北极斯瓦尔巴德群岛废矿区重金属污染与迁移以及植物富集能力研究

俞乐航

摘 要：2016年7月到8月笔者对北极斯瓦尔巴德群岛进行了为期18d的实地考察，考察期间对朗伊尔宾4个废矿区周边土壤环境中重金属污染状况、空间分布和迁移规律以及部分北极植物对重金属的富集规律进行了研究。通过废矿区等间隔多点采样以及对土壤和植物中重金属元素的测定分析，认为煤矿开采对北极朗伊尔宾4个矿区的土壤均造成了不同程度的重金属污染，其中Cd、Pb、Zn的污染程度最大。同时对植物研究发现研究区苔藓、发草、珠芽蓼、蝇子草、山蓼、北极罂粟等对Cd、Pb、Ni、Zn、As具有不同的吸收富集能力，但均未达到超富集植物类型，其中苔藓和发草对重金属存在较强吸收富集，表明其耐毒性较强，在极区重金属污染修复中存在巨大潜力。废矿区内Cd在所有植物中属于强富集，其次是Pb、Zn、Ni元素，As富集最弱。由于Cd等的高毒性，土壤修复工作不容小觑。

关键词：北极 斯瓦尔巴德群岛 土壤 重金属 迁移 植物 富集

中图分类号：X522 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0121-03

1 研究背景及意义

随着工业生产和建设中污染物的排放，我们生活的土地污染程度和范围在逐渐扩大，即使是在常年冰川覆盖人类活动较少的极地也不例外[1-13]。北极是高纬极寒区，其土壤污染物很可能受当地工业环境和人类生活的影响而发生变化[1-4，6-13]，同时北极又是地球上受污染程度最小的区域之一，受外界干扰较少，其数据具有很高的研究价值。

2 研究对象与方法

2.1 样品采集

以朗伊尔宾城为重点采样地点在周边选取了4个主要采样位置，采集了一些土壤样品，将4个样点分别记为A、B、C、D考察点。分别以每个废矿区为圆心，按照一定方向拉制导线，在距离矿区0m，50m，100m，150m，200m的采样点，用洁净的竹制小铲挖取5～20cm深的表层土壤样，每袋约100g，同时在采样点一定范围内采集蝇子草、北极罂粟、发草、山蓼、珠芽蓼、苔藓等植物及其根部土壤样品，样品现场采集后置于聚乙烯袋中密封冷藏保存作为研究对象。

2.2 实验方法

（1）土壤样品分析方法：将新鲜的土壤样品去掉植物残体及石块后过100目筛，准确称取0.0050g土壤样品，用HF-HCiO4-HNO3法在电热板上进行消解，消解后测定铅（Pb）、镍（Ni）、锌（Zn）、砷（As）元素。

（2）植物样品分析方法：用蒸馏水将植物的茎、叶冲洗干净，去除粘附在植物样品上的泥土和污物，用洁净纱布擦干表面水分。在105℃下杀青30min后，再在68℃条件下烘干至恒重，将样品用玛瑙研钵粉碎，过100目筛后放入干燥器中备用，后续测定方法同土壤样品。

2.3 实验分析

2.3.1 土壤污染评价方法

以斯瓦尔巴的群岛本土土壤背景值为评价标准，评价方法采用单因子指数法。计算公式如下：

Pi=Ci/Si

Pi代表土壤中污染物i的环境质量指数，Ci代表污染物i的实测浓度，Si代表当地环境中i的背景值。

分级标准：Pi<1清洁；1≤Pi<2轻度污染；2≤Pi<3中度污染；Pi≥3重污染。

2.3.2 植物对土壤中重金属富集评价方法

生物吸收系数（Biological Acsorption Coefficient，BAC）

BAC=Msample/Mbaseline

其中，Msample为化学元素在植物中的浓度，Mbaseline为土壤中元素的含量。一般认为BAC在0.01～0.1之间表示对此元素表现为弱吸收，在0.1～1之间表现为中度吸收，在1～10之间为强吸收。

