劉萬(wàn)亮，胡元平，丁余輝，朱晛亭，李定遠(yuǎn)，劉 力，翁茂芝，羅 華*

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034; 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034;3.湖北省自然資源廳，湖北 武漢 430071)

土壤是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵對(duì)象[1]。隨著工農(nóng)業(yè)及城市化的快速發(fā)展，各類(lèi)污染物被排入土壤，造成一系列土壤污染問(wèn)題。已有研究表明，長(zhǎng)江沿線工業(yè)區(qū)、礦區(qū)、農(nóng)用地的土壤中普遍存在As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬污染[2-4]。重金屬污染具有難降解、長(zhǎng)期性、隱蔽性、滯后性等特點(diǎn)[5-6]，已經(jīng)成為全球許多國(guó)家面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一[7-10]，尤其是工業(yè)園區(qū)的重金屬污染問(wèn)題更加受到人們關(guān)注。前人圍繞長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶典型工業(yè)園區(qū)的重金屬污染問(wèn)題開(kāi)展了許多研究工作，主要涉及重金屬分布特征、形態(tài)、來(lái)源、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、污染防治等，例如劉朋超等[11]綜述了長(zhǎng)江流域重金屬污染主要來(lái)源及分布特征；龔關(guān)等[12]探討了湖北省境內(nèi)長(zhǎng)江沿線典型工業(yè)區(qū)土壤重金屬形態(tài)及分布特征；何軍等[13]以長(zhǎng)江北岸長(zhǎng)江新區(qū)為研究區(qū)，分析了該區(qū)表層土壤重金屬污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；朱柳琴等[14]以長(zhǎng)江南岸黃石段為研究區(qū)，研究了該區(qū)表層土壤重金屬分布特征及環(huán)境質(zhì)量情況。

某工業(yè)園區(qū)位于長(zhǎng)江中游沿岸帶，是華中地區(qū)重要的以化工企業(yè)為代表的工業(yè)園區(qū)[15]。隨著長(zhǎng)年的發(fā)展，重金屬已成為該園區(qū)土壤中常見(jiàn)的污染指標(biāo)。按照“共抓長(zhǎng)江大保護(hù)”要求，當(dāng)前亟需查清該園區(qū)重金屬污染狀況，以便精準(zhǔn)有效地開(kāi)展污染防治，但目前尚未針對(duì)該園區(qū)開(kāi)展重金屬污染調(diào)查等工作。本文依托湖北省自然資源廳組織實(shí)施的某長(zhǎng)江沿岸帶水土質(zhì)量調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目，以某工業(yè)園區(qū)土壤(深度0～2.0 m)為研究對(duì)象，通過(guò)分析測(cè)定不同深度土壤的重金屬含量，查明土壤重金屬分布現(xiàn)狀和污染程度，并簡(jiǎn)要探討重金屬來(lái)源及遷移規(guī)律，可為長(zhǎng)江沿岸帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于某沿江城市的長(zhǎng)江北岸沿岸帶，面積為26.21 km2。該區(qū)地處黃陵山地與江漢平原接壤的丘陵地帶，地貌類(lèi)型包括低山、丘陵、崗狀平原。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，構(gòu)造形跡多被掩蓋，沿江一帶廣泛發(fā)育厚約30～50 m的第四系河湖相松散堆積物，丘陵、低山地帶多出露白堊系、古近系—新近系紅層[16]。長(zhǎng)江為最大過(guò)境客水，自西北向東南流經(jīng)研究區(qū)西南部，岸線長(zhǎng)約22 km。研究區(qū)受亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候影響，年平均氣溫17.7℃，年降水量1 102.5 mm。區(qū)內(nèi)用地類(lèi)型主要為建設(shè)用地、農(nóng)用地和其他用地，面積分別為19.30、6.19和0.72 km2。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

