遼南某村土壤重金屬污染評(píng)價(jià)與來源分析

張 蕾, 李 洋, 易佳瑩

(1. 沈陽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 沈陽 110034;2. 沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽 110034)

0 引 言

土壤重金屬的人為污染主要來自于工礦業(yè)和農(nóng)業(yè)活動(dòng),2014年發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)稱全國采礦區(qū)土壤超標(biāo)點(diǎn)位為33.4%,主要污染物為鎘、鉛、砷和多環(huán)芳烴等。尾礦庫和礦渣堆不僅會(huì)造成土壤污染[1-3],同樣會(huì)對(duì)水環(huán)境[4-5]和周圍的農(nóng)作物[3,6]質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,嚴(yán)重威脅著生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。

遼寧南部某村,由于在該村的東南方向,即春夏季的上風(fēng)向,建立了一座垃圾填埋場,當(dāng)?shù)鼐用耧柺芾盥駡龀魵獾睦_。而由于重金屬的污染無色無味,居民對(duì)垃圾填埋場旁露天堆放的礦渣堆卻不以為意。2005年起,不斷地有運(yùn)輸車將“硼泥”礦渣運(yùn)到這里,且沒有防水和防塵措施。為了調(diào)查該地區(qū)重金屬污染情況,本研究通過微波消解和電感耦合等離子發(fā)射光譜法分析該村土壤中鎳(Ni)、鉻(Cr)、砷(As)、鉛(Pb)、銅(Cu)和鎘(Cd)等重金屬含量,對(duì)該村的土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為該村的環(huán)境治理與保護(hù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

調(diào)查區(qū)域位置如圖1所示,露天堆放的礦渣堆西側(cè)還有一所生活垃圾填埋場,它們大約于2005年建成。生活垃圾填埋場的固體廢物主要來源于周邊各大城市,例如鞍山、海城、營口、鲅魚圈和大石橋等的城市垃圾。礦渣堆的主要成分是硼泥,硼泥是生產(chǎn)硼酸、硼砂等產(chǎn)品產(chǎn)生的廢渣,露天堆放無遮蓋處理,Google Earth地圖可見礦渣堆分為南北2部分。垃圾填埋場和礦渣堆位于村莊東南方向,距村莊內(nèi)最近一戶人家為503 m。用ArcGIS 10.2軟件手動(dòng)矢量法描出垃圾填埋場和礦渣堆的邊界(圖1),并計(jì)算得到垃圾填埋場的面積約為65 962 m2,南部礦渣堆面積約為33 035 m2,北部礦渣堆面積為35 073 m2。居民生活飲用水來源于村莊西測距該礦渣堆2 000 m的位置的地下水,深約150 m。

底圖來自Google Earth,圖像來自于2016 CNES/Astrium, DigitalGlobe圖1 研究區(qū)域礦渣堆和垃圾填埋場位置Fig.1 Location of the slag heaps and the landfill in the study area

1.2 樣品采集

沿著礦渣堆到村界線最遠(yuǎn)處采集礦渣堆及土壤樣品: 在礦渣堆、垃圾填埋場和礦渣堆中間、距離礦渣堆約35 m、200 m、500 m、800 m、1 000 m、1 200 m、1 300 m、1 400 m、2 000 m等不同距離處采集地表土, 其中500～2 000 m土樣屬于農(nóng)業(yè)土壤, 土壤類型為棕壤土。 采樣點(diǎn)位置圖如圖2所示。 各采樣點(diǎn)地勢平坦,土質(zhì)均勻, 每個(gè)點(diǎn)位取3個(gè)土樣, 采樣深度均為0～20 cm。 采樣的同時(shí)用GPS定位。

1.3 樣品的分析

1.3.1 樣品的預(yù)處理

土樣采集后風(fēng)干,過10目篩,部分用于測定土樣pH值,用四分法取剩余的土樣約20 g, 用瑪瑙研缽研細(xì), 使其全部通過100目篩,裝瓶封存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 樣品的測定

pH值測定于采樣后24 h內(nèi)完成,土樣pH值采用風(fēng)干土樣與去離子水1∶1混合懸液測定。樣品采用微波消解法消解,重金屬含量用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)測定[7]。平行樣分析用于控制實(shí)驗(yàn)的精密度。平行樣的相對(duì)誤差小于5%。

