朱柳琴， 卢 鹏， 沈 军， 刘 徽， 闫 芳， 王 宇， 宋玉龙

(湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435100)

土壤对城市生态环境建设、经济社会可持续发展具有重要支撑作用[1]。随着城市化和工农业快速发展，各种各样的人类活动如交通运输、工业生产、市政建设、生活垃圾堆积等，不断将含有重金属元素的污染物排入土壤。由于重金属元素具有隐蔽性、潜伏性、长期性和不可逆性等特征，使其逐渐在土壤中累积，并通过大气、扬尘、水体、食物链等途径直接或间接威胁人类的健康甚至生命[2]。因此，研究土壤中重金属污染特征并采取相应的防治措施具有重要意义。

近年来，国内外学者高度关注土壤重金属污染状况，开展了相关研究工作。Benhaddya等[3]采用GIS技术研究了阿尔及利亚表层土壤重金属元素的空间分布特征及其污染状况；朱柳琴等[4]采用单因子指数法和内梅罗综合指数法评价了黄石大冶湖生态新区核心区土壤重金属环境质量；王天欣等[5]等采用潜在生态风险指数法等方法评价了长春市建成区表层土壤重金属元素的空间分布情况及其污染程度；赖书雅等[6]采用多种方法评价了南阳盆地东部山区土壤重金属元素分布特征及生态风险；杜昊霖等[7]采用地累积指数法和潜在生态风险指数法评价了青藏高原典型流域土壤重金属生态风险。相关研究表明，分析土壤重金属元素分布特征、评价重金属污染程度可以为提高土壤环境保护水平提供依据。

湖北省黄石市正依托长江“黄金水道”，以黄石港工业园、西塞山工业园、黄石新港物流(工业)园和富池工业园为重点，着力打造黄石沿江经济带。黄石沿江经济带建设对长江沿岸带黄石段的土壤环境质量要求较高，但目前该区尚未开展相关研究工作。为此，本次基于统计学方法和GIS技术，研究长江沿岸带黄石段表层土壤(0～20 cm)中Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8种重金属元素的分布特征，评价该区土壤环境质量，以期对该区土壤污染防治提出对策建议，助力“长江大保护”和“长江经济带”建设。

1 研究区概况

长江沿岸带黄石段北起黄石长江大桥，南至富池镇，沿长江南岸岸线向南延伸约1 km(图1)，分为黄石城区段、西塞段，总长约30 km，面积约32.42 km2。研究区用地类型以建设用地为主(占比78.19%)，农用地次之(占比10.94%)，城市绿地(5.64%)、风景旅游用地(3.11%)、交通用地(2.12%)等相对较少。

2 工作方法

2.1 样品采集与测试

在研究区内按2.6样/km2的密度采集表层土壤样，共采集84件样品(图1)。采样时，先在样点周围20 cm范围内使用竹铲或竹片采集5件子样品，然后充分混合子样品并采用四分法留取1.0～1.5 kg装入样品袋，送实验室进行分析测试。

图1 土壤采样点位分布图Fig.1 Distribution map of soil sampling points

样品测试由湖北省地质局第六地质大队实验室承担，分析项目为Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg 等8种重金属元素。样品测试执行《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[8]、《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准》(GB 36600—2018)[9]、《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)[10]等技术标准。本次测试插入8件内部监控样品和4件内检样品，各元素的测试方法、检出限如表1所示。各元素测试数据的报出率、准确度合格率、精密度合格率及内检合格率均为100%，符合规范要求，数据质量可靠。

表1 各元素测试方法及检出限Table 1 Test methods and detection limits for each element

2.2 数据处理

采用Excel 2010对土壤重金属元素含量、土壤环境质量进行统计分析，空间插值和成图采用ArcGIS完成。

3 结果与讨论

3.1 土壤重金属元素含量特征

研究区表层土壤重金属元素含量分布情况如表2、图2所示。各重金属元素含量差异较大，Zn含量为69.52～1 996.95 μg/g，Ni为16.16～113.05 μg/g，Cd为0.009～36.81 μg/g，Cu为21.49～534.72 μg/g，Cr为44.24～278.43 μg/g，Pb为26.50～795.18 μg/g，As为7.18～119.12 μg/g，Hg为57.30～606.50 ng/g，平均值分别为255.11、38.34、2.57、75.82、106.01、187.57、25.92 μg/g和191.50 ng/g。

