閆姣+張永清+宋智萍+賀小琴+李育鵬

摘要：分析了襄汾潰壩區(qū)土壤及農(nóng)作物8種重金屬（Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg）含量水平，得出了尾砂中含有Cu和Zn，造成覆蓋區(qū)土壤中Cu和Zn的含量高于未覆蓋區(qū)，其他6種重金屬的含量均低于未覆蓋區(qū);覆蓋區(qū)麥苗體內(nèi)Cu和Zn的含量低于未覆蓋區(qū)，其他6種重金屬的含量均高于未覆蓋區(qū)。相關(guān)分析表明覆蓋區(qū)內(nèi)Cu和Zn來源于尾礦砂，其他6種重金屬在覆蓋區(qū)與未覆蓋區(qū)都具有同源或者伴生關(guān)系。單項(xiàng)指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)結(jié)合得出潰壩物覆蓋區(qū)土壤重金屬污染比較輕微。富集系數(shù)表明除Cu和Zn外，覆蓋區(qū)麥苗對其他6種重金屬的吸收能力高于未覆蓋區(qū)。

關(guān)鍵詞：襄汾潰壩區(qū);土壤;農(nóng)作物;重金屬污染;生態(tài)風(fēng)險

中圖分類號：X825 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）20-4821-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.013

Pollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Soil and Crops in Dam-breaking Areas of Xiangfen

YAN Jiao， ZHANG Yong-qing， SONG Zhi-ping， HE Xiao-qin， LI Yu-peng

（College of Urban and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen 041004， Shanxi， China）

Abstract： The contents of eight heavy metals（Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg） in soil and crops in dam-breaking areas of Xiangfen were analyzed. Tailing contained Cu and Zn was found. The contents of Cu and Zn in soil of the covered areas were higher than those in soil of the non-covered areas. The levels of other six elements in soil of the covered areas were lower than those in soil of the non-covered areas. The contents of Cu and Zn in crops of the covered areas were lower than those in crops of the non-covered areas. The levels of other six elements in crops of the covered areas were higher than those in crops of the non-covered areas. The correlation analysis showed that Cu and Zn in the coverage areas were from tailing. The other six heavy metals were homologous or associated in the coverage areas and non-covered areas. The single pollution index， Nemerow's synthetical pollution index and the potential ecological risk index showed that soil in the coverage areas was polluted slightly by heavy metals. Enrichment coefficients showed that the uptake capacity of the other six heavy metals by wheat was higher in the coverage areas than that in non-covered areas with the exception of Cu and Zn.

Key words： dam-breaking areas of Xiangfen; soil; crop; heavy metal pollution; ecological risk

重金屬毒害是礦區(qū)普遍存在且最為嚴(yán)重的問題之一[1，2]。由于尾礦渣含有多種重金屬，這些重金屬隨尾礦渣進(jìn)入土壤環(huán)境發(fā)生積累、遷移，不僅對區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成潛在危害，可能影響動植物的生長發(fā)育，甚至通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康，導(dǎo)致一些慢性病、畸形、癌癥等的發(fā)生[3]。礦山尾砂庫垮壩導(dǎo)致的污染物遷移和擴(kuò)散，不僅威脅人體健康和生命安全，而且會導(dǎo)致大面積的土地污染，使下游土地的重金屬含量升高，土壤酸化，有機(jī)質(zhì)含量降低和土壤板結(jié)[4]。例如，西班牙南部的Aznalcollar硫鐵礦尾砂壩坍塌導(dǎo)致Agrio和Guadiamar流域55 km2范圍內(nèi)的土壤受到重金屬污染，土壤Pb、Zn、As、Cd和Cu的含量分別增加到1 786、1 449、589、5.9、420 mg/kg[4]，受污染土壤的pH最低可以下降到2[5， 6];1985年，湖南郴州市竹園礦區(qū)尾砂壩坍塌，致使尾砂沖入東河兩岸農(nóng)田，即使農(nóng)田中的尾砂已被清理，該地區(qū)農(nóng)田土壤的As和Cd含量仍然高達(dá)709、7.6 mg/kg[7，8]。