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法

為了比較不同污染物的污染程度,采用污染指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬污染程度,污染指數(shù)的計(jì)算公式為

式中:Pi為土壤中污染物i的污染指數(shù);ci和Si分別為污染物i的實(shí)測含量和標(biāo)準(zhǔn)含量,單位均為mg·kg-1。若污染指數(shù)大于1即為污染,小于1即為未造成污染。研究主要評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土壤污染情況,故

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)

土樣中重金屬的標(biāo)準(zhǔn)值采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在單因子污染指數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)土壤采用內(nèi)梅羅綜合因子指數(shù)法進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)[8],計(jì)算公式為

式中:P綜是綜合污染指數(shù);Pmax和Pave分別是各重金屬污染指數(shù)中的最大值和平均值。按照表1將土壤環(huán)境質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用各重復(fù)樣的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 21.0,數(shù)據(jù)制圖采用Origin 9.1,空間制圖采用ArcGIS 10.2軟件。

2 結(jié)果與分析

礦渣堆樣品pH值為8.93±0.25,呈現(xiàn)弱堿性,研究區(qū)域土樣pH值范圍都在7.26～8.08之間。采用污染指數(shù)表示重金屬含量與標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)關(guān)系。不同土樣重金屬污染指數(shù)及綜合評(píng)價(jià)如表2所示。該研究區(qū)域Cd污染最為嚴(yán)重,其中礦渣堆的樣品Cd濃度達(dá)到了7.48±0.33 mg·kg-1,農(nóng)業(yè)土壤樣品Cd點(diǎn)位超標(biāo)率為100%,Cd濃度范圍在1.74～2.93 mg·kg-1,超出國家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2～4倍。在距離礦渣堆200～2 000 m距離內(nèi),Cd含量并沒有因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)距礦渣堆距離的增長而降低。其次,該村超標(biāo)最嚴(yán)重的污染物為As,點(diǎn)位超標(biāo)率也為100%。對(duì)于As污染,礦渣堆并沒有表現(xiàn)出最高的濃度,而距離礦渣堆最近的農(nóng)業(yè)土壤樣品(5號(hào))表現(xiàn)為最高的As濃度,濃度為64.0 mg·kg-1,而對(duì)于農(nóng)業(yè)土壤,在研究范圍內(nèi),隨著其距礦渣堆距離的逐漸增大,As濃度呈現(xiàn)遞減趨勢。其他研究的農(nóng)田土壤重金屬中,僅11號(hào)的Ni顯著超標(biāo)。

表2 不同土樣的重金屬污染指數(shù)及污染評(píng)價(jià)Tab.2 Metal pollution index and environmental quality assessment of different soil samples

綜合污染指數(shù)顯示,土壤重金屬污染程度并沒有因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)距礦渣堆距離而降低,在研究區(qū)域7個(gè)農(nóng)業(yè)土壤點(diǎn)位中,4個(gè)點(diǎn)位是中度污染,3個(gè)點(diǎn)位是重度污染,首要污染物均是Cd。需要指出的是,對(duì)1～4號(hào)樣品評(píng)價(jià)時(shí)采用的是土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但這些樣品并非農(nóng)業(yè)土壤,故評(píng)價(jià)結(jié)果只做數(shù)據(jù)對(duì)比用,并不能表明樣品的實(shí)際環(huán)境質(zhì)量,特別是1號(hào)為尾礦堆樣品,并非土壤樣品。

