济南市某废弃化工厂区域土壤地球化学特征研究_赵庆令.pdf

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2 0 1 8年 3月 M a r c h2 0 1 8 岩 矿 测 试 R O C KA N DM I N E R A LA N A L Y S I S V o l . 3 7 ,N o . 2 2 0 1- 2 0 8 收稿日期 2 0 1 7- 0 8- 2 4 ;修回日期 2 0 1 7- 1 2- 1 2 ;接受日期 2 0 1 8- 0 3- 2 1 基金项目山东省地质勘查项目“ 铬污染土壤化学还原法修复机理及效果研究” ( 鲁地字〔 2 0 1 6〕 0 8 2号) 作者简介赵庆令, 高级工程师, 从事地质实验测试及水工环地质工作。E - m a i l z q l z b @1 2 6 . c o m 。 通信作者陈洪年, 研究员, 从事水工环地质工作。E - m a i l 1 3 8 6 4 1 7 1 1 2 3 @1 2 6 . c o m 。 赵庆令,安茂国,陈洪年, 等. 济南市某废弃化工厂区域土壤地球化学特征研究[ J ] . 岩矿测试, 2 0 1 8 , 3 7 ( 2 ) 2 0 1- 2 0 8 . Z H A OQ i n g - l i n g ,A NM a o - g u o ,C H E NH o n g - n i a n ,e t a l . R e s e a r c ho nG e o c h e m i c a l C h a r a c t e r i s t i c so f S o i l i naC h e m i c a l I n d u s t r i a l F a c t o r yS i t ei nJ i n a nC i t y [ J ] . R o c ka n dM i n e r a l A n a l y s i s , 2 0 1 8 , 3 7 ( 2 ) 2 0 1- 2 0 8 . 【 D O I 1 0 . 1 5 8 9 8 / j . c n k i . 1 1- 2 1 3 1 / t d . 2 0 1 7 0 8 2 4 0 1 3 5 】 济南市某废弃化工厂区域土壤地球化学特征研究 赵庆令,安茂国,陈洪年*,吴晓华,李清彩,王彩 ( 山东省鲁南地质工程勘察院,山东 兖州 2 7 2 1 0 0 ) 摘要随着我国城市产业布局升级, 高污染、 高能耗的化工企业被关停或搬离, 研究这些企业遗留地块土壤 的地球化学特征对污染场地风险管控具有重要的现实意义。本文在济南市某废弃化工厂原厂区采集了 1 0 0 件土壤样品, 测试 S i O 2、 A l2O3、 C a O 、 F e2O3、 K2O 、 M g O 、 N a2O 、 A s 、 B a 、 B r 、 C e 、 C l 、 C o 、 C u 、 G a 、 H f 、 L a 、 M n 、 N b 、 N d 、 N i 、 P 、 P b 、 R b 、 S 、 S c 、 S r 、 T h 、 T i 、 V 、 Y 、 Z n 、 Z r 、 C r 、 C r ( Ⅵ) 、 铬形态、 p H值、 有机质等 4 2项指标, 研究厂区土壤中 元素的地球化学特征。结果表明 研究区土壤中的总铬量在 1 0 2 5~ 2 4 5 0m g / k g , C r ( Ⅵ) 含量在 5 5 7 . 0~ 9 9 6 . 5m g / k g , C r ( Ⅵ) 含量占总铬量的 4 6 . 7 7 %。在 0~ 8 0c m深度内, 总铬、 C r ( Ⅵ) 含量随深度的变化并不 明显。随着深度增加, 离子交换态铬占总铬的比例有逐渐降低的趋势, 而残渣态铬占总铬的比例增大。土壤 的总铬含量与 p H值呈线性负相关, 相关系数为 - 0 . 8 4 7 0 , 而 C r ( Ⅵ) 与有机质、 p H值相关性均不显著。聚类 分析发现 C r 元素的来源单独成为一类, 主要为化工厂长期堆放大量铬渣引起的人为污染所致, 其他组分与 全国土壤、 黄淮海平原土壤则有着相似的自然源。 关键词地球化学特征;总铬;C r ( Ⅵ) ;土壤;聚类分析;化工厂 要点 ( 1 ) 查明了采样区土壤中总铬、 C r ( Ⅵ) 在平面及垂向上的分布特征。 ( 2 ) 探讨了土壤中铬的赋存形态, 发现离子交换态铬与 C r ( Ⅵ) 含量基本持平。 ( 3 ) 分析了理化指标对总铬及 C r ( Ⅵ) 的影响, 土壤 p H对总铬的影响较为明显。 ( 4 ) 聚类分析表明铬的富集是人为污染所致。 中图分类号X 8 2 5 ;O 6 1 4 . 2 4 2文献标识码A 土地是人类赖以生存的自然环境和农业生产的 重要资源, 随着国民经济的迅速发展, 土地的主体土 壤污染越来越突出。有毒重金属是典型的土壤污染 物, 具有隐蔽性、 难降解、 移动性差和易被富集等特 点, 可影响生态系统的结构与功能[ 1 - 2 ], 土壤重金属 污染问题已经引起了全世界的高度重视和深入研 究[ 3 - 5 ]。2 1世纪初期, 我国城市产业布局开始实施 了“ 退二进三” 政策, 即退出重污染、 高耗能的第二 产业, 进入商业、 服务业等第三产业, 关停、 破产、 改 造、 搬迁大量的化工企业。在这些化工企业遗留地 块的土壤进行环境地球化学特征研究, 可为推动污 染场地环境风险管控工作奠定基础。任文会等[ 6 ] 采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对化工厂 遗留场地土壤重金属潜在生态风险进行了定量评 价, 研究表明 厂区土壤环境 P b 、 C u 、 Z n 、 C r 和 A s 等 重金属元素含量普遍高于土壤背景值; 重金属在厂 区不同功能用地土壤中的分布存在较大差异, 表现 在生产功能区土壤显著富集; 在土壤垂直剖面上 ( 2 0 、 3 5 、 5 0 、 6 5 、 8 0c m ) , 重金属的质量比随深度增 加呈下降趋势, 并在土壤深度 2 0c m处显著富集; 不 102 ChaoXing 同监测点土壤重金属的潜在生态危害呈现明显的差 异性, 这与工厂不同功能用地有密切关联; A s 的土 壤污染贡献率高达 7 4 %, 明显高于其他重金属, 在 土壤治理和修复过程中应优先治理。孙贤斌等[ 7 ] 通过对淮南大通煤矿废弃地土壤重金属含量采样分 析, 利用 G I S 技术分析其空间分布与变异特征, 研究 显示 煤矸石释放的重金属在土壤底层富集, 化工厂 废水使表层土含量较高; 多数重金属元素之间正相 关关系显著, 具有同源性; H g 和 C d 与营养物质呈显 著正相关, C r 和 P b与营养物质呈显著负相关。重 金属污染受自然因素影响存在显著的较大结构性变 异, 空间变异均是微小尺度, 空间变异特征与复杂的 地物和人为干扰有关。这些研究详细地探讨了土壤 中重金属在横向或垂向空间的分布特征, 但没有涉 及重金属的形态分布特征, 因此, 也难以为污染修复 研究提供充分的依据。 图 1 采样点位置及布设图 F i g . 1 L o c a t i o na n dl a y o u t o f s a m p l i n gs i t e s 本文研究的废弃化工厂位于济南市天桥区, 该 厂自 2 0世纪中期开始生产铬盐产品, 产品包括工业 铬酸酐、 工业重铬酸钾及碱式硫酸铬等。因我国早 期整体生产工艺简单且环保意识相对薄弱, 该化工 厂区内经过长达半个世纪的铬盐生产、 铬渣堆放及 产品原料运输等活动, 使得旧厂区及其周边的土壤 可能受到了不同程度的铬污染。查清厂区及周围地 区土壤环境质量状况, 可为该区铬污染修复及风险 管控提供数据支撑。 1 研究区概况 济南市某废弃化工厂原厂区位于济南市天桥区 清河北路北侧, 南邻小清河仅5 0m , 北距黄河2k m , 顺河高架从厂区穿过, 如图 1所示。该厂自 1 9 5 8年 开始生产铬盐产品, 主导产品是铬酸酐, 2 0 0 9年从 天桥区清河北路整体搬迁至交通便捷、 承载能力强 的济南化工产业园区, 原厂不再生产铬盐, 并且 2 0 1 2年原厂区内多年来堆积的铬渣已基本处理完 毕。研究区内第四系松散沉积物分布广泛, 由南向 北厚度由薄变厚。沉积物特点以山前冲洪积层和黄 河多次改道形成的多层细颗粒冲积层为主[ 8 ]。该 区位于济南泉域的排泄区和黄河侧向补给区的交汇 地带。主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水岩 组, 由于工作区第四系主要由黏性土组成, 无良好的 含水层。厂内地下水位埋深 0 . 0 1~ 5 . 6 8m , 水位标 高 2 3 . 0 5~ 2 3 . 2 7m , 地下水主要补给来源为大气降 水、 黄河侧向补给和上游地下水的径流补给。