图2 土壤重金属元素含量空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metal elements

表2 土壤重金属元素参数统计表Table 2 Statistical table of soil heavy metal element parameters

与鄂州—黄石地区表层土壤背景值(简称背景值)[11]相比，上述重金属元素含量平均值均高于背景值；就单样品而言，Ni含量超过背景值的样品占69.05%，Cr含量超过背景值的样品占67.86%，其余各元素含量超过背景值的样品占比均>85%，说明8种重金属元素在长江沿岸带黄石段土壤中均具有一定程度的累积。与《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中规定的一类建设用地土壤污染风险筛选值(简称筛选值)[9]相比，Ni、Cd、Cu、Pb、Hg含量平均值远低于筛选值，As含量平均值略高于筛选值，但低于一类建设用地土壤污染风险管制值(简称管制值)；就单样品而言，Cd、Pb、As分别有4件、16件、19件样品的含量超过了筛选值，超标率分别为4.76%、19.05%、22.62%，但均未超过管制值。因此，整体而言长江沿岸带黄石段土壤环境质量良好，但需注意控制Cd、Pb、As的排放。

3.2 土壤重金属元素含量变异系数

自然条件下，土壤中重金属元素含量波动范围较小，但是在人类活动影响下，重金属元素含量会出现超标，从而对土壤造成不可恢复性的影响。一般变异系数越大，说明元素在土壤中的含量分布越不均匀，可能受人类活动影响越大[12]。由表2可知，Cd、Pb、Cu、Zn属强变异型元素(变异系数>1)，说明这4种重金属元素受人为因素影响较大，应给予格外关注。

3.3 土壤环境质量评价

3.3.1单因子指数法

单因子指数法是指土壤中某种重金属元素含量实测值和土壤环境质量评价标准值之比[13]，即：

(1)

式中：Pi为重金属元素i的单因子指数；Ci为i的含量实测值；Si为i的土壤环境质量标准值。

单因子环境质量分级标准见表3。本次采用一类建设用地土壤污染风险筛选值[9]作为土壤环境质量标准，各重金属元素单因子指数评价结果如图3所示。

表3 土壤单因子环境质量分级标准Table 3 Classification standard of soil single-factor environmental quality

依据单因子指数评价结果(图3)，Ni、Cu、Hg的Pi值均≤1，表明长江沿岸带黄石段土壤的Ni、Cu、Hg环境质量为优(图3-a)。Cd的单因子环境质量整体为优，唯有黄石港钢铁厂和西塞山区政府附近为良(图3-b)。Pb的单因子环境质量整体为优，仅大冶钢厂、黄石码头附近为良(图3-c)。As的单因子环境质量整体为优，黄石港钢铁厂—西塞山风景区为良，西塞山风景区核心区为一般(图3-d)。

图3 土壤单因子指数评价图Fig.3 Evaluation chart of soil single-factor index

3.3.2内梅罗综合指数法

单因子指数法只能反映土壤单个重金属元素的环境质量，不能全面反映土壤综合环境质量，而内梅罗综合指数法在加权过程中避免了权重系数中主观因素的影响，兼顾了单因子指数法平均值和最高值，可以突出质量指数较高的重金属污染物的影响，对土壤中多种重金属的超标情况进行综合评价[14]。计算公式为：

(2)

内梅罗综合环境质量分级标准见表4。依据内梅罗综合指数评价结果(图4)，长江沿岸带黄石段大部分地区的土壤环境质量为优良，面积约26.7 km2，占整个研究区面积的82.28%；而黄石码头—西塞山码头一带(5.72 km2)的土壤环境质量为一般，占整个研究区面积的17.72%。

表4 土壤综合环境质量分级标准Table 4 Classification standard of soil integrated environmental quality

3.4 土壤污染防治建议

研究区土壤环境质量一般的区域分布于黄石码头—西塞山码头一带(图4)，应在这些地区开展土壤污染防治，建议以预防为主，监控废水、废气、废碴排放和农药、化肥使用，通过一定的措施改良土壤，推广使用天然气等清洁能源。

图4 土壤内梅罗综合指数评价图及污染防治分区图Fig.4 Map of soil Nemerow integrated index evaluation and pollution control zoning

