何身焱， 刘 波， 王水华， 李红梅， 虞昊哲， 高 佩
(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)
工业园区作为经济发展的重要载体，不仅成为地区经济发展和区域核心竞争力提升的理想模式，同时也伴随着严重的环境风险[1]。由于园区工业企业集聚发展，环境管理和污染防治水平参差不齐，导致重金属污染物在土壤中不断累积。土壤重金属污染具有难降解、易积累、毒性大,隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，不仅引起城市土壤生态环境的恶化，而且通过地面扬尘、地表径流、地下水、食物链等途径严重危害城市居民的身体健康[2]。因此，对工业园区内土壤重金属分布特征及土壤环境状况的研究评价具有重要意义。
近些年来，国内不少学者开展了关于长江沿岸工业园区土壤重金属方面的研究。杨敏慧等[3]基于层次分析法对长江上游6处工业园区进行了环境风险评估；
郭杰等[4]采用相关性分析法和主成分分析法等方法分析长江中游近岸表层沉积物中重金属的来源，并采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对重金属进行了风险评价；
朱柳琴等[2]以长江南岸黄石段为研究区，通过单因子指数法和内梅罗综合指数法对研究区土壤环境质量进行评价分析；
刘万亮等[5]以长江北岸宜昌段某工业园区为研究对象，系统分析了园区土壤重金属分布特征及来源。
长江中游南岸某工业园依托长江“黄金水道”的区位优势，着力打造集生产、科研、商贸、生活于一体的多功能综合型现代化工业园区，目前，该区尚未开展有关土壤环境状况和风险评价工作。为此，本文基于统计学和ArcGIS的空间插值分析法等方法，对该区表层土壤(0～20 cm)中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6种重金属元素的污染状况进行分析研究，以期助力“长江大保护”和“长江经济带”建设。
研究区位于长江中游某沿江城市南岸，面积12 km2(图1)，是以农副产品加工、塑料管材、机械电子、造纸、石油化工和生物医药为主的轻型加工业，目前，共有60家相关企业入驻。用地类型以工业用地(60.65%)为主，绿地(15.18%)次之[6]。紧靠长江，地表水系发达，东北部和东部均有大型地表水体。地表岩性为粉质黏土，下伏淤泥质黏土和黏土。地下水位埋深为0.8～1.5 m，与长江水位联系密切。因此，土壤环境状况对周边水系将产生重要影响。
图1 土壤采样点位分布图Fig.1 Distribution map of soil sample points
2.1 样品采集与测试
采样点采取系统布点法和专业布点法相结合的方式，在剔除表层杂质后共采集表层(0～20 cm)土壤样品33组。采样工具为木铲。将野外采集的混合土壤样品按四分法等量取样混合，风干后再充分混合，样重为2 kg左右，用木棍碾压后过20目筛保存，再送实验室进行测试分析。
样品测试分析由湖北省地质实验测试中心承担，分析项目为As、Hg、Cu、Pb、Cd、Cr6+、Ni等7种金属元素。样品经王水消解后，采用原子荧光光谱法(AFS)测定As、Hg；
采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)测定Ni；
采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定Cu、Pb、Cd；
采用火焰原子吸收粉光光度法测定Cr6+。分析过程中采用国家一级标准物质控制准确度，采用土壤一级标准物质监控精度[5]，各元素合格率达100%。As、Cu、Pb、Cd、Ni的检出限均为0.01 μg/L，Hg的检出限为0.001 μg/L。
2.2 数据处理
根据样品测试结果，土壤中有4组样品检测出Cr6+，且含量较低，故本次研究采用Excel2016、SPSS24对土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6种重金属元素含量、土壤环境质量进行数据统计分析，利用EPA-PMF 5.0软件进行重金属来源解析，并使用ArcGIS进行空间插值和成图。
据相关环评报告[7-14]，将2018—2020年期间研究区企业未生产前的土壤重金属元素(As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni)测试数据进行统计(共12组)，剔除极值后进行算术平均数计算，求得区内表层土壤重金属含量背景值(表1)。结果表明，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的平均值均高于研究区表层土壤重金属含量背景值。
3.1 土壤重金属含量统计分析
研究区表层土壤重金属含量空间分布情况见表2、图2。各重金属含量变化差异较大，As为7.02～57.9 mg/kg，Hg为0.03～0.46 mg/kg，Cu为24.4～74.6 mg/kg，Pb为20.5～59.1 mg/kg，Cd为0.16～2.31 mg/kg，Ni为11.7～55.1 mg/kg，其平均值分别为12.97、0.095、40.75、30.06、0.4、38.16 mg/kg。As浓度较高区域在研究区中部，总体上其含量呈中部向四周同心圆状递减；
Hg、Cu、Cd呈西北部港口码头区高，向东南方向呈递减趋势。
表1 工业园区表层土壤重金属含量背景值(mg/kg)Table 1 Background values of heavy metals in the surface soil of industrial park
图2 表层土壤重金属含量空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of soil heavy metal content
