煤礦區(qū)重金屬在土壤-小麥中的分布特征及土壤污染評(píng)價(jià)*

王 麗 閔 寧

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院 安徽宿州 234000)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是近年來工業(yè)化和城市化發(fā)展的過程中，將生產(chǎn)性用地變成非生產(chǎn)性用地，引起水土流失，使土地貧瘠化以及土地干旱化，導(dǎo)致耕地急劇減少，同時(shí)造成空氣、水體、土壤的污染。上述污染問題越來越嚴(yán)重，且這些污染將長(zhǎng)期存在，其中重金屬污染問題特別突出[1]。在采煤礦區(qū)，礦業(yè)開采過程中產(chǎn)生的廢水、揚(yáng)塵和煤矸石等進(jìn)入土壤，會(huì)造成煤礦區(qū)土壤重金屬的富集[2-3]。

土壤作為植物的天然培養(yǎng)基，是植物體內(nèi)重金屬的重要來源，為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供了必需的微量元素； 當(dāng)環(huán)境中的重金屬含量超過某一個(gè)臨界值時(shí)，對(duì)植物就會(huì)產(chǎn)生一定的危害作用[4-5]。近些年，有關(guān)耕地土壤-農(nóng)作物中重金屬污染的特征受到越來越多研究者的關(guān)注。針對(duì)礦區(qū)土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)的重金屬污染特性，前人已在含量特征、富集遷移規(guī)律等方面開展了許多研究工作。如，李杰[6]等南寧市市區(qū)周邊農(nóng)田土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬元素遷移特征及其影響因素的研究，農(nóng)作物可食部分重金屬元素平均含量大小為Zn>Cu>Ni>Cd>Pb>Hg；農(nóng)作物根系土富集因子大小為Cd>Hg>Pb>Cu>Cr>Ni。熊霜[7]等對(duì)礦區(qū)土壤-玉米重金屬富集及健康風(fēng)險(xiǎn)的研究，結(jié)果表明重金屬含量均值大小在玉米根中為Zn>Ni>Cu>Cr>Pb>Cd，莖和葉中為Zn>Ni>Cu>Pb>Cr>Cd；遷移系數(shù)均值大小為Cu>Pb>Cd>Ni>Zn>Cr。

朱仙莊礦區(qū)是淮北煤田的五個(gè)礦區(qū)之一，煤炭資源開發(fā)規(guī)模大。文章選擇宿州朱仙莊礦區(qū)為研究對(duì)象。通過對(duì)周邊農(nóng)田土壤-小麥進(jìn)行系統(tǒng)地采樣和重金屬(Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb)含量分析測(cè)試，分析了礦區(qū)土壤-小麥分布特征及土壤重金屬污染的程度。為研究區(qū)農(nóng)田土壤-小麥系統(tǒng)的重金屬污染監(jiān)測(cè)、控制和環(huán)境治理提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 樣品采集、處理與測(cè)試

在充分分析研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)布置了采樣點(diǎn)(見圖1)。以礦區(qū)煤矸石山為中心，沿宿州主風(fēng)向線NE-SW向，以50m、100m、200m、400m、750m、1500m為間距，布置了13個(gè)采樣點(diǎn)。采集了0～15cm(A層)、15～30cm(B層)的土樣，共26個(gè)。另每個(gè)采樣點(diǎn)采集一份的小麥植株，共13個(gè)。

土樣采回后，剔除雜質(zhì)，風(fēng)干，研磨至200目。小麥植株樣品洗凈，晾干，按其根、莖、葉分開，于70℃烘干至恒重，再用微型粉碎機(jī)粉碎，過篩，至60目。

土壤及植物粉末經(jīng)酸溶后，用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定重金屬含量。樣品的處理測(cè)試在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心完成。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

生物富集系數(shù)( BCF)是描述化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)累積趨勢(shì)的重要指標(biāo)，是植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中同種重金屬含量的比值，反映了植物對(duì)土壤重金屬元素的富集的能力[8]。轉(zhuǎn)移系數(shù)( BTF)是描述化學(xué)物質(zhì)在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)移能力的重要指標(biāo)，是植物地上部分某種重金屬含量與根部同種重金屬含量的比值，反映了重金屬從植物根部向上遷移的能力[8]，其表達(dá)式為：

BCF=Cp/Cs

(1)

BTF= Cup/Cdown

(2)

其中，Cp為植物體內(nèi)某一部位(根、莖、葉)的重金屬元素重金屬含量，單位mg/kg；Cs為土壤中重金屬的含量，單位mg/kg；Cup為植物地上部分重金屬的含量，單位mg/kg；Cdown為植物根部中重金屬的含量，單位mg/kg。

1.3 地累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)

Muller[9]指數(shù)，又叫地累積污染指數(shù)，是一種用于評(píng)價(jià)沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量性指標(biāo)。不僅考慮了土壤背景值受自然成礦巖作用的影響，還考慮了人為因數(shù)對(duì)土壤環(huán)境的影響，是評(píng)價(jià)沉積物和土壤重金屬元素富集程度的一個(gè)重要參數(shù)，表達(dá)式為：

Igeo= log2Cn/1.5Bn

(3)

式(3)中，Cn為所測(cè)樣品中重金屬的濃度，單位mg/kg；Bn安徽省表層土壤背景值，單位mg/kg；1.5為修正系數(shù)，是考慮到由人類活動(dòng)和成巖作用所帶來的元素背景值的變動(dòng)。Igeo的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]見表1。

表1 地累積污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬含量特征及污染評(píng)價(jià)

