辽宁省土壤背景点位重金属垂直分布特征与变化规律分析

李杨 问青春 王星蒙 丁振军

（辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110161）

1 引言

重金属是一类典型的土壤污染物，与其他污染物相比，具有隐蔽性、较差的移动性和易被富集性［1-2］等特点，是一种永久污染物和积累污染物。重金属在土壤中以吸附态、结合态、残渣态等形态存在，不易被微生物分解，在土壤中可不断积累，通过食物链在生物体内富集，对动植物造成极大的威胁和毒害，并通过接触、食物链等途径间接或直接威胁人类健康和生态安全。因此，重金属污染土壤一直是国内外研究的重点问题。本研究在“七五”期间辽宁省土壤环境背景值研究的基础上，再次开展土壤背景点位系统的调查研究，对比分析30 多年来辽宁省土壤背景值变化情况，系统、全面地分析土壤重金属累积特征与变化规律，并结合辽宁省产业格局，对土壤重金属累积变化成因进行阐述，为重金属污染防治及土壤环境管理提供靶向支撑。

2 研究区概况

辽宁省位于东北地区南部，在118°53′～125°46′E，38°43′～43°26′N 之间。陆地总面积14.86 万km2，占全国的1.5%。全省山地、平地、水域占土地面积的比例分别为58.0%，33.0%和9.0%。地势自北向南、由东西向中部倾斜，山地和丘陵分布于东西两侧，中部为长方形辽河平原。省内有大小河流300 余条，其中，流域面积在5 000 km2以上的有17 条。主要水系为辽河、浑河、大凌河、太子河、绕阳河以及中朝两国共有的界河鸭绿江。辽宁省共有棕壤、褐土、暗棕壤、黑土、草甸土、潮土等19 个土类253 个土种，土类数占全国的40%。

3 材料与方法

3.1 样品采集

本研究在辽宁省“七五”期间土壤环境背景值调查基础上，考虑长时间序列调查工作的连续性和可比性，适当调整优化污染源600 m 以内、交通干线150 m 以内、工矿企业用地300 m 以内的原有背景点位，共采集土壤典型剖面79 个，其中，A 层土壤样品79 个，B 层64 个，C 层57 个。用竹铲或木铲自下而上逐层采集各层最典型的中部样品，每个采样点的取土深度和取样量保持一致［3］，每层土壤用四分法均匀混合选取2 kg 样品。

3.2 样品分析

采集完的土壤样品送至样品制备与流转中心，于风干室中自然风干，除杂质后研磨过100 目和200 目尼龙筛，分析测定镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌、镍、钒、锰、钴、银、铊、锑、氟、硒、锂、钠、钾、铷、铯、铍、镁、钙、锶、钡、硼、铝、镓、铟、钪、钇、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钍、铀、锗、锡、钛、锆、铪、铋、钽、碲、钼、钨、溴、碘和铁等61 种元素的全量。采用国家或行业标准规定的分析测试方法（见表1）及质控要求，准确度控制采用插入国家有证土壤标准样品的方式进行，质控测定结果均符合国家相关技术要求［4］。

表1 本研究使用的土壤样品分析测试方法

3.3 数据处理

统计和分析采用Excel2007，SPSS21.0 软件，异常数据剔除采用Grubbs 检验法和Dixon 检验法。

4 结果与讨论

4.1 土壤重金属垂直分布特征

通过对采集到3 层样品的点位进行土壤重金属剖面垂直分布研究，重金属在A，B，C 等3 层的垂直分布有4 种类型：一是自A 层到C 层，浓度呈高—低—高，呈“＜”形状，；二是自A 层到C 层，浓度呈低—高—低，呈“＞”形状；三是自A 层到C 层，浓度呈高—低—低，呈“/”形状；四是自A 层到C 层，浓度呈低—低—高，呈“＼”形状。

典型点位重金属剖面垂直分布特征见图1。

图1 典型点位重金属剖面垂直分布特征

分析典型点位重金属分布特征发现，“＜”型为主要的分布类型，因重金属向下迁移深度随时间逐渐增加，在无外来输入的情况下，将出现上低下高的淋溶淀积模式。大多数重金属最大值均出现在A 层，是各种不同污染导致土壤重金属在剖面中含量不断增加，而重金属的输入速率大于其向下迁移的速率，加之土壤表层对部分重金属的截留作用共同影响的结果。多数重金属的垂直分布规律为A 层浓度最高，B层次之，C 层最低，符合重金属垂直分布规律。

