礦山區(qū)土壤重金屬污染及農(nóng)作物富集情況研究

張磊

摘? 要：采用野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定分析相結(jié)合的方法，調(diào)查了某典型礦山區(qū)土壤及農(nóng)作物鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）3種重金屬污染情況。結(jié)果表明，調(diào)查區(qū)域Zn、Pb、Cd 3種重金屬均屬于重度污染，其中Zn的含量最高，土壤和農(nóng)作物對(duì)Cd富集能力最強(qiáng)，土壤污染程度排序?yàn)楸韺油寥?中層土壤>深層土壤。試驗(yàn)測(cè)定的5類農(nóng)作物中，果樹(shù)類對(duì)3種重金屬的綜合富集能力最弱，因此，在今后的種植作物選擇中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

關(guān)鍵詞：礦山區(qū);土壤;重金屬污染;農(nóng)作物富集

中圖分類號(hào) X753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）08-0067-05

Abstract：This study investigated the contamination of soil and crops lead（Pb），zinc（Zn）and cadmium（Cd）in a typical mountainous area，the method of field investigation and laboratory determination analysis was used，the purpose is to understand the overall state of soil environmental quality within the research area，and provide the data basis for the selection of the experimental area and crop planting type. The results show that，the three heavy metals in the survey area Zn，Pb，and Cd are all severely polluted，of which Zn has the highest content，soil and crops have the strongest concentration of Cd，and soil pollution is ranked as surface soil > middle soil > deep soil，among the five types of crops tested，fruit trees have the least comprehensive enrichment ability for the three types of heavy metals，and they can be considered in the future crop selection.

Key words：Mine area;Soil;Heavy metal pollution;Crop enrichment

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是不可替代的環(huán)境因子，也是人類健康的基礎(chǔ)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，重金屬污染物通過(guò)各種渠道進(jìn)入到土壤環(huán)境中，土壤一旦被重金屬污染，不僅會(huì)降低農(nóng)作物的生產(chǎn)能力和品質(zhì)，還會(huì)通過(guò)食物鏈影響人們的身體健康[2]。位于礦山地區(qū)的土壤，隨著礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)，大量的重金屬元素隨礦塵、尾礦、冶礦廢水等直接進(jìn)入礦山區(qū)域周邊土壤環(huán)境中，造成嚴(yán)重的重金屬污染。針對(duì)土壤重金屬污染，目前國(guó)內(nèi)外常用的治理方法有3種：（1）工程物理法，利用物理機(jī)械、物理化學(xué)等方法來(lái)治理，適用于污染面積小的土壤;（2）農(nóng)業(yè)化學(xué)法，利用各種改良劑、鈍化劑改變土壤理化性質(zhì)，效果受重金屬種類和環(huán)境因素的制約;（3）生物學(xué)法，利用生物的代謝活動(dòng)降低土壤重金屬含量或者改變種植結(jié)構(gòu)，規(guī)避重金屬在植株體內(nèi)（尤其是可食用部分）的積累，避免通過(guò)食物鏈影響人體健康，該種方法效率高、成本低，尤其適用于大面積的土壤重金屬污染[3]。本次研究主要采用生物學(xué)治理方法進(jìn)行，選取某典型礦山區(qū)，采用野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定分析相結(jié)合的方法，對(duì)鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）3種重金屬的污染情況進(jìn)行了調(diào)查分析，并對(duì)玉米、芋頭等本土種植作物的重金屬富集情況進(jìn)行了研究，以期掌握研究區(qū)范圍內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量總體狀況，查清該地區(qū)土壤污染的特征，為后期試驗(yàn)區(qū)域和農(nóng)作物種植種類的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 采樣地點(diǎn)選在某礦山區(qū)，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，采樣點(diǎn)布設(shè)在納污灌溉水體兩側(cè)，按水流方向采用帶狀布點(diǎn)法。樣品采集分為土壤采集和作物采集。土壤選用混合樣品采樣法，每個(gè)土壤單元布設(shè)5個(gè)采樣區(qū)，每個(gè)采樣區(qū)設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤混合樣品需在80m×80m范圍內(nèi)采用對(duì)角線法采集5個(gè)分點(diǎn)土壤，每個(gè)分點(diǎn)采樣深度初步設(shè)計(jì)為0～30cm（表層）、30～60cm（中層）、60～100cm（深層），分點(diǎn)土壤經(jīng)充分混勻后，經(jīng)四分法保留約150g土樣，裝入樣品瓶中，做好樣品標(biāo)簽，并填寫樣品采集信息登記表。在采集土壤樣品的同時(shí)，在相同點(diǎn)位采集農(nóng)作物樣品，農(nóng)作物樣品數(shù)量約為土壤數(shù)量的30%，選取當(dāng)季農(nóng)作物玉米、芋頭、香蕉等進(jìn)行采集，采集作物的根、莖、葉和果實(shí)部分，樣品采集后裝采樣保存瓶密封，帶回實(shí)驗(yàn)室處理。