在研究區(qū)共采集土壤樣298件，其中表層樣259件、深層樣39件。樣品主要采集于工場(chǎng)地和農(nóng)用地區(qū)塊，采集時(shí)間避開(kāi)雨季，采集部位避開(kāi)溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、人工堆土、糞堆及微地形高低不平處等無(wú)代表性地段。采樣深度分為表層0～0.2 m和深層0.2～2.0 m，其中表層樣取樣深度為0.2 m,由2～4個(gè)子樣等量混合組成；深層樣利用淺井工程施工采集，每個(gè)淺井中采集1件表層樣(取樣深度為0.2 m)和3件深層樣(取樣深度分別為0.5、1.0、1.5 m)。采樣結(jié)果顯示，工場(chǎng)地和農(nóng)用地兩個(gè)區(qū)塊的采樣密度分別為15～30樣/km2和5～15樣/km2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。將野外采集的樣品風(fēng)干后充分混合，采用四分法等量混合為1件樣品，樣重>2 kg，然后用木棍碾壓后過(guò)20目篩保存，送實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)。

2.2 樣品測(cè)試分析

樣品測(cè)試由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心(國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心)完成，分析項(xiàng)目包括As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn。樣品經(jīng)王水消解后，采用原子熒光光譜法(AFS)測(cè)定As、Hg。樣品經(jīng)氫氟酸、鹽酸、硝酸和高氯酸消解后，采用X射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定Cr，采用電感耦合等離子體全譜直讀發(fā)射光譜法(ICP-OES)測(cè)定Ni，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定Cd、Cu、Pb、Zn。分析過(guò)程中采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制準(zhǔn)確度，采用土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控精密度，各元素合格率均為100%。上述樣品測(cè)試要求參照《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》(GB/T 22105—2008)[17-19]、《土壤和沉積物12種金屬元素的測(cè)定 王水提取—電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)[20]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

圖1 土壤樣品點(diǎn)位圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

3 結(jié)果與討論

3.1 水平分布特征

3.1.1總體分布特征

由259件表層樣檢測(cè)結(jié)果(表1)可知，研究區(qū)表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分別為3.36～61.2、0.01～1.14、11.6～460、4.35～57.6、0.03～1.58、6.29～156、11.6～183、19.6～775 μg/g，平均值分別為13.37、0.09、72.24、30.37、0.22、32.79、29.99、93.92 μg/g。與中國(guó)土壤(A層)背景值[23]相比，研究區(qū)表層土壤重金屬平均值均大于中國(guó)土壤(A層)背景值，表明研究區(qū)重金屬均出現(xiàn)富集現(xiàn)象，其中Cd明顯富集，其他重金屬較富集。

按照2.3節(jié)數(shù)據(jù)處理方法，求得研究區(qū)表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn的背景值分別為10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g，平均富集系數(shù)分別為1.26、1.50、0.99、1.02、0.88、1.09、1.10、1.14，表明研究區(qū)內(nèi)土壤中As、Hg較富集，其他重金屬與背景值相差不大。

工場(chǎng)地、農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地的重金屬含量有一定差距，但平均值差別不大(表1)。在工場(chǎng)地內(nèi)采集表層樣202件，其中高異常(K≥2.00)樣品有75件，占比37.1%；達(dá)到污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別(超過(guò)一類(lèi)建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值)的樣品有2件，占比1.0%，主要表現(xiàn)為Hg、Cd、Pb、Zn污染。在農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地中采集表層樣57件，其中高異常樣品有21件，占比36.8%；達(dá)到污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的樣品有14件，占比24.6%，主要表現(xiàn)為As、Hg、Cd、Pb污染。

表1 表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

3.1.2剖面分布特征

(1)剖面PM1。該剖面呈NE向展布，主要穿越工場(chǎng)地，土壤類(lèi)型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質(zhì)為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣18件，重金屬含量見(jiàn)表2。該剖面土壤中重金屬富集系數(shù)為0.20～5.77，主要集中于0.50～1.50，其中As、Cr、Ni較富集，平均富集系數(shù)為1.07～1.49；Cd、Hg、Zn較貧化，平均富集系數(shù)為0.74～0.93；Cu、Pb與背景值接近。在所有重金屬中，以As最為富集，其平均富集系數(shù)為1.49；以Cd最為貧化，平均富集系數(shù)僅為0.74。PM1表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖(圖2)顯示，除了As以外，其他重金屬富集系數(shù)變化較穩(wěn)定，在距離長(zhǎng)江岸線2.4～2.8 km處，樣品PM1-12—PM1-14具有明顯的As高值異常，其富集系數(shù)為1.96～5.77，調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些樣品采自工廠及道路附近的人工草坪地內(nèi)，As異?？赡芘c外來(lái)覆土本身含砷有關(guān)。此外，由圖2可以看出，在距離長(zhǎng)江岸線0.2 km處，樣品PM1-1中所有重金屬均表現(xiàn)為明顯富集，除了As以外(K=1.17)，其他重金屬的富集系數(shù)均為所有樣品的最高值(K=1.34～3.60)；樣品PM1-1平均富集系數(shù)為2.07，明顯高于其他樣品，這說(shuō)明該剖面上重金屬具有向長(zhǎng)江遷移、匯聚的特點(diǎn)。

