礦糧復(fù)合區(qū)土壤中重金屬污染特征研究

徐蕾，肖昕，張浩嘉，聶建，韓筱璇

（1.徐州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 徐州 221000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

礦糧復(fù)合區(qū)是指既是礦產(chǎn)資源主產(chǎn)區(qū)又是糧食主產(chǎn)區(qū)的特殊區(qū)域，在我國(guó)糧食產(chǎn)區(qū)占有重要地位[1]。礦山開采與利用過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊環(huán)境釋放廢水、廢氣及固體廢物，進(jìn)而造成區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量下降，其中重金屬污染是礦區(qū)土壤研究的重點(diǎn)[2～3]。目前對(duì)礦區(qū)污染的研究大多集中在金屬礦山，但研究人員也逐漸發(fā)現(xiàn)煤礦固體廢物周邊、煤礦產(chǎn)區(qū)以及電廠周邊均出現(xiàn)了不同程度的重金屬累積[4～7]。土壤污染是區(qū)域作物重金屬污染的重要來(lái)源，監(jiān)測(cè)典型礦糧復(fù)合區(qū)土壤可以有效推斷分析區(qū)域糧食安全性。本文通過(guò)采集徐州市城北礦糧復(fù)合區(qū)36個(gè)采樣點(diǎn)的土壤樣品，對(duì)土壤中五種重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、銅（Cu）的含量以及污染狀況進(jìn)行分析和評(píng)估，從而得出礦糧復(fù)合區(qū)土壤中重金屬的污染特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

徐州市城北礦糧復(fù)合區(qū)位于徐州西北，東經(jīng)117°07′～117°19′，北緯34°32′～34°36′ 。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均溫度14℃，年均降水量900mm。區(qū)域內(nèi)的主要作物為小麥、水稻、玉米等。區(qū)域內(nèi)有五個(gè)煤礦、三個(gè)火電廠、兩個(gè)大型粉煤灰堆場(chǎng)和多處煤堆放場(chǎng)地，同時(shí)還有2/3的面積為農(nóng)田，是典型的礦-農(nóng)復(fù)合區(qū)。

1.2 采樣點(diǎn)位布設(shè)

在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，依據(jù)均勻布點(diǎn)與結(jié)合污染源的原則，在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)了36個(gè)土壤樣品采樣點(diǎn)。

1.3 樣品的采集與預(yù)處理

每個(gè)采樣點(diǎn)以梅花布點(diǎn)法采集5個(gè)表層土壤樣品（0～15cm），去除土壤中的石塊、植物殘?bào)w等雜質(zhì)，混合成一個(gè)樣品帶回實(shí)驗(yàn)室。樣品經(jīng)風(fēng)干、縮分、研磨過(guò)100目篩后備用。樣品用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸以3∶1∶3∶1比例消解。

1.4 樣品分析與質(zhì)量保證

消解后的樣品用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Perkin Elmer，Optimal 8000）進(jìn)行分析，以GSS-13進(jìn)行質(zhì)控。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法與區(qū)域內(nèi)土壤重金屬評(píng)價(jià)方法（見表1）

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel2003和SPSS16.0進(jìn)行基本特征分析。

表1 區(qū)域內(nèi)土壤重金屬評(píng)價(jià)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 區(qū)域土壤重金屬污染情況

總體而言，區(qū)域內(nèi)土壤中各重金屬含量：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd（見表2）。與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）相比，區(qū)域內(nèi)77%點(diǎn)位的Cd超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他重金屬元素（Pb、Cu、Cr、Zn）均低于相應(yīng)國(guó)標(biāo)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)大部分土地已不適合種植作物，且主要污染物為Cd。與當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸迪啾龋?6%點(diǎn)位的Cu和80%點(diǎn)位的Cd均超出背景值，其中Cu均數(shù)是背景值的1.89倍、Cd是2.69倍，其他金屬的均數(shù)均略低于背景值，但也出現(xiàn)了部分超出背景值的點(diǎn)位。說(shuō)明，在研究區(qū)域內(nèi)土壤中的Cu和Cd均存在一定程度累積。其中Cd污染的區(qū)域主要在工業(yè)園區(qū)一帶，園區(qū)內(nèi)電氣設(shè)備公司、橡膠管公司、工業(yè)用地泥公司等企業(yè)的生產(chǎn)會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境排放廢氣廢水，這些廢氣廢水中可能含有重金屬Cd對(duì)周圍的土壤造成污染。而Cu污染區(qū)域主要有龐莊煤礦東城井、徐州協(xié)通鑄業(yè)有限公司、徐州中豐生物科技有限公司、固城銅業(yè)、徐州蘇潤(rùn)石化有限公司。造成Cu超標(biāo)的原因很可能是礦場(chǎng)資源的開采與加工。

各重金屬分布的變異系數(shù)差異較大，其中Cd的變異系數(shù)最大，為67.95%，其次為Cu，為50%，然后為Zn、Pb和Cr，分別為40.36%、34.7%和18.67%。變異系數(shù)可反映總體中各目標(biāo)值的離散程度，研究區(qū)域中Cd、Cu的變異系數(shù)分別是Cr的3.64和1.86倍，說(shuō)明這兩種重金屬存在局布污染源的可能性較大，可能與農(nóng)作方式、污水灌溉或固體污染物儲(chǔ)運(yùn)等有一定的相關(guān)性。

綜上所述，研究區(qū)域內(nèi)土壤中的Cu和Cd存在一定程度的局部污染（見表2），其污染來(lái)源仍需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)分析。

2.2 區(qū)域內(nèi)土壤重金屬評(píng)價(jià)