1.2 分析方法 將土壤和農(nóng)作物樣品風(fēng)干，并于75～80℃烘箱烘干，磨細(xì)過(guò)1mm篩，密封保存，重金屬含量分析方法如表1和表2所示。

1.3 土壤金屬富集分析方法 采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，對(duì)研究區(qū)域土壤的重金屬污染情況和潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中的II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬元素含量 共采集了約350個(gè)樣本，對(duì)不同采樣點(diǎn)土壤重金屬元素含量進(jìn)行測(cè)定和分析，隨機(jī)選取其中5個(gè)樣本的的測(cè)定結(jié)果整理成表4。由表4可以看出，不同深度的土壤重金屬元素含量（總量和有效態(tài)）存在明顯差異，其中表層土壤的重金屬含量最高，其次是中層，下層最低。說(shuō)明土壤重金屬含量受地表環(huán)境影響較大，根據(jù)重金屬的深度分布特點(diǎn)可以選擇不同種類的作物進(jìn)行耕種。3種重金屬的含量Zn>Pb>Cd，說(shuō)明該地區(qū)以重金屬Zn污染為主。

2.2 重金屬元素相關(guān)性 土壤重金屬有效態(tài)（又稱可交換態(tài)）是指吸附在粘土、腐殖質(zhì)及其他成分上的金屬，易于遷移轉(zhuǎn)化，能被植物吸收[4]，反映了人類近期排污影響及對(duì)生物的毒性作用[5]。研究對(duì)3種重金屬元素的有效態(tài)進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行了分析。由表5可以看出，3種重金屬元素的有效態(tài)含量與自身的重金屬總量均有很好的正相關(guān)性，即有效態(tài)含量隨著重金屬總量的增加而增大。

分析不同金屬元素之間的相關(guān)性可以在一定程度上推測(cè)重金屬的來(lái)源是否相同[6]，從表5可以看出，Zn和Pb 2種重金屬的總量和有效態(tài)含量分別呈顯著的相關(guān)性，說(shuō)明Zn和Pb可能污染來(lái)源相同，Cd與這2種金屬的相關(guān)性很小，說(shuō)明Cd與Zn和Pb同源的可能性小，污染來(lái)源可能不同。

2.3 土壤重金屬的富集情況

2.3.1 土壤富集結(jié)果 通過(guò)單因子指數(shù)法進(jìn)行分析，由表6可以看出，所有土壤樣本中Cd的超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)最高，Pb和Zn在土壤中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cd，分析原因，可能與試驗(yàn)研究區(qū)域的周邊環(huán)境密切相關(guān)，采樣周邊主要為鉛鋅礦山及部分涉重企業(yè)，大量的重金屬元素隨礦塵、尾礦、冶礦廢水等直接進(jìn)入周邊土壤環(huán)境中，所以Pb和Zn在環(huán)境的含量非常高，另外在開(kāi)采和生產(chǎn)過(guò)程中還伴隨有Cd等其它重金屬元素的外排，造成污染。

通過(guò)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分析，可以得出表層土壤、中層土壤、深層土壤的污染指數(shù)分別為39.32、28.0、17.32，均為重度污染，污染程度排序?yàn)楸韺油寥?中層土壤>深層土壤。

2.3.2 不同作物富集情況 富集系數(shù)是植物重金屬含量與土壤中重金屬含量的比值，能夠反映植物對(duì)重金屬的富集（吸收）能力[7]。研究采集了玉米、香蕉、芭蕉、甘蔗、枇杷、花生、姜等28個(gè)在當(dāng)?shù)貜V泛種植的農(nóng)作物樣本，將其分為谷物類、水果類、蔬菜類（包括新鮮蔬菜和塊根類）和堅(jiān)果類這4種類型的作物，進(jìn)行富集系數(shù)的試驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，對(duì)Cd的富集能力：塊根類>新鮮蔬菜類>堅(jiān)果類>果樹(shù)類>谷物類;對(duì)Pb的富集能力：塊根類>新鮮蔬菜類>果樹(shù)類>堅(jiān)果類>谷物類;對(duì)Zn的富集能力：塊根類>新鮮蔬菜類>堅(jiān)果類>谷物類>果樹(shù)類;整體上對(duì)重金屬的綜合富集能力為塊根類>新鮮蔬菜類>堅(jiān)果類>谷物類≈果樹(shù)類。