地下 水的流向以小清河为界, 小清河以北地下水向南径 流, 小清河以南地下水向北径流。下渗补给下伏岩 浆岩裂隙水、 地下径流、 蒸发为其主要排泄途径。 2 实验部分 2 . 1 土壤样品的布设与样品采集 针对该污染场地的生产特点和车间分布情况, 参照 H J 2 5 . 2 2 0 1 4 场地环境监测技术指导 和 202 第 2期 岩 矿 测 试 h t t p ∥w w w . y k c s . a c . c n 2 0 1 8年 ChaoXing H J / T2 5 1 9 9 9 工业企业土壤环境质量风险评价基 准 等相关要求, 在铬污染重点区域选取 1 6 0 0m 2空 地, 按照1 0m 1 0m网格状布设2 5个试验点, 布点 示图如图 1所示。考虑到表层土壤和深层土壤在性 质、 类型、 特征等方面存在的差异性, 对表层和深层 土壤分别进行布点采样。每个试验点分层采集土壤 样品 4件, 地表以下 0~ 8 0c m深度每间隔 2 0c m取 样一件, 共采集了 1 0 0件土壤样品进行室内测试。 2 . 2 样品测试 S i O 2、 A l2O3、 C a O 、 F e2O3、 K2O 、 M g O 、 N a2O 、 A s 、 B a 、 B r 、 C e 、 C l 、 C o 、 C u 、 G a 、 H f 、 L a 、 M n 、 N b 、 N d 、 N i 、 P 、 P b 、 R b 、 S 、 S c 、 S r 、 T h 、 T i 、 V 、 Y 、 Z n 、 Z r 等共 3 3项, 依据 岩石矿物分析 ( 第四版) 中的“ 地球化学调查样品 分析 地球化学调查样品分析方法 X射线荧光光谱 法测定 3 4种主次痕量元素” 。 有机质测试方法依据 N Y/ T1 1 2 1 . 6 2 0 0 6 土 壤检测 第 6部分 土壤有机质的测定 。p H测试方 法依据 N Y/ T1 1 2 1 . 2 2 0 0 6 土壤检测 第 2部分 土壤 p H的测定 。 总铬的分析方法依据 H J 7 4 9 2 0 1 5 固体废物 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法 。C r 形态 分析项目包括 离子交换态铬、 碳酸盐结合态铬、 铁 锰氧化物结合态铬、 有机结合态铬、 残渣态铬等共 5 项, 依据 岩石矿物分析 ( 第四版) 中的“ 生态地球 化学评价分析 土壤形态分析 土壤( 沉积物) 的顺序 提取分析” 。C r ( Ⅵ) 的测试方法参考文献[ 9 ] 、 行业 标准 H J 6 8 7 2 0 1 4 固体废物 六价铬的测定 碱消 解火焰原子吸收分光光度法 和美国环保署标准 E P A 3 0 6 0 A A l k a l i n e D i g e s t i o n f o r H e x a v a l e n t C h r o m i u m 。 样品测试单位为山东省鲁南地质工程勘察院实 验测试中心, 分析过程中采用了标准样、 监控样、 外 检比对等多种质量控制手段。总铬的测试误差介于 -4 . 5 7 % ~3 . 8 0 %, C r ( Ⅵ)的 测 试 误 差 介 于 - 6 . 3 5 % ~8 . 1 5 %, 铬形态分析的测试误差介于 - 1 . 1 6 % ~9 . 8 2 %, 常 量 组 分 的 测 试 误 差 介 于 5 %, 其他微量组分的测试误差介于 2 0 %, 基本 上能够满足 D Z / T0 1 3 0 2 0 0 6 地质矿产实验室测 试质量管理规范 对分析质量的要求。 3 研究区土壤地球化学特征 3 . 1 污染场地土壤中铬含量特征 分析研究区 1 0 0件土样中总格和 C r ( Ⅵ) 的含 量及比例分布, 结果如图 2所示, 采样点的总铬含量 在 1 0 2 5~ 2 4 5 0m g / k g , 算术平均值为 1 6 3 9m g / k g , 是全国和黄淮海平原土壤环境背景值的 2 5 . 2 2倍和 2 4 . 8 9倍; 污染场地不同深度土壤总铬的分布如图 3 所示, 就各层土壤总铬的平均值而言, 2 0~ 4 0c m> 4 0~ 6 0c m> 6 0~ 8 0c m> 0~ 2 0c m , 平均值分别为 1 6 7 0 、 1 6 6 1 、 1 6 1 3 、 1 6 0 1m g / k g , 说明在 0~ 8 0c m深 度范围内, 总铬含量随深度的变化并不明显。