第一節　湖南省典型礦冶區土壤重金屬污染

土壤是高度變異的時空連續體，尤其是金屬礦冶區周邊土壤。土壤重金屬的積累不僅受自然因素的影響，還受人類活動的影響。在工業活動、自然因素等因素的相互影響下，土壤重金屬空間分布呈現多樣性，稻米質量安全趨于復雜多變。2012～2014年，中南大學薛生國教授團隊對湖南典型金屬礦冶區稻田（水稻土、0～20cm）進行系統調查，采用網格布點法（500m×500m）采樣，分析數據基于當時現場采集樣品。

一、鉛鋅礦冶區重金屬污染空間分異

1．土壤環境質量狀況

對湖南某鉛鋅礦區147個稻田土壤樣品中8種重金屬含量進行描述性統計分析（表2.1）。水稻土中Mn、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、As的平均值分別為392.5mg/kg、516.7mg/kg、650.2mg/kg、107.8mg/kg、11.7mg/kg、46.1mg/kg、29.4mg/kg、35.1mg/kg。

鉛鋅礦區稻田土壤中Mn、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni、As含量的變異系數分別為76%、130%、109%、224%、253%、58%、44%、121%，重金屬變異系數由小到大的順序為Ni＜Cr＜Mn＜Zn＜As＜Pb＜Cu＜Cd。變異系數反映各樣點含量的平均變異程度，變異系數越大，各樣點重金屬含量之間的差異及離散程度越大，受人類活動影響越大；變異系數越小，各樣點重金屬含量之間的差異及離散程度越小，受人類活動影響越小。Mn、Cr、Ni變異系數均小于100%而大于10%，呈中等變異；Pb、Zn、Cu、Cd、As呈高度變異，表明研究區農田表層土中8種元素含量受外界影響較大。

2．土壤重金屬污染的空間分布

基于半方差函數分析，使用ArcGIS地統計分析模塊對研究區農田土壤重金屬含量進行空間插值，形成Mn、Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、As的空間分布圖，如圖2.1所示。

由圖2.1可知，鉛鋅礦區稻田土壤Mn含量南面較北面高，東面、西面及中心有少數藍色區域Mn含量較低，小于235mg/kg，中心及南面呈現深橙色區域Mn含量大于該地區背景值（459mg/kg）。土壤中Pb、Zn、Cu、Cd、As分布相似：研究區中心區域含量較高，兩邊區域較低，其中Pb、Zn、Cu、As呈現由南到北，中心高于周邊的分布趨勢；土壤Pb含量在中心區域已高于1000mg/kg，中心區域土壤受Pb污染較重；在礦冶區Zn高達2000mg/kg，絕大部分區域Zn含量大于317mg/kg，研究區土壤受Zn污染較重；研究區西南面形成了一個含量高于115mg/kg的Cu中心；研究區絕大部分樣點呈現高Cd污染，尤其在中心偏北區域；在研究區中心偏南面區域有一深紅色區域，As含量高達117mg/kg，金礦附近區域As潛在危害較大；研究區土壤Cr含量整體偏低，呈現斑塊狀分布，整體周邊區域高于中心區域。

二、錳礦冶區重金屬污染空間分異

1．土壤重金屬污染狀況

對湖南省某錳礦冶區周邊93個表層土壤樣品進行分析，pH值及As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn含量如表2.2所列。礦冶區土壤pH值變化范圍在4.25～7.73，平均值為5.51，偏酸性。錳礦區表層土壤中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn平均含量分別為15.4mg/kg、2.38mg/kg、54.0mg/kg、29.7mg/kg、1810mg/kg、23.2mg/kg、86.6mg/kg、406mg/kg，Mn、Zn、Pb、Cd污染嚴重，尤其以Cd在土壤中的積累程度更為強烈。