由單因子指數(shù)法的結(jié)果（見表3）可知，評(píng)價(jià)區(qū)域土壤中Pb、Cr、Cu、Zn都處于未污染的水準(zhǔn)，且只有一半的點(diǎn)位存在Cd污染，其中輕度污染、中度污染、重度污染分別占22.22%、27.78%和2.78%。綜合污染指數(shù)法的結(jié)果表明未污染、警戒、輕度污染和中度污染的點(diǎn)位分別占比41.67%、16.67%、33.33%和8.33%，無(wú)重度污染點(diǎn)位（見表4）。

由此可知，區(qū)域總體來(lái)說(shuō)較為清潔，但存在中度污染及以下不同程度的污染情況，在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土壤中主要存在Cd元素污染。

表2 土壤重金屬描述性統(tǒng)計(jì) （單位：mg/kg）

表3 基于單因子指數(shù)法的污染狀況統(tǒng)計(jì) （單位：%）

表4 基于綜合污染指數(shù)法的污染狀況統(tǒng)計(jì)

以徐州市的背景值為基準(zhǔn)，得到研究區(qū)域土壤樣品中的累積指數(shù)結(jié)果（見表5），表明所有元素均存在一定程度的富集。其中絕大部分點(diǎn)位中的Pb、Cr和Zn元素處于輕微富集，極少處于中度富集，而Cu則是61.11%的點(diǎn)位處于中度富集，30.56%的點(diǎn)位處于輕微富集，極少部分處于中強(qiáng)和強(qiáng)富集水平。Cd元素在點(diǎn)位中從無(wú)富集到較強(qiáng)富集都有分布，其無(wú)富集、輕微富集、中度富集、中強(qiáng)富集、強(qiáng)富集、較強(qiáng)富集比例分別為：5.56%、22.22%、33.33%、13.89%、22.22%、2.78%，說(shuō)明Cd存在污染并分布極不均勻，部分點(diǎn)位污染嚴(yán)重情況等。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的結(jié)果顯示（見表6），在所測(cè)量重金屬Cd、Pb、Cu、Cr和Zn中，只有Cd存在生態(tài)危險(xiǎn)，從無(wú)生態(tài)危害到強(qiáng)生態(tài)危害均有分布，其在無(wú)生態(tài)危害、輕微生態(tài)危害、中生態(tài)危害和強(qiáng)生態(tài)危害的比例分別為：12.6%、27.0%、42.2%和18.8%。說(shuō)明，Cd存在不同程度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，且大部分存在中生態(tài)危害。

表5 基于地累積指數(shù)法的污染狀況統(tǒng)計(jì) （單位：%）

表6 基于潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的污染狀況統(tǒng)計(jì)（單位：%）

通過(guò)對(duì)Cd污染區(qū)域的研究表明，工廠“三廢”的排放可能是造成Cd污染的主要原因。區(qū)域周邊工廠燃煤產(chǎn)生的廢氣和廢渣可能是造成土壤重金屬污染的重要來(lái)源之一。有研究表明，燃煤過(guò)程中釋放的Cu、Zn和Pd等對(duì)大氣和水環(huán)境的綜合污染都達(dá)到了重污染的水平[8、9]。同時(shí)，工業(yè)廢氣也是造成空氣鎘污染的主要來(lái)源，較高濃度的鎘可通過(guò)降雨或沉降進(jìn)入土壤，其中部分會(huì)被植物體吸收從而造成污染，部分則會(huì)在土壤中大量積累。此外，采用工廠廢水進(jìn)行灌溉也是造成Cd在土壤中積累的原因之一，許多污水未經(jīng)任何處理即被引入農(nóng)田，造成大面積污灌區(qū)土壤Cd積累。另外，研究區(qū)域有大型粉煤灰堆場(chǎng)和多處煤堆放場(chǎng)地，也會(huì)造成土壤中Cd的積累[10]。

另一方面，農(nóng)藥與化肥的過(guò)度使用在一定程度上也會(huì)造成土壤重金屬污染。研究區(qū)小麥、水稻、玉米等作物在污水灌溉的同時(shí)，大量施用農(nóng)藥與化肥，也會(huì)導(dǎo)致重金屬在土壤中的積累，如Cd在磷肥中的含量較高[11]。Cd是植物生長(zhǎng)的非必需元素，但會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，當(dāng)植物體內(nèi)的Cd累積到一定程度時(shí)，Cd會(huì)阻礙植物根系的生長(zhǎng)，抑制水分和養(yǎng)分的吸收，引起一系列的生理代謝紊亂，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[12]。

3 結(jié)論

采用單因子指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和地累積指數(shù)法等方法，研究礦糧復(fù)合區(qū)土壤中重金屬污染特征，可得出以下結(jié)論：

（1）總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)域土壤較為清潔。與當(dāng)?shù)氐耐寥辣尘爸迪啾?，土壤中存在一定程度Cu和Cd的局部污染。

（2）單因子指數(shù)法顯示，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)除Cd外其余重金屬元素均處于未污染狀態(tài)。由此可見，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)主要存在Cd元素污染。

（3）地累積指數(shù)法顯示，區(qū)域土壤中的Cd、Pb、Cu、Cr和Zn元素均存在一定程度的富集，但Cd元素的富集最為嚴(yán)重，Cd元素從無(wú)富集到較強(qiáng)富集都有分布，表明Cd的污染分布極其不均勻，且部分點(diǎn)位污染嚴(yán)重，需要重視。

（4）潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法顯示，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)除Cd外，其余測(cè)量的重金屬元素均處于無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)，但Cd存在不同程度的生態(tài)危害。

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