量較高（211.36 mg·kg-1），巖性為粉細(xì)砂，滲透性較好，故可能是由于地表污染土層中的砷隨雨水下滲造成的。

2.3? 土壤砷污染評價(jià)

研究區(qū)各層位土壤重金屬地累積指數(shù)（Igeo）計(jì)算公式為（黃勇等，2022）：

Igeo=log_2? C_n/（K×B_n ）

式中：Cn 為重金屬 n 的實(shí)測值；Bn 為重金屬n 的背景值（以GB 36600―2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中的第一類用地砷篩選值20 mg·kg-1作為背景值Bn）；K為去除沉積物不同地區(qū)間的背景值差別而選取的轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般情況下 K=1.5。

當(dāng)Igeo≤0為無污染；當(dāng)0＜Igeo≤1為輕微污染；1＜Igeo≤2為中污染；2＜Igeo≤3為中強(qiáng)污染；3＜Igeo≤4為強(qiáng)污染；4＜Igeo≤5為較強(qiáng)污染；Igeo＞5 為極強(qiáng)污染。

以各個(gè)采樣深度的樣品平均砷含量作為重金屬的實(shí)測含量Cn（表2），使用地累積法對土壤砷污染情況開展評價(jià)。結(jié)果表明，0～1 m的Igeo平均值為2～3，為中強(qiáng)污染；2 m的Igeo平均值為1.31，介于1至2之間，為中污染；3 m的Igeo平均值為0.97，介于0至1之間，為輕微污染，4～6 m的Igeo平均值都小于0，為無污染。見圖7。

3? 結(jié)論與建議

3.1? 結(jié)論

1）某典型污染地塊土壤砷含量自上而下呈下降趨勢，0～2 m人工填土中的砷明顯偏高，最大值位于1 m處，3～6 m原狀土中的砷顯著降低，最小值位于5 m處，且污染點(diǎn)地層巖性大多為外來人工回填土。

2）樣品砷總超標(biāo)率為20.9%，地表、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m土壤砷含量的超標(biāo)率分別為52%、32%、14%、10%、11%、0、2%，超標(biāo)率自上而下呈下降趨勢。

3）3～6 m土壤砷含量顯著降低，在3 m左右存在的原狀黏性土層吸附阻隔砷向下遷移。

4）生活區(qū)土壤砷污染可能是外來人工填土本身污染導(dǎo)致；而地表已經(jīng)完成硬化的區(qū)域污染來源可能是地表硬化前的生產(chǎn)污染和外來填土本身的污染共同導(dǎo)致。

5）采用地累積指數(shù)法評價(jià)土壤重金屬污染狀況，0～1 m深度為中強(qiáng)污染，2 m深度為中污染，3 m深度為輕微污染，4～6 m深度為無污染。

3.2? 建議

1）加大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步模擬重金屬垂向分布與地層巖性的關(guān)系。

2）對于表層有硬化的地塊，除考慮其生產(chǎn)過程中跑冒滴漏排等因素造成的污染外，還應(yīng)該結(jié)合地塊歷史，明確地塊內(nèi)土層是否為原狀土，若非原狀土，則還應(yīng)該考慮外來填土本身的污染狀況。

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收稿日期：2022-11-07；修回日期：2023-02-21

第一作者簡介：白江偉（1991- ），男，碩士，工程師，主要從事水土環(huán)境調(diào)查及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。E-mail：1213702140@qq.com

引用格式：白江偉，劉清俊，賀瑾瑞，劉芬芬，張羽，顧海波，羅伊，王天宇，賈唯遠(yuǎn)，2023.某典型污染地塊土壤砷垂向分布及評價(jià)［J］.城市地質(zhì)，18（3）：37-45