變異系數越大，表明該區域受人為活動的干擾作用越強烈或受污染的程度越嚴重。根據變異系數可知，重金屬元素的變幅幾乎均高于50%，變幅最大的是As、Cd、Mn、Pb、Zn，變異系數均超過100%，分別為136%、184%、168%、117%、130%，屬于高等變異強度范圍。其次是Cr、Cu、Ni，變異系數為49%、78%、70%，屬于中等變異強度范圍。土壤中As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn 8種元素含量的偏度均大于0，As的峰度值最大。表明研究區有外源重金屬物質通過不同途徑進入農田土壤。

2．土壤重金屬污染空間分布

采用ArcGIS空間分析模型，對研究區93個表層土壤的重金屬總量濃度數據進行污染空間分布分析，采用普通克里金方法進行插值模擬，得到As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn的總量濃度在整個研究區的空間分布如圖2.2所示。

由圖2.2可知，土壤As、Cu、Pb、Zn、Ni含量以錳礦冶區為中心向四周降低，中心區域含量超過國家《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）二級標準；土壤Cd含量均以錳礦冶區為中心向四周降低，中心區域及周邊土壤鎘含量超過GB 15618—2018二級標準；土壤Mn含量以錳礦冶區為中心向四周降低，中心區域及其周邊含量超過湖南省背景值；而土壤Cr含量雖以錳礦冶區為中心向西南降低，研究區域土壤Cr含量均未超過GB 15618—2018二級標準。

由此可知，錳礦冶區區農田重金屬污染主要受礦業活動影響，污染物主要來源于錳礦開采冶煉工業生產過程。

三、有色金屬冶煉區周邊土壤重金屬污染

1．土壤重金屬污染狀況

對湖南省某大型有色金屬冶煉企業廠周邊土壤，采集表層（0～20cm）樣品 121個。從表2.3可知全地區121個表層點，Cd的平均濃度為0.76mg/kg，變化范圍為0.17～3.57mg/kg；Cr的平均濃度為76.0mg/kg，變化范圍為40.3～500mg/kg；Cu的平均濃度為28.2mg/kg，變化范圍為6.18～100mg/kg；Ni的平均濃度為24.0mg/kg，變化范圍為11.7～185mg/kg；Pb的平均濃度為40.9mg/kg，變化范圍為5.40～520mg/kg；Zn的平均濃度為128 mg/kg，變化范圍為53.9～597mg/kg。其中各重金屬超標數分別為：Cd 104個、Cr 2個、Cu 12個、Ni 2個、Pb 1個、Zn 12個，超標率分別為Cd 86%、Cr 1.7%、Cu 9.9%、Ni 1.7%、Pb 0.83%、Zn 9.9%。Pb在樣點土壤中的濃度差異最大，變異系數高達123%；Cd、Ni、Zn次之，變異系數分別為83%、68%和64%，Cr、Cu的濃度差異最小，變異系數分別為59%、57%，說明研究區不同樣點土壤中Pb 、Zn、Cr濃度在空間上差異比較大，顯現有重金屬元素以外源污染形式進入土壤環境的明顯特征。

2．土壤重金屬污染區域分異

利用ArcGIS軟件地統計分析將土壤重金屬濃度情況作成圖，可直觀地反映有色金屬冶煉企業周邊土壤重金屬濃度分布情況。從圖2.3中可以看出，土壤中重金屬以有色金屬冶煉企業為中心向四周逐漸降低，以此可初步判定，該有色金屬冶煉企業對于周邊土壤重金屬污染起到主要責任。重金屬在該研究區域農田土壤中積累的主要因素可能與該冶煉廠常年生產，排放廢水、廢氣、廢渣有關。距離冶煉廠100m范圍的表層土壤均受到不同程度的As、Cd、Cu、Pb、Sb、Zn、In和Tl污染，其中土壤As、Cd、Pb和Sb污染嚴重，此區域內已不適合種植農作物；隨著離有色金屬冶煉企業距離的增加，土壤受各污染元素污染程度有所減輕。