有色金屬礦區(qū)土壤Pb、Zn、Cd污染評(píng)價(jià)及形態(tài)分布研究

黃順紅（湖南有色金屬研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100）

有色金屬礦區(qū)土壤Pb、Zn、Cd污染評(píng)價(jià)及形態(tài)分布研究

黃順紅
（湖南有色金屬研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100）

以郴州廢棄礦區(qū)土壤為研究對(duì)象，對(duì)礦區(qū)所采集的12個(gè)土壤樣品進(jìn)行重金屬含量調(diào)查及綜合污染程度分析，并采用地累積指數(shù)法對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，土樣中重金屬Pb、Zn、Cd的平均含量分別為：3 149.36mg／kg、3 848.75mg／kg、26.74mg／kg。Zn和Cd達(dá)到極嚴(yán)重污染程度，Pb達(dá)到強(qiáng)污染嚴(yán)重水平。采用BCR連續(xù)提取法對(duì)土壤中Pb、Zn、Cd三種重金屬元素的形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明Pb主要以可還原態(tài)存在，Zn主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，Cd主要以弱酸提取態(tài)存在。

重金屬；污染評(píng)價(jià)；地累積指數(shù)；形態(tài)

礦產(chǎn)開采及冶煉等生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致重金屬元素的釋放和遷移，從而對(duì)礦區(qū)附近土壤等表生環(huán)境造成嚴(yán)重的重金屬污染［1］。重金屬能從土壤遷移到其它生態(tài)系統(tǒng)組成部分中，如地下水、植物等，并通過飲用水和食物鏈影響人類健康［2］，因此研究礦區(qū)土壤重金屬污染特征并對(duì)其污染進(jìn)行評(píng)價(jià)十分重要。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法等進(jìn)行土壤重金屬污染評(píng)價(jià)［3］，以上兩種方法均能對(duì)研究區(qū)土壤重金屬污染程度進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià)，但無法從自然異常中分離人為異常，判斷表生過程中重金屬元素的人為污染情況。地累積指數(shù)（Igeo）是德國(guó)學(xué)者M(jìn)uller于1979年提出的［4］。它不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，而且也充分注意了人為活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響，因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)［5］。

土壤重金屬污染的毒性及重金屬在土壤中的環(huán)境行為并不完全取決于其總量，很大程度上取決于其化學(xué)形態(tài)［6］。隨著土壤重金屬污染的加重以及對(duì)重金屬污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和植物修復(fù)研究的深入，土壤中重金屬元素化學(xué)形態(tài)的研究也越來越引起國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視［7］。

本文以郴州某廢棄鉛鋅礦區(qū)為典型有色金屬礦區(qū)，研究了土壤受到重金屬污染的情況，采用地累積指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬Pb、Cd、Zn的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)重金屬的形態(tài)分布進(jìn)行了研究，旨在為當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)及重金屬污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 樣品采集與處理

本研究采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，采集了12個(gè)表層土壤樣品，每個(gè)樣品由五個(gè)5～20 cm表層土樣混合而成。樣品自然風(fēng)干，揀除石塊、植物根莖等雜物，磨碎過100目尼龍篩，混合均勻后取適量測(cè)定重金屬總量、BCR形態(tài)含量。參照GB／T 17141－1997測(cè)定土壤中Pb、Cd的含量；參照GB／T 17138－1997測(cè)定土壤Zn的含量。

1.2 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)方法

地累積指數(shù)表達(dá)公式如下：

式中：Cn為元素n在土壤中的含量；Bn為土壤中該元素的化學(xué)背景值，本研究中選擇背景值為湖南省土壤背景值；k為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（一般取值為1.5），用來表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其它影響。

地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具體詳見表1。

表1 地累積指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH值特征

研究區(qū)土壤pH值頻率分布情況如圖1所示。研究區(qū)的12個(gè)表層樣品中，pH值介于5.0～6.0的土樣占總數(shù)的33.33%；pH值介于6.0～7.0的土樣占50.00%；pH值介于7.0～8.0的土樣占16.67%。研究區(qū)土壤pH值的變幅為5.17～7.75，中值為6.46，從圖1可以看出，土壤基本上呈中性偏酸性。

圖1 土壤pH值分布頻率

2.2 土壤重金屬元素含量組成特征

對(duì)研究區(qū)12個(gè)土壤樣品中的Pb、Zn、Cd的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各重金屬平均含量見表2。

表2 重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)mg／kg

從表2中可以看出Pb元素均值為3 149.36 mg／kg，含量在770.61～10 475.20 mg／kg之間；Zn元素含量范圍為1 420.26～18 743.2 mg／kg，平均值為3 848.75 mg／kg；Cd元素含量范圍為8.7～120.12 mg／kg，平均值為26.74 mg／kg。研究區(qū)內(nèi)Pb、Zn、Cd平均值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于湖南省土壤背景值，其中Zn元素高出土壤背景值一百多倍。Pb元素高出土壤背景值近四十倍。Cd元素高出土壤背景值三百多倍。

2.3 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

將不同樣品中土壤重金屬平均濃度值及湖南省土壤重金屬背景值代入地累積指數(shù)計(jì)算公式，求得土壤樣品中Cr、Pb和Zn的Igeo及污染程度分級(jí)，污染程度分級(jí)結(jié)果見表3，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表3 Cr、Pb和Zn的Igeo及污染程度分級(jí)