目前，關(guān)于礦業(yè)的開采活動對礦區(qū)周圍環(huán)境的影響有很多研究。曲蛟等[9]對鉬礦尾礦周圍蔬菜地的土壤的分析表明，重金屬含量從大到小的順序?yàn)闅堄鄳B(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、氧化結(jié)合態(tài)和酸可提取態(tài)，由于尾礦石中可能釋放重金屬，當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴竞車?yán)重，預(yù)警類型為重警;李祥平等[10]對粵西黃鐵礦區(qū)的土壤做了詳細(xì)的研究，證實(shí)鐵礦開采和尾渣堆放給礦區(qū)環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害，土壤重金屬含量已超過中國土壤背景值的30余倍，Cd、Zn等已達(dá)到中度甚至重度污染，且污染物已滲透到土壤深層;王素娟等[11]對廣西德保幾個礦區(qū)尾礦的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd和Pb含量都超出了廣西土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的背景值，且Cd含量隨pH的升高顯著增加，Pb含量隨pH的升高而減少。而礦山尾砂壩坍塌是一種較常見的事故，但對其導(dǎo)致下游土壤污染問題的研究至今仍較少。2008年9月8日，襄汾縣云合村塔兒山的尾礦壩坍塌，尾砂沖入下游地區(qū)的居民區(qū)和農(nóng)田，不僅造成了巨大的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失，而且造成下游農(nóng)田土壤被大量的尾砂所覆蓋，可能導(dǎo)致土壤和農(nóng)作物的重金屬污染。正確評價該區(qū)土壤的污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為此，本研究采用單項(xiàng)污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對研究區(qū)內(nèi)土壤及農(nóng)作物重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價，以期為土壤污染控制和污染農(nóng)田修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

潰壩區(qū)位于山西省臨汾市襄汾縣云合村塔兒山，E 111°3′，N 35°53′，海拔679～769 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.5 ℃，1月年均氣溫4.5 ℃，7月年均氣溫26 ℃，年均降水量454 mm，年均日照數(shù)2 522 h，無霜期185 d。塔兒山富含磁鐵礦，潰壩發(fā)生后，進(jìn)行了緊急治理，利用大型機(jī)械開挖泥石流，對土壤物理性狀造成了較嚴(yán)重的破壞，在原有土壤上覆蓋了大量尾砂。

1.2 樣品采集與檢測

在潰壩物覆蓋區(qū)，沿潰壩物流向，采用S型取樣法，取0～20 cm的耕層土壤，5個點(diǎn)混成一個土樣，同時在同一塊農(nóng)田的未覆蓋區(qū)采集對照樣品，覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)各18個土樣，裝袋、編號、扎口，帶回實(shí)驗(yàn)室。把土樣置于室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除大石塊、植物根系等雜質(zhì)，磨細(xì)后過孔徑為0.15 mm的尼龍篩，裝袋密封用于測定土壤重金屬含量。在秋季，研究區(qū)主要的農(nóng)作物是小麥，在土壤點(diǎn)位上采集相應(yīng)的麥苗樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來水沖洗干凈，再用純水洗3遍，風(fēng)干，80 ℃烘干至恒重，用研缽研碎，裝袋。

取備用土壤0.1 g放入聚四氟乙烯坩堝，加入5 mL HNO3和1 mL HF，HNO3和HF試劑均為優(yōu)級純，加蓋，放在電熱板上消解，得到樣品消解液，用火焰原子吸收法檢測消解液中銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）和鎳（Ni）等重金屬的含量， 用石墨爐原子吸收法檢測消解液中鎘（Cd）和鉛（Pb）的含量，用雙道原子熒光光度計檢測消解液中砷（As）和汞（Hg）的含量。測定過程中用10%的平行樣品和加標(biāo)回收樣進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度。植物樣品中的重金屬檢測方法同上。

1.3 ?土壤重金屬污染評價方法及標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 ?單項(xiàng)污染指數(shù)法

Pi=Ci/Si

式中：Pi為樣品中某污染物的單項(xiàng)污染指數(shù);Ci為樣品中某污染物的實(shí)測濃度;Si為某污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 ?內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

Pn=■

式中：Pi=Ci/Si，Pn是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pi是樣品中某污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)，MaxPi是樣品污染物中污染物指數(shù)最大值。

依據(jù)單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法將土壤重金屬污染劃分為5個等級，見表1。

1.3.3 ?潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法 ?該方法是瑞典學(xué)者 Hakanson根據(jù)重金屬的性質(zhì)及環(huán)境行為特點(diǎn)，從沉積學(xué)角度提出的一種對沉積物或土壤中重金屬污染進(jìn)行評價的方法[12]。它將重金屬的含量、生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，采用具有可比的等價屬性指數(shù)分級法進(jìn)行評價，可以定量地評價單一元素的風(fēng)險等級，也可以評價多個元素的總體風(fēng)險等級[13]。公式如下：

