襄汾溃坝区土壤及农作物重金属污染特征及风险评价
2014-12-12闫姣张永清宋智萍贺小琴李育鹏
闫姣+张永清+宋智萍+贺小琴+李育鹏
摘要：分析了襄汾溃坝区土壤及农作物8种重金属（Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg）含量水平，得出了尾砂中含有Cu和Zn，造成覆盖区土壤中Cu和Zn的含量高于未覆盖区，其他6种重金属的含量均低于未覆盖区;覆盖区麦苗体内Cu和Zn的含量低于未覆盖区，其他6种重金属的含量均高于未覆盖区。相关分析表明覆盖区内Cu和Zn来源于尾矿砂，其他6种重金属在覆盖区与未覆盖区都具有同源或者伴生关系。单项指数、内梅罗综合污染指数和潜在生态风险指数结合得出溃坝物覆盖区土壤重金属污染比较轻微。富集系数表明除Cu和Zn外，覆盖区麦苗对其他6种重金属的吸收能力高于未覆盖区。
关键词：襄汾溃坝区;土壤;农作物;重金属污染;生态风险
中图分类号：X825 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）20-4821-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.013
Pollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Soil and Crops in Dam-breaking Areas of Xiangfen
YAN Jiao， ZHANG Yong-qing， SONG Zhi-ping， HE Xiao-qin， LI Yu-peng
（College of Urban and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen 041004， Shanxi， China）
Abstract： The contents of eight heavy metals（Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg） in soil and crops in dam-breaking areas of Xiangfen were analyzed. Tailing contained Cu and Zn was found. The contents of Cu and Zn in soil of the covered areas were higher than those in soil of the non-covered areas. The levels of other six elements in soil of the covered areas were lower than those in soil of the non-covered areas. The contents of Cu and Zn in crops of the covered areas were lower than those in crops of the non-covered areas. The levels of other six elements in crops of the covered areas were higher than those in crops of the non-covered areas. The correlation analysis showed that Cu and Zn in the coverage areas were from tailing. The other six heavy metals were homologous or associated in the coverage areas and non-covered areas. The single pollution index， Nemerow's synthetical pollution index and the potential ecological risk index showed that soil in the coverage areas was polluted slightly by heavy metals. Enrichment coefficients showed that the uptake capacity of the other six heavy metals by wheat was higher in the coverage areas than that in non-covered areas with the exception of Cu and Zn.
Key words： dam-breaking areas of Xiangfen; soil; crop; heavy metal pollution; ecological risk
重金属毒害是矿区普遍存在且最为严重的问题之一[1，2]。由于尾矿渣含有多种重金属，这些重金属随尾矿渣进入土壤环境发生积累、迁移，不仅对区域生态安全构成潜在危害，可能影响动植物的生长发育，甚至通过食物链进入人体，危害人体健康，导致一些慢性病、畸形、癌症等的发生[3]。矿山尾砂库垮坝导致的污染物迁移和扩散，不仅威胁人体健康和生命安全，而且会导致大面积的土地污染，使下游土地的重金属含量升高，土壤酸化，有机质含量降低和土壤板结[4]。例如，西班牙南部的Aznalcollar硫铁矿尾砂坝坍塌导致Agrio和Guadiamar流域55 km2范围内的土壤受到重金属污染，土壤Pb、Zn、As、Cd和Cu的含量分别增加到1 786、1 449、589、5.9、420 mg/kg[4]，受污染土壤的pH最低可以下降到2[5， 6];1985年，湖南郴州市竹园矿区尾砂坝坍塌，致使尾砂冲入东河两岸农田，即使农田中的尾砂已被清理，该地区农田土壤的As和Cd含量仍然高达709、7.6 mg/kg[7，8]。