3 结果与分析

3.1 不同矿区重金属污染评价

由表1可知，除A矿区的As和C矿区的Ni外，5种重金属元素在4个矿区均存在不同程度的污染，其中Cd、Pb、Zn污染程度较为明显，尤以Cd污染最为严重，在A、B、D矿区达到严重污染。这与袁林喜等[2]、王小飞[3]以及张恒学[4]的研究结果一致，即煤矿开采会造成Cd的严重富集和污染。Zn在D矿区也达到了重度污染；Pb在A、C、D矿区达中度污染；As和Ni污染较小，仅在个别矿区达到轻度污染。在這4个矿区中D矿区污染最重。

3.2 不同矿区重金属分布及迁移情况

笔者将每种元素除以它们的土壤背景值进行标准化，然后进行投图。由图1可知，A矿区中，Ni、Pb和Zn元素的分布变化规律最为明显，均呈现出随距矿坑口距离的增加而增加的趋势；Cd含量随距矿坑口距离变化不明显，但在50m处达到最大值，属于重度污染；As元素呈现出随距离增加含量降低的趋势，但是整体较为清洁。由图2知，在B矿区中Cd和Ni的变化规律最明显，即随距矿坑口距离的增加含量逐渐降低；Zn呈现出波折下降的趋势，其余元素变化规律不明显。由图3知，在C矿区中Cd和Zn的污染主要集中在矿坑口，随着距离的增加，含量迅速降低；Pb和As变化规律相似，在距矿坑口100m处富集，然后含量逐渐降低；Ni变化规律不明显，整体较为清洁。由图4可知，在D矿区中Cd、Zn、Ni和Pb元素在矿坑口含量大于周边地区，表现出随距离增加含量逐渐降低的趋势，以Cd和Zn最为明显，As变化规律不明显，整体较为清洁。

3.3 植物对重金属富集规律

山蓼、北极罂粟、蝇子草、珠芽蓼、发草、苔藓等北极植物内Cd、Ni、Pb、Zn和As等重金属元素浓度和富集程度是不同的。Cd在6种植物体内的浓度最低，其中发草、苔藓和珠芽蓼体内含量较高；Ni在发草和朱芽蓼体内含量最高；Pb在苔藓、发草和珠芽蓼体内含量较高；Zn在6种植物体内含量整体较高，其中在苔藓、山蓼和发草体内含量较高；As在植物体内浓度相对较低，其中苔藓、北极罂粟和蝇子草体内浓度较高。总体上6种植物中发草、苔藓和朱芽蓼体内重金属浓度高，相对其他植物对重金属吸收能力强。

朗伊尔宾4个废矿区北极植物对不同的重金属吸收系数存在差异，即使是对相同的重金属，采样地点不同吸收系数也存在差异。对于Cd元素的吸收系数所有植物都大于1，属于强吸收和积累，尤其苔藓、发草和珠芽蓼的吸收系数超过10；对于Ni元素的吸收系数，这5种植物中只有发草对Ni的吸收系数超过1属于强吸收，其他都小于1大于0.1属于中度积累；对于Pb元素的吸收系数：发草、珠芽蓼、苔藓和蝇子草的吸收系数都大于1，属于强度积累，山蓼属于中度积累；对于Zn元素的吸收系數：苔藓、山蓼、发草和蝇子草的吸收系数大于1，属于强积累，而珠芽蓼属于中度积累；对于As元素的吸收系数：所有植物对其吸收系数都小于1大于0.1属于中度积累。总体上发草和苔藓对重金属的吸收富集能力较强，而珠芽蓼对Pb、As，蝇子草对As以及山蓼对Zn也具有较强的富集能力。5种元素中Cd的吸收系数最大，其次是Pb和Zn，基本属于强富集。

