何身焱， 劉 波， 王水華， 李紅梅， 虞昊哲， 高 佩

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

工業(yè)園區(qū)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，不僅成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域核心競爭力提升的理想模式，同時(shí)也伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1]。由于園區(qū)工業(yè)企業(yè)集聚發(fā)展，環(huán)境管理和污染防治水平參差不齊，導(dǎo)致重金屬污染物在土壤中不斷累積。土壤重金屬污染具有難降解、易積累、毒性大,隱蔽性、長期性和不可逆性等特點(diǎn)，不僅引起城市土壤生態(tài)環(huán)境的惡化，而且通過地面揚(yáng)塵、地表徑流、地下水、食物鏈等途徑嚴(yán)重危害城市居民的身體健康[2]。因此，對工業(yè)園區(qū)內(nèi)土壤重金屬分布特征及土壤環(huán)境狀況的研究評價(jià)具有重要意義。

近些年來，國內(nèi)不少學(xué)者開展了關(guān)于長江沿岸工業(yè)園區(qū)土壤重金屬方面的研究。楊敏慧等[3]基于層次分析法對長江上游6處工業(yè)園區(qū)進(jìn)行了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估；郭杰等[4]采用相關(guān)性分析法和主成分分析法等方法分析長江中游近岸表層沉積物中重金屬的來源，并采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對重金屬進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；朱柳琴等[2]以長江南岸黃石段為研究區(qū)，通過單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)分析；劉萬亮等[5]以長江北岸宜昌段某工業(yè)園區(qū)為研究對象，系統(tǒng)分析了園區(qū)土壤重金屬分布特征及來源。

長江中游南岸某工業(yè)園依托長江“黃金水道”的區(qū)位優(yōu)勢，著力打造集生產(chǎn)、科研、商貿(mào)、生活于一體的多功能綜合型現(xiàn)代化工業(yè)園區(qū)，目前，該區(qū)尚未開展有關(guān)土壤環(huán)境狀況和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作。為此，本文基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和ArcGIS的空間插值分析法等方法，對該區(qū)表層土壤(0～20 cm)中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6種重金屬元素的污染狀況進(jìn)行分析研究，以期助力“長江大保護(hù)”和“長江經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江中游某沿江城市南岸，面積12 km2(圖1)，是以農(nóng)副產(chǎn)品加工、塑料管材、機(jī)械電子、造紙、石油化工和生物醫(yī)藥為主的輕型加工業(yè)，目前，共有60家相關(guān)企業(yè)入駐。用地類型以工業(yè)用地(60.65%)為主，綠地(15.18%)次之[6]。緊靠長江，地表水系發(fā)達(dá)，東北部和東部均有大型地表水體。地表巖性為粉質(zhì)黏土，下伏淤泥質(zhì)黏土和黏土。地下水位埋深為0.8～1.5 m，與長江水位聯(lián)系密切。因此，土壤環(huán)境狀況對周邊水系將產(chǎn)生重要影響。

圖1 土壤采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution map of soil sample points

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試

采樣點(diǎn)采取系統(tǒng)布點(diǎn)法和專業(yè)布點(diǎn)法相結(jié)合的方式，在剔除表層雜質(zhì)后共采集表層(0～20 cm)土壤樣品33組。采樣工具為木鏟。將野外采集的混合土壤樣品按四分法等量取樣混合，風(fēng)干后再充分混合，樣重為2 kg左右，用木棍碾壓后過20目篩保存，再送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試分析。

樣品測試分析由湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心承擔(dān)，分析項(xiàng)目為As、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr6+、Ni等7種金屬元素。樣品經(jīng)王水消解后，采用原子熒光光譜法(AFS)測定As、Hg；采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)測定Ni；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定Cu、Pb、Cd；采用火焰原子吸收粉光光度法測定Cr6+。分析過程中采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制準(zhǔn)確度，采用土壤一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)監(jiān)控精度[5]，各元素合格率達(dá)100%。As、Cu、Pb、Cd、Ni的檢出限均為0.01 μg/L，Hg的檢出限為0.001 μg/L。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)樣品測試結(jié)果，土壤中有4組樣品檢測出Cr6+，且含量較低，故本次研究采用Excel2016、SPSS24對土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6種重金屬元素含量、土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用EPA-PMF 5.0軟件進(jìn)行重金屬來源解析，并使用ArcGIS進(jìn)行空間插值和成圖。

