长江沿岸带某工业园区土壤重金属空间分布特征及来源浅析

刘万亮，胡元平，丁余辉，朱晛亭，李定远，刘 力，翁茂芝，罗 华*

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034;3.湖北省自然资源厅，湖北 武汉 430071)

土壤是支撑经济社会可持续发展的基础资源，也是生态环境保护的关键对象[1]。随着工农业及城市化的快速发展，各类污染物被排入土壤，造成一系列土壤污染问题。已有研究表明，长江沿线工业区、矿区、农用地的土壤中普遍存在As、Hg、Cd、Cu、Pb、Zn等重金属污染[2-4]。重金属污染具有难降解、长期性、隐蔽性、滞后性等特点[5-6]，已经成为全球许多国家面临的主要环境问题之一[7-10]，尤其是工业园区的重金属污染问题更加受到人们关注。前人围绕长江经济带典型工业园区的重金属污染问题开展了许多研究工作，主要涉及重金属分布特征、形态、来源、生态风险、污染防治等，例如刘朋超等[11]综述了长江流域重金属污染主要来源及分布特征；龚关等[12]探讨了湖北省境内长江沿线典型工业区土壤重金属形态及分布特征；何军等[13]以长江北岸长江新区为研究区，分析了该区表层土壤重金属污染状况及潜在生态风险；朱柳琴等[14]以长江南岸黄石段为研究区，研究了该区表层土壤重金属分布特征及环境质量情况。

某工业园区位于长江中游沿岸带，是华中地区重要的以化工企业为代表的工业园区[15]。随着长年的发展，重金属已成为该园区土壤中常见的污染指标。按照“共抓长江大保护”要求，当前亟需查清该园区重金属污染状况，以便精准有效地开展污染防治，但目前尚未针对该园区开展重金属污染调查等工作。本文依托湖北省自然资源厅组织实施的某长江沿岸带水土质量调查评价项目，以某工业园区土壤(深度0～2.0 m)为研究对象，通过分析测定不同深度土壤的重金属含量，查明土壤重金属分布现状和污染程度，并简要探讨重金属来源及迁移规律，可为长江沿岸带生态环境保护和修复提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于某沿江城市的长江北岸沿岸带，面积为26.21 km2。该区地处黄陵山地与江汉平原接壤的丘陵地带，地貌类型包括低山、丘陵、岗状平原。区内地质构造较为复杂，构造形迹多被掩盖，沿江一带广泛发育厚约30～50 m的第四系河湖相松散堆积物，丘陵、低山地带多出露白垩系、古近系—新近系红层[16]。长江为最大过境客水，自西北向东南流经研究区西南部，岸线长约22 km。研究区受亚热带湿润季风气候影响，年平均气温17.7℃，年降水量1 102.5 mm。区内用地类型主要为建设用地、农用地和其他用地，面积分别为19.30、6.19和0.72 km2。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

在研究区共采集土壤样298件，其中表层样259件、深层样39件。样品主要采集于工场地和农用地区块，采集时间避开雨季，采集部位避开沟渠、林带、田埂、路边、旧房基、人工堆土、粪堆及微地形高低不平处等无代表性地段。采样深度分为表层0～0.2 m和深层0.2～2.0 m，其中表层样取样深度为0.2 m,由2～4个子样等量混合组成；深层样利用浅井工程施工采集，每个浅井中采集1件表层样(取样深度为0.2 m)和3件深层样(取样深度分别为0.5、1.0、1.5 m)。采样结果显示，工场地和农用地两个区块的采样密度分别为15～30样/km2和5～15样/km2，满足规范要求。将野外采集的样品风干后充分混合，采用四分法等量混合为1件样品，样重>2 kg，然后用木棍碾压后过20目筛保存，送实验室分析检测。

2.2 样品测试分析

样品测试由湖北省地质实验测试中心(国土资源部武汉矿产资源监督检测中心)完成，分析项目包括As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn。样品经王水消解后，采用原子荧光光谱法(AFS)测定As、Hg。样品经氢氟酸、盐酸、硝酸和高氯酸消解后，采用X射线荧光光谱法(XRF)测定Cr，采用电感耦合等离子体全谱直读发射光谱法(ICP-OES)测定Ni，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定Cd、Cu、Pb、Zn。分析过程中采用国家一级标准物质控制准确度，采用土壤一级标准物质监控精密度，各元素合格率均为100%。上述样品测试要求参照《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》(GB/T 22105—2008)[17-19]、《土壤和沉积物12种金属元素的测定 王水提取—电感耦合等离子体质谱法》(HJ 803—2016)[20]等标准规范。

