北極斯瓦爾巴德群島廢礦區(qū)重金屬污染與遷移以及植物富集能力研究

俞樂(lè)航

摘 要：2016年7月到8月筆者對(duì)北極斯瓦爾巴德群島進(jìn)行了為期18d的實(shí)地考察，考察期間對(duì)朗伊爾賓4個(gè)廢礦區(qū)周邊土壤環(huán)境中重金屬污染狀況、空間分布和遷移規(guī)律以及部分北極植物對(duì)重金屬的富集規(guī)律進(jìn)行了研究。通過(guò)廢礦區(qū)等間隔多點(diǎn)采樣以及對(duì)土壤和植物中重金屬元素的測(cè)定分析，認(rèn)為煤礦開(kāi)采對(duì)北極朗伊爾賓4個(gè)礦區(qū)的土壤均造成了不同程度的重金屬污染，其中Cd、Pb、Zn的污染程度最大。同時(shí)對(duì)植物研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)苔蘚、發(fā)草、珠芽蓼、蠅子草、山蓼、北極罌粟等對(duì)Cd、Pb、Ni、Zn、As具有不同的吸收富集能力，但均未達(dá)到超富集植物類型，其中苔蘚和發(fā)草對(duì)重金屬存在較強(qiáng)吸收富集，表明其耐毒性較強(qiáng)，在極區(qū)重金屬污染修復(fù)中存在巨大潛力。廢礦區(qū)內(nèi)Cd在所有植物中屬于強(qiáng)富集，其次是Pb、Zn、Ni元素，As富集最弱。由于Cd等的高毒性，土壤修復(fù)工作不容小覷。

關(guān)鍵詞：北極 斯瓦爾巴德群島 土壤 重金屬 遷移 植物 富集

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0121-03

1 研究背景及意義

隨著工業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)中污染物的排放，我們生活的土地污染程度和范圍在逐漸擴(kuò)大，即使是在常年冰川覆蓋人類活動(dòng)較少的極地也不例外[1-13]。北極是高緯極寒區(qū)，其土壤污染物很可能受當(dāng)?shù)毓I(yè)環(huán)境和人類生活的影響而發(fā)生變化[1-4，6-13]，同時(shí)北極又是地球上受污染程度最小的區(qū)域之一，受外界干擾較少，其數(shù)據(jù)具有很高的研究?jī)r(jià)值。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 樣品采集

以朗伊爾賓城為重點(diǎn)采樣地點(diǎn)在周邊選取了4個(gè)主要采樣位置，采集了一些土壤樣品，將4個(gè)樣點(diǎn)分別記為A、B、C、D考察點(diǎn)。分別以每個(gè)廢礦區(qū)為圓心，按照一定方向拉制導(dǎo)線，在距離礦區(qū)0m，50m，100m，150m，200m的采樣點(diǎn)，用潔凈的竹制小鏟挖取5～20cm深的表層土壤樣，每袋約100g，同時(shí)在采樣點(diǎn)一定范圍內(nèi)采集蠅子草、北極罌粟、發(fā)草、山蓼、珠芽蓼、苔蘚等植物及其根部土壤樣品，樣品現(xiàn)場(chǎng)采集后置于聚乙烯袋中密封冷藏保存作為研究對(duì)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）土壤樣品分析方法：將新鮮的土壤樣品去掉植物殘?bào)w及石塊后過(guò)100目篩，準(zhǔn)確稱取0.0050g土壤樣品，用HF-HCiO4-HNO3法在電熱板上進(jìn)行消解，消解后測(cè)定鉛（Pb）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、砷（As）元素。

（2）植物樣品分析方法：用蒸餾水將植物的莖、葉沖洗干凈，去除粘附在植物樣品上的泥土和污物，用潔凈紗布擦干表面水分。在105℃下殺青30min后，再在68℃條件下烘干至恒重，將樣品用瑪瑙研缽粉碎，過(guò)100目篩后放入干燥器中備用，后續(xù)測(cè)定方法同土壤樣品。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 土壤污染評(píng)價(jià)方法