表层 土壤的总铬含量低于其他层位土壤, 说明 C r 向下迁 移。C r ( Ⅵ) 的趋势类似。在强氧化条件下, C r ( Ⅲ) 可氧化成 C r ( Ⅵ) 形成黄色的铬酸盐阴离子 C r O 2 - 4 或橙色的重铬酸络阴离子 C r 2O 2 - 7 , 这两种络阴离子 都易溶于水, 因此, 在土壤铬污染的地区, 不能忽视 铬的垂向迁移, 尤其是铬向地下水的迁移。 图 2表明采样点的 C r ( Ⅵ) 含量在 5 5 7 . 0~ 9 9 6 . 5m g / k g , 算术平均值为 7 6 6 . 6m g / k g 。C r ( Ⅵ) 量占土壤中总铬量的 4 6 . 7 7 %, 说明污染场地土壤 中存在的 C r ( Ⅵ) 和 C r ( Ⅲ) 基本持平。如图 3所 示, 就各层土壤 C r ( Ⅵ) 平均值而言, 4 0~ 6 0c m> 6 0~ 8 0c m> 2 0~ 4 0c m> 0~ 2 0c m , 平均值分别为 7 7 9 . 9 、 7 6 7 . 1 、 7 6 6 . 8 、 7 5 0 . 7m g / k g , 由此可见, 在 0~ 8 0c m 深度范围内, C r ( Ⅵ) 含量随深度的变化也 不明显, 污染程度比较均匀, 造成这种现象的原因可 能是采样区域比较集中, 并且土壤层比较低洼, 上覆 的建筑垃圾空隙中蓄积了不少雨水( 裕兴化工厂区 紧邻小清河及居民生活区, 调查区周边建立有严密 的相互联系的环绕型垂直防渗帷幕, 杜绝污染的积 水向外围扩散) , 这些积水在局部区域内具有一定 程度的流动性、 纳污性及渗透性, 致使与建筑垃圾层 紧邻的表层土壤污染比较均匀。 图 2 污染场地土壤总铬和 C r ( Ⅵ) 的数据箱图 F i g . 2 B o xp l o t o f t o t a l C r a n dC r ( Ⅵ)i np o l l u t e ds o i l 对采集的 1 0件污染场地土壤样品进行铬形态 分析, 表 1中的数据显示, 各形态铬的数据变异系数 大小依次为 离子交换态 <碳酸盐结合态 <残渣态 302 第 2期赵庆令, 等 济南市某废弃化工厂区域土壤地球化学特征研究第 3 7卷 ChaoXing 图 3 不同深度土壤的总铬和 C r ( Ⅵ) 分布图 F i g . 3 T o t a l C r a n dC r ( Ⅵ)c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na t d i f f e r e n t s o i l d e p t h < 铁锰氧化物结合态 <有机结合态, 变异系数分别 为 6 . 7 4 %、 1 3 . 9 8 %、 2 5 . 4 6 %、 2 6 . 3 1 %、 3 3 . 6 3 %, 说 明采样区域土壤中离子交换态铬和碳酸盐结合态铬 的分布特征较为均匀, 反映了这两种形态的铬具有 较强的迁移能力和溶解能力, 那么, 离子交换态和碳 酸盐结合态的铬极有可能以 C r ( Ⅵ) 为主。各形态 铬的含量大小依次为 残渣态 >离子交换态 >有机 结合态 > 铁锰氧化物结合态 >碳酸盐结合态, 其含 量平均值分别为 6 0 5 . 6 、 5 9 0 . 5 、 1 5 0 . 1 、 1 2 5 . 5 、 5 3 . 2 4 m g / k g , 离子交换态和碳酸盐结合态两种形态含量 之和占总铬量的 4 2 . 2 1 %, 与 1 0 0个采样点土壤中 C r ( Ⅵ) 含量占总铬量的比例( 4 6 . 7 7 %) 基本吻合。 表 1 污染场地土壤铬形态分析数据统计 T a b l e 1 C o n c e n t r a t i o n s o f d i f f e r e n t f o r m s o f C r i np o l l u t e ds o i l 采样编号 C r 含量( m g / k g ) 离子 交换态 碳酸盐 结合态 铁锰氧化物 结合态 有机结合态残渣态 A 16 0 6 . 53 9 . 7 28 8 . 7 29 7 . 2 84 6 5 . 0 B 16 5 1 . 84 9 . 5 29 6 . 7 69 9 . 8 04 4 3 . 6 C 15 5 7 . 84 7 . 8 09 9 . 9 21 1 2 . 84 8 0 . 