湘潭金石錳礦周邊土壤污染特征及生態風險評價
2018-05-14 08:59:55朱崗輝汪成李璐陳堅文一李書炎
安徽農業科學 2018年34期
朱崗輝 汪成 李璐 陳堅 文一 李書炎
摘要 [目的]掌握金石錳礦周邊土壤重金屬含量、污染程度及分布特征。[方法]對礦區周邊土壤進行實地采樣，并對土壤中重金屬Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr和Ni含量進行分析。采用地累積指數法及潛在生態風險指數法，評價土壤中的重金屬污染程度和風險。[結果]金石礦區周邊土壤受到重金屬不同程度的污染，重金屬的污染程度從大到小依次為Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni;重金屬區域污染差異較大，局部區域土壤Mn污染嚴重，垂向調查發現重金屬污染主要集中在表層土壤;礦區周邊土壤中重金屬綜合的潛在危害程度為“輕微-中等”，Cd 是潛在生態危害最大的因子。Pb 和Zn 、Cd和Ni有很大相關性，可能屬于同源污染物。[結論]該研究可為礦區土壤重金屬污染防治提供科學依據。
關鍵詞 錳礦;土壤;重金屬;污染特征;風險評價
中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2018）34-0048-05
工礦業企業排放是土壤重金屬污染的重要來源。由于重金屬污染的隱蔽性、長期性和不可逆性，且不能被微生物降解[1-2]，近年來隨著采礦業的迅速發展，礦區周邊土壤重金屬污染問題已成為環境污染的熱點問題之一。土壤重金屬通常具有持久性、累積性和循環性的特點，不僅影響生物地球化學的可循環性，也會通過各種途徑對生態環境和人體健康造成一定風險[3]。國內外學者對礦山資源開發的重金屬污染評價和礦區環境重金屬污染特征進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果[4-6]。
因此，研究礦區周邊土壤中重金屬的空間分布、污染狀況及風險評價，對礦區周邊土地的安全利用、保障周邊居民健康生活具有重要意義。筆者以湘潭金石錳礦周邊土壤為研究對象，分析礦區周邊土壤重金屬的空間分布規律;利用富集因子法及潛在生態風險指數對周邊農田土壤中重金屬的污染特征及生態風險進行分析與評價，以期為該區域土壤重金屬污染防治及土地合理利用提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 研究區域概況
湘潭金石錳礦地處湘鄉、寧鄉、韶山交界地帶，位于湘鄉市金石鎮萬群村，礦區地理坐標為112°26′～112°29′E、28°02′～28°05′N。礦區地處丘陵地帶，海拔在62～165 m，屬亞熱帶大陸性氣候，氣候濕潤、四季分明。日氣溫最高為42.2 ℃，最低為-8.0 ℃，年平均氣溫為17.4 ℃;年降水量最多為2 081.0 mm，最少為997.7 mm，年平均降水量為1 431.4 mm;年蒸發量最大為1 580.9 mm，最小為992.2 mm，年平均為1 321.7 mm。湘潭金石錳礦礦床為“湘潭式”淺海相原生碳酸錳礦床，產于下震旦統蓮沱組黑色頁礦巖中，平均礦體厚度2.14 m，平均含錳品位18.71%。金石錳礦有25年的開采歷史，開采過程中由于礦石廢棄物、礦渣和選礦后的尾礦等造成對周邊環境影響。
1.2 樣品采集與處理
根據現場調研情況，依據《土壤環境檢測技術規范》（HJ/T 166—2004）對金石錳礦周邊范圍內土壤進行采集，采樣點主要集中在農田，也有部分為林地。采樣時利用GPS 精確記錄每個采樣點對應的坐標，觀察并對其周邊環境進行記錄。周邊區域共布設土壤采樣點20個，其中包括3個對照點，每個土樣由4～6個子樣混合，土壤采集深度為20、50、100 cm，采集量為1 kg。
土壤樣品置于陰涼處自然風干，混勻后選取約0.5 kg 土壤樣品進行研磨處理，依次全部通過20、60 和100 目尼龍篩，置于自封袋中保存備用。稱取100 目土壤樣品0.1 g（精確至0.000 1 g）置于消解管中，用石墨消解儀（ST-60）進行消解[7]。將消解完成的樣品置于100 mL 容量瓶，定容并混勻后過濾到聚乙烯瓶中，并利用電感耦合等離子體光譜儀ICP-AES（ICAP 6200，USA Thermofisher）測定重金屬（Cu、Zn、Pb、Cr、Mn）含量，利用電感耦合等離子體質譜儀ICP-MS（X USA Thermofisher）測定Ni、Cd 含量。在所有樣品試驗過程中，采用平行試驗、國家標準土壤樣品（ESS-2）回收試驗進行質量控制。平行試驗相對誤差在1.36%～11.15%，標準樣品回收率在91.8%～109.3%。
1.3 土壤重金屬污染評價方法
1.3.1 土壤評價的方法。
根據樣品分析測試結果，參考土壤環境質量標準，對研究區域土壤重金屬分別采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法進行評價[8]。污染指數評價法計算公式如下：
以國家土壤環境質量標準為評價標準，單因子污染指數評價法可用于評價土壤重金屬污染程度，分析土壤環境質量對農業生產的影響程度。具體分級指標為：P綜≤0.7，土壤環境質量處于清潔安全狀態;P綜
