典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤垂直剖面重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:作者介紹

徐志豪1, 吳 健2, 王 敏2, 黃宇馳2, 鄢忠純2, 吳建強(qiáng)2, 黃沈發(fā)2

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院, )

摘 要：[目的] 揭示典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地中重金屬元素污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為此類工業(yè)復(fù)墾場(chǎng)地管理和治理提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 分析上海市33塊典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地表層、中層和深層土壤中8項(xiàng)重金屬(砷、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、鋅、汞)的含量，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬污染進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。[結(jié)果] ① 復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤中重金屬整體風(fēng)險(xiǎn)可控，17個(gè)點(diǎn)位重金屬含量超過風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其中以表層土壤中Cu和Zn污染最為突出，最大超標(biāo)倍數(shù)分別為3.24，3.73倍。下層土壤中重金屬平均含量均低于上海市土壤背景值，部分點(diǎn)位存在一定的重金屬累積；② 復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地表層、中層和深層土壤重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分別為1.21，0.78，0.73，分別處于輕度污染、尚清潔和尚清潔水平，其中表層Cd和Zn污染最為突出；③ 除表層土壤Hg(中度)和Cd(中度)外，其余重金屬元素均存在輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，表層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)為107.22，總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)接近中等水平，中層及深層土壤處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。[結(jié)論] 復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬存在一定程度的累積性污染，其中Cu，Cd，Hg和Zn污染較為突出，考慮到毒性響應(yīng)因素，則Hg和Cd更應(yīng)引起關(guān)注。

關(guān)鍵詞：復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地; 土壤垂直剖面; 重金屬; 內(nèi)梅羅; 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

土壤是水體、大氣及各類營(yíng)養(yǎng)元素和化學(xué)物質(zhì)的過濾器和緩沖器，也為人類提供了生存發(fā)展所需的物質(zhì)基礎(chǔ)。在工業(yè)化高速發(fā)展的進(jìn)程中，各類污染物不斷在土壤中積累，導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量急劇下降，其中重金屬污染因其生物積累性和毒性危害而備受關(guān)注。上海市作為全國(guó)老工業(yè)基地之一，工業(yè)發(fā)達(dá)，隨著城市化的快速推進(jìn)，土地資源日趨緊張，為緩解人地矛盾，大量工業(yè)企業(yè)關(guān)停并轉(zhuǎn)，尤其是近年來低效工業(yè)用地復(fù)墾還耕力度加大，亟需掌握這些工業(yè)遺留場(chǎng)地的污染狀況，探明場(chǎng)地土壤重金屬污染特征，以保障人居環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品安全。目前，對(duì)復(fù)墾場(chǎng)地土壤重金屬污染的研究主要集中于礦區(qū)周圍，而針對(duì)城市復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地的研究相對(duì)缺乏。不同于礦山復(fù)墾土地，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)的地下儲(chǔ)罐、原輔料輸送管線的“跑冒滴漏”均可能會(huì)對(duì)場(chǎng)地深層土壤乃至地下水造成污染。而場(chǎng)地復(fù)墾過程對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)也易使下層土壤外露，進(jìn)而對(duì)外界產(chǎn)生潛在危害和影響。因此，本研究利用上海市近年來推進(jìn)低效工業(yè)場(chǎng)地復(fù)墾還耕的契機(jī)，選擇典型行業(yè)的33塊復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地進(jìn)行土壤分層采樣檢測(cè)，分析其重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為此類工業(yè)復(fù)墾場(chǎng)地管理和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集、處理與測(cè)定