表2 PM1表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

圖2 PM1表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖

(2)剖面PM2。該剖面NE向展布，主要穿越工場(chǎng)地、空閑地、居民生活區(qū)及少量城市綠化用地，土壤類(lèi)型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質(zhì)為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣12件，重金屬含量見(jiàn)表3。該剖面土壤中重金屬富集系數(shù)為0.10～1.53，主要集中于0.70～1.25，其中Zn、As略富集，平均富集系數(shù)為1.08～1.11；Cd、Hg、Pb較貧化，平均富集系數(shù)為0.76～0.91；Cr、Ni、Cu與背景值接近。PM2表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖(圖3)顯示，在距長(zhǎng)江岸線1.0 km處，樣品PM2-5具有顯著的Zn高值異常，其富集系數(shù)為2.60，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該樣品位于工廠及道路附近的荒地內(nèi)，Zn異?？赡芘c后期填土等外源污染有關(guān)。此外，距離長(zhǎng)江岸線由遠(yuǎn)及近，樣品平均富集系數(shù)總體表現(xiàn)為升高趨勢(shì)(表3)，亦表現(xiàn)出重金屬向長(zhǎng)江遷移、匯聚的特點(diǎn)。

圖3 PM2表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖

表3 PM2表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

(3)剖面PM3。該剖面順長(zhǎng)江岸線呈NW向展布，距長(zhǎng)江岸線<0.4 km，主要穿越工場(chǎng)地、荒地、林草地等，土壤類(lèi)型以潮土為主，顏色多呈灰黃色、灰褐色，成土母質(zhì)為河流相沖積物。該剖面上采集表層樣22件，重金屬含量見(jiàn)表4。該剖面土壤中重金屬富集系數(shù)為0.32～5.83，主要集中于0.80～2.50，除了As、Cr、Ni含量與背景值差距不大外，其他重金屬均表現(xiàn)為較富集，平均富集系數(shù)為1.14～1.80，說(shuō)明靠近長(zhǎng)江岸線地段普遍存在重金屬富集現(xiàn)象。按照用地類(lèi)型來(lái)劃分，工場(chǎng)地表層樣的平均富集系數(shù)為0.88～2.07，農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地為0.60～1.23，說(shuō)明工場(chǎng)地重金屬污染程度高于農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地。PM3表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖(圖4)顯示，在距長(zhǎng)江岸線0.4 km范圍內(nèi)，表層土壤重金屬富集系數(shù)變異性強(qiáng)烈，總體表現(xiàn)為重金屬富集狀態(tài)；重金屬富集程度的高低與用地類(lèi)型有關(guān)，富集系數(shù)高值區(qū)大多數(shù)位于工場(chǎng)地，少量位于農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地；各重金屬中，尤以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu明顯富集，表明研究區(qū)以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu污染為主。

