基于土壤质量地球化学评价的污染源追溯及研究
——以某地为例

王郅睿，韩朝辉，董 风，丁廉超，田 辉，刘瀚元

(中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100)

0 引言

土壤是珍贵的自然资源，是农业最基本的生产要素，也是实现农业可持续发展的基础依托[1-4]。近年来，全国土壤重金属污染问题逐渐突出[5-9]，在部分区域已经影响到食品安全[10-13]。汉江流域作为全国重要水源地和历史悠久的农业种植区，生态和土壤环境问题日益显现[14]，根据调查走访，研究人员了解到流域内某县出产的水稻重金属超标，水稻作为当地主要农作物，出现污染已经严重影响农民的生活，因此，在该区开展土壤质量评价工作，可以查清局部污染问题的根源，以期为该区土壤环境改善、土壤保护提供依据[15]。

1 研究区概况

研究区位于汉江流域陕西段某县城周边，面积约100 km2。全区以第四系冲-洪积物为主，盆地地貌，地势平坦。区内属北亚热带湿润季风气候，水系发育，土壤主要为黄棕壤、潮土和水稻土。研究区土地利用方式以耕地为主、其次为林地，主要作物有水稻、玉米、油菜和小麦。区内有大型钢铁厂一处，中小型工矿企业较多。

2 样品采集与数据处理

数据报出后，以中国地质调查局西安矿产资源调查中心制作的土地利用类型图为底图，利用GeoIPAS V4.2化探专业版软件进行数据统计及图件绘制。

3 土壤质量地球化学评价结果

3.1 土壤养分多指标评价

根据《评价规范》，在Se、Sr、F、I、N、P、K、Ca、Fe的单指标土壤养分分级基础上，计算了各评价单元的土壤养分地球化学综合等级。结果显示(图1)，该区域主要土壤养分等级以二等(较丰富)为主，占比61.53%，多分布于区内长期耕种农田内，以水田为主；其余为三等(中等)，多分布于接近山区的零散农田内，以旱地为主。总体农耕土壤养分较丰富，未出现大面积的单元素养分缺失，长耕水浇地情况较好。其中硒元素未出现大面积富集，多在三等(适量)以下。

图1 土壤养分多指标评价

3.2 土壤环境多指标评价

根据《评价规范》，在Cd、Pb、Cr、Ni、Hg、As、Zn、Cu等重金属元素单指标土壤环境分级基础上，计算了各评价单元的土壤环境地球化学综合等级。结果显示(图2)，工作区土壤环境综合等级以一等(清洁)为主，占比71.19%，二等(轻微污染)区域占比27.46%，三等(轻度污染)以上区域约1.8 km2，污染区域多位于图幅北部人类活动较密集的县城周边。

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[17]，区内主要污染元素为Cd，大于0.3 mg/kg的样品多达623件，已超过风险筛选值，占样品总数的68.5%，其中有11件样品大于1.5 mg/kg，已超过风险管制值，区内Cd峰值为7.36 mg/kg，超标23.5倍。其余元素中Hg、As在较小范围内出现轻微污染，达到风险筛选值的样品均小于10件。

3.3 土壤质量综合指标评价

根据《评价规范》，结合土壤养分与土壤环境评价结果，得到工作区土壤质量地球化学综合等级。结果显示(图3)，工作区土壤质量总体较好，其中一等(优质)占比35.19%，二等(良好)占比34.88%。三等(中等)占比28.53%，主要集中在江北岸和江南部某支流沿岸的人类活动密集区域，四等(差等)和五等(劣等)占比1.39%，主要分布在县城以北某支流两岸。

图2 土壤环境多指标评价

图3 土壤质量综合指标评价

4 污染源追溯及研究

4.1 污染源追溯

对土壤质量综合指标评价结果进行直观分析，土壤质量等级由南向北逐渐升高，且四等以上区域沿某河流向北延申，而该河流是周边农田的主要灌溉水来源，因此，研究人员首先将污水灌溉作为主要线索进行污染源追溯[18]。

沿主要灌溉渠向北追索，至某村后发现此地周边有一处大型化工厂，且村民正在将水稻改种为中药材等其他经济作物，初步认定此地为污染较严重区域。为确定污染情况，研究人员以此地为核心采集表层土壤样品10件，农作物样品4件(籽实、根、茎、叶各一件)，并沿灌溉渠以1点/km的密度采集表层土壤样品3件，此次采样工作距第一次在该区域附近采样间隔约3个月。