同類農(nóng)作物對(duì)3種重金屬的富集能力為：谷物類：Zn>Cd>Pb;果樹(shù)類：Cd>Zn>Pb;新鮮蔬菜類：Cd>Zn>Pb;堅(jiān)果類：Cd>Zn>Pb;塊根類：Cd>Zn>Pb;整體上看，農(nóng)作物對(duì)重金屬的富集情況與重金屬在土壤中富集情況相同，都是對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)。

2.3.3 同一作物富集情況 選取的28個(gè)農(nóng)作物樣本對(duì)Pb、Zn、Cd3種重金屬的富集系數(shù)見(jiàn)表8，由表8可以看出，同一種作物對(duì)不同的重金屬富集能力存在差異，對(duì)不同品種農(nóng)作物的Pb、Zn、Cd富集系數(shù)取平均值，其中Cd富集系數(shù)最大，為0.0508;Zn富集系數(shù)次之，為0.0214;Pb富集系數(shù)最小，為0.00145。對(duì)于大多數(shù)農(nóng)作物，對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，Zn次之，Pb最弱。

2.3.4 同一作物不同部位富集情況 研究所選取的地點(diǎn)為某礦山區(qū)，種植作物以果樹(shù)類型居多，在研究同一作物不同部位重金屬富集情況時(shí)，選取了6中果樹(shù)類農(nóng)作物，2種蔬菜類農(nóng)作物作為試驗(yàn)對(duì)象，分別采集了這8中農(nóng)作物的可食用部分和枝干部分，將兩者的重金屬含量進(jìn)行對(duì)比，分析同種作物不同部位對(duì)重金屬的吸收效應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可知，通常情況下農(nóng)作物的枝干部分重金屬含量大于可食用部分，枝干部分更容易富集重金屬，果樹(shù)類作物中，會(huì)出現(xiàn)可食用部分未檢出重金屬的現(xiàn)象，分析原因可能由于果樹(shù)類從根部到可食用部分，重金屬的傳遞吸收途徑比較長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)的富集時(shí)間，因此本次采樣檢測(cè)的結(jié)果會(huì)受到果樹(shù)生長(zhǎng)年數(shù)的影響，生長(zhǎng)年數(shù)越長(zhǎng)，可食用部分檢測(cè)出的重金屬含量的可能性越大。芭蕉對(duì)重金屬Zn的富集中，可食用部分的含量更大，分析原因可能受采樣時(shí)間的影響，不同的作物在不同的生長(zhǎng)階段，不同的器官對(duì)不同重金屬的吸收能力會(huì)有差別[8]。

3 結(jié)論

（1）本次調(diào)查研究區(qū)域，3種重金屬的含量Zn>Pb>Cd，該地區(qū)以重金屬Zn污染為主。此外，土壤重金屬含量受地表環(huán)境影響較大，不同深度的土壤重金屬元素含量存在明顯差異，可根據(jù)含量分布特點(diǎn)選擇不同種類的作物進(jìn)行修復(fù)和耕種。

（2）調(diào)查區(qū)域的表層土壤、中層土壤、深層土壤內(nèi)梅羅綜合指數(shù)分別為39.32、28.0、17.32，均為重度污染，污染程度排序?yàn)楸韺?中層>深層。

（3）調(diào)查區(qū)域所種植的五類農(nóng)作物，整體上對(duì)重金屬的富集能力為塊根類>新鮮蔬菜類>堅(jiān)果類>谷物類≈果樹(shù)類。

（4）調(diào)查區(qū)域的農(nóng)作物對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，并且作物枝干部分的金屬含量普遍大于可食用部分，枝干部分更容易富集重金屬。

參考文獻(xiàn)

[1]楊林章，徐琪.土壤生態(tài)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]王苗苗，孫紅文.農(nóng)田土壤重金屬污染及修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].天津農(nóng)林科技，2018，8（4）：38-41.

[3]梁家妮，馬友華，周靜.土壤重金屬污染現(xiàn)狀與修復(fù)技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2009，26（4）：45-49.

[4]李宇慶，陳玲，仇雁翎，等.上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)土壤重金屬元素形態(tài)分析[J].生態(tài)環(huán)境，2004，13（2）：154-155.

[5]隆茜，張經(jīng).陸架區(qū)沉積物中重金屬研究的基本方法及其應(yīng)用[J].海洋湖沼通報(bào)，2002，3（3）：25-35.

[6]何蘭蘭，角媛梅，王李鴻，等.Pb、Zn、Cu、Cd的超富集植物研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（11）：120-123.

[7] 楊瑞卿，肖揚(yáng)，申晨.采煤塌陷區(qū)土壤重金屬污染及植物吸收富集特征[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（20）：291-294.

[8]盧德亮，喬璐，陳立新，等.哈爾濱市區(qū)綠地土壤重金屬污染特征及植物富集[J].林業(yè)科學(xué)，2012，48（8）：16-24.

（責(zé)編：王慧晴）