研究區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)見表2，由表中可看出A層Cd的均值最小為0.25 mg/kg，含量變化范圍最小為0.19～0.35mg/kg；Cr在的均值最大為69.8mg/kg，含量變化范圍最大為35.2～90.8mg/kg；B層Cd的均值最小為0.21mg/kg，含量變化范圍最小為0.12～0.40mg/kg；Zn的均值最大為63.1mg/kg，含量變化范圍最大為37.5～96.2mg/kg。

人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾程度用變異系數(shù)被來反映，變異系數(shù)越大人類活動(dòng)越明顯。弱變異是變異系數(shù)小于10%，中等變異在10%～30%之間，強(qiáng)變異大于30%[10]。從表2中可看出，研究區(qū)A層的重金屬的變異系數(shù)均在10%～30%為中等變異；B層的重金屬除了Cd和Pb的變異系數(shù)大于30%為強(qiáng)變異，其余四種重金屬的變異系數(shù)都在10%～30%為中等變異。由此可見，該研究區(qū)域小麥中重金屬含量的空間分布差異較明顯，外界干擾對(duì)重金屬來源影響較大。

表2 礦區(qū)土壤重金屬含量

地累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果(見表3)表明，A層的Cd、Ni、Cr、Zn和Cu均值含量相對(duì)較高，以安徽省土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，Cd、Ni、Cr、Zn和Cu的污染指數(shù)范圍分別為0.38～1.27、-0.87～-0.04、-1.5～-0.14、-0.88～-0.05和-0.81～0.07。其中，Cd為輕污染-中污染，Cu為無污染-輕污染，而其他重金屬都為無污染。B層的Cd、Ni、Zn和Cu的污染指數(shù)范圍分別為-0.28～1.46、-1.09～-0.13、-1.31～-0.05和-0.96～0.17其中，Cd為無污染-中污染，而其他重金屬都為無污染-輕污染。上述結(jié)果表明研究區(qū)土壤中的重金屬已經(jīng)污染積累到一定程度了，Cd的污染等級(jí)評(píng)價(jià)已經(jīng)達(dá)到了中污染，污染可能來源于礦區(qū)的開采、工業(yè)生產(chǎn)排放、污水灌溉等[11-13]。Zn的B層比A層污染嚴(yán)重，隨著深度增加Zn的含量也增加[14]。

表3 土壤重金屬地累積指數(shù)

2.2 小麥植株各器官重金屬含量特征

小麥根、莖、葉的重金屬平均值含量分布見表4。由表4可知，在小麥根、莖、葉中，Zn的平均含量最高，分別為14.32、22.89、16.10mg/kg；Cd的平均含量最低，分別為0.10、0.06、0.05mg/kg；小麥重金屬含量均值大小在根中為Pb>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd，莖中為Zn>Pb>Cu>Cr>Ni>Cd；葉中為Zn>Cu>Pb>Cr>Ni>Cd。

表4 小麥各器官重金屬均值含量分布

通過對(duì)比礦區(qū)周邊土壤及小麥植株根、莖、葉重金屬含量可知， Cd重金屬含量總體表現(xiàn)為根>莖>葉；Zn中重金屬含量總體為莖>葉>根，而01-4-3為莖>根>葉，東面約20m有一小堆煤[15]的影響；小麥植株中根、莖、葉中各重金屬的含量遞減不明顯，有的還出現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但根、莖、葉中各重金屬的變化趨勢(shì)基本一致，呈顯著正相關(guān)，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)周邊土壤及小麥植株各器官重金屬含量

2.3 富集轉(zhuǎn)移程度

小麥根、莖、葉的重金屬富集系數(shù)見表5，由表可知，6種重金屬的富集系數(shù)均值大小，在根中為Pb>Cd>Zn>Cu>Cr≈Ni，莖和葉中都為Pb>Zn>Cu>Cd>Cr>Ni，其中Pb的富集系數(shù)最大，莖在部分樣品中富集系數(shù)大于1；其余重金屬富集系數(shù)都小于1，說明這些重金屬不易遷移[16]。小麥根、莖、葉中重金屬的遷移系數(shù)見表5，由表5可知，6種重金屬的遷移系數(shù)均值大小為Pb>Zn>Cu>Cd>Cr>Ni，重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1。

綜上可得，小麥植株體內(nèi)富集和遷移特性在不同重金屬中差異較大，可能是與重金屬在土壤中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素價(jià)態(tài)，在環(huán)境中共存離子的溶解度和濃度等多因素有關(guān)[17]。

表5小麥各器官重金屬富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié)論

文章以安徽宿州的朱仙莊為研究區(qū)域，調(diào)查了該地區(qū)耕地土壤和小麥重金屬的污染狀況。調(diào)查結(jié)果表明：

(1)研究區(qū)六種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb，都大于安徽省土壤背景值，研究區(qū)A層的重金屬的變異系數(shù)均在10%～30%為中等變異；B層的重金屬除了Cd和Pb的變異系數(shù)大于30%為強(qiáng)變異，其余四種重金屬的變異系數(shù)都在10%～30%為中等變異。地累積污染評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)土壤中的重金屬已經(jīng)污染積累到一定程度了。

(2)小麥重金屬含量均值大小為Zn的平均含量最高，Cd的平均含量最低；小麥植株中根、莖、葉中各重金屬的含量遞減也不太明顯，有的還出現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但根、莖、葉中各重金屬的變化趨勢(shì)基本一致，呈顯著正相關(guān)。

(3)小麥植株中Pb的富集系數(shù)最大，莖在部分樣品中富集系數(shù)大于1；其余重金屬富集系數(shù)都小于1；重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1。