據(jù)相關(guān)環(huán)評報(bào)告[7-14]，將2018—2020年期間研究區(qū)企業(yè)未生產(chǎn)前的土壤重金屬元素(As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(共12組)，剔除極值后進(jìn)行算術(shù)平均數(shù)計(jì)算，求得區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬含量背景值(表1)。結(jié)果表明，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的平均值均高于研究區(qū)表層土壤重金屬含量背景值。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)表層土壤重金屬含量空間分布情況見表2、圖2。各重金屬含量變化差異較大，As為7.02～57.9 mg/kg，Hg為0.03～0.46 mg/kg，Cu為24.4～74.6 mg/kg，Pb為20.5～59.1 mg/kg，Cd為0.16～2.31 mg/kg，Ni為11.7～55.1 mg/kg，其平均值分別為12.97、0.095、40.75、30.06、0.4、38.16 mg/kg。As濃度較高區(qū)域在研究區(qū)中部，總體上其含量呈中部向四周同心圓狀遞減；Hg、Cu、Cd呈西北部港口碼頭區(qū)高，向東南方向呈遞減趨勢。

表1 工業(yè)園區(qū)表層土壤重金屬含量背景值(mg/kg)Table 1 Background values of heavy metals in the surface soil of industrial park

圖2 表層土壤重金屬含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metal content

重金屬元素的變異系數(shù)(CV)可反映樣本中各采樣點(diǎn)的平均變異程度，若變異系數(shù)越大，表明重金屬元素含量的空間分布越不均勻，存在外源物質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致局部污染和受人類活動(dòng)影響較大的特點(diǎn)[15-16]。從整體上看，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的變異系數(shù)分別為73.17%、81.04%、23.05%、27.77%、95.44%和23.06%。

根據(jù)Wilding等[17]對變異系數(shù)的分類，CV<0.16為低變異，0.16≤CV<0.36為適中變異，CV≥0.36為高變異。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，As、Hg、Cd為高變異，受人類活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)影響較大，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

表2 表層土壤樣品重金屬含量統(tǒng)計(jì)特征表(mg/kg)Table 2 Statistical characteristics of heavy metalscontent (mg/kg) in surface soil samples

3.2 土壤重金屬污染源分析

3.2.1元素相關(guān)性分析

重金屬元素相關(guān)性分析(CA)廣泛應(yīng)用于判別重金屬污染的來源，重金屬元素相關(guān)性顯著說明元素間具有同源關(guān)系或復(fù)合關(guān)系[18]。根據(jù)表層土壤樣品中重金屬相關(guān)性分析(表3)，As-Pb、Pb-Hg、Pb-Cu、Pb-Cd、Pb-Ni的相關(guān)性是顯著的，因此，從表3中可以推斷出As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6種重金屬元素間具有同源關(guān)系或復(fù)合關(guān)系。

表3 表層土壤樣品中重金屬相關(guān)性系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of heavy metals in top soil samples

3.2.2主成分分析法

主成分分析法(PCA)也可以用來判別土壤中重金屬污染的來源[19-20]。通過對研究區(qū)表層土壤中6種重金屬元素進(jìn)行因子分析，經(jīng)驗(yàn)證，校驗(yàn)系數(shù)(KMO值)為0.566(>0.5)，顯著性水平為0.00(<0.01)，表明原始數(shù)據(jù)適合用主成分分析法分析(表4)。數(shù)據(jù)中前三個(gè)主成分可以解釋總變量的85.502%，即對前3個(gè)主成分分析已經(jīng)能夠反映全部數(shù)據(jù)的大部分信息。

因子1的方差貢獻(xiàn)率為51.536%，As的因子載荷為0.372，Hg、Cu、Pb、Cd的因子載荷分別為0.669、0.894、0.897、0.744。因子2的方差貢獻(xiàn)率為17.312%，As的因子載荷為0.906，Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的因子載荷