目前，关于矿业的开采活动对矿区周围环境的影响有很多研究。曲蛟等[9]对钼矿尾矿周围蔬菜地的土壤的分析表明，重金属含量从大到小的顺序为残余态、有机结合态、氧化结合态和酸可提取态，由于尾矿石中可能释放重金属，当地的重金属污染很严重，预警类型为重警;李祥平等[10]对粤西黄铁矿区的土壤做了详细的研究，证实铁矿开采和尾渣堆放给矿区环境带来严重的危害，土壤重金属含量已超过中国土壤背景值的30余倍，Cd、Zn等已达到中度甚至重度污染，且污染物已渗透到土壤深层;王素娟等[11]对广西德保几个矿区尾矿的研究发现，土壤中Cd和Pb含量都超出了广西土壤环境质量标准的背景值，且Cd含量随pH的升高显著增加，Pb含量随pH的升高而减少。而矿山尾砂坝坍塌是一种较常见的事故，但对其导致下游土壤污染问题的研究至今仍较少。2008年9月8日，襄汾县云合村塔儿山的尾矿坝坍塌，尾砂冲入下游地区的居民区和农田，不仅造成了巨大的人员伤害和经济损失，而且造成下游农田土壤被大量的尾砂所覆盖，可能导致土壤和农作物的重金属污染。正确评价该区土壤的污染状况及潜在生态风险具有重要的理论和现实意义。为此，本研究采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对研究区内土壤及农作物重金属污染状况和潜在生态风险进行评价，以期为土壤污染控制和污染农田修复提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
溃坝区位于山西省临汾市襄汾县云合村塔儿山，E 111°3′，N 35°53′，海拔679～769 m，属温带大陆性季风气候，年均气温11.5 ℃，1月年均气温4.5 ℃，7月年均气温26 ℃，年均降水量454 mm，年均日照数2 522 h，无霜期185 d。塔儿山富含磁铁矿，溃坝发生后，进行了紧急治理，利用大型机械开挖泥石流，对土壤物理性状造成了较严重的破坏，在原有土壤上覆盖了大量尾砂。
1.2 样品采集与检测
在溃坝物覆盖区，沿溃坝物流向，采用S型取样法，取0～20 cm的耕层土壤，5个点混成一个土样，同时在同一块农田的未覆盖区采集对照样品，覆盖区和未覆盖区各18个土样，装袋、编号、扎口，带回实验室。把土样置于室内自然风干，剔除大石块、植物根系等杂质，磨细后过孔径为0.15 mm的尼龙筛，装袋密封用于测定土壤重金属含量。在秋季，研究区主要的农作物是小麦，在土壤点位上采集相应的麦苗样品，带回实验室，用自来水冲洗干净，再用纯水洗3遍，风干，80 ℃烘干至恒重，用研钵研碎，装袋。
取备用土壤0.1 g放入聚四氟乙烯坩埚，加入5 mL HNO3和1 mL HF，HNO3和HF试剂均为优级纯，加盖，放在电热板上消解，得到样品消解液，用火焰原子吸收法检测消解液中铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）和镍（Ni）等重金属的含量， 用石墨炉原子吸收法检测消解液中镉（Cd）和铅（Pb）的含量，用双道原子荧光光度计检测消解液中砷（As）和汞（Hg）的含量。测定过程中用10%的平行样品和加标回收样进行质量控制，以保证数据的准确度和精度。植物样品中的重金属检测方法同上。
1.3 土壤重金属污染评价方法及标准
1.3.1 单项污染指数法
Pi=Ci/Si
式中：Pi为样品中某污染物的单项污染指数;Ci为样品中某污染物的实测浓度;Si为某污染物的评价标准。
1.3.2 内梅罗综合污染指数法
Pn=■
式中：Pi=Ci/Si，Pn是内梅罗综合污染指数，Pi是样品中某污染物的单项污染指数，MaxPi是样品污染物中污染物指数最大值。
依据单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法将土壤重金属污染划分为5个等级，见表1。
1.3.3 潜在生态风险指数法 该方法是瑞典学者 Hakanson根据重金属的性质及环境行为特点，从沉积学角度提出的一种对沉积物或土壤中重金属污染进行评价的方法[12]。它将重金属的含量、生态效应、环境效应与毒理学联系在一起，采用具有可比的等价属性指数分级法进行评价，可以定量地评价单一元素的风险等级，也可以评价多个元素的总体风险等级[13]。公式如下：
C■■=C■■/C■■;E■■=T■■×C■■;
RI=■E■■=■T■■×C■■=■T■■×C■■
式中：C■■为某一重金属的污染参数;C■■为土壤中重金属的实测含量;C■■为计算所需的参比值;E■■为潜在生态风险系数;T■■为某一重金属的毒性系数。参比值的选择，各地学者差异较大，大都以全球沉积物重金属的平均背景值为参比值[14]，或以当地土壤背景值为参比[15]，或以背景采样点值为参比[16]，为了更真实反映评价区域的重金属污染状况，本研究以未覆盖区土壤中重金属含量为参比值。不同重金属元素毒性水平不同，生物对重金属污染的敏感程度也不尽相同，用重金属元素毒性系数反映该特点[17]。根据“元素丰度原则”和“元素稀释度”，Hakanson认为某一重金属的潜在毒性与其丰度成反比，或者说与其稀少度成正比[17]，因此他指定的标准化重金属毒性系数为Zn（1） 1.3.4 富集系数 富集系数是植物中重金属的含量与土壤中重金属含量的比值，表示植物对重金属的富集能力[1]。富集系数越大，其富集能力就越强。 1.4 数据处理与统计分析 重金属含量用EXCEL 2003计算，重金属含量的最大值、最小值、平均值、变异系数、正态分布检验等描述性统计分析采用SPSS 19.0计算。