C■■=C■■/C■■;E■■=T■■×C■■;

RI=■E■■=■T■■×C■■=■T■■×C■■

式中：C■■為某一重金屬的污染參數(shù);C■■為土壤中重金屬的實(shí)測含量;C■■為計算所需的參比值;E■■為潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù);T■■為某一重金屬的毒性系數(shù)。參比值的選擇，各地學(xué)者差異較大，大都以全球沉積物重金屬的平均背景值為參比值[14]，或以當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸禐閰⒈萚15]，或以背景采樣點(diǎn)值為參比[16]，為了更真實(shí)反映評價區(qū)域的重金屬污染狀況，本研究以未覆蓋區(qū)土壤中重金屬含量為參比值。不同重金屬元素毒性水平不同，生物對重金屬污染的敏感程度也不盡相同，用重金屬元素毒性系數(shù)反映該特點(diǎn)[17]。根據(jù)“元素豐度原則”和“元素稀釋度”，Hakanson認(rèn)為某一重金屬的潛在毒性與其豐度成反比，或者說與其稀少度成正比[17]，因此他指定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性系數(shù)為Zn（1）

1.3.4 ?富集系數(shù) ?富集系數(shù)是植物中重金屬的含量與土壤中重金屬含量的比值，表示植物對重金屬的富集能力[1]。富集系數(shù)越大，其富集能力就越強(qiáng)。

1.4 ?數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

重金屬含量用EXCEL 2003計算，重金屬含量的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù)、正態(tài)分布檢驗(yàn)等描述性統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0計算。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?潰壩區(qū)下游土壤重金屬分析

2.1.1 ?土壤重金屬含量 ?潰壩區(qū)下游土壤重金屬含量見表3。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)8種重金屬的平均值和最大值均沒有超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)，兩區(qū)域的Zn、Cr、Ni和As等4種重金屬的平均濃度沒有超過山西省土壤元素背景值，其他4種元素的平均濃度均超過山西省土壤元素背景值。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)相比，覆蓋區(qū)Cu和Zn的平均濃度高于未覆蓋區(qū)，其他6種元素的平均濃度均低于未覆蓋區(qū)。這可能是因?yàn)槲驳V砂中含有Cu和Zn覆蓋在農(nóng)田上，雖然經(jīng)過清理，但還有殘留，導(dǎo)致覆蓋區(qū)的土壤中Cu和Zn的含量偏高;而Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的情況正好相反，尾礦砂中可能沒有這些元素，或者含量極少，進(jìn)入土壤后反而降低了土壤中Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的濃度，造成未覆蓋區(qū)土壤中的含量偏高。

變異系數(shù)（CV）是衡量研究區(qū)各樣品間的變異程度，CV大則說明土壤受外界干擾顯著，空間分異明顯，也說明土壤的污染是以復(fù)合污染的形式存在[19]。CV≤10%為弱變異，10%100%為強(qiáng)變異。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)8種重金屬的變異都為中等變異，說明研究區(qū)內(nèi)重金屬的來源不相同，并不全部來自潰壩物。覆蓋區(qū)內(nèi)Hg的變異系數(shù)最高，說明不同采樣點(diǎn)Hg的分布差異性很大，覆蓋區(qū)內(nèi)各重金屬的變異系數(shù)從高到低依次為Hg、Pb、Cr、Ni、Cd、Zn、Cu、As。未覆蓋區(qū)內(nèi)也是Hg的變異系數(shù)最高，各重金屬的變異系數(shù)從高到低依次為Hg、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、As、Zn。

研究土壤中重金屬含量的相關(guān)性可以推測其來源是否相同。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)土壤重金屬的相關(guān)系數(shù)分別見表4和表5。覆蓋區(qū)內(nèi)，Cu和Zn呈顯著正相關(guān)，與其他6種元素（Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg）呈負(fù)相關(guān)，說明Cu和Zn來源相同，與其他6種重金屬元素是異源關(guān)系;Ni與Cr顯著相關(guān);Cd與Pb、As、Hg顯著相關(guān)，Pb與As、Hg顯著相關(guān)，As與Hg顯著相關(guān)，說明Cd、Pb、As和Hg為同一來源或者伴生關(guān)系。未覆蓋區(qū)內(nèi)，Ni和Cr、Pb、Hg，Cd和As、Hg，Pb和As、Hg，As和Hg，都呈顯著正相關(guān);而Cu和Zn相關(guān)性不顯著，這與覆蓋區(qū)完全不同。在覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)內(nèi)，Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg之間都具有很高的相關(guān)性，這些重金屬可能是伴生關(guān)系或者來自同一污染源。