4.2 土壤重金属变化规律分析

剔除部分剖面采集层次不全的点位及部分经纬度偏离较大的点位，对本研究的调查结果与“七五”时期调查点位重合或接近的点位开展长时间序列变化趋势分析。不同点位、不同层次的重金属分布规律基本未发生改变；本研究的多数重金属含量均大于“七五”时期调查；同一点位的A，B，C 等3 层重金属的变化规律基本一致，见图2。

图2 本研究与“七五”时期调查结果对比分析

与“七五”时期调查结果比较，本研究调查所得的镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌、镍等8 种重金属浓度均值均升高，其中，汞和镉含量增幅最大，变化率均超过100%，砷含量增幅最小，变化率为4.6%，见图3。

图3 本研究与“七五”时期调查土壤重金属变化率

影响土壤背景值变化的因素有自然和人为两种因素。自然因素为成土母质和成土过程，成土母质通常较为稳定，成土过程是气候、地形、时间、生物等因素的交互综合作用，故自然因素对特定区域或地点的土壤背景值变化情况产生的影响可能较小。人为因素一方面是人类活动影响，如工业、农业、交通运输和生活垃圾排放等；另一方面是不同检测手段和快速发展的技术等因素的影响。本研究主要讨论人为因素的影响。

（1）土地利用类型改变的影响。与“七五”时期相比，本次调查时，一些采样点的土地利用方式已经发生了变化，部分点位由未利用地变为农用地。当土地利用类型由未利用地变为农用地时，由于农耕生产过程会使用大量的肥料、农药、农膜等，这些外源物质都会向土壤中引入某些元素。例如目前市售的化肥中均含有一定量的重金属［5］，再如生产磷肥用的磷矿石中含有较多的锌、铬、镍、铜、镉和铅等［6］，因此在农业生产中如长期不合理地使用化肥，特别是劣质磷肥，会有向土壤中引入重金属的风险。还有研究表明，不同利用方式对土壤中铬、镍、铜、砷、镉、锌的含量有较大影响，平均含量顺序均为设施菜地＞露天菜地＞大田＞林地，但对铅含量的影响不显著。7 种重金属中以镉的累积较严重，其次是铜。

（2）采样点周围环境改变的影响。本研究的调查中，多数采样点的土地利用类型并未发生改变，但其周边环境改变较多。辽宁省作为我国重要的老工业基地，工业门类齐全、体系完备，特别是装备制造、石油化工、冶金等产业，在国家产业布局中占有重要位置。虽然近年来产业结构随着“新时代东北振兴是全面振兴、全方位振兴”的国家政策和战略发展方向不断调整，但重化工工业（化工、冶金）始终是辽宁省的主要产业类型。如采样点附近建设工矿企业时，矿山开采及冶炼过程中“三废”处置措施工艺落后造成周边乃至下游地区土壤环境污染。部分工矿企业将未经处理的废水、废气和废渣直接排放到工矿企业周围，其中所含的铬、铅、锰、锌、砷等重金属会通过地表径流、大气沉降等方式进入土壤，极可能对附近的背景采样点产生影响。

5 结论

（1）辽宁省土壤背景点位多数重金属的垂直分布规律为自上而下浓度逐渐降低。土壤背景点位重金属垂直分布规律为A 层浓度最高，B 层次之，C 层最低，符合重金属垂直分布规律。

（2）土壤背景点位重金属含量与“七五”时期调查相比有所上升，汞和镉上升最多，变化率均超过100%；砷浓度上升最少，变化率为4.6%。同一点位的A，B，C 3 层重金属的变化规律基本一致。

（3）影响辽宁省土壤背景点位重金属变化的因素主要为背景点位及周边土地利用方式的变化。辽宁重化工的产业结构决定了全省重金属污染的总体格局。矿山开采及冶炼是局部地区土壤背景点位重金属含量变化的主要因素，农业面源污染也导致个别重金属含量升高。