表4 重金屬主成分分析結(jié)果Table 4 Results of principal component analysis of heavy metal

分別為-0.154、-0.273、0.220、-0.265、0.016。因子3的方差貢獻(xiàn)率為16.654%，Ni的因子載荷為0.655，As、Hg、Cu、Pb、Cd的因子載荷分別為0.047、-0.656、0.170、-0.278、0.178。從因子載荷上來看，Hg、Cu、Pb、Cd有著相同的來源，As與Ni有著不同的來源。

3.2.3正定因子矩陣分析法

正定因子矩陣分析法(PMF)可對重金屬來源進(jìn)行定量解析，是一種基于多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)的定量化污染因子的分析方法[4]。該方法將原來眾多的且具有一定相關(guān)性的原始變量進(jìn)行線性變換，提取出數(shù)目較少且彼此間互不相關(guān)的重要變量，使用較少的有代表性的因子來解釋眾多變量的主要信息，并推測有關(guān)污染源的信息[21]。其公式如下：

(1)

式中：xij為樣本i中重金屬j的濃度；gik為污染源k在樣本i中的貢獻(xiàn)率；fkj為污染源k對重金屬j濃度的特征值;eij為殘差矩陣，由目標(biāo)函數(shù)Q計(jì)算得到。Q的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：uij為樣本i中重金屬j的不確定度。不確定度(Unc)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：p為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；C為實(shí)測濃度；MDL為重金屬檢測方法的檢出限。

將由6種重金屬元素組成的33組樣本數(shù)據(jù)表和相對應(yīng)的不確定度數(shù)據(jù)表導(dǎo)入EPA-PMF 5.0軟件中，6種重金屬元素中Cd和Hg被定義為“Weak”(S/N<1)，其余被定義為“Strong”(S/N>1)。設(shè)置不同的因子數(shù)(3～6)進(jìn)行多次迭代計(jì)算，結(jié)果表明，因子個(gè)數(shù)為4時(shí)，計(jì)算方案最為穩(wěn)定。4個(gè)因子對重金屬污染的貢獻(xiàn)率見圖3，PMF模型與主成分分析法總體上是趨于一致的。

由圖3可知，因子1、因子2、因子3、因子4的占比分別為34.4%、29.6%、27.7%和14.3%。As在各因子中污染貢獻(xiàn)率占比最大，因子1占50.3%，Hg、Cu、Pb、Cd具有相似的因子占比，Ni在各因子中占比較為均勻，結(jié)合元素分布的特征及現(xiàn)場調(diào)查情況，研究區(qū)西北部為碼頭作業(yè)區(qū)和居民生活小區(qū)，其他地方為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，因此，推斷出因子1為工業(yè)污染源，因子2為生活污染源，因子3為農(nóng)業(yè)污染源，因子4為自然源。As的污染源主要為工業(yè)生產(chǎn)，Hg、Cu、Pb、Cd的污染源主要為工業(yè)污染、生活污染和農(nóng)業(yè)污染。

圖3 重金屬污染貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of heavy metal pollution sources

3.3 土壤重金屬污染評價(jià)

地累積指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人類活動(dòng)對環(huán)境的影響[22]。為進(jìn)一步研究人類活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)對土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的影響，采用地累積指數(shù)法對土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)。

地累積指數(shù)法是研究土壤和沉積物中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，近年來已被廣泛應(yīng)用于人類活動(dòng)產(chǎn)生的土壤重金屬污染評價(jià)[23]，其公式如下：

(4)

式中：Igeo為重金屬i的地累積指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i的實(shí)測值；Si為研究區(qū)內(nèi)企業(yè)前期土壤重金屬背景值。重金屬地累積指數(shù)(Igeo)污染程度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

根據(jù)樣品地累積指數(shù)計(jì)算結(jié)果(圖4、表6)，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni樣品的總污染率分別為36.4%、15.2%、6.1%、15.2%、84.8%、15.2%，地累積指數(shù)均值為-0.03、-0.74、-0.45、-0.32、0.56、-0.38，污染程度依次為：Cd>As>Pb>Ni>Cu>Hg。但從整體上看，樣品地累積指數(shù)較低，大部分樣品無污染或輕污染，僅個(gè)別As和Cd樣品的地累積指數(shù)超過2，說明As和Cd在局部地區(qū)達(dá)到中—重污染，這可能與該區(qū)域相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)有關(guān)。

表5 地累積指數(shù)污染程度劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Geo-accumulation index and the criteria of pollution grade