以斯瓦爾巴的群島本土土壤背景值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)方法采用單因子指數(shù)法。計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

Pi代表土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Ci代表污染物i的實(shí)測(cè)濃度，Si代表當(dāng)?shù)丨h(huán)境中i的背景值。

分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Pi<1清潔；1≤Pi<2輕度污染；2≤Pi<3中度污染；Pi≥3重污染。

2.3.2 植物對(duì)土壤中重金屬富集評(píng)價(jià)方法

生物吸收系數(shù)（Biological Acsorption Coefficient，BAC）

BAC=Msample/Mbaseline

其中，Msample為化學(xué)元素在植物中的濃度，Mbaseline為土壤中元素的含量。一般認(rèn)為BAC在0.01～0.1之間表示對(duì)此元素表現(xiàn)為弱吸收，在0.1～1之間表現(xiàn)為中度吸收，在1～10之間為強(qiáng)吸收。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同礦區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)

由表1可知，除A礦區(qū)的As和C礦區(qū)的Ni外，5種重金屬元素在4個(gè)礦區(qū)均存在不同程度的污染，其中Cd、Pb、Zn污染程度較為明顯，尤以Cd污染最為嚴(yán)重，在A、B、D礦區(qū)達(dá)到嚴(yán)重污染。這與袁林喜等[2]、王小飛[3]以及張恒學(xué)[4]的研究結(jié)果一致，即煤礦開(kāi)采會(huì)造成Cd的嚴(yán)重富集和污染。Zn在D礦區(qū)也達(dá)到了重度污染；Pb在A、C、D礦區(qū)達(dá)中度污染；As和Ni污染較小，僅在個(gè)別礦區(qū)達(dá)到輕度污染。在這4個(gè)礦區(qū)中D礦區(qū)污染最重。

3.2 不同礦區(qū)重金屬分布及遷移情況

筆者將每種元素除以它們的土壤背景值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后進(jìn)行投圖。由圖1可知，A礦區(qū)中，Ni、Pb和Zn元素的分布變化規(guī)律最為明顯，均呈現(xiàn)出隨距礦坑口距離的增加而增加的趨勢(shì)；Cd含量隨距礦坑口距離變化不明顯，但在50m處達(dá)到最大值，屬于重度污染；As元素呈現(xiàn)出隨距離增加含量降低的趨勢(shì)，但是整體較為清潔。由圖2知，在B礦區(qū)中Cd和Ni的變化規(guī)律最明顯，即隨距礦坑口距離的增加含量逐漸降低；Zn呈現(xiàn)出波折下降的趨勢(shì)，其余元素變化規(guī)律不明顯。由圖3知，在C礦區(qū)中Cd和Zn的污染主要集中在礦坑口，隨著距離的增加，含量迅速降低；Pb和As變化規(guī)律相似，在距礦坑口100m處富集，然后含量逐漸降低；Ni變化規(guī)律不明顯，整體較為清潔。由圖4可知，在D礦區(qū)中Cd、Zn、Ni和Pb元素在礦坑口含量大于周邊地區(qū)，表現(xiàn)出隨距離增加含量逐漸降低的趨勢(shì)，以Cd和Zn最為明顯，As變化規(guī)律不明顯，整體較為清潔。

3.3 植物對(duì)重金屬富集規(guī)律

山蓼、北極罌粟、蠅子草、珠芽蓼、發(fā)草、苔蘚等北極植物內(nèi)Cd、Ni、Pb、Zn和As等重金屬元素濃度和富集程度是不同的。Cd在6種植物體內(nèi)的濃度最低，其中發(fā)草、苔蘚和珠芽蓼體內(nèi)含量較高；Ni在發(fā)草和朱芽蓼體內(nèi)含量最高；Pb在苔蘚、發(fā)草和珠芽蓼體內(nèi)含量較高；Zn在6種植物體內(nèi)含量整體較高，其中在苔蘚、山蓼和發(fā)草體內(nèi)含量較高；As在植物體內(nèi)濃度相對(duì)較低，其中苔蘚、北極罌粟和蠅子草體內(nèi)濃度較高?？傮w上6種植物中發(fā)草、苔蘚和朱芽蓼體內(nèi)重金屬濃度高，相對(duì)其他植物對(duì)重金屬吸收能力強(qiáng)。

