李麗娜 曾沛藝 吳見珣 魏中華 和麗萍＊

（云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,云南 昆明 650000）

隨著工業(yè)化進(jìn)程推進(jìn),我國(guó)土壤正面臨嚴(yán)重的砷（梁桂云等,2015）和鉻（黃順紅,2009）污染。其中,可溶性六價(jià)鉻是國(guó)際公認(rèn)的危險(xiǎn)廢棄物,具有高致癌、致突變性,一旦釋放到環(huán)境中,將對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅（尹貞等,2015）。生產(chǎn)場(chǎng)地廢料堆積區(qū)（如：鉻渣場(chǎng)）的重金屬污染治理已得到廣泛關(guān)注（黃順紅,2009；劉玉強(qiáng)等,2009；許友澤等,2011）。但企業(yè)投入運(yùn)行后,重金屬在工廠不同功能區(qū)的分布特征及其成因尚需要進(jìn)一步研究。本研究以云南省某廢棄了兩年的化工廠（主要生產(chǎn)重鉻酸鈉和鉻酸酐,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生含鉻廢渣和含鉻廢水）為研究對(duì)象,分析土壤中砷、總鉻和六價(jià)鉻含量在該廠區(qū)不同功能單元的分布特征,并探討土壤物理性質(zhì)對(duì)這些重金屬含量分布的影響。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

該化工廠占地9×104km2,主要包括渣場(chǎng)堆放區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)三個(gè)功能區(qū)。廠區(qū)土壤重金屬污染物主要有鉻、砷等。采用樣線法和隨機(jī)布樣結(jié)合的方法布設(shè)采樣點(diǎn),共設(shè)置了44 個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。參照《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JBJ89-92）,采用50 鉆機(jī)（螺旋鉆桿、合金鉆頭）分別采集0～1m、1～3m 和3～10m 的土樣,共采集了149 個(gè)樣品。樣品采集后及時(shí)送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖1 土壤樣品分布

1.2 土壤樣品指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 土壤重金屬含量測(cè)定根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22105.1-2008）測(cè)定土壤樣品中砷的含量；根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17137-1997）測(cè)定土壤樣品中總鉻的含量；土壤硝解后,采用分光光度計(jì)測(cè)定六價(jià)鉻的含量（徐非和謝爭(zhēng),2008）。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定

土壤中含水率、濕密度、干密度、飽和度、孔隙比、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、垂直滲透系數(shù)、水平滲透系數(shù)和平均粒徑等指標(biāo)按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GBT50123-1999）進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用ArcGIS 對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行插值。采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）分析重金屬含量在渣場(chǎng)、生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)不同土層的差異；采用單因素方差分析（One-way ANOVA）分析表層（0～1m）土壤物理性質(zhì)在三個(gè)功能區(qū)的差異；采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析表層土壤重金屬含量和土壤物理性質(zhì)的關(guān)系。所有統(tǒng)計(jì)分析均在IBMSPSS 19.0 中完成。另外,根據(jù)《場(chǎng)地土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值》（DB11/T811-2011）的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)砷、總鉻和六價(jià)鉻的含量分別超過20mg/kg,800mg/kg 和30mg/kg 時(shí),認(rèn)為土壤重金屬含量超標(biāo)。

2 結(jié)果

2.1 土壤重金屬分布特征

根據(jù)場(chǎng)地調(diào)查結(jié)果,對(duì)場(chǎng)地土壤的六價(jià)鉻和總砷用ArcGIS 進(jìn)行插值計(jì)算做出土壤六價(jià)鉻和總砷濃度分布圖,如圖2 所示。根據(jù)插值結(jié)果可知六價(jià)鉻污染物主要分布在渣場(chǎng)中部偏廢水收集池區(qū)域,板栗園、生產(chǎn)區(qū)的干燥車間、原料堆放場(chǎng)、精細(xì)車間、鉻渣堆放場(chǎng)、成品車間和芒硝堆放地以及生活區(qū)原2 號(hào)水池與3 號(hào)水池之間的區(qū)域,這幾個(gè)區(qū)域的六價(jià)鉻濃度都在30 mg/kg 以上。而在場(chǎng)地上部渣場(chǎng)的四周,以及生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)的西部區(qū)域污染較輕,濃度低于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)30 mg/kg。砷污染主要分布在生產(chǎn)區(qū)的精細(xì)車間、鉻渣堆放場(chǎng)、成品車間、堆放芒硝的區(qū)域,生活區(qū)1 號(hào)廢水收集池和3 號(hào)廢水收集池之間的區(qū)域。濃度均高于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)20 mg/kg。原渝滇化工廠的總鉻污染主要分布在渣場(chǎng)中部區(qū)域生產(chǎn)區(qū)的精細(xì)車間、鉻渣堆放場(chǎng)、成品車間的區(qū)域,生活區(qū)1號(hào)廢水收集池和3 號(hào)廢水收集池之間的區(qū)域。這幾個(gè)區(qū)域總鉻濃度都在800 mg/kg 以上。濃度均高于北京市地方篩選值800 mg/kg。統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)一步表明：生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)土壤中砷和總鉻含量顯著高于渣場(chǎng),而六價(jià)鉻的含量在三個(gè)區(qū)域沒有顯著差異（圖2(a)、(b)）。隨土壤深度增加,砷含量有增加的趨勢(shì),總鉻含量則呈下降趨勢(shì)（圖2(a)、(b)）。生產(chǎn)區(qū)和渣場(chǎng)土壤中六價(jià)鉻含量隨土層厚度增加呈下降趨勢(shì),在生活區(qū)則呈上升趨勢(shì)（圖2(c)）。

