铜陵杨山冲尾矿库土壤-植物系统重金属迁移过程及健康风险评估

陈淑英, 熊鸿斌, 刘桂建, 王振祥

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中国科学技术大学 地球与空间科学学院,安徽 合肥 230026)

矿业开采的过程中形成众多尾矿库,用以堆放尾矿渣、低品位废矿石、选矿废水等,不仅占用大量土地和破坏原有植被,对周围环境也造成了严重的环境污染和生态破坏[1-2]。采矿、选矿废水未经处置任意排放以及尾矿渣、废矿石等风化和淋滤,会造成地区性土壤重金属含量严重超标[3],重金属的大量累积可使土壤物理、化学性质发生改变,从而使植物中重金属含量升高,进而通过食物链迁移危及人体健康和生态安全[4-7]。因此,在涉及重金属污染问题上,土壤-植物系统重金属污染逐渐引起关注,针对土壤-植物系统污染迁移过程、富集能力和植物引起的健康风险评估已有一些研究成果[8-9]。

近年来,为了改善土壤环境的污染问题,我国相继出台了农用地重金属污染导则和标准,如《环境影响评价技术导则土壤环境(试行)》[10]、《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[11]等。铜陵市区有6座土壤污染严重的铜尾矿库,文献[12-14]研究了尾矿库重金属元素释放效应和超富集植物,相关研究中对土壤-植物系统迁移过程及健康风险的研究较少。本文以堆放30年以上、库容超过70×104m3的杨山冲尾矿为研究对象,对其土壤-植物系统重金属迁移及健康风险评估进行研究,为该区域农作物安全和土地复垦评估提供科学依据。

1 研究区概况、样品采集及研究方法

1.1 研究区概况

狮子山矿田是铜陵地区Cu、Fe、S和Au等分布较为集中的区域,其中包括冬瓜山铜矿、狮子山铜矿、老鸦岭铜矿,鸡冠山铁矿、曹山硫铁矿及胡村金矿和朝山金矿等。

杨山冲尾矿库位于狮子山铜矿北部约15 km,该地区属于北亚热带湿润季风气候,年平均气温16.4 ℃,降雨量1 488 mm,平均风速2.5 m/s。该尾矿库主要堆存以Cu为主的矿业固体废物,于1966年7月建成使用,1991年达到设计服务年限后封闭;占地面积3.65×105m2,汇水面积0.54 km2,总库容达747.166×104m3,累计排入尾矿1 308×104t。该尾矿库封闭后,为了防止尾砂对周围环境造成污染,于1999—2001年对其进行生态修复。但是,近年来对该区域进行二次选矿,使得尾砂再次暴露地表,导致周围环境进一步恶化。

1.2 样品采集与处理

本研究区域分为尾矿库东北部的簸箕山农田土(A)、西南部的刺山坡田土(B)、 东南部新华山农田土(C),采样点分布如图1所示。

图1 杨山冲尾矿研究取样点位置示意图

于2018年8月在该区域随机采集具有代表性且数量较多的植物(香瓜、丝瓜、青瓜、茄子、豆角、辣椒)的地上部分和根部,同时采集各植物根际土、非根际土。为进一步研究土壤重金属在垂向方向的迁移规律,分别采集A、B、C区的剖面土样(0～100 cm),每个样品采集3个重复样,共采集土壤样品51个,植物样品36个。土壤样品去除植物残骸和小石子等杂物,自然风干后,研磨至200目备用,采用HF-HNO3-HClO4消解。植物样品用蒸馏水洗净,105 ℃干燥5 min,降至65 ℃烘干至恒质量,不锈钢粉碎机粉碎后,采用混合酸HNO3-HClO4消解至透明澄清溶液。重金属元素质量比测定均选用电感耦合等离子体质谱仪(Elan 6000,美国Waters公司),实验均采用平行样法、空白对照法及标准样法进行质量控制,消解过程采用标准物质GBWO7407(土壤)、NIST1573a(植物)进行质量控制。结果显示,重金属元素回收率在78.5%～119.6%之间,满足质量回收率,实验数据准确可靠。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 植物富集系数与转运系数

植物富集系数(bioconcentration factors，BCF)fBC衡量植物对某种元素的吸收能力[15],转运系数(translocation factor，TF)fT反映植物对某重金属元素的迁移能力[16],计算公式分别为:

fT=w果实/w根际

肿瘤治疗包括手术、化疗、放疗等，治疗费用较高，且部分病人因疾病影响，身体素质减弱，不能承受原本工作压力，收入减少，进一步加重家庭经济负担。病人2:“这病又治不好，还花这么多钱，啥时候是个头。”病人6：“以前家里老人、孩子都靠我挣钱养家，现在有了这个病，也不能出去打工了，只能在老家找点轻松的活。”此外，医疗费用支付方式对病人服药依从性有重要影响，其中公费病人服药依从性高于有医疗保险病人，有医疗保险病人服药依从性高于自费病人[14]。病人5：“这个升白细胞药多少钱,贵不？给报销不？尽量给我开一些可以报销的药。”病人8：“我是自费，看病都是自己掏钱，细胞偏低一点没事，我多吃点(白细胞)就上来了”。