图1 土壤样品点位图

2.3 数据处理

3 结果与讨论

3.1 水平分布特征

3.1.1总体分布特征

由259件表层样检测结果(表1)可知，研究区表层土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分别为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，平均值分别为13.37、0.09、72.24、30.37、0.22、32.79、29.99、93.92 μg/g。与中国土壤(A层)背景值[23]相比，研究区表层土壤重金属平均值均大于中国土壤(A层)背景值，表明研究区重金属均出现富集现象，其中Cd明显富集，其他重金属较富集。

按照2.3节数据处理方法，求得研究区表层土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn的背景值分别为10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g，平均富集系数分别为1.26、1.50、0.99、1.02、0.88、1.09、1.10、1.14，表明研究区内土壤中As、Hg较富集，其他重金属与背景值相差不大。

工场地、农用地与其他类型用地的重金属含量有一定差距，但平均值差别不大(表1)。在工场地内采集表层样202件，其中高异常(K≥2.00)样品有75件，占比37.1%；达到污染风险级别(超过一类建设用地土壤污染风险筛选值)的样品有2件，占比1.0%，主要表现为Hg、Cd、Pb、Zn污染。在农用地与其他类型用地中采集表层样57件，其中高异常样品有21件，占比36.8%；达到污染风险级别的样品有14件，占比24.6%，主要表现为As、Hg、Cd、Pb污染。

表1 表层土壤重金属含量统计表

3.1.2剖面分布特征

(1)剖面PM1。该剖面呈NE向展布，主要穿越工场地，土壤类型以潮土为主，颜色多呈灰黄色、灰褐色，成土母质为河流相冲积物。该剖面上采集表层样18件，重金属含量见表2。该剖面土壤中重金属富集系数为0.20～5.77，主要集中于0.50～1.50，其中As、Cr、Ni较富集，平均富集系数为1.07～1.49；Cd、Hg、Zn较贫化，平均富集系数为0.74～0.93；Cu、Pb与背景值接近。在所有重金属中，以As最为富集，其平均富集系数为1.49；以Cd最为贫化，平均富集系数仅为0.74。PM1表层土壤重金属富集系数曲线图(图2)显示，除了As以外，其他重金属富集系数变化较稳定，在距离长江岸线2.4～2.8 km处，样品PM1-12—PM1-14具有明显的As高值异常，其富集系数为1.96～5.77，调查发现这些样品采自工厂及道路附近的人工草坪地内，As异常可能与外来覆土本身含砷有关。此外，由图2可以看出，在距离长江岸线0.2 km处，样品PM1-1中所有重金属均表现为明显富集，除了As以外(K=1.17)，其他重金属的富集系数均为所有样品的最高值(K=1.34～3.60)；样品PM1-1平均富集系数为2.07，明显高于其他样品，这说明该剖面上重金属具有向长江迁移、汇聚的特点。

表2 PM1表层土壤重金属含量统计表

图2 PM1表层土壤重金属富集系数曲线图

(2)剖面PM2。该剖面NE向展布，主要穿越工场地、空闲地、居民生活区及少量城市绿化用地，土壤类型以潮土为主，颜色多呈灰黄色、灰褐色，成土母质为河流相冲积物。该剖面上采集表层样12件，重金属含量见表3。该剖面土壤中重金属富集系数为0.10～1.53，主要集中于0.70～1.25，其中Zn、As略富集，平均富集系数为1.08～1.11；Cd、Hg、Pb较贫化，平均富集系数为0.76～0.91；Cr、Ni、Cu与背景值接近。PM2表层土壤重金属富集系数曲线图(图3)显示，在距长江岸线1.0 km处，样品PM2-5具有显著的Zn高值异常，其富集系数为2.60，调查发现该样品位于工厂及道路附近的荒地内，Zn异常可能与后期填土等外源污染有关。此外，距离长江岸线由远及近，样品平均富集系数总体表现为升高趋势(表3)，亦表现出重金属向长江迁移、汇聚的特点。

图3 PM2表层土壤重金属富集系数曲线图

表3 PM2表层土壤重金属含量统计表

(3)剖面PM3。该剖面顺长江岸线呈NW向展布，距长江岸线<0.4 km，主要穿越工场地、荒地、林草地等，土壤类型以潮土为主，颜色多呈灰黄色、灰褐色，成土母质为河流相冲积物。该剖面上采集表层样22件，重金属含量见表4。该剖面土壤中重金属富集系数为0.32～5.83，主要集中于0.80～2.50，除了As、Cr、Ni含量与背景值差距不大外，其他重金属均表现为较富集，平均富集系数为1.14～1.80，说明靠近长江岸线地段普遍存在重金属富集现象。按照用地类型来划分，工场地表层样的平均富集系数为0.88～2.07，农用地与其他类型用地为0.60～1.23，说明工场地重金属污染程度高于农用地与其他类型用地。PM3表层土壤重金属富集系数曲线图(图4)显示，在距长江岸线0.4 km范围内，表层土壤重金属富集系数变异性强烈，总体表现为重金属富集状态；重金属富集程度的高低与用地类型有关，富集系数高值区大多数位于工场地，少量位于农用地与其他类型用地；各重金属中，尤以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu明显富集，表明研究区以Hg、Cd、Pb、Zn、Cu污染为主。