(1) 1号区域土壤环境质量一般，建议以预防为主，做好实时监控。内梅罗综合指数显示胜阳港街道东南侧一带土壤环境质量一般，单因子指数显示该地区土壤中除Pb外，其余元素环境质量均为优。该地区属于城市人口密集区，多分布医院、学校、商业区、住宅区等，Pb的累积可能是由汽车尾气、城市固体废弃物排放所致。根据该地区土壤理化性质和超标情况，建议加强对周围土壤环境质量的实时监测；选择合适的绿化植物，改善公路两侧的绿化带；提倡使用新能源汽车，妥善处置废弃车辆。

(2) 2号区域土壤环境质量一般，建议控制污染排放，避免重大工程规划建设。内梅罗综合指数显示西塞山区政府一带土壤环境质量一般，单因子指数显示该地区土壤的Pb、Cd环境质量为良，其余元素为优。

该地区属于城区，推测Pb主要来源于城市垃圾和汽车尾气排放，Cd主要来源于上游工厂排放的废水和电厂带来的颗粒污染物。该地区为公路、铁路规划用地，交通建设可能加重土壤重金属沉淀。因此建议在该区进行场地污染调查、风险评估、场地分类和修复治理，并加强对上游工厂的管控，严格按国家标准控制工厂废料的排放量和排放浓度。

(3) 3号区域土壤环境质量一般，建议以预防为主，加强监控预警，促进能源产业升级。内梅罗综合指数显示西塞山区政府以东—西塞山风景区以西土壤环境质量一般，单因子指数显示该地区土壤As、Cd、Pb环境质量为良，其余元素为优。该地区为炼钢厂、炼铁厂、化工厂及村民居住区，Pb的累积可能是由工厂、汽车排放含铅废气和农业施用化肥导致的；Cd的累积可能来源于矿石的冶炼、含镉废弃物的不当处理以及磷肥的施用；As的累积可能是由含砷农药等化工产品的生产和使用、煤的燃烧导致的。由此来看，煤炭和农药的使用可能是相关重金属污染的主要源头，因而在该地区应加强环境监控，鼓励使用天然气等清洁能源，对高砷煤采取强制性脱砷处理，禁用重金属含量超标的农药，加强垃圾的回收治理。

(4) 4号区域土壤环境质量一般，建议以预防为主，做好实时监测，采用植物修复法提高土壤净化能力。内梅罗综合指数显示西塞山风景区西侧一带土壤环境质量一般，单因子指数显示该地区土壤As环境质量为良，推测As的累积可能是由上游工矿企业排放导致的。该地区为西塞山风景区，建议对该地区土壤进行综合治理，优先种植能强吸收重金属的植物。

4 结论

(1) 在长江沿岸带黄石段采集了84件表层土壤样，检测显示Zn、Ni、Cd、Cu、Cr、Pb、As、Hg等8种重金属元素含量分别为69.52～1 996.95、16.16～113.05、0.009～36.81、21.49～534.72、44.24～278.43、26.50～795.18、7.18～119.12 μg/g和57.30～606.50 ng/g，平均值分别为255.11、38.34、2.57、75.82、106.01、187.57、25.92 μg/g和191.50 ng/g。上述重金属元素含量平均值均高于鄂州—黄石地区表层土壤背景值，Ni、Cd、Cu、Pb、Hg含量平均值远低于一类建设用地土壤污染风险筛选值，As含量平均值略高于该筛选值，但低于一类建设用地土壤污染风险管制值。

(2) 单因子指数法评价结果显示长江沿岸带黄石段土壤的Ni、Cu、Hg环境质量为优；Cd、Pb、As环境质量整体为优，唯有少数地区如黄石码头、西塞山区政府、大冶钢厂、西塞山风景区附近为良。内梅罗综合指数法评价结果显示长江沿岸带黄石段大部分地区(占比82.28%)的土壤环境质量为优良，黄石码头—西塞山码头一带(占比17.72%)的土壤环境质量为一般。

(3) 建议在黄石码头—西塞山码头一带开展土壤污染防治工作，以预防为主，监控废水、废气、废碴排放和农药、化肥使用，通过一定的措施改良土壤，推广使用天然气等清洁能源。