遼寧省土壤背景點位重金屬垂直分布特征與變化規(guī)律分析

李楊 問青春 王星蒙 丁振軍

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽 110161）

1 引言

重金屬是一類典型的土壤污染物，與其他污染物相比，具有隱蔽性、較差的移動性和易被富集性［1-2］等特點，是一種永久污染物和積累污染物。重金屬在土壤中以吸附態(tài)、結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)等形態(tài)存在，不易被微生物分解，在土壤中可不斷積累，通過食物鏈在生物體內(nèi)富集，對動植物造成極大的威脅和毒害，并通過接觸、食物鏈等途徑間接或直接威脅人類健康和生態(tài)安全。因此，重金屬污染土壤一直是國內(nèi)外研究的重點問題。本研究在“七五”期間遼寧省土壤環(huán)境背景值研究的基礎(chǔ)上，再次開展土壤背景點位系統(tǒng)的調(diào)查研究，對比分析30 多年來遼寧省土壤背景值變化情況，系統(tǒng)、全面地分析土壤重金屬累積特征與變化規(guī)律，并結(jié)合遼寧省產(chǎn)業(yè)格局，對土壤重金屬累積變化成因進行闡述，為重金屬污染防治及土壤環(huán)境管理提供靶向支撐。

2 研究區(qū)概況

遼寧省位于東北地區(qū)南部，在118°53′～125°46′E，38°43′～43°26′N 之間。陸地總面積14.86 萬km2，占全國的1.5%。全省山地、平地、水域占土地面積的比例分別為58.0%，33.0%和9.0%。地勢自北向南、由東西向中部傾斜，山地和丘陵分布于東西兩側(cè)，中部為長方形遼河平原。省內(nèi)有大小河流300 余條，其中，流域面積在5 000 km2以上的有17 條。主要水系為遼河、渾河、大凌河、太子河、繞陽河以及中朝兩國共有的界河鴨綠江。遼寧省共有棕壤、褐土、暗棕壤、黑土、草甸土、潮土等19 個土類253 個土種，土類數(shù)占全國的40%。

3 材料與方法

3.1 樣品采集

本研究在遼寧省“七五”期間土壤環(huán)境背景值調(diào)查基礎(chǔ)上，考慮長時間序列調(diào)查工作的連續(xù)性和可比性，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化污染源600 m 以內(nèi)、交通干線150 m 以內(nèi)、工礦企業(yè)用地300 m 以內(nèi)的原有背景點位，共采集土壤典型剖面79 個，其中，A 層土壤樣品79 個，B 層64 個，C 層57 個。用竹鏟或木鏟自下而上逐層采集各層最典型的中部樣品，每個采樣點的取土深度和取樣量保持一致［3］，每層土壤用四分法均勻混合選取2 kg 樣品。

3.2 樣品分析

采集完的土壤樣品送至樣品制備與流轉(zhuǎn)中心，于風(fēng)干室中自然風(fēng)干，除雜質(zhì)后研磨過100 目和200 目尼龍篩，分析測定鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅、鎳、釩、錳、鈷、銀、鉈、銻、氟、硒、鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、硼、鋁、鎵、銦、鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釷、鈾、鍺、錫、鈦、鋯、鉿、鉍、鉭、碲、鉬、鎢、溴、碘和鐵等61 種元素的全量。采用國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分析測試方法（見表1）及質(zhì)控要求，準(zhǔn)確度控制采用插入國家有證土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品的方式進行，質(zhì)控測定結(jié)果均符合國家相關(guān)技術(shù)要求［4］。

表1 本研究使用的土壤樣品分析測試方法

3.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計和分析采用Excel2007，SPSS21.0 軟件，異常數(shù)據(jù)剔除采用Grubbs 檢驗法和Dixon 檢驗法。

4 結(jié)果與討論

4.1 土壤重金屬垂直分布特征

通過對采集到3 層樣品的點位進行土壤重金屬剖面垂直分布研究，重金屬在A，B，C 等3 層的垂直分布有4 種類型：一是自A 層到C 層，濃度呈高—低—高，呈“＜”形狀，；二是自A 層到C 層，濃度呈低—高—低，呈“＞”形狀；三是自A 層到C 層，濃度呈高—低—低，呈“/”形狀；四是自A 層到C 層，濃度呈低—低—高，呈“＼”形狀。

典型點位重金屬剖面垂直分布特征見圖1。

圖1 典型點位重金屬剖面垂直分布特征

分析典型點位重金屬分布特征發(fā)現(xiàn)，“＜”型為主要的分布類型，因重金屬向下遷移深度隨時間逐漸增加，在無外來輸入的情況下，將出現(xiàn)上低下高的淋溶淀積模式。大多數(shù)重金屬最大值均出現(xiàn)在A 層，是各種不同污染導(dǎo)致土壤重金屬在剖面中含量不斷增加，而重金屬的輸入速率大于其向下遷移的速率，加之土壤表層對部分重金屬的截留作用共同影響的結(jié)果。多數(shù)重金屬的垂直分布規(guī)律為A 層濃度最高，B層次之，C 層最低，符合重金屬垂直分布規(guī)律。