朗伊爾賓4個(gè)廢礦區(qū)北極植物對(duì)不同的重金屬吸收系數(shù)存在差異，即使是對(duì)相同的重金屬，采樣地點(diǎn)不同吸收系數(shù)也存在差異。對(duì)于Cd元素的吸收系數(shù)所有植物都大于1，屬于強(qiáng)吸收和積累，尤其苔蘚、發(fā)草和珠芽蓼的吸收系數(shù)超過(guò)10；對(duì)于Ni元素的吸收系數(shù)，這5種植物中只有發(fā)草對(duì)Ni的吸收系數(shù)超過(guò)1屬于強(qiáng)吸收，其他都小于1大于0.1屬于中度積累；對(duì)于Pb元素的吸收系數(shù)：發(fā)草、珠芽蓼、苔蘚和蠅子草的吸收系數(shù)都大于1，屬于強(qiáng)度積累，山蓼屬于中度積累；對(duì)于Zn元素的吸收系數(shù)：苔蘚、山蓼、發(fā)草和蠅子草的吸收系數(shù)大于1，屬于強(qiáng)積累，而珠芽蓼屬于中度積累；對(duì)于As元素的吸收系數(shù)：所有植物對(duì)其吸收系數(shù)都小于1大于0.1屬于中度積累?？傮w上發(fā)草和苔蘚對(duì)重金屬的吸收富集能力較強(qiáng)，而珠芽蓼對(duì)Pb、As，蠅子草對(duì)As以及山蓼對(duì)Zn也具有較強(qiáng)的富集能力。5種元素中Cd的吸收系數(shù)最大，其次是Pb和Zn，基本屬于強(qiáng)富集。

由不同礦區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)可知，5種重金屬元素在4個(gè)礦區(qū)均存在不同程度的污染，而且煤礦開(kāi)采造成的Cd、Pb、Zn的污染較為嚴(yán)重，而Ni和As污染相對(duì)較輕。A礦區(qū)地勢(shì)較陡，礦區(qū)中Zn、Ni和Pb的含量隨距礦坑口距離的增加而增加，而Cd在50m處富集。該規(guī)律與王小飛[3]在斯瓦爾巴德高海拔煤礦區(qū)所做研究相似，王小飛[3]發(fā)現(xiàn)在高差大的地區(qū)苔蘚等植物中Zn、Ni、Pb、Mn、Cu、Hg、P的富集程度隨海拔的降低而增加，而Cd、S、Se等變化不明顯。分析該規(guī)律可能是在高差大的地區(qū)由于降水和冰川融水的沖刷，重金屬元素由礦區(qū)中心向周圍擴(kuò)散，而Zn、Ni和Pb等元素的遷移能力較強(qiáng)，所以形成隨距離增加含量逐漸增加的趨勢(shì)，而Cd的遷移能力較差僅在50m處富集。故地勢(shì)及降水是影響元素遷移的重要因素。在地勢(shì)平坦地區(qū)，B礦區(qū)的Ni、C礦區(qū)的Cd、Zn、D礦區(qū)的Cd、Zn、Ni、Pb元素呈現(xiàn)出礦坑口富集，周邊減少的規(guī)律。該變化規(guī)律與袁林喜等[2]，王小飛[3]，張恒學(xué)[4]，Jens Sondergaard等[7]，Louise Askaer等[8]對(duì)斯瓦爾巴德煤礦區(qū)的研究規(guī)律類似。這種規(guī)律的形成可能來(lái)源于兩個(gè)方面：第一，煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵遷移沉降，在風(fēng)力作用下，使煤礦粉塵在煤礦周圍土壤中被重新分布，通過(guò)淋溶滲濾進(jìn)入到土壤中，增加了對(duì)周圍土壤的污染[2-4，7-8，11-13]。第二，煤礦開(kāi)采產(chǎn)生的煤矸石中含有濃度較高的重金屬，煤矸石堆放過(guò)程中在大氣降水的沖刷和淋溶作用下隨著地表徑流進(jìn)入土壤中[3，7-8]或經(jīng)風(fēng)蝕以揚(yáng)塵的形式懸浮于大氣中，最終降落于矸石堆周圍的土壤中。因而這些元素在治理中應(yīng)主要關(guān)注礦區(qū)中心附近區(qū)域。其余重金屬元素含量的變化沒(méi)有明顯規(guī)律。