3 討 論

硼泥一般無嚴(yán)重重金屬污染[9],然而研究結(jié)果顯示礦渣堆除Pb外各種重金屬含量都較高,說明該礦渣堆可能混有其他重金屬污染礦渣。該村土壤的重金屬污染嚴(yán)重,土壤重金屬污染程度并沒有因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)距礦渣堆距離而降低,這可能與土壤類型或耕作用途有關(guān),如5號(hào)采樣點(diǎn),雖然是距離礦渣堆最近的農(nóng)業(yè)土壤采樣點(diǎn),但其污染程度相對(duì)較低,可能是因?yàn)椴蓸訒r(shí)其表面覆蓋了密度很大的玉米,玉米正值成熟期,生物量較大,一方面降低了礦渣堆中重金屬在該采樣點(diǎn)的干沉降,另一方面也能提取大量的重金屬在玉米植株內(nèi),從而降低土壤中重金屬的含量。但同時(shí)也不排除存在其他污染源的可能。采用相關(guān)性分析法可以幫助了解土壤重金屬污染的同源性[10-11],確認(rèn)其是否有可能來自礦渣堆,采用SPSS軟件對(duì)各重金屬元素濃度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,得到各采樣點(diǎn)在各重金屬之間的相關(guān)性,如表3所示。分析結(jié)果顯示土壤中重金屬Ni、Cr、As、Cd含量間呈顯著的高度正相關(guān)關(guān)系。說明在各采樣點(diǎn)Ni、Cr、As、Cd可能來自同一污染源。而Pb和Cu與其他污染物并無正相關(guān)關(guān)系,可能的原因?yàn)?礦渣堆鉛含量不高,為138.8 mg·kg-1,土壤Pb污染有一個(gè)很重要的來源是交通污染,該村汽車保有量較高,可能會(huì)影響到農(nóng)業(yè)土壤中的Pb含量,使其濃度在村中心(6～10號(hào)采樣點(diǎn))的濃度較高,所以與其他采樣點(diǎn)的Pb污染沒有相關(guān)關(guān)系。土壤中的Cu元素是植物營養(yǎng)的一種微量元素,雖然礦渣堆中Cu含量較高,為142.7 mg·kg-1,但在農(nóng)田土壤中Cu可被農(nóng)作物吸收利用,使其濃度降低。除去Pb,Cu這2種元素,對(duì)11個(gè)采樣點(diǎn)的Ni、Cr、As、Cd元素濃度進(jìn)行Pearson相關(guān)性(表4)分析,發(fā)現(xiàn)礦渣堆的樣品與大部分土樣都呈現(xiàn)顯著的(p<0.05)極強(qiáng)(Pearson相關(guān)性>0.95)正相關(guān),這進(jìn)一步證明了土樣中的重金屬同源,考慮到礦渣堆Cd含量顯著高于其他采樣點(diǎn),礦渣堆很可能是該村土壤污染的主要污染源。而除As外,Cd等污染物的濃度在距礦渣堆200～2 000 m范圍內(nèi),并不隨其距礦渣堆的距離增大而降低,說明礦渣堆的影響范圍可能遠(yuǎn)大于該村的面積。

表3 研究區(qū)域土樣中不同重金屬Pearson相關(guān)性Tab.3 Pearson correlation of different heavy metals in soil samples in the study area

注: *表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表4 基于Ni、Cr、As和Cd含量比較各采樣點(diǎn)土樣與礦渣堆土樣Pearson相關(guān)性

注: *表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); **表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 結(jié) 論

對(duì)遼寧南部某村土壤中Ni、Cr、As、Pb、Cu和Cd等重金屬含量進(jìn)行了采樣分析,并采用污染指數(shù)法評(píng)價(jià)了重金屬污染程度,且采用相關(guān)性分析法分析了該村重金屬來源。得出主要結(jié)論如下:

1) 該村土壤的重金屬污染程度為中度污染和重度污染。其中農(nóng)業(yè)土壤樣品Cd和As點(diǎn)位超標(biāo)率均為100%,Cd的污染最為嚴(yán)重,濃度范圍在1.74～2.93 mg·kg-1,超出國家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)2～4倍。農(nóng)田土壤污染會(huì)導(dǎo)致食品安全問題,建議對(duì)礦渣堆進(jìn)行封閉處理,該村土壤在修復(fù)后方可繼續(xù)投入農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2) Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示礦渣堆樣品中與大部分土樣中的重金屬含量都呈顯著的極強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系,同時(shí)考慮到礦渣堆Cd含量顯著高于其他采樣點(diǎn),判斷礦渣堆很可能是該村土壤污染的主要污染源。同時(shí)不排除存在其他污染源的可能。

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