2 结果与分析
2.1 溃坝区下游土壤重金属分析
2.1.1 土壤重金属含量 溃坝区下游土壤重金属含量见表3。覆盖区和未覆盖区8种重金属的平均值和最大值均没有超过国家土壤环境质量标准的二级标准，两区域的Zn、Cr、Ni和As等4种重金属的平均浓度没有超过山西省土壤元素背景值，其他4种元素的平均浓度均超过山西省土壤元素背景值。覆盖区和未覆盖区相比，覆盖区Cu和Zn的平均浓度高于未覆盖区，其他6种元素的平均浓度均低于未覆盖区。这可能是因为尾矿砂中含有Cu和Zn覆盖在农田上，虽然经过清理，但还有残留，导致覆盖区的土壤中Cu和Zn的含量偏高;而Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的情况正好相反，尾矿砂中可能没有这些元素，或者含量极少，进入土壤后反而降低了土壤中Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的浓度，造成未覆盖区土壤中的含量偏高。
变异系数（CV）是衡量研究区各样品间的变异程度，CV大则说明土壤受外界干扰显著，空间分异明显，也说明土壤的污染是以复合污染的形式存在[19]。CV≤10%为弱变异，10%
研究土壤中重金属含量的相关性可以推测其来源是否相同。覆盖区和未覆盖区土壤重金属的相关系数分别见表4和表5。覆盖区内，Cu和Zn呈显著正相关，与其他6种元素（Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg）呈负相关，说明Cu和Zn来源相同，与其他6种重金属元素是异源关系;Ni与Cr显著相关;Cd与Pb、As、Hg显著相关，Pb与As、Hg显著相关，As与Hg显著相关，说明Cd、Pb、As和Hg为同一来源或者伴生关系。未覆盖区内，Ni和Cr、Pb、Hg，Cd和As、Hg，Pb和As、Hg，As和Hg，都呈显著正相关;而Cu和Zn相关性不显著，这与覆盖区完全不同。在覆盖区和未覆盖区内，Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg之间都具有很高的相关性，这些重金属可能是伴生关系或者来自同一污染源。
2.1.2 土壤重金属污染状况 以未覆盖区为背景值，计算出覆盖区土壤重金属单项污染指数和综合污染指数（表6）。Cr和Ni的污染指数在安全域内，Cd、As和Hg的污染指数在警戒线上，Cu、Zn和Pb的污染指数处于轻度污染级别。8种重金属的污染程度从高到低的依次为Pb>Cu>Zn>Cd>As=Hg>Ni>Cr。覆盖区的综合污染指数为1.3，处于轻度污染级别，这与Cu、Zn、Pb单项污染指数偏高有关。
2.1.3 土壤重金属生态风险评价 以未覆盖区为背景值，覆盖区土壤单个重金属的潜在生态危害指数（E■■）和多种重金属潜在生态危害指数（RI）见表7。8种重金属的潜在生态危害指数都处于轻微级别，它们的潜在生态风险趋势为E■■（Hg）>E■■（Cd）>E■■（Pb）>E■■（Cu）=E■■（As）>E■■（Ni）>E■■（Zn）>E■■（Cr）。多种重金属潜在生态危害指数RI也处于轻微级别。从重金属污染指数和潜在生态风险指数二者结合来看，溃坝物覆盖区土壤重金属污染比较轻微。
2.2 溃坝区麦苗体内重金属分析
2.2.1 麦苗体内重金属含量 为了进一步探索土壤对植物重金属污染的影响，采集了覆盖区与未覆盖区的麦苗，并对其重金属含量进行测定，结果见表8。覆盖区和未覆盖区的麦苗重金属含量差异较大，同种植物中不同重金属含量差异明显。与未覆盖区相比，覆盖区麦苗体内的Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg含量相对较高，Cu和Zn的含量相对较低，这与土壤中重金属含量规律相反，很可能与当地的铁矿开采活动有很大的关系。
2.2.2 麦苗体内重金属富集系数 覆盖区和未覆盖区的麦苗体内重金属富集系数见表9。从表9可以看出，相同植物对不同重金属的吸收能力存在差异。除Cu和Zn外，覆盖区麦苗对其他6种重金属的吸收能力高于未覆盖区。覆盖区的麦苗吸收重金属的能力依次为Cr>Cd>Hg>Zn>Ni>Pb>As>Cu;未覆盖区的麦苗吸收重金属的能力依次为Zn>Hg>Cr>Cu=Cd>Pb>Ni>As。覆盖区和未覆盖区的麦苗吸收重金属的能力不同可能与土壤中重金属含量、形态等有关。
3 小结
由于尾矿砂中含有Cu和Zn，造成覆盖区土壤中Cu和Zn的含量高于未覆盖区，其他6种元素的含量均低于未覆盖区。覆盖区和未覆盖区8种重金属的变异都为中等变异，各金属元素在土壤中的含量还是比较稳定的。
通过相关分析可以推断出覆盖区内Cu和Zn来源于尾矿砂，其他6种重金属在覆盖区与未覆盖区都具有同源或者伴生关系。
以未覆盖区为背景值，从重金属污染指数和潜在生态风险指数二者结合来看，溃坝物覆盖区土壤重金属污染比较轻微。
覆盖区和未覆盖区对比，麦苗体内重金属含量规律与土壤中重金属含量规律相反，这很可能与当地的采矿活动有关。覆盖区和未覆盖区的麦苗吸收重金属的能力不相同可能与土壤重金属含量、形态有关系。
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