(1)

其中:w果实、w土、w根际分别为植物果实、土壤、植物根际土壤中某重金属元素的质量比。

1.3.2 农作物摄入重金属健康风险评价

为了对当地居民食用该区域植物的健康风险进行评价,本研究采用美国环境保护署创建的非致癌评价方法,包括危害商(hazard quotient,HQ)QH和危害指数(hazard index,HI)IH2项指标[17-18],计算公式为:

IH=QH1+QH2+…+QHi

(2)

其中:ADD为单位体质量每天污染物的摄入量(average daily dose,ADD);wi为实测污染物i质量比的均值;IR为食入途径摄取速率(ingestion rates,IRs);tED为暴露持续时间(exposure duration,ED);FE为暴露频率(exposure frequency,EF);mBW为评价对象的平均体质量(body weight,BW);AT为平均寿命(average time,AT);DRf为人体日常可以长时间持续暴露在此水平而不受危害的日参考剂量(reference dose,RfD)。

农作物健康风险评价模型参数取值见表1所列。IH为各重金属元素QH之和,可以综合评价多种重金属元素对人体健康的危害[19]。IH≤1,说明人体不会受到大的伤害;1

表1 农作物健康风险评价模型参数取值

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属元素总质量比与迁移特征

2.1.1 土壤重金属元素总质量比特征

研究区土壤重金属元素总质量比见表2所列。与铜陵市土壤背景值[24]相比,除Mn、Cr、Ni外,土壤中其他重金属元素质量比均高于背景值,存在明显累积现象。Cu在A、B、C区的质量比平均值分别是背景值的1.85、1.45、1.40倍,Cr在A、B、C区的质量比平均值分别是背景值的0.85、0.79、0.84倍,以Cd在土壤中超标最为显著,其在A、B、C区的质量比均值分别是背景值的4.54、3.16、2.91倍。该结果表明杨山冲尾矿土壤Cd、Cu污染较为严重,文献[25]也证实污染原因与该地区尾矿等固体废弃物中重金属元素淋滤和存在形态相关。与农用地土壤风险筛选值[11]相比,A区Cr、Ni质量比在安全值之内,Cu、Cd平均质量比分别是农用地土壤风险筛选值的1.9、4.2倍;B区Cu、Cd平均质量比分别是筛选值的2.3、7.5倍;可能受风向的影响,表层土壤重金属元素质量比高于农田土样,不同区之间重金属元素质量比差异较大;C区Cu、Cd平均质量比分别超标2.3、6.8倍,受尾矿库堆放的影响,重金属元素质量比与A区相比较高,也可能与尾矿运输过程的遗落和二次选矿将尾砂等固体废弃物再次置于地表有关[12]。

表2 土壤5种重金属元素总质量比 单位:mg/kg

2.1.2 土壤重金属元素迁移特征

该地区垂直剖面土壤5种重金属元素质量比分布如图2所示。

图2 土壤剖面重金属元素质量比分布

从重金属元素的纵向迁移变化来看,从表层至底层,Mn、Ni呈降低—增加—降低的特点;其中Mn在40 cm的质量比高于表层,有向底土层迁移的趋势,但在垂直剖面深度均低于背景值;Ni在80～100 cm出现富集现象,但质量比低于表层,垂直剖面深度同样低于背景值。Cr呈增加—降低—增加—降低的特点,出现0～20 cm和40～60 cm 2个富集区,在20 cm的质量比高于表层土壤;其中A区Cr质量比是背景值的1.1倍。Cu、Cd变化趋势基本一致,呈从表层至底层质量比逐渐降低的分布趋势,Cu在0～20 cm质量比高于背景值,而Cd在40 cm仍高于背景值,表明Cu、Cd受人类生产活动影响较明显。文献[26]对土壤垂向分布的研究也表明,土壤是较为复杂的系统,剖面重金属元素含量受多种因素影响,与土壤理化性质、种类及重金属元素类别均是相关的。