8 D 15 5 9 . 56 3 . 7 21 6 0 . 62 0 6 . 47 2 6 . 8 A 25 3 8 . 54 8 . 0 81 1 7 . 11 2 8 . 45 4 6 . 0 B 25 6 1 . 25 5 . 7 21 3 9 . 81 6 4 . 36 4 4 . 6 C 25 9 0 . 55 2 . 6 41 2 2 . 31 5 4 . 66 3 8 . 1 D 26 5 8 . 56 1 . 8 81 7 6 . 92 3 7 . 08 9 3 . 9 A 35 8 6 . 05 2 . 7 28 9 . 0 41 0 1 . 24 5 3 . 0 B 35 9 5 . 06 0 . 61 6 4 . 21 9 9 . 47 6 4 . 0 最大值6 5 8 . 56 3 . 7 21 7 6 . 92 3 7 . 08 9 3 . 9 最小值5 3 8 . 53 9 . 7 28 8 . 7 29 7 . 2 84 4 3 . 6 平均值5 9 0 . 55 3 . 2 41 2 5 . 51 5 0 . 16 0 5 . 6 变异系数( %)6 . 7 41 3 . 9 82 6 . 3 13 3 . 6 32 5 . 4 6 注 采样编号中的1 、 2 、 3 代表采样点1 、 采样点2 、 采样点3 ; A是0~ 2 0c m土壤 层, B是2 0 ~ 4 0c m土壤层, C是4 0 ~ 6 0c m土壤层, D是6 0 ~ 8 0c m土壤层。 由图 4可知, 离子交换态铬和残渣态铬所占总 铬量的比例均较高; 而碳酸盐结合态铬、 铁锰氧化物 结合态铬、 有机结合态铬占总铬量的比例均较低, 三 者之和仅约为总铬量的 1 / 5 。在 0~ 8 0c m深度范 围内, 随深度的增加, 离子交换态铬占总铬量的比例 有逐渐降低的趋势, 而残渣态铬残占总铬量的比例 随之增大; 碳酸盐结合态铬、 铁锰氧化物结合态铬、 有机结合态铬在 0~ 8 0c m范围内, 其含量占总铬量 的比例随深度的变化趋势不甚明显。造成这种现象 的原因是, 离子交换态铬和碳酸盐结合态铬的化学 价态以 C r ( Ⅵ) 为主, 自然状态下活性高、 毒性强, 在 由浅至深渗流的过程中, 在表层土壤的有机质、 铁锰 化合物等的作用下, 会促使 C r ( Ⅵ) 向 C r ( Ⅲ) 的转 化, 使得更多的铬被截留而固定下来[ 1 0 - 1 1 ]。 图 4 不同深度土壤的铬形态分析 F i g . 4 E x i s t i n gf o r mo f C r i np o l l u t e ds o i l a t d i f f e r e n t d e p t h 3 . 2 污染场地土壤的常量和微量组分特征 此次污染场地土壤的常量、 微量组分调查, 针对 1 0 件土壤样品进行了3 3 项指标测试( 表2 ) 。 就污 402 第 2期 岩 矿 测 试 h t t p ∥w w w . y k c s . a c . c n 2 0 1 8年 ChaoXing 表 2 污染场地土壤的常量、 微量组分数据统计分析 T a b l e 2 S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f c o n s t a n t a n dt r a c ec o m p o n e n t s i np o l l u t e ds o i l 组分 含量( m g / k g ) 最大值最小值平均值 变异系数 背景值 ( m g / k g ) 超背景 值倍数 组分 含量( m g / k g ) 最大值最小值平均值 变异系数 背景值 ( m g / k g ) 超背景 值倍数 S i O 2 5 1 . 5 24 9 . 0 55 0 . 3 41 . 5 96 4 . 8 70 . 7 8C o1 8 . 41 5 . 31 7 . 1 85 . 8 51 21 . 4 3 A l 2O3 1 3 . 0 61 2 . 7 41 2 . 8 90 . 7 91 2 . 8 41C r1 9 7 51 3 5 01 6 4 2 . 51 5 . 2 26 62 4 . 8 9 C a O7 . 3 56 . 9 17 . 0 92 . 14 . 11 . 7 3C u3 3 . 73 0 . 33 2 . 1 22 . 8 12 31 . 4 F e 2O3 5 . 