圖4 地累積指數(shù)箱線圖Fig.4 Boxplots of the geo-accumulation index

表6 樣品地累積指數(shù)評價(jià)表Table 6 Evaluation of the geo-accumulation index based on the sampling site

3.4 生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是目前常用的評價(jià)土壤重金屬污染程度的方法之一。該方法主要結(jié)合重金屬的生物毒性系數(shù)、生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)[24]，計(jì)算出綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)，其計(jì)算公式如下：

(5)

表7 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Classification criteria of potential ecological risk index of soil heavy metals

研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)為82.69～585.41，平均為157.07，整體處于中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，個(gè)別點(diǎn)位為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(圖5)。根據(jù)研究區(qū)土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分布(圖6)可知，較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要位于其西部碼頭區(qū)。

圖5 綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)箱線圖Fig.5 Box plots of comprehensive potential ecological and environmental risk index

圖6 土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級分布圖Fig.6 Distribution map of comprehensive potential ecological risk level of heavy metals in soil

3.5 土壤污染防治建議

研究區(qū)土壤環(huán)境整體比較好，大部分樣點(diǎn)重金屬測試數(shù)據(jù)顯示未受污染，僅個(gè)別樣點(diǎn)為中—重污染，但測試值仍低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)[26]中規(guī)定的二類建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，因此，建議對研究區(qū)土壤污染防治以預(yù)防為主，規(guī)范企業(yè)土壤污染監(jiān)管。

對于高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和地累積指數(shù)較高的地區(qū)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)《湖北省污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》及《重點(diǎn)監(jiān)管單位土壤污染隱患排查指南(試行)》等相關(guān)文件開展土壤污染狀況排查，防止揚(yáng)塵、降雨徑流等造成二次污染，避免污染遷移擴(kuò)散，最大程度地降低高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場地對周邊地區(qū)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，加強(qiáng)研究區(qū)周邊人口集中生活區(qū)垃圾和污水的處理。對輕—中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，應(yīng)定期開展土壤污染隱患排查，在源頭上遏制土壤重金屬污染。

4 結(jié)論

通過對研究區(qū)及周邊地表33組樣品中的As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni 6種重金屬的采樣分析，取得了以下認(rèn)識(shí)：

(1) 區(qū)內(nèi)表層土壤重金屬As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的含量分別為7.02～57.9、0.03～0.46、24.4～74.6、20.5～59.1、0.16～2.31、11.7～55.1 mg/kg，平均值分別為12.97、0.095、40.75、30.06、0.4、38.16 mg/kg，土壤重金屬As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni含量背景值分別為7.65、0.068、25.8、25.3、0.13、30.5 mg/kg，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的平均值含量均高于區(qū)內(nèi)企業(yè)投產(chǎn)前表層土壤重金屬元素含量背景值。

(2) 通過重金屬元素相關(guān)性分析法分析，認(rèn)為表層土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6種重金屬元素間具有同源關(guān)系或復(fù)合關(guān)系。通過主成分分析法分析，認(rèn)為表層土壤中As與Hg、Cu、Pb、Cd、Ni受人類活動(dòng)影響形式不同，來自于不同的人為排放源。通過正定因子矩陣分析法分析，認(rèn)為As污染源主要為工業(yè)生產(chǎn)，Hg、Cu、Pb、Cd污染源主要為工業(yè)污染、生活污染和農(nóng)業(yè)污染。

(3) 通過地累積指數(shù)計(jì)算，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni樣品的總污染率為36.4%、15.2%、6.1%、15.2%、84.8%、15.2%，地累積指數(shù)均值為-0.03、-0.74、-0.45、-0.32、0.56、-0.38，污染程度依次為Cd>As>Pb>Ni>Cu>Hg。從整體上看，樣品地累積指數(shù)較低，大部分樣品無污染或輕污染，僅個(gè)別地區(qū)達(dá)到中—重污染。

(4) 研究區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為82.69～585.41，平均為157.07，整體處于中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要位于西部碼頭區(qū)。

(5) 建議在研究區(qū)西北側(cè)碼頭區(qū)開展土壤污染防治工作，以預(yù)防為主，規(guī)范企業(yè)土壤污染監(jiān)管，避免發(fā)生二次污染。