云南某化工廠廠區土壤重金屬分布特征分析

李麗娜 曾沛藝 吳見珣 魏中華 和麗萍＊

（云南省生態環境科學研究院,云南 昆明 650000）

隨著工業化進程推進,我國土壤正面臨嚴重的砷（梁桂云等,2015）和鉻（黃順紅,2009）污染。其中,可溶性六價鉻是國際公認的危險廢棄物,具有高致癌、致突變性,一旦釋放到環境中,將對人體健康產生嚴重威脅（尹貞等,2015）。生產場地廢料堆積區（如：鉻渣場）的重金屬污染治理已得到廣泛關注（黃順紅,2009；劉玉強等,2009；許友澤等,2011）。但企業投入運行后,重金屬在工廠不同功能區的分布特征及其成因尚需要進一步研究。本研究以云南省某廢棄了兩年的化工廠（主要生產重鉻酸鈉和鉻酸酐,生產過程中產生含鉻廢渣和含鉻廢水）為研究對象,分析土壤中砷、總鉻和六價鉻含量在該廠區不同功能單元的分布特征,并探討土壤物理性質對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,主要包括渣場堆放區、生產區和生活區三個功能區。廠區土壤重金屬污染物主要有鉻、砷等。采用樣線法和隨機布樣結合的方法布設采樣點,共設置了44 個采樣點（圖1）。參照《原狀土取樣技術標準》（JBJ89-92）,采用50 鉆機（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 個樣品。樣品采集后及時送實驗室進行分析。

圖1 土壤樣品分布

1.2 土壤樣品指標測定

1.2.1 土壤重金屬含量測定根據中華人民共和國國家標準（GB/T 22105.1-2008）測定土壤樣品中砷的含量；根據中華人民共和國國家標準（GB/T 17137-1997）測定土壤樣品中總鉻的含量；土壤硝解后,采用分光光度計測定六價鉻的含量（徐非和謝爭,2008）。

1.2.2 土壤物理性質測定

土壤中含水率、濕密度、干密度、飽和度、孔隙比、塑性指數、液性指數、有機質含量、垂直滲透系數、水平滲透系數和平均粒徑等指標按照土工試驗方法標準（GBT50123-1999）進行測定。

1.3 數據分析

采用ArcGIS 對土壤重金屬含量進行插值。采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）分析重金屬含量在渣場、生產區和生活區不同土層的差異；采用單因素方差分析（One-way ANOVA）分析表層（0～1m）土壤物理性質在三個功能區的差異；采用Pearson 相關系數分析表層土壤重金屬含量和土壤物理性質的關系。所有統計分析均在IBMSPSS 19.0 中完成。另外,根據《場地土壤環境風險評價篩選值》（DB11/T811-2011）的標準,當砷、總鉻和六價鉻的含量分別超過20mg/kg,800mg/kg 和30mg/kg 時,認為土壤重金屬含量超標。

2 結果

2.1 土壤重金屬分布特征

根據場地調查結果,對場地土壤的六價鉻和總砷用ArcGIS 進行插值計算做出土壤六價鉻和總砷濃度分布圖,如圖2 所示。根據插值結果可知六價鉻污染物主要分布在渣場中部偏廢水收集池區域,板栗園、生產區的干燥車間、原料堆放場、精細車間、鉻渣堆放場、成品車間和芒硝堆放地以及生活區原2 號水池與3 號水池之間的區域,這幾個區域的六價鉻濃度都在30 mg/kg 以上。而在場地上部渣場的四周,以及生活區和生產區的西部區域污染較輕,濃度低于評價標準30 mg/kg。砷污染主要分布在生產區的精細車間、鉻渣堆放場、成品車間、堆放芒硝的區域,生活區1 號廢水收集池和3 號廢水收集池之間的區域。濃度均高于評價標準20 mg/kg。原渝滇化工廠的總鉻污染主要分布在渣場中部區域生產區的精細車間、鉻渣堆放場、成品車間的區域,生活區1號廢水收集池和3 號廢水收集池之間的區域。這幾個區域總鉻濃度都在800 mg/kg 以上。濃度均高于北京市地方篩選值800 mg/kg。統計分析進一步表明：生活區和生產區土壤中砷和總鉻含量顯著高于渣場,而六價鉻的含量在三個區域沒有顯著差異（圖2(a)、(b)）。隨土壤深度增加,砷含量有增加的趨勢,總鉻含量則呈下降趨勢（圖2(a)、(b)）。生產區和渣場土壤中六價鉻含量隨土層厚度增加呈下降趨勢,在生活區則呈上升趨勢（圖2(c)）。

圖2 土壤重金屬含量在三個功能區的差異(ZC：渣場；

從渣場到生活區,土壤中砷含量超標率急劇增加。其中,生活區半數以上的土壤樣品砷含量超標；廠區土壤中六價鉻的超標率變化趨勢同砷的情況；生產區土壤中總鉻的超標率最高為18.2%,其余兩區超標率均低于3%（表1）。

表1 土壤重金屬含量超標情況

2.2 土壤物理性質

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

表2 表層土壤（0～1m）的物理性質（均值±S.E.）

2.3 表層土壤重金屬含量與土壤物理性質的關系

廠區表層土壤中砷含量與土壤含水率、孔隙比、液性指數、有機質含量呈顯著正相關,而與土壤密度（包括濕密度和干密度）、水平滲透系數呈顯著負相關（表3）。

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

表3 表層土壤（0～1m）重金屬含量與土壤物理性質的相關系數

3 討論與結論

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,三個功能區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土壤中六價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鉻弱。

正常情況下,渣場和生產區的重金屬污染程度應該遠較生活區嚴重（黃順紅,2009）,但本研究發現該廠生活區的砷、六價鉻超標情況最嚴重。有研究表明土壤養分含量與土壤重金屬含量之間不存在顯著的相關關系（劉世梁等,2008）,因此本研究著重探討了土壤物理性質與土壤重金屬的關系,本研究發現：原廠址生活區土壤的含水率、孔隙比和液性指數均最高,而濕密度、干密度、垂直滲透系數、水平滲透系數、平均粒徑均最低。與相關分析的結果對比發現,正是這些土壤物理化學特性決定了砷含量自北向南（從渣場到生活區）遞增的空間格局、導致了生活區砷含量嚴重超標的現象。同時,總鉻和六價鉻含量的空間分布也受這些土壤性質的制約。但與劉世梁等（2008）的研究結果不同的是,本研究發現土壤有機碳含量與砷含量存在顯著正相關,這說明土壤重金屬含量與土壤養分含量之間的關系可能受特定生產方式的影響。

總體而言,本研究發現對砷、總鉻、六價鉻含量分布均有顯著影響的土壤性質主要是與水分條件相關的性質（包括土壤濕密度、飽和度、液性指數、滲透率）和土壤粒徑。此外,土壤有機質含量對砷的含量顯著相關,而與總鉻和六價鉻的含量基本無關。本研究表明,在涉及鉻及砷的生產活動中,生產人員生活區選址需要考慮待建地區的土壤水分條件及粒徑,以避免重金屬污染對生產人員造成危害。