根据样品分析结果，研究人员首先通过土壤背景值进行对比分析。土壤地球化学背景值是指自然应力和人类活动共同作用影响下区域土壤的量值，以表层土壤元素含量表征[19]。背景值的求取首先对数据频率分布形态进行正态检验，服从正态或对数正态分布的，分别用算术平均值和几何平均值代表背景值；不服从正态分布的，则按算术平均值加减3倍标准离差反复剔除后，其平均值代表背景值[20-21]。数据统计和图件绘制借助Excel、MAPGIS 和Geochem Studio 软件完成。

表1 主要重金属元素背景值对比表

计算结果显示(表1),该区域表层土与植物样品Cd、Pb背景值均高于土壤质量地球化学评价区2倍以上，说明此两种重金属污染在这一区域具有较强普遍性。其中Cd超标率达到92.3%且部分样品超标倍数较高，除了Cu、Cr，其余元素均有超标显示(表2)。

表2 污染追溯区农田表层土各元素超标情况统计表

4.2 污染源区评价

由于污染源区域重金属超标凸显，研究人员确定以超标倍数指数来评价该区域重金属综合污染情况。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中规定的风险筛选值，计算每件样品各重金属元素的超标倍数指数C，利用内梅罗综合污染指数法计算各样品的综合污染倍数指数P，公式如下：

(1)

考虑到样品数较少，将05视为重度污染进行研究，若未出现超标指标，则P=0,视为清洁。

结果显示(图4)，选矿厂排污口上游农田为清洁，污染自该排污口开始出现，污染程度总体沿灌溉渠呈下降趋势；焦化厂排污口下游农田P>1，为中度污染区，自该排污口污染再次加重；居民区以东多数样品P<1，为轻度污染，有两处样品P>15，为重度污染，与周边相比出现较为突兀。

两处高值点通过植物样品进行验证，根据《食品安全国家标准 食物中污染物限量》[22]中规定的界限,居民区南部P=20.1处农田种植物为玉米，其籽实未出现重金属超标，而居民区东北P=16.9处农田种植物为药材商陆，其根、茎、叶均出现严重超标。植物样品超标元素与该区域表层土壤样品相近，以Cd、Pb为主，商陆入药部位为根部，根部 Cd超标22.1倍，污染较严重。由于两处农田作物差异较大，且与周边农田耕作方式不同，周边P<1处农田都为水田，长期种植水稻，灌溉流量较大，相对自净能力较好，而此两处农田为旱地，作物密度小，重金属易残留。综合推断，此两处高值是由耕作方式差异引发的污染累积效应所导致的。

图4 污染追溯区超标倍数综合评价示意图

综上所述，此区域可确定存在重金属污染源，污染元素为Cd、Pb，污染自选矿厂排污口开始出现，至焦化厂排污口再次加重，因此，选矿厂与焦化厂为两处主要污染源。该区域已采取改种作物的方式规避食品安全问题，改种后的玉米籽实虽未出现重金属超标，但土壤重金属污染情况仍在累积，另一种作物药材商陆对Cd、Pb有一定吸收作用，但本身超标严重导致无法食用，因而无法产生经济效益，以致面对持续污染保持土壤清洁压力较大，难以治本。

5 结语

(1)工作区内土壤养分以较丰富为主，未出现大面积的营养缺乏现象，说明该区域农田总体营养情况较好，施肥措施较为合理。

(2)区内土壤环境问题主要为重金属污染，主要污染元素为Cd，有一定区域出现轻微污染，且有小部分农田已到达到重度污染。

(3)区内总体土壤质量较好，但在重金属污染影响下，县城周边农田出现了一定面积的中等以下区域，该区内主要农作物为水稻、玉米和油菜，土壤质量关乎食品质量，而区内部分水稻样品已出现重金属超标，33件农作物籽实样品Cd超标率为61%，食品安全问题已经显现。

(4)区内重金属污染呈现明显的分带特征，总体污染程度在空间上以汉江为界，北岸大于南岸，在局部总体近水系大于远水系，初步确定污染物质与灌溉水相关。

(5)通过追溯发现两处工矿业污染源，主要途径为污水灌溉，在时间上有较强持续性，在空间上沿灌溉水向下游延伸，简单的改种作物并不能有效的解决问题，需要对污染源进行进一步治理和监控。

(6)该项工作尚存在不足：由于污染源调查工作较为敏感，相关灌溉水样品未采集，不能直观的分析各个排污口对灌溉水的影响；区内大气污染这一因素尚未分析，缺少大气沉降物样品。