4 85 . 1 85 . 3 31 . 5 94 . 6 41 . 1 5G a1 5 . 11 01 1 . 6 91 6 . 2 91 4 . 80 . 7 9 K 2O 2 . 7 5 62 . 6 4 92 . 6 91 . 1 62 . 3 41 . 1 5H f3 . 71 . 82 . 6 33 1 . 8 77 . 70 . 3 4 M g O2 . 5 42 . 52 . 5 20 . 5 91 . 8 81 . 3 4L a4 1 . 42 4 . 73 4 . 61 4 . 6 53 50 . 9 9 N a 2O 1 . 6 1 21 . 4 9 31 . 5 72 . 4 31 . 70 . 9 2M n9 7 3 . 17 8 3 . 78 6 9 . 6 68 . 0 97 0 51 . 2 3 A s1 31 1 . 31 2 . 0 24 . 5 71 11 . 0 9N b1 7 . 21 2 . 81 5 . 6 88 . 1 21 4 . 81 . 0 6 B a5 0 7 . 64 9 0 . 54 9 7 . 4 31 . 15 3 50 . 9 3N d3 52 0 . 32 8 . 2 21 4 . 4 92 61 . 0 9 B r4 . 32 . 93 . 71 4 . 1 331 . 2 3N i3 4 . 22 2 . 22 6 . 2 61 5 . 4 33 20 . 8 2 C e8 4 . 48 08 2 . 4 51 . 7 51 . 45 8 . 8 9P6 5 2 . 46 2 8 . 66 4 4 . 2 61 . 0 65 1 51 . 2 5 C l2 0 6 . 61 6 7 . 11 8 5 . 4 66 . 3 22 1 50 . 8 6P b2 7 . 72 0 . 32 4 . 6 49 . 5 52 21 . 1 2 R b9 4 . 15 6 . 46 8 . 8 72 0 . 4 51 0 00 . 6 9V8 4 . 38 1 . 58 2 . 9 91 . 0 98 21 . 0 1 S6 8 7 . 63 3 6 . 54 7 7 . 32 5 . 9 31 4 03 . 4 1Y2 1 . 11 2 . 71 5 . 5 61 9 . 4 82 60 . 6 S c1 5 . 51 3 . 31 4 . 4 24 . 4 61 01 . 4 4Z n4 5 8 . 51 0 5 . 52 7 5 . 85 2 . 2 26 24 . 4 5 S r1 6 8 . 11 5 1 . 11 5 6 . 63 . 5 61 7 50 . 9Z r1 3 3 . 71 1 5 . 41 2 2 . 1 84 . 5 92 3 00 . 5 3 T h1 7 . 91 1 . 61 5 . 2 31 4 . 5 81 11 . 3 9p H8 . 4 07 . 8 68 . 1 22 . 2 8// T i3 7 8 53 7 2 23 7 5 20 . 6 33 8 4 50 . 9 8有机质9 . 2 97 . 2 88 . 0 67 . 5 41 3 . 40 . 6 注 有机质的背景值为山东省土壤背景值, 数据来源于 山东省耕地质量提升 土壤改良修复实施方案( 2 0 1 6 2 0 2 0年) ; 其他指标的背景 值指黄淮海平原土壤背景值[ 1 2 ]。S i O 2、 A l2O3、 C a O 、 F e2O3、 K2O 、 M g O 、 N a2O 、 有机质的单位是%。 染场地土壤中各组分的变异系数而言, Z n 、 H f 和 S 的变异系数分别为 5 2 . 2 2 、 3 1 . 8 7 、 2 5 . 9 3 , 总铬的变 异系数为 1 5 . 2 2 , 说明污染场地土壤中这些元素分 布极不均匀, 局部产生污染; M g O组分的变异系数 最低, 仅为 0 . 5 9 , 说明 M g O在污染场地土壤中的分 布较为均匀。 将各指标的平均值与黄淮海平原土壤背景 值[ 1 2 ]相比较, 超背景值倍数大于 5 0的元素包括 C e , 超背景值倍数达到了 5 8 . 8 9 , C e 在 1 5个稀土元 素中是比较特殊的一个, 它有 C e 3 和 C e4 两种存在 价态, 其中 C e 3 易溶于水, 迁移性较强, 而 C e4 则极 易水解沉淀, 迁移能力极弱[ 1 3 ], 与黄淮海平原土壤 C e 背景值相比, C e在研究区土壤中出现强烈富集 现象, 体现了该区土壤环境氧化能力相对强些, 并且 p H值偏碱性条件。