图4 PM3表层土壤重金属富集系数曲线图

表4 PM3表层土壤重金属含量统计表

3.2 垂向分布特征

前文分析表明，表层土壤中重金属趋于向长江岸线方向富集，而且工场地重金属污染程度更高，因此在距长江岸线0.4 km范围内选择工场地的浅井QJ1和QJ2，探讨土壤中的重金属垂向分布特征。在每个浅井中采集4件土壤样，采样深度分别为0.2、0.5、1.0、1.5 m，重金属含量见表5，重金属含量随深度变化情况见图5。QJ1和QJ2具有相似的重金属垂向分布特征，各重金属的平均富集系数为1.13～3.89，富集程度由高到低为Cd>Hg>Cu>Pb>Zn>Ni>Cr>As，其中Cd、Hg、Cu、Pb、Zn显著富集(K=1.87～3.89)，Ni、Cr、As较富集(K=1.13～1.49)。土壤中重金属含量在深度上变化幅度不大，As、Hg、Ni含量几乎保持不变；Cr、Cd、Cu、Pb、Zn含量先增大后减小，在0.5～1.0 m深度范围更加富集，在1.5 m深度处减小到与表层土壤(0.2 m)相当的水平。以上说明工场地土壤以遭受Cd、Hg、Cu、Pb、Zn污染为主，重金属有向下迁移的累积效应，总体在0.5～1.0 m深度范围更富集。

表5 代表性浅井土壤重金属含量统计表

图5 代表性浅井土壤重金属含量曲线图

3.3 污染成因分析

(1)重金属污染源渠道多样。前文研究发现工场地污染程度明显高于农用地与其他类型用地，暗示工业生产产生的污染物是土壤重金属污染的主要来源，其次是农业生产、居民生活中产生的污染物。研究区属于长江沿线新兴工业区，主要分布有化肥、化工原料、油漆、橡胶等化工企业及混凝土、矿产加工等其他企业，在企业生产过程中不可避免地产生废气、废水、废渣等工业“三废”，若污染物未达标排放，必然带来土壤重金属污染。同时，研究区东部丘陵区分布有大量农田，以旱地种植业为主，农药、化肥的使用较为普遍，易于产生重金属残留，这是造成研究区农用地与其他类型用地中部分点位重金属含量超标的重要原因。

(2)污染物迁移路径畅通。研究区上部地层结构为第四系下更新统云池组+白垩系—新近系红层或第四系全新统孙家河组+第四系下更新统云池组+白垩系—新近系红层，其中云池组由粉细砂层和砾石层构成，岩石孔隙大，有利于发生水力联系。研究区地下水类型主要为潜水，受大气降水补给，与长江水体交换频繁，使重金属污染物更易向长江方向迁移，这是造成长江岸线附近重金属富集的主要原因之一。

(3)地表径流系统被破坏。研究区建筑物集中，地面固化程度高，地表径流通道不畅，雨季时大量雨水就地或就近下渗，其所携带的污染物因无法及时向外排泄而逐渐下渗、积累，形成局部富集现象，这是近岸土壤0.5～1.0 m深度范围内重金属含量更高的原因之一。

4 结论

(1)研究区259件表层样检测结果显示，表层土壤中As、Hg、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn含量分别为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，背景值分别为10.61、0.06、72.97、29.77、0.25、30.08、27.26、82.39 μg/g。

(2)研究区现阶段土壤重金属污染程度相对较轻，但已出现局部显著污染，超标重金属主要为Hg、Cd、Pb、Zn、Cu；工场地重金属污染程度高于农用地与其他类型用地；在水平方向上，表层土壤重金属有向长江迁移、汇聚的趋势，大致距长江岸线0.4 km范围内污染程度更高；在垂向上，土壤中大部分重金属有向下迁移、累积趋势，在地表以下0.5～1.0 m深度范围内更趋于富集。

(3)研究区污染源主要为工业、农业生产活动产生的重金属污染物，其迁移规律与区内地层岩性和地下水环境密切相关。