選擇上海市33塊典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地，行業(yè)類型主要涉及金屬制品、機(jī)械加工、化工等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及行業(yè)污染特征，結(jié)合原企業(yè)生產(chǎn)工藝流程，在場(chǎng)地內(nèi)識(shí)別其生產(chǎn)車間、貯存區(qū)、廢物處置區(qū)等潛在污染區(qū)域，每個(gè)場(chǎng)地設(shè)置3～4個(gè)采樣點(diǎn)，采用梅花布點(diǎn)法使用螺旋鉆機(jī)采集各采樣點(diǎn)表層(0～0.5 m)、中層(地下水水位以上，1～3 m)及深層(地下水水位以下，3～6 m)土壤混合樣品各500 g左右，裝入采樣瓶封裝。在實(shí)驗(yàn)室室溫自然風(fēng)干樣品，揀出枯枝落葉、磚瓦塊和垃圾等侵入體，然后將樣品碾碎，全部通過2 mm尼龍篩并充分混合，用瑪瑙研缽進(jìn)一步研磨，使之全部通過0.149 mm尼龍篩備用。土壤樣品經(jīng)鹽酸—硝酸—?dú)浞帷呗人嵯夂?，采用USEPA6010C-2007方法，利用2100DV等離子發(fā)射光譜儀對(duì)As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn進(jìn)行檢測(cè)；經(jīng)硫酸—硝酸—高錳酸鉀消解后，采用《GB/T17136-1997》方法，使用NICMA-3000測(cè)汞儀對(duì)Hg進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)定過程中，隨機(jī)選取10%土壤樣品做平行樣，與樣品測(cè)試結(jié)果偏差在20%以內(nèi)，符合質(zhì)控要求。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是國(guó)內(nèi)外普遍采用的土壤重金屬綜合評(píng)價(jià)方法之一，不僅能反映不同污染物對(duì)環(huán)境的綜合污染狀況，還考慮了高含量污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響。其計(jì)算公式為：

式中：Ci——重金屬i的實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；Si——重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)，本文采用上海市土壤環(huán)境背景值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；Pi——重金屬i的單污染指數(shù)；Pimax，Piave——重金屬單污染指數(shù)的最大值和平均值；PN——內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法(PN)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：PN≤0.7，清潔；0.7<PN≤1.0，尚清潔；1.0<PN≤2.0，輕度污染；2.0<PN≤3.0，中度污染；PN>3.0，重度污染。

1.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法側(cè)重于多元素間的協(xié)同作用，并綜合考慮了重金屬的生態(tài)效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)，是綜合反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境潛在影響的指標(biāo)，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。

式中：Ci——重金屬i的實(shí)測(cè)含量；重金屬i的背景值；重金屬i的污染系數(shù)；重金屬i的毒性響應(yīng)系數(shù)；重金屬i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；RI——潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。各重金屬毒性系數(shù)由大到小依次為：Hg(40)>Cd(30)>As(10)>Cu=Ni=Pb(5)>Cr(2)>Zn(1)。Hakanson將PCB及As，Cd，Cr，Cu，Pb，Zn和Hg共8項(xiàng)污染物的毒性系數(shù)之和(133)以一定比例放大后得到潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)一級(jí)閾值(150)，隨后各級(jí)逐級(jí)擴(kuò)大2倍?；谏鲜龇旨?jí)方法，結(jié)合本研究實(shí)際監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整(表1)。

表1 修正后的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤剖面重金屬含量分布特征

如表2所示，8項(xiàng)重金屬在復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地各點(diǎn)位土壤垂直剖面樣品中有不同程度檢出。表層土壤中，重金屬Cd，Cu，Pb和Zn平均含量均高于上海市土壤背景值，分別為背景值的1.4，1.2，1.1和1.3倍，接近于上海市農(nóng)田、綠地土壤重金屬平均含量，但低于上海市工業(yè)區(qū)土壤重金屬含量。下層(中層和深層)土壤中重金屬平均含量均低于上海市土壤背景值，部分點(diǎn)位存在一定的重金屬累積。各層土壤中重金屬含量檢出含量總體表現(xiàn)為：表層>中層>深層，其中表層和下層土壤中Cr，Cu，Ni和As含量無顯著性差異(p>0.05)；表層和下層土壤中Zn，Hg以及各層土壤間Cd，Pb含量差異顯著，表明場(chǎng)地土壤已受到明顯Zn，Hg，Cd，Pb污染，其中Zn，Hg污染主要在表層富集(p<0.05)。

表2 復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)mg/kg

注：樣本數(shù)n=100；ND表示未檢出。

對(duì)比《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)》，8項(xiàng)重金屬平均含量均低于風(fēng)險(xiǎn)篩選值。如圖1所示，17個(gè)點(diǎn)位土壤重金屬As，Cd，Cr，Cu，Pb和Zn含量介于篩選值和管制值之間，其中以Cu和Zn超標(biāo)較為嚴(yán)重，最大檢出含量分別為風(fēng)險(xiǎn)篩選值的4.24，4.73倍。各重金屬點(diǎn)位超篩選值比例≤5%，超篩選值樣品主要位于土壤表層，各有1個(gè)點(diǎn)位中層土壤檢出As和Cd含量高于篩選值，占比為1%。