圖4 PM3表層土壤重金屬富集系數(shù)曲線圖

表4 PM3表層土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

3.2 垂向分布特征

前文分析表明，表層土壤中重金屬趨于向長(zhǎng)江岸線方向富集，而且工場(chǎng)地重金屬污染程度更高，因此在距長(zhǎng)江岸線0.4 km范圍內(nèi)選擇工場(chǎng)地的淺井QJ1和QJ2，探討土壤中的重金屬垂向分布特征。在每個(gè)淺井中采集4件土壤樣，采樣深度分別為0.2、0.5、1.0、1.5 m，重金屬含量見(jiàn)表5，重金屬含量隨深度變化情況見(jiàn)圖5。QJ1和QJ2具有相似的重金屬垂向分布特征，各重金屬的平均富集系數(shù)為1.13～3.89，富集程度由高到低為Cd>Hg>Cu>Pb>Zn>Ni>Cr>As，其中Cd、Hg、Cu、Pb、Zn顯著富集(K=1.87～3.89)，Ni、Cr、As較富集(K=1.13～1.49)。土壤中重金屬含量在深度上變化幅度不大，As、Hg、Ni含量幾乎保持不變；Cr、Cd、Cu、Pb、Zn含量先增大后減小，在0.5～1.0 m深度范圍更加富集，在1.5 m深度處減小到與表層土壤(0.2 m)相當(dāng)?shù)乃?。以上說(shuō)明工場(chǎng)地土壤以遭受Cd、Hg、Cu、Pb、Zn污染為主，重金屬有向下遷移的累積效應(yīng)，總體在0.5～1.0 m深度范圍更富集。

表5 代表性淺井土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)表

圖5 代表性淺井土壤重金屬含量曲線圖

3.3 污染成因分析

(1)重金屬污染源渠道多樣。前文研究發(fā)現(xiàn)工場(chǎng)地污染程度明顯高于農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地，暗示工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物是土壤重金屬污染的主要來(lái)源，其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活中產(chǎn)生的污染物。研究區(qū)屬于長(zhǎng)江沿線新興工業(yè)區(qū)，主要分布有化肥、化工原料、油漆、橡膠等化工企業(yè)及混凝土、礦產(chǎn)加工等其他企業(yè)，在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣等工業(yè)“三廢”，若污染物未達(dá)標(biāo)排放，必然帶來(lái)土壤重金屬污染。同時(shí)，研究區(qū)東部丘陵區(qū)分布有大量農(nóng)田，以旱地種植業(yè)為主，農(nóng)藥、化肥的使用較為普遍，易于產(chǎn)生重金屬殘留，這是造成研究區(qū)農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地中部分點(diǎn)位重金屬含量超標(biāo)的重要原因。

(2)污染物遷移路徑暢通。研究區(qū)上部地層結(jié)構(gòu)為第四系下更新統(tǒng)云池組+白堊系—新近系紅層或第四系全新統(tǒng)孫家河組+第四系下更新統(tǒng)云池組+白堊系—新近系紅層，其中云池組由粉細(xì)砂層和礫石層構(gòu)成，巖石孔隙大，有利于發(fā)生水力聯(lián)系。研究區(qū)地下水類(lèi)型主要為潛水，受大氣降水補(bǔ)給，與長(zhǎng)江水體交換頻繁，使重金屬污染物更易向長(zhǎng)江方向遷移，這是造成長(zhǎng)江岸線附近重金屬富集的主要原因之一。

(3)地表徑流系統(tǒng)被破壞。研究區(qū)建筑物集中，地面固化程度高，地表徑流通道不暢，雨季時(shí)大量雨水就地或就近下滲，其所攜帶的污染物因無(wú)法及時(shí)向外排泄而逐漸下滲、積累，形成局部富集現(xiàn)象，這是近岸土壤0.5～1.0 m深度范圍內(nèi)重金屬含量更高的原因之一。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)259件表層樣檢測(cè)結(jié)果顯示，表層土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分別為3.36～61.2、0.01～1.14、11.6～460、4.35～57.6、0.03～1.58、6.29～156、11.6～183、19.6～775 μg/g，背景值分別為10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g。

(2)研究區(qū)現(xiàn)階段土壤重金屬污染程度相對(duì)較輕，但已出現(xiàn)局部顯著污染，超標(biāo)重金屬主要為Hg、Cd、Pb、Zn、Cu；工場(chǎng)地重金屬污染程度高于農(nóng)用地與其他類(lèi)型用地；在水平方向上，表層土壤重金屬有向長(zhǎng)江遷移、匯聚的趨勢(shì)，大致距長(zhǎng)江岸線0.4 km范圍內(nèi)污染程度更高；在垂向上，土壤中大部分重金屬有向下遷移、累積趨勢(shì)，在地表以下0.5～1.0 m深度范圍內(nèi)更趨于富集。

(3)研究區(qū)污染源主要為工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬污染物，其遷移規(guī)律與區(qū)內(nèi)地層巖性和地下水環(huán)境密切相關(guān)。