1.3.2 地積累指數評價法。
地累積指數法是德國科學家Muller[9]在1969年提出的，是一種研究土壤、沉積物中重金屬污染程度的定量指標。其計算公式為：
1.3.3 潛在生態危害指數法。
瑞典科學家Hakanson[10]提出的生態危害指數法是目前最為流行的一種對土壤或沉積物中土壤重金屬污染進行評價的方法。該法將重金屬的生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，不僅反映了某一特定環境中各種污染物對環境的影響，及多種污染物的綜合效應，而且用定量的方法劃分出了潛在生態風險的程度。其計算公式為：
1.4 數據分析
采用SPSS 22.0軟件，利用Pearson相關分析檢驗重金屬元素之間的相關性，探索重金屬的來源。
2 結果與分析
2.1 土壤重金屬的污染狀況
礦區周邊土壤重金屬含量見表1。依據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[11]和《重金屬污染場地土壤修復標準》（DB43/T 1125—2016）[12]，錳礦周邊土壤中主要存在重金屬Mn、Cd、Pb、Zn、Cu超標，超標率分別為45%、35%、5%、5%、5%。其中Mn的超標率和超標倍數最高，污染最為嚴重，可能會危及農業生產及人體健康。土壤中Cr、Ni均未超出農用地土壤環境質量標準，但部分點位高出區域土壤背景值。由變異系數可知，元素變異程度之間存在較大差異，其值為Mn > Pb > Cd > Zn > Cr > Ni >Cu，其中Mn變異程度最大，超過100%，屬于強變異;Pb、Zn和Cd 的變異系數較高，超過60%，屬于中等變異程度;而其他元素Cr、Ni和Cu的變異系數在40%左右，也屬于中等程度變異。各重金屬含量變化幅度較大，說明礦區周邊土壤重金屬污染差異較大。
根據單因子污染指數、多因子綜合污染指數的計算公式，以農用地土壤環境質量標準為評價標準，分別計算出金石錳礦周邊土壤重金屬元素的污染指數，結果見表2。礦區周邊土壤重金屬的綜合污染指數最高達10.3 屬于重污染，說明該礦區局部區域土壤重金屬污染嚴重。從單因子污染指數（Pi）來看，Mn的污染指數最高，4個采樣點達了重污染程度，其污染指數最高達14.35，該區域土壤Mn污染比較嚴重;Cd僅有一個采樣點污染指數達到重污染程度，存在局部污染;Zn、Pb、Cu污染指數均小于 屬于輕度污染。Cr、Ni污染指數均小于 屬于清潔。各元素污染指數的大小排序為Mn> Cd> Pb> Zn> Cu> Ni>Cr。
2.2 土壤重金屬含量的垂直分布
7種重金屬元素在垂直方向上的分布如圖1所示，可以看出Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni分布規律基本一致，其含量隨深度增加呈總體下降趨勢，前50 cm 變化特別明顯。50 cm處除Mn以外，其他元素的含量均低于農用地土壤環境質量標準和湖南省地方標準，與湖南省土壤背景值含量基本一致。研究區域土壤重金屬污染主要集中在表層50 cm以內。
2.3 土壤重金屬的地積累分析
采用湖南當地背景值計算研究區各元素的地積累指數及其污染情況，見表3。從計算結果來看，重金屬Mn的Igeo最大值為5.38，達極嚴重污染水平;重金屬Cd的Igeo最大值為2.57，屬于中污染-強污染;重金屬Pb的Igeo最大值達1.77，屬于中度污染水平;重金屬Cu、Cr、Ni、Zn的Igeo值均小于1.00，屬于無污染-輕微污染;整個7種重金屬元素污染順序為Mn > Cd >Pb > Zn >Cu>Cr>Ni。由此分析，礦區對周邊土壤環境造成重金屬污染，其中Mn 受影響最為顯著，其次為Cd，而Cr、Ni 幾乎不受影響。
2.4 土壤重金屬生態風險評價
以湖南土壤元素背景值為參比，應用Hakanson[10]提出的潛在生態危害指數法，計算了金石錳礦土壤單項污染潛在生態危害系數特征值和潛在生態危害指數。 如表4 所示，金石錳礦土壤重金屬Mn的單項污染潛在生態危害系數特征值最大為125.05，屬于強風險;土壤重金屬Cd的單項污染潛在生態危害系數特征值最大為285.7 屬于很強風險;金石錳礦土壤重金屬Pb、Zn、Cu、Cr、Ni的單項污染潛在生態危害系數特征值均小于40.00，說明石錳礦附近土壤重金屬Pb、Zn、Cu、Cr、Ni污染程度較低，存在輕微生態危害。其中Cd 的平均潛在生態風險指數遠遠大于其他重金屬元素，這一方面與Cd的毒性響應系數較大有關，其次潛在生態風險較大的為Mn。從表4 可以看出，在所有土壤樣品中，Cd有40%的采樣點存在強和很強的環境風險，輕微環境風險僅占15%。由多元素綜合潛在生態風險指數（RI）來看，該地區存生態風險中等。
2.5 重金屬來源分析
元素間相關性顯著和極顯著，說明元素間一般具有同源關系或是復合污染，否則來源可能不止一個[14]。通常相關性強的被認為是同一來源，而較弱的相關性則暗示與其他元素來源不一致。為了解礦區周邊土壤重金屬Mn、Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni的污染特征，運用SPSS軟件，對土壤中各重金屬總量進行相關性分析