2.2 植物重金属元素分布特征

研究区植物体内各重金属元素质量比见表3所列。

表3 6种植物体内5种重金属元素质量比 单位:mg/kg

总体上看,根部重金属元素的质量比大于地上部分,而Cr的质量比地上部分普遍大于根部,植物果实对Cr表现出较强吸收性;所有植物体内重金属元素(除Mn外)质量比均超过一般值;Cr、Ni、Cd、Cu部分超标,Cr的超标表现在丝瓜、青瓜、豆角、茄子、香瓜的果实，Ni的超标表现在丝瓜、青瓜、豆角、茄子的根部,Cd的超标表现在豆角的根部,Cu的超标表现在青瓜的根部。丝瓜中Cr、Ni质量比较高,分别表现在其果实和根部,豆角中Mn、Cd质量比较高,且主要囤积在根部。青瓜中Cu、Ni、Cr质量比较高,Cu、Ni主要囤积在根部,而Cr是向上迁移。辣椒中各元素质量比均在一般范围内。总体上看,Cr在植物体内质量比较高,因此,该区应选择种植对Cr富集小的植物。

2.3 土壤-植物系统中重金属元素迁移特征

6种植物对5种重金属元素的富集系数BCF和转运系数TF见表4所列。

表4 6种植物对5种重金属元素的富集系数(BCF)和转运系数(TF)

6种植物对5种重金属元素的BCF从大到小依次为Cd、Cr、Ni、Mn、Cu,根部的BCF远大于地上部分;豆角对Cd表现出较强的富集能力,地上部分和根部BCF分别为3.00、4.30;丝瓜、青瓜、豆角、辣椒、香瓜根部对Mn富集能力较强(BCF大于1);植物对Cu、Ni、Cr的BCF小于1,富集能力较弱,且Cu、Ni主要囤积在根部,阻止向上迁移,而Cr主要囤积在果实，总是向上迁移;不同植物对重金属元素的富集能力不同,该地区茄子、辣椒的富集能力较低。5种重金属元素在6种植物中的迁移能力也存在一定差异,其TF从大到小依次为Cd、Ni、Cr、Cu、Mn。其中,豆角、茄子、香瓜对Cd表现出很强的迁移能力,TF大于1或接近1。文献[30]对铜陵市相思谷尾矿8种定居植物的研究也得出类似结论。青瓜对Mn表现出较强的迁移能力,而Cu、Ni、Cr在所有植物样品中的TF均小于1,植物对其迁移能力较弱。

2.4 植物健康风险评价

由A、B、C区各植物重金属元素质量比的平均值,计算出同时食用6种植物对人体的健康风险影响,见表5所列。由表5可知:无论成人还是儿童,HI均大于10;Cd、Cu元素HQ均大于1,因此,食用植物中的单元素Cd、Cu即带来一定健康风险;从5种重金属元素HQ值看,儿童摄食植物引发的重金属健康风险较小于成人;5种重金属元素的HQ有较大差异,从大到小依次为Cd、Cu、Ni、Mn、Cr。Cd的HQ值最大,在谷粒[31]和蔬菜作物[32]研究中也有同样结论;相比之下,Cr在成人和儿童中引发的健康风险较低,文献[33]从小麦籽粒的摄入、文献[34]从蔬菜和鱼类的摄入研究重金属元素对人体的健康风险时也得出相同结论。

表5 6种植物中5种重金属元素的ADD、HQ和HI值

3 结 论

(1) 铜陵市杨山冲尾矿土壤重金属元素Cu、Cd质量比高于铜陵市土壤背景值,存在明显累积现象。与我国土壤环境质量标准农用地风险筛选值对比,A、B、C区Cu质量比分别超标1.9、2.3、2.3倍,Cd质量比分别超标4.2、7.5、6.8倍,该区土壤表现为以Cu、Cd为主的重金属污染。

(2) 对该尾矿库剖面土壤重金属质量比分析发现,Cd、Cu、Ni在A、B、C 3个区的表层均有累积现象,随着采样深度增加,Cd、Cu质量比明显降低,Mn质量比在60 cm处最高,随深度增加呈先增加后降低的趋势;Cr出现2个富集区,在20 cm处达到最大值,总体呈增加—降低—增加—降低的趋势。

(3) 对比分析6种植物不同部位的重金属质量比,豆角的根部对Cd、Mn表现出较强的富集能力;丝瓜的果实对Cr表现出较强富集能力；青瓜中Cu、Ni、Cr质量比较高，Cu、Ni主要囤积在根部，而Cr是向上迁移。所有植物样品对Mn均表现出较强富集能力,且主要集中在根部,在地上部分的富集能力较弱。豆角、茄子、香瓜对Cd的TF大于1或接近1,表现出很强的迁移能力。

(4) 铜陵市杨山冲尾矿植物健康风险评价结果显示,Cd、Cu重金属HQ大于1,存在单一重金属健康风险。成人和儿童HI均大于10,表明成人和儿童均存在严重的慢性风险。