重金属元素的变异系数(CV)可反映样本中各采样点的平均变异程度，若变异系数越大，表明重金属元素含量的空间分布越不均匀，存在外源物质进入导致局部污染和受人类活动影响较大的特点[15-16]。从整体上看，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的变异系数分别为73.17%、81.04%、23.05%、27.77%、95.44%和23.06%。
根据Wilding等[17]对变异系数的分类，CV<0.16为低变异，0.16≤CV<0.36为适中变异，CV≥0.36为高变异。根据统计数据分析，As、Hg、Cd为高变异，受人类活动和工业生产影响较大，应予以重点关注。
表2 表层土壤样品重金属含量统计特征表(mg/kg)Table 2 Statistical characteristics of heavy metalscontent (mg/kg) in surface soil samples
3.2 土壤重金属污染源分析
3.2.1元素相关性分析
重金属元素相关性分析(CA)广泛应用于判别重金属污染的来源，重金属元素相关性显著说明元素间具有同源关系或复合关系[18]。根据表层土壤样品中重金属相关性分析(表3)，As-Pb、Pb-Hg、Pb-Cu、Pb-Cd、Pb-Ni的相关性是显著的，因此，从表3中可以推断出As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6种重金属元素间具有同源关系或复合关系。
表3 表层土壤样品中重金属相关性系数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)也可以用来判别土壤中重金属污染的来源[19-20]。通过对研究区表层土壤中6种重金属元素进行因子分析，经验证，校验系数(KMO值)为0.566(>0.5)，显著性水平为0.00(<0.01)，表明原始数据适合用主成分分析法分析(表4)。数据中前三个主成分可以解释总变量的85.502%，即对前3个主成分分析已经能够反映全部数据的大部分信息。
因子1的方差贡献率为51.536%，As的因子载荷为0.372，Hg、Cu、Pb、Cd的因子载荷分别为0.669、0.894、0.897、0.744。因子2的方差贡献率为17.312%，As的因子载荷为0.906，Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的因子载荷
表4 重金属主成分分析结果Table 4 Results of principal component analysis of heavy metal
分别为-0.154、-0.273、0.220、-0.265、0.016。因子3的方差贡献率为16.654%，Ni的因子载荷为0.655，As、Hg、Cu、Pb、Cd的因子载荷分别为0.047、-0.656、0.170、-0.278、0.178。从因子载荷上来看，Hg、Cu、Pb、Cd有着相同的来源，As与Ni有着不同的来源。
3.2.3正定因子矩阵分析法
正定因子矩阵分析法(PMF)可对重金属来源进行定量解析，是一种基于多元统计技术的定量化污染因子的分析方法[4]。该方法将原来众多的且具有一定相关性的原始变量进行线性变换，提取出数目较少且彼此间互不相关的重要变量，使用较少的有代表性的因子来解释众多变量的主要信息，并推测有关污染源的信息[21]。其公式如下：
(1)
式中：xij为样本i中重金属j的浓度；
gik为污染源k在样本i中的贡献率；
fkj为污染源k对重金属j浓度的特征值;eij为残差矩阵，由目标函数Q计算得到。Q的计算公式如下：
(2)
式中：uij为样本i中重金属j的不确定度。不确定度(Unc)的计算公式如下：
(3)
式中：p为相对标准偏差；
C为实测浓度；
MDL为重金属检测方法的检出限。
将由6种重金属元素组成的33组样本数据表和相对应的不确定度数据表导入EPA-PMF 5.0软件中，6种重金属元素中Cd和Hg被定义为“Weak”(S/N<1)，其余被定义为“Strong”(S/N>1)。设置不同的因子数(3～6)进行多次迭代计算，结果表明，因子个数为4时，计算方案最为稳定。4个因子对重金属污染的贡献率见图3，PMF模型与主成分分析法总体上是趋于一致的。
由图3可知，因子1、因子2、因子3、因子4的占比分别为34.4%、29.6%、27.7%和14.3%。As在各因子中污染贡献率占比最大，因子1占50.3%，Hg、Cu、Pb、Cd具有相似的因子占比，Ni在各因子中占比较为均匀，结合元素分布的特征及现场调查情况，研究区西北部为码头作业区和居民生活小区，其他地方为农业种植区，因此，推断出因子1为工业污染源，因子2为生活污染源，因子3为农业污染源，因子4为自然源。As的污染源主要为工业生产，Hg、Cu、Pb、Cd的污染源主要为工业污染、生活污染和农业污染。
图3 重金属污染贡献率Fig.3 Contribution rate of heavy metal pollution sources
3.3 土壤重金属污染评价
地累积指数不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人类活动对环境的影响[22]。为进一步研究人类活动、工业生产对土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的影响，采用地累积指数法对土壤重金属污染进行评价。
地累积指数法是研究土壤和沉积物中重金属污染程度的定量指标，近年来已被广泛应用于人类活动产生的土壤重金属污染评价[23]，其公式如下：
(4)
式中：Igeo为重金属i的地累积指数；
Ci为土壤中重金属i的实测值；