在了解研究區(qū)污染狀況的前提下，對(duì)廢礦區(qū)部分植物及其根系土壤中重金屬含量的研究顯示，不同植物重金屬濃度和對(duì)重金屬的吸收系數(shù)差異較大，據(jù)Baker和Brooks[14]的參考值，鎘達(dá)到100mg/kg，鎳、鉛達(dá)到1000mg/kg，鋅達(dá)到10000mg/kg可認(rèn)定為超富集植物，與研究區(qū)對(duì)比后認(rèn)為所采集的部分北極植物并不屬于超富集植物。盡管如此，部分植物對(duì)重金屬還是顯示出了強(qiáng)吸收能力，比如發(fā)草和苔蘚，這表明它們對(duì)重金屬元素毒性存在較強(qiáng)的耐性。此種耐毒性可能與植物分泌物有關(guān)，比如超富集植物在重金屬脅迫下會(huì)分泌高親和力大分子蘋果酸、檸檬酸等與重金屬結(jié)合形成絡(luò)合物促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。研究區(qū)最為顯著的就是Cd元素的污染，其次是Pb、Zn元素，As元素則整體較為清潔。鎘是一種具有強(qiáng)毒性的重金屬，正常條件下植物體內(nèi)鎘含量一般不超過(guò)1mg·kg，與其他重金屬相比具有高毒性特征，對(duì)環(huán)境破壞性大，同時(shí)鎘進(jìn)入食物鏈對(duì)生物體的毒害具有隱蔽性和累積性，不容小覷。目前對(duì)重金屬的污染治理存在多種方法，而植被修復(fù)則被認(rèn)為是安全、高效和應(yīng)用性最廣的手段。在北極煤礦污染區(qū)可以考慮采用優(yōu)化后的苔蘚或發(fā)草進(jìn)行土壤重金屬修復(fù)，修復(fù)靶區(qū)根據(jù)重金屬遷移規(guī)律選定。

4 結(jié)論

（1）北極朗伊爾賓4個(gè)煤礦區(qū)的開(kāi)采造成了當(dāng)?shù)赝寥啦煌潭鹊闹亟饘傥廴?，其中，Cd、Pb和Zn的污染較為嚴(yán)重，而Ni和As污染相對(duì)較輕。

（2）重金屬元素在北極煤礦附近土壤中的遷移受到降水和海拔的影響。在地形陡峭的山坡地區(qū)（A），重金屬元素含量隨海拔降低而增高，它遷移方式以機(jī)械遷移為主。在地勢(shì)平坦的地區(qū)（B、C、D），重金屬元素的遷移主要以物理化學(xué)方式遷移，隨距離的增加而以一定比例降低。

（3）研究區(qū)苔蘚、發(fā)草、珠芽蓼、蠅子草、山蓼、北極罌粟等對(duì)Cd、Pb、Ni、Zn、As等具有不同的吸收富集能力，但均未達(dá)到超富集植物類型，但苔蘚和發(fā)草對(duì)這幾種重金屬存在較強(qiáng)吸收富集，表明其具有較強(qiáng)耐毒性，在極區(qū)重金屬污染修復(fù)中存在巨大潛力。

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