4.2 土壤重金屬變化規(guī)律分析

剔除部分剖面采集層次不全的點位及部分經(jīng)緯度偏離較大的點位，對本研究的調(diào)查結(jié)果與“七五”時期調(diào)查點位重合或接近的點位開展長時間序列變化趨勢分析。不同點位、不同層次的重金屬分布規(guī)律基本未發(fā)生改變；本研究的多數(shù)重金屬含量均大于“七五”時期調(diào)查；同一點位的A，B，C 等3 層重金屬的變化規(guī)律基本一致，見圖2。

圖2 本研究與“七五”時期調(diào)查結(jié)果對比分析

與“七五”時期調(diào)查結(jié)果比較，本研究調(diào)查所得的鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅、鋅、鎳等8 種重金屬濃度均值均升高，其中，汞和鎘含量增幅最大，變化率均超過100%，砷含量增幅最小，變化率為4.6%，見圖3。

圖3 本研究與“七五”時期調(diào)查土壤重金屬變化率

影響土壤背景值變化的因素有自然和人為兩種因素。自然因素為成土母質(zhì)和成土過程，成土母質(zhì)通常較為穩(wěn)定，成土過程是氣候、地形、時間、生物等因素的交互綜合作用，故自然因素對特定區(qū)域或地點的土壤背景值變化情況產(chǎn)生的影響可能較小。人為因素一方面是人類活動影響，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸和生活垃圾排放等；另一方面是不同檢測手段和快速發(fā)展的技術(shù)等因素的影響。本研究主要討論人為因素的影響。

（1）土地利用類型改變的影響。與“七五”時期相比，本次調(diào)查時，一些采樣點的土地利用方式已經(jīng)發(fā)生了變化，部分點位由未利用地變?yōu)檗r(nóng)用地。當(dāng)土地利用類型由未利用地變?yōu)檗r(nóng)用地時，由于農(nóng)耕生產(chǎn)過程會使用大量的肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜等，這些外源物質(zhì)都會向土壤中引入某些元素。例如目前市售的化肥中均含有一定量的重金屬［5］，再如生產(chǎn)磷肥用的磷礦石中含有較多的鋅、鉻、鎳、銅、鎘和鉛等［6］，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如長期不合理地使用化肥，特別是劣質(zhì)磷肥，會有向土壤中引入重金屬的風(fēng)險。還有研究表明，不同利用方式對土壤中鉻、鎳、銅、砷、鎘、鋅的含量有較大影響，平均含量順序均為設(shè)施菜地＞露天菜地＞大田＞林地，但對鉛含量的影響不顯著。7 種重金屬中以鎘的累積較嚴(yán)重，其次是銅。

（2）采樣點周圍環(huán)境改變的影響。本研究的調(diào)查中，多數(shù)采樣點的土地利用類型并未發(fā)生改變，但其周邊環(huán)境改變較多。遼寧省作為我國重要的老工業(yè)基地，工業(yè)門類齊全、體系完備，特別是裝備制造、石油化工、冶金等產(chǎn)業(yè)，在國家產(chǎn)業(yè)布局中占有重要位置。雖然近年來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)隨著“新時代東北振興是全面振興、全方位振興”的國家政策和戰(zhàn)略發(fā)展方向不斷調(diào)整，但重化工工業(yè)（化工、冶金）始終是遼寧省的主要產(chǎn)業(yè)類型。如采樣點附近建設(shè)工礦企業(yè)時，礦山開采及冶煉過程中“三廢”處置措施工藝落后造成周邊乃至下游地區(qū)土壤環(huán)境污染。部分工礦企業(yè)將未經(jīng)處理的廢水、廢氣和廢渣直接排放到工礦企業(yè)周圍，其中所含的鉻、鉛、錳、鋅、砷等重金屬會通過地表徑流、大氣沉降等方式進入土壤，極可能對附近的背景采樣點產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

（1）遼寧省土壤背景點位多數(shù)重金屬的垂直分布規(guī)律為自上而下濃度逐漸降低。土壤背景點位重金屬垂直分布規(guī)律為A 層濃度最高，B 層次之，C 層最低，符合重金屬垂直分布規(guī)律。

（2）土壤背景點位重金屬含量與“七五”時期調(diào)查相比有所上升，汞和鎘上升最多，變化率均超過100%；砷濃度上升最少，變化率為4.6%。同一點位的A，B，C 3 層重金屬的變化規(guī)律基本一致。

（3）影響遼寧省土壤背景點位重金屬變化的因素主要為背景點位及周邊土地利用方式的變化。遼寧重化工的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定了全省重金屬污染的總體格局。礦山開采及冶煉是局部地區(qū)土壤背景點位重金屬含量變化的主要因素，農(nóng)業(yè)面源污染也導(dǎo)致個別重金屬含量升高。