Si为研究区内企业前期土壤重金属背景值。重金属地累积指数(Igeo)污染程度划分标准如表5所示。
根据样品地累积指数计算结果(图4、表6)，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni样品的总污染率分别为36.4%、15.2%、6.1%、15.2%、84.8%、15.2%，地累积指数均值为-0.03、-0.74、-0.45、-0.32、0.56、-0.38，污染程度依次为：Cd>As>Pb>Ni>Cu>Hg。但从整体上看，样品地累积指数较低，大部分样品无污染或轻污染，仅个别As和Cd样品的地累积指数超过2，说明As和Cd在局部地区达到中—重污染，这可能与该区域相关企业的生产有关。
表5 地累积指数污染程度划分标准Table 5 Geo-accumulation index and the criteria of pollution grade
图4 地累积指数箱线图Fig.4 Boxplots of the geo-accumulation index
表6 样品地累积指数评价表Table 6 Evaluation of the geo-accumulation index based on the sampling site
3.4 生态环境风险评价
潜在生态风险指数法是目前常用的评价土壤重金属污染程度的方法之一。该方法主要结合重金属的生物毒性系数、生态效应和环境效应[24]，计算出综合潜在生态风险指数(RI)，其计算公式如下：
(5)
表7 土壤重金属潜在生态风险指数分级标准Table 7 Classification criteria of potential ecological risk index of soil heavy metals
研究区综合潜在生态风险指数(RI)为82.69～585.41，平均为157.07，整体处于中度生态风险，个别点位为较高生态风险和高生态风险(图5)。根据研究区土壤重金属综合潜在生态风险等级分布(图6)可知，较高生态风险和高生态风险地区主要位于其西部码头区。
图5 综合潜在生态风险指数箱线图Fig.5 Box plots of comprehensive potential ecological and environmental risk index
图6 土壤重金属综合潜在生态风险等级分布图Fig.6 Distribution map of comprehensive potential ecological risk level of heavy metals in soil
3.5 土壤污染防治建议
研究区土壤环境整体比较好，大部分样点重金属测试数据显示未受污染，仅个别样点为中—重污染，但测试值仍低于《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)[26]中规定的二类建设用地土壤污染风险筛选值，因此，建议对研究区土壤污染防治以预防为主，规范企业土壤污染监管。
对于高生态风险和地累积指数较高的地区，企业应根据《湖北省污染源自动监控管理办法》及《重点监管单位土壤污染隐患排查指南(试行)》等相关文件开展土壤污染状况排查，防止扬尘、降雨径流等造成二次污染，避免污染迁移扩散，最大程度地降低高生态风险场地对周边地区环境的风险;同时，加强研究区周边人口集中生活区垃圾和污水的处理。对轻—中生态风险地区，应定期开展土壤污染隐患排查，在源头上遏制土壤重金属污染。
通过对研究区及周边地表33组样品中的As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni 6种重金属的采样分析，取得了以下认识：
(1) 区内表层土壤重金属As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni的含量分别为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，平均值分别为12.97、0.095、40.75、30.06、0.4、38.16 mg/kg，土壤重金属As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni含量背景值分别为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区内企业投产前表层土壤重金属元素含量背景值。
(2) 通过重金属元素相关性分析法分析，认为表层土壤中As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni等6种重金属元素间具有同源关系或复合关系。通过主成分分析法分析，认为表层土壤中As与Hg、Cu、Pb、Cd、Ni受人类活动影响形式不同，来自于不同的人为排放源。通过正定因子矩阵分析法分析，认为As污染源主要为工业生产，Hg、Cu、Pb、Cd污染源主要为工业污染、生活污染和农业污染。
(3) 通过地累积指数计算，As、Hg、Cu、Pb、Cd、Ni样品的总污染率为36.4%、15.2%、6.1%、15.2%、84.8%、15.2%，地累积指数均值为-0.03、-0.74、-0.45、-0.32、0.56、-0.38，污染程度依次为Cd>As>Pb>Ni>Cu>Hg。从整体上看，样品地累积指数较低，大部分样品无污染或轻污染，仅个别地区达到中—重污染。
(4) 研究区综合潜在生态风险指数为82.69～585.41，平均为157.07，整体处于中度生态风险，较高生态风险和高生态风险地区主要位于西部码头区。
(5) 建议在研究区西北侧码头区开展土壤污染防治工作，以预防为主，规范企业土壤污染监管，避免发生二次污染。
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