超背景值倍数大于 1 0且小于 5 0的元素包括 C r , 超背景值倍数达到了 2 4 . 8 9 , 体 现了较高程度的 C r 富集。超背景值倍数大于 1且 小于1 0的元素包括 Z n 、 S 、 C a O 、 S c 、 C o 、 C u 、 T h 、 M g O 、 P 、 M n 、 B r 、 F e 2O3、 K2O 、 P b 、 A s 、 N d 、 N b 、 V 、 A l2O3, 其超 背景值倍数分别为 4 . 4 5 、 3 . 4 1 、 1 . 7 3 、 1 . 4 4 、 1 . 4 3 、 1 . 4 0 、 1 . 3 9 、 1 . 3 4 、 1 . 2 5 、 1 . 2 3 、 1 . 2 3 、 1 . 1 5 、 1 . 1 5 、 1 . 1 2 、 1 . 0 9 、 1 . 0 9 、 1 . 0 6 、 1 . 0 1 、 1 . 0 0 。其他组分的超 背景值倍数均低于 1 . 0 , 其中 H f 元素的超背景值倍 数最低, 仅为 0 . 3 4 , Z r 元素的超背景值倍数略高于 H f , 为 0 . 5 3 。H f 和 Z r 均属典型的亲陆性元素, 性质 稳定, 以机械迁移为主, 常被用作指示物源区远近的 指标, 若距离物源区越近, 则沉积物中的 H f 、 Z r 含量 越高[ 1 4 ]。例如, 由于海水涨落潮的剥蚀作用, H f 和 Z r 氧化物通常与钛铁矿共同沉积于海岸线附近地 区[ 1 5 - 1 6 ]。在调查区域出现的较为明显的 H f 、 Z r 负 异常, 说明研究区距离沉积物的物源区较远, 充分印 证了此区域土壤层的成因是以黄河多次改道形成的 多层细颗粒冲积层为主。 将污染场地土壤常量、 微量组分的测试数据与 中国土壤背景值[ 1 2 ]、 黄淮海平原土壤背景值[ 1 2 ]相 结合, 进行聚类分析( 图 5 ) , 并选取类距离大于 5进 行切割, 污染场地土壤中 S i O 2、 A l2O3、 C a O 、 F e2O3、 K 2O 、 M g O 、 N a2O 、 A s 、 B a 、 B r 、 C e 、 C l 、 C o 、 C u 、 G a 、 H f 、 L a 、 M n 、 N b 、 N d 、 N i 、 P 、 P b 、 R b 、 S 、 S c 、 S r 、 T h 、 T i 、 V 、 Y 、 Z n 、 Z r 等指标共属一类, 说明了污染场地土壤的这些 组分与全国土壤、 黄淮海平原土壤有着相似的自然 源; C r 元素单独成为一类, 反映了 C r 在调查场地较全 国土壤及黄淮海平原土壤有着极大的富集, 是化工厂 长期的大量的铬渣堆放引起的人为污染所致。 502 第 2期赵庆令, 等 济南市某废弃化工厂区域土壤地球化学特征研究第 3 7卷 ChaoXing 图 5 污染场地土壤的全分析数据聚类分析 F i g . 5 C l u s t e r a n a l y s i s o f t o t a l d a t ao f p u l l t e ds o i l 3 . 3 土壤理化性质与铬相关性分析 此次污染场地土壤的理化特性调查, 主要测定 了 1 0件采集土样的 p H 、 有机质含量指标。由表 2 可知, 1 0个采样点土壤的 p H在 7 . 8 6~ 8 . 4 0 , 说明 该场地土壤呈弱碱性, 应是 C r ( Ⅵ) 的主要赋存形态 C r O 2 - 4 、 H C r O - 4、 C r2O 2 - 7 等离子部分发生水解, 消耗了 H, 所 以 显 弱 碱 性; 有 机 质 含 量 在 7 . 2 8 % ~ 9 . 2 9 %, 平均值为 8 . 0 6 %, 变异系数为 7 . 5 4 %, 污染 场地土壤的有机质水平仅为山东省土壤背景值的 0 . 6 0倍。 分别分析 p H 、 有机质对总铬及 C r ( Ⅵ) 的影响, 结果如图 6所示。p H对总铬的影响较为明显, 线性 相关系数为 - 0 . 8 4 7 0 , 反映了在弱碱性条件下, 随着 p H值的增加, 总铬量随之降低, 这种现象应该是土 壤中的部分 C r ( Ⅵ) 被铁锰氧化物或被有机质还原 为 C r ( Ⅲ) 后, C r ( Ⅲ) 与 O H-形成 C r ( O H ) 3沉淀固 定下来, 因此, 在弱碱性条件下, 总铬与 p H呈负相 关关系。