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(1)—(2)，計(jì)算典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤垂直剖面重金屬單因子指數(shù)Pi和綜合污染指數(shù)PN，結(jié)果分別如表3和圖2所示。從單因子指數(shù)Pi來看，復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地表層土壤Cd，Cu，Pb，Zn和Hg總體處于輕度污染水平，個(gè)別點(diǎn)位Cd，Cu，Zn和Hg達(dá)到中度污染水平，占比分別為6%，8%，8%和7%，其中Cd污染程度最大，8個(gè)點(diǎn)位達(dá)到重度污染水平；下層土壤中各重金屬Pi值有不同程度降低，Pi平均值均位于警戒線以下，呈尚清潔水平。從綜合污染指數(shù)PN來看，表層土壤總體處于輕度污染水平，個(gè)別點(diǎn)位污染水平較高，中度和重度污染比例分別為16%和12%，中層和深層土壤重度污染比例分別為1%和2%。

圖1 土壤剖面重金屬點(diǎn)位超標(biāo)情況

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 土壤重金屬單因子指數(shù)分布

對(duì)比相關(guān)研究，天津大港工業(yè)區(qū)表層土壤PN值達(dá)到4.0以上，污染嚴(yán)重，其中以Cd污染最為突出；內(nèi)蒙古某復(fù)墾礦區(qū)土壤PN值為2.72，各重金屬Pi值均大于1，其中Hg的Pi值為3.48，處于重度污染水平；重慶某制藥企業(yè)退役場(chǎng)地表層及下層土壤PN值分別為2.79，1.53，其中Pb和Cu的Pi值居首，分別達(dá)到了3.6，2.6。本研究表層、中層和深層土壤PN值分別為1.21，0.78，0.73，低于上述研究結(jié)果。此外，與上述研究有所不同的是，Cd和Zn是本研究的主要污染因子，對(duì)研究區(qū)表層土壤PN值的貢獻(xiàn)率較高，這可能與場(chǎng)地行業(yè)類型的差異有關(guān)。本研究中，Cd和Zn高含量值主要分布于金屬制品及機(jī)械加工，這些企業(yè)對(duì)重金屬的用量較大，尤其是Cd和Zn因其良好的理化特性，常作為其生產(chǎn)、加工工藝的主要原輔材料，因此污染較為嚴(yán)重。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)公式(3)—(5)，計(jì)算了復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤垂直剖面重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI，結(jié)果如表4和圖3所示。對(duì)比點(diǎn)位土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI，大部分點(diǎn)位土壤處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平，表層、中層和深層土壤輕微風(fēng)險(xiǎn)占比分別為66%，92%和96%，無點(diǎn)位存在很強(qiáng)或極強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)。從單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)來看，表層土壤Cd和Hg總體存在中等水平生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，個(gè)別點(diǎn)位生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)很強(qiáng)，占比分別為4%和2%；下層土壤中，各重金屬總體生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)輕微，個(gè)別點(diǎn)位中層土壤Cd和深層土壤Hg風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)或很強(qiáng)，占比分別為1%和2%。由此表明，重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)主要集中于場(chǎng)地土壤表層，下層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小。復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地各層土壤中，重金屬Cd和Hg對(duì)RI的貢獻(xiàn)率較高，與許多研究結(jié)果相符。對(duì)比相關(guān)研究，上海電鍍、化工等典型污染行業(yè)表層土壤RI值介于幾十至數(shù)萬不等，山西省某工業(yè)區(qū)土壤RI值為278.18，重慶某醫(yī)藥化工企業(yè)退役場(chǎng)地表層及下層土壤RI值分別為139.0，91.4，本研究區(qū)表層和下層土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分布

3 結(jié) 論

復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤重金屬整體風(fēng)險(xiǎn)可控，各項(xiàng)重金屬平均含量低于農(nóng)用地風(fēng)險(xiǎn)篩選值，部分點(diǎn)位表層Cu，Cd，Hg和Zn污染問題突出，存在一定程度的污染富集和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，考慮到毒性響應(yīng)因素，則Hg和Cd更應(yīng)引起關(guān)注。根據(jù)場(chǎng)地土壤條件及重金屬污染特征，可通過低富集型作物種植等農(nóng)藝調(diào)控和替代種植等措施達(dá)到農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)需求。

原標(biāo)題:典型復(fù)墾工業(yè)場(chǎng)地土壤垂直剖面重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)