表4 地累積指數(shù)法污染程度評(píng)價(jià)結(jié)果%

從表4中可以看出，表層土樣中污染程度最重的元素為Zn，極重污染的土樣個(gè)數(shù)占整體的100%。其次為Pb，達(dá)到中度污染以上的樣品數(shù)占100%。Cd達(dá)到重污染－極重污染和極重污染的樣品分別占75%和16.67%。從各元素所達(dá)到的最高污染程度來看，污染順序?yàn)椋篫n＞Cd＞Pb。

2.4 土壤重金屬形態(tài)分布

重金屬的生物毒性不僅取決于其總量，更大程度上是受其存在形態(tài)的影響，不同的形態(tài)產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)。試驗(yàn)采用BCR（community bureau of reference）連續(xù)提取法對(duì)土壤中的Pb、Zn、Cd的重金屬形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 Pb的形態(tài)分布

從圖2中Pb的形態(tài)分布可以看出，各個(gè)形態(tài)的分配系數(shù)按以下順序遞減：可還原態(tài)鉛＞可氧化態(tài)鉛＞殘?jiān)鼞B(tài)鉛＞弱酸提取態(tài)鉛，可還原態(tài)所占比例最高，達(dá)61.6%，弱酸提取態(tài)所占比例最低，僅為6.66%。說明土樣中Pb活性較大，將會(huì)對(duì)其上生長(zhǎng)的植物產(chǎn)生較大的不利影響。

圖3 Zn的形態(tài)分布

從圖3中Zn的形態(tài)分布可以看出，各個(gè)形態(tài)的分配系數(shù)按以下順序遞減：殘?jiān)鼞B(tài)鋅＞弱酸提取態(tài)鋅＞可還原態(tài)鋅＞可氧化態(tài)鋅，殘?jiān)鼞B(tài)鋅所占比例最高，但也只有34.3%，而Zn的可還原態(tài)，弱酸提取態(tài)占比例也較大為40%，因此具有一定的生物有效性和潛在生態(tài)危害。

從圖4中Cd的形態(tài)分布可以看出，各個(gè)形態(tài)的分配系數(shù)按以下順序遞減：弱酸提取態(tài)鎘＞可還原態(tài)鎘＞可氧化態(tài)鎘＞殘?jiān)鼞B(tài)鎘。弱酸提取態(tài)所占比例最高，為37.4%，殘?jiān)鼞B(tài)所占比例最低，為17.6%。由于Cd不是植物生長(zhǎng)所必須的微量元素，即使其土壤中含量排在Zn后面，其毒害性也不亞于Zn。

圖4 Cd的形態(tài)分布

3 結(jié) 論

1.研究區(qū)土壤呈中性偏酸性，土樣中重金屬Pb、Zn和Cd的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于湖南省土壤重金屬背景值。

2.研究區(qū)土壤中Pb、Zn、Cd重金屬元素的地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，土壤中Zn和Cd元素為極嚴(yán)重污染，Pb元素屬于重污染－極重污染；在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)的污染程度順序?yàn)椋篫n＞Cd＞Pb。

3.土壤重金屬形態(tài)分析結(jié)果為：Pb主要以可還原態(tài)存在，所占比例高達(dá)61.6%；Zn主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，所占比例為34.3%；Cd主要以弱酸提取態(tài)存在，所占比例為37.4%。

［1］ 仇榮亮，仇浩，雷梅，等.礦山及周邊地區(qū)多金屬污染土壤修復(fù)研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（6）：1 085－1 091.

［2］ 劉敬勇.礦區(qū)土壤重金屬污染及生態(tài)修復(fù)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2006，15（12）：66－69.

［3］ 徐爭(zhēng)啟，倪師軍，庹先國(guó)，等.潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)中重金屬毒性系數(shù)計(jì)算［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（2）：112－115.

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［6］ 黃勇，郭慶榮，任海，等.城市土壤重金屬污染研究綜述［J］.熱帶地理，2005，25（1）：14－18.

［7］ Serife Tokalioglu，Senol Kartal，Latif Elci.Determination of heavy metals and their speciation in lake sediments by flame atomic adsorption spectrometry after a four-stage sequential extraction procedure［J］.Anal Chim Acta，2000，413：33－40.

A Study of Pollution Assessm ent and Speciation Distribution for Pb，Zn，Cd in Soil of Nonferrous M etal M ining A reas

HUANG Shun-hong
（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

With soil of discarded mining areas in Chenzhou as research object，investigation was carried on heavy metal content and comprehensive pollution degree of twelve soil in the area，geostatistics and multistatistics were applied to evaluate pollution degree of heavymetals.The results indicate thataverage concentrations of Pb，Zn and Cd were 3149.36，3848.75，26.74 mg·kg－1，respectively.The soil was extremely seriously polluted by Zn and Cd，and seriously polluted by Pb.The results of BCR sequential extraction procedure show that Pb wasdominated by reducible form，while Zn and Cd were dominated by residual formand weak acid extracive form respectively.

heavymetal；pollution assessment；speciation distribution；form

X758

A

1003－5540（2016）02－0065－03

2016－02－25

長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目（k1403043－31）

黃順紅（1972－），女，高級(jí)工程師，主要從事土壤重金屬污染治理及修復(fù)研究工作。