徐志豪, 吳 健, 王 敏, 黃宇馳, 鄢忠純, 吳建強, 黃沈發(fā)

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620; 2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院, 上海 200233)

土壤是水體、大氣及各類營養(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)[1-2]。在工業(yè)化高速發(fā)展的進程中，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[3-6]。上海市作為全國老工業(yè)基地之一，工業(yè)發(fā)達(dá)，隨著城市化的快速推進，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)遺留場地的污染狀況，探明場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，對復(fù)墾場地土壤重金屬污染的研究主要集中于礦區(qū)周圍[7-9]，而針對城市復(fù)墾工業(yè)場地的研究相對缺乏[10]。不同于礦山復(fù)墾土地，工業(yè)場地內(nèi)的地下儲罐、原輔料輸送管線的“跑冒滴漏”均可能會對場地深層土壤乃至地下水造成污染。而場地復(fù)墾過程對土壤環(huán)境的擾動[11]也易使下層土壤外露，進而對外界產(chǎn)生潛在危害和影響。因此，本研究利用上海市近年來推進低效工業(yè)場地復(fù)墾還耕的契機，選擇典型行業(yè)的33塊復(fù)墾工業(yè)場地進行土壤分層采樣檢測，分析其重金屬污染特征及潛在生態(tài)風(fēng)險，以期為此類工業(yè)復(fù)墾場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、處理與測定

選擇上海市33塊典型復(fù)墾工業(yè)場地，行業(yè)類型主要涉及金屬制品、機械加工、化工等。根據(jù)現(xiàn)場踏勘及行業(yè)污染特征，結(jié)合原企業(yè)生產(chǎn)工藝流程，在場地內(nèi)識別其生產(chǎn)車間、貯存區(qū)、廢物處置區(qū)等潛在污染區(qū)域，每個場地設(shè)置3～4個采樣點，采用梅花布點法使用螺旋鉆機采集各采樣點表層(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[12]。在實驗室室溫自然風(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—氫氟酸—高氯酸消解后，采用USEPA6010C-2007方法，利用2100DV等離子發(fā)射光譜儀對As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb和Zn進行檢測；經(jīng)硫酸—硝酸—高錳酸鉀消解后，采用《GB/T17136-1997》方法，使用NICMA-3000測汞儀對Hg進行檢測。測定過程中，隨機選取10%土壤樣品做平行樣，與樣品測試結(jié)果偏差在20%以內(nèi)，符合質(zhì)控要求。

1.2 評價方法

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

(1)

(2)

式中：Ci——重金屬i的實測含量(mg/kg)；Si——重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)，本文采用上海市土壤環(huán)境背景值作為評價標(biāo)準(zhǔn)[15]；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)評價標(biāo)準(zhǔn)為：PN≤0.7，清潔；0.73.0，重度污染。

1.2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[16]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。

(3)

(4)

(5)

表1 修正后的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分級標(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項重金屬在復(fù)墾工業(yè)場地各點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[13,17-21]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[3,22-23]。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)場地土壤重金屬含量統(tǒng)計 mg/kg

注：樣本數(shù)n=100； ND表示未檢出。

對比《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)》，8項重金屬平均含量均低于風(fēng)險篩選值。如圖1所示，17個點位土壤重金屬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)險篩選值的4.24，4.73倍。各重金屬點位超篩選值比例≤5%，超篩選值樣品主要位于土壤表層，各有1個點位中層土壤檢出As和Cd含量高于篩選值，占比為1%。

2.2 土壤重金屬污染評價

根據(jù)公式(1)—(2)，計算典型復(fù)墾工業(yè)場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)場地表層土壤Cd，Cu，Pb，Zn和Hg總體處于輕度污染水平，個別點位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個點位達(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，個別點位污染水平較高，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 土壤剖面重金屬點位超標(biāo)情況

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價結(jié)果

圖2 土壤重金屬單因子指數(shù)分布

對比相關(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[23-24]；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[25]；重慶某制藥企業(yè)退役場地表層及下層土壤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[12]。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，對研究區(qū)表層土壤PN值的貢獻率較高，這可能與場地行業(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械加工，這些企業(yè)對重金屬的用量較大[26-27]，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

表4 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價結(jié)果

圖3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)分布

3 結(jié) 論

復(fù)墾工業(yè)場地土壤重金屬整體風(fēng)險可控，各項重金屬平均含量低于農(nóng)用地風(fēng)險篩選值，部分點位表層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，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[31-32]。