由不同矿区重金属污染评价可知，5种重金属元素在4个矿区均存在不同程度的污染，而且煤矿开采造成的Cd、Pb、Zn的污染较为严重，而Ni和As污染相对较轻。A矿区地势较陡，矿区中Zn、Ni和Pb的含量随距矿坑口距离的增加而增加，而Cd在50m处富集。该规律与王小飞[3]在斯瓦尔巴德高海拔煤矿区所做研究相似，王小飞[3]发现在高差大的地区苔藓等植物中Zn、Ni、Pb、Mn、Cu、Hg、P的富集程度随海拔的降低而增加，而Cd、S、Se等变化不明显。分析该规律可能是在高差大的地区由于降水和冰川融水的冲刷，重金属元素由矿区中心向周围扩散，而Zn、Ni和Pb等元素的迁移能力较强，所以形成随距离增加含量逐渐增加的趋势，而Cd的迁移能力较差仅在50m处富集。故地势及降水是影响元素迁移的重要因素。在地势平坦地区，B矿区的Ni、C矿区的Cd、Zn、D矿区的Cd、Zn、Ni、Pb元素呈现出矿坑口富集，周边减少的规律。该变化规律与袁林喜等[2]，王小飞[3]，张恒学[4]，Jens Sondergaard等[7]，Louise Askaer等[8]对斯瓦尔巴德煤矿区的研究规律类似。这种规律的形成可能来源于两个方面：第一，煤矿开采过程中产生的粉尘迁移沉降，在风力作用下，使煤矿粉尘在煤矿周围土壤中被重新分布，通过淋溶渗滤进入到土壤中，增加了对周围土壤的污染[2-4，7-8，11-13]。第二，煤矿开采产生的煤矸石中含有浓度较高的重金属，煤矸石堆放过程中在大气降水的冲刷和淋溶作用下随着地表径流进入土壤中[3，7-8]或经风蚀以扬尘的形式悬浮于大气中，最终降落于矸石堆周围的土壤中。因而这些元素在治理中应主要关注矿区中心附近区域。其余重金属元素含量的变化没有明显规律。

在了解研究区污染状况的前提下，对废矿区部分植物及其根系土壤中重金属含量的研究显示，不同植物重金属浓度和对重金属的吸收系数差异较大，据Baker和Brooks[14]的参考值，镉达到100mg/kg，镍、铅达到1000mg/kg，锌达到10000mg/kg可认定为超富集植物，与研究区对比后认为所采集的部分北极植物并不属于超富集植物。尽管如此，部分植物对重金属还是显示出了强吸收能力，比如发草和苔藓，这表明它们对重金属元素毒性存在较强的耐性。此种耐毒性可能与植物分泌物有关，比如超富集植物在重金属胁迫下会分泌高亲和力大分子苹果酸、柠檬酸等与重金属结合形成络合物促进植物对重金属的吸收。研究区最为显著的就是Cd元素的污染，其次是Pb、Zn元素，As元素则整体较为清洁。镉是一种具有强毒性的重金属，正常条件下植物体内镉含量一般不超过1mg·kg，与其他重金属相比具有高毒性特征，对环境破坏性大，同时镉进入食物链对生物体的毒害具有隐蔽性和累积性，不容小觑。目前对重金属的污染治理存在多种方法，而植被修复则被认为是安全、高效和应用性最广的手段。在北极煤矿污染区可以考虑采用优化后的苔藓或发草进行土壤重金属修复，修复靶区根据重金属迁移规律选定。

4 结论

（1）北极朗伊尔宾4个煤矿区的开采造成了当地土壤不同程度的重金属污染，其中，Cd、Pb和Zn的污染较为严重，而Ni和As污染相对较轻。

（2）重金属元素在北极煤矿附近土壤中的迁移受到降水和海拔的影响。在地形陡峭的山坡地区（A），重金属元素含量随海拔降低而增高，它迁移方式以机械迁移为主。在地势平坦的地区（B、C、D），重金属元素的迁移主要以物理化学方式迁移，随距离的增加而以一定比例降低。

（3）研究区苔藓、发草、珠芽蓼、蝇子草、山蓼、北极罂粟等对Cd、Pb、Ni、Zn、As等具有不同的吸收富集能力，但均未达到超富集植物类型，但苔藓和发草对这几种重金属存在较强吸收富集，表明其具有较强耐毒性，在极区重金属污染修复中存在巨大潜力。

参考文献

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