圖2 土壤重金屬含量在三個(gè)功能區(qū)的差異(ZC：渣場(chǎng)；

從渣場(chǎng)到生活區(qū),土壤中砷含量超標(biāo)率急劇增加。其中,生活區(qū)半數(shù)以上的土壤樣品砷含量超標(biāo)；廠區(qū)土壤中六價(jià)鉻的超標(biāo)率變化趨勢(shì)同砷的情況；生產(chǎn)區(qū)土壤中總鉻的超標(biāo)率最高為18.2%,其余兩區(qū)超標(biāo)率均低于3%（表1）。

表1 土壤重金屬含量超標(biāo)情況

2.2 土壤物理性質(zhì)

生活區(qū)土壤含水率、飽和度、液性指數(shù)均顯著高于渣場(chǎng)。渣場(chǎng)的土壤水平滲透率顯著高于生活區(qū)（表2）。從渣場(chǎng)到生活區(qū),土壤孔隙比、有機(jī)質(zhì)含量、垂直滲透率呈增加趨勢(shì)；土壤干密度、平均粒徑則呈下降的趨勢(shì)（表2）。

表2 表層土壤（0～1m）的物理性質(zhì)（均值±S.E.）

2.3 表層土壤重金屬含量與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系

廠區(qū)表層土壤中砷含量與土壤含水率、孔隙比、液性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),而與土壤密度（包括濕密度和干密度）、水平滲透系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（表3）。

土壤中總鉻含量與土壤飽和度和液性指數(shù)呈顯著正相關(guān)；其與垂直滲透率、水平滲透率和平均粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤中六價(jià)鉻的含量與土壤濕密度、飽和度和液性指數(shù)呈顯著正相關(guān),而與土壤平均粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)（表3）。

表3 表層土壤（0～1m）重金屬含量與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

一般而言,隨著土壤厚度增加,重金屬含量逐步降低（鄭喜珅等,2002）。本研究中,三個(gè)功能區(qū)土壤中總鉻含量的分布特征均與此相符。但砷含量以及生活區(qū)土壤中六價(jià)鉻含量的分布特征與此相反。這可能是原廠廢棄之后,表層污染物逐漸下滲富集所致。此外,本研究中總鉻與其他兩種重金屬含量相反的分布特征說明：土壤中總鉻的垂直遷移能力可能比砷和六價(jià)鉻弱。

正常情況下,渣場(chǎng)和生產(chǎn)區(qū)的重金屬污染程度應(yīng)該遠(yuǎn)較生活區(qū)嚴(yán)重（黃順紅,2009）,但本研究發(fā)現(xiàn)該廠生活區(qū)的砷、六價(jià)鉻超標(biāo)情況最嚴(yán)重。有研究表明土壤養(yǎng)分含量與土壤重金屬含量之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（劉世梁等,2008）,因此本研究著重探討了土壤物理性質(zhì)與土壤重金屬的關(guān)系,本研究發(fā)現(xiàn)：原廠址生活區(qū)土壤的含水率、孔隙比和液性指數(shù)均最高,而濕密度、干密度、垂直滲透系數(shù)、水平滲透系數(shù)、平均粒徑均最低。與相關(guān)分析的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),正是這些土壤物理化學(xué)特性決定了砷含量自北向南（從渣場(chǎng)到生活區(qū)）遞增的空間格局、導(dǎo)致了生活區(qū)砷含量嚴(yán)重超標(biāo)的現(xiàn)象。同時(shí),總鉻和六價(jià)鉻含量的空間分布也受這些土壤性質(zhì)的制約。但與劉世梁等（2008）的研究結(jié)果不同的是,本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量與砷含量存在顯著正相關(guān),這說明土壤重金屬含量與土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系可能受特定生產(chǎn)方式的影響。

總體而言,本研究發(fā)現(xiàn)對(duì)砷、總鉻、六價(jià)鉻含量分布均有顯著影響的土壤性質(zhì)主要是與水分條件相關(guān)的性質(zhì)（包括土壤濕密度、飽和度、液性指數(shù)、滲透率）和土壤粒徑。此外,土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)砷的含量顯著相關(guān),而與總鉻和六價(jià)鉻的含量基本無關(guān)。本研究表明,在涉及鉻及砷的生產(chǎn)活動(dòng)中,生產(chǎn)人員生活區(qū)選址需要考慮待建地區(qū)的土壤水分條件及粒徑,以避免重金屬污染對(duì)生產(chǎn)人員造成危害。