2.1.2 ?土壤重金屬污染狀況 ?以未覆蓋區(qū)為背景值，計算出覆蓋區(qū)土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)（表6）。Cr和Ni的污染指數(shù)在安全域內(nèi)，Cd、As和Hg的污染指數(shù)在警戒線上，Cu、Zn和Pb的污染指數(shù)處于輕度污染級別。8種重金屬的污染程度從高到低的依次為Pb>Cu>Zn>Cd>As=Hg>Ni>Cr。覆蓋區(qū)的綜合污染指數(shù)為1.3，處于輕度污染級別，這與Cu、Zn、Pb單項(xiàng)污染指數(shù)偏高有關(guān)。

2.1.3 ?土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險評價 ?以未覆蓋區(qū)為背景值，覆蓋區(qū)土壤單個重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（E■■）和多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)（RI）見表7。8種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)都處于輕微級別，它們的潛在生態(tài)風(fēng)險趨勢為E■■（Hg）>E■■（Cd）>E■■（Pb）>E■■（Cu）=E■■（As）>E■■（Ni）>E■■（Zn）>E■■（Cr）。多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI也處于輕微級別。從重金屬污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)二者結(jié)合來看，潰壩物覆蓋區(qū)土壤重金屬污染比較輕微。

2.2 ?潰壩區(qū)麥苗體內(nèi)重金屬分析

2.2.1 ?麥苗體內(nèi)重金屬含量 ?為了進(jìn)一步探索土壤對植物重金屬污染的影響，采集了覆蓋區(qū)與未覆蓋區(qū)的麥苗，并對其重金屬含量進(jìn)行測定，結(jié)果見表8。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)的麥苗重金屬含量差異較大，同種植物中不同重金屬含量差異明顯。與未覆蓋區(qū)相比，覆蓋區(qū)麥苗體內(nèi)的Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg含量相對較高，Cu和Zn的含量相對較低，這與土壤中重金屬含量規(guī)律相反，很可能與當(dāng)?shù)氐蔫F礦開采活動有很大的關(guān)系。

2.2.2 ?麥苗體內(nèi)重金屬富集系數(shù) ?覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)的麥苗體內(nèi)重金屬富集系數(shù)見表9。從表9可以看出，相同植物對不同重金屬的吸收能力存在差異。除Cu和Zn外，覆蓋區(qū)麥苗對其他6種重金屬的吸收能力高于未覆蓋區(qū)。覆蓋區(qū)的麥苗吸收重金屬的能力依次為Cr>Cd>Hg>Zn>Ni>Pb>As>Cu;未覆蓋區(qū)的麥苗吸收重金屬的能力依次為Zn>Hg>Cr>Cu=Cd>Pb>Ni>As。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)的麥苗吸收重金屬的能力不同可能與土壤中重金屬含量、形態(tài)等有關(guān)。

3 ?小結(jié)

由于尾礦砂中含有Cu和Zn，造成覆蓋區(qū)土壤中Cu和Zn的含量高于未覆蓋區(qū)，其他6種元素的含量均低于未覆蓋區(qū)。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)8種重金屬的變異都為中等變異，各金屬元素在土壤中的含量還是比較穩(wěn)定的。

通過相關(guān)分析可以推斷出覆蓋區(qū)內(nèi)Cu和Zn來源于尾礦砂，其他6種重金屬在覆蓋區(qū)與未覆蓋區(qū)都具有同源或者伴生關(guān)系。

以未覆蓋區(qū)為背景值，從重金屬污染指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)二者結(jié)合來看，潰壩物覆蓋區(qū)土壤重金屬污染比較輕微。

覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)對比，麥苗體內(nèi)重金屬含量規(guī)律與土壤中重金屬含量規(guī)律相反，這很可能與當(dāng)?shù)氐牟傻V活動有關(guān)。覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)的麥苗吸收重金屬的能力不相同可能與土壤重金屬含量、形態(tài)有關(guān)系。

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