p H值对 C r ( Ⅵ) 的影响不甚明显, 线性相 关系数处于极低的水平。有机质对总铬及 C r ( Ⅵ) 的影响也不甚明显, 线性相关系数均低于 0 . 1 0 , 处 于极低的线性水平。 图 6 p H 、 有机质对总铬及 C r ( Ⅵ) 的影响 F i g . 6 E f f e c t o f p Hv a l u ea n do r g a n i cm a t t e r o nt o t a l C r a n d C r ( Ⅵ) 4 结论 查明了采样区土壤总铬、 C r ( Ⅵ) 在平面及垂向 上的分布特征, 着重剖析了铬元素的赋存形态, 通过 多元统计技术方法分析探讨了铬污染场地的地球化 学特征。结果表明研究区总铬含量在 1 0 2 5~ 2 4 5 0 m g / k g , C r ( Ⅵ) 含量在 5 5 7 . 0~ 9 9 6 . 5m g / k g 。离子 交换态和碳酸盐结合态两种形态含量总和占总铬含 量的 4 2 . 2 1 %, 与 1 0 0个采样点土壤中 C r ( Ⅵ) 含量 占总铬含量的比例( 4 6 . 7 7 %) 基本吻合。在弱碱性 条件下, 随着 p H值的增加, 总铬含量随之降低, 并 且该影响趋势的线性相关系数较为显著。研究区土 壤出现的 C e 正异常, 体现了该区土壤环境氧化能 力相对更强, 并且 p H值偏碱性条件; 出现的 H f 和 Z r 负异常, 则充分印证了此区域土壤层的成因是以 黄河多次改道形成的多层细颗粒冲积层为主。 通过聚类分析发现 C r 元素单独成为一类, 反映 了 C r 在调查场地较全国土壤及黄淮海平原土壤有 着极大的富集, 是化工厂长期大量的铬渣堆放引起 的人为污染所致, 其他组分与全国土壤、 黄淮海平原 土壤则有着相似的自然源。本研究成果为其他相关 污染场地的治理和预防提供了参考依据。 602 第 2期 岩 矿 测 试 h t t p ∥w w w . y k c s . a c . c n 2 0 1 8年 ChaoXing 5 参考文献 [ 1 ] 赵庆令, 李清彩, 谢江坤, 等. 应用富集系数法和地累 积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及 生态风险评价[ J ] . 岩矿测试, 2 0 1 5 , 3 4 ( 1 ) 1 2 9- 1 3 7 . Z h a oQL , L i QC , X i eJK , e t a l . C h a r a c t e r i s t i c so f s o i l h e a v ym e t a l p o l l u t i o na n di t se c o l o g i c a l r i s ka s s e s s m e n t i nS o u t hJ i n i n gd i s t r i c tu s i n gm e t h o d so fe n r i c h m e n t f a c t o ra n di n d e xo fg e o a c c u m u l a t i o n[ J ] .R o c ka n d M i n e r a l A n a l y s i s , 2 0 1 5 , 3 4 ( 1 ) 1 2 9- 1 3 7 . [ 2 ] 唐发静, 祖艳群. 土壤重金属空间变异的研究方法 [ J ] . 云南农业大学学报, 2 0 0 8 , 2 3 ( 4 ) 5 5 8- 5 6 1 . T a n gFJ , Z uYQ . R e s e a r c hm e t h o d s o f s p a t i a l v a r i a b i l i t y o fh e a v y m e t a l s i n s o i l[J ] .J o u r n a lo fY u n n a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , 2 0 0 8 , 2 3 ( 4 ) 5 5 8- 5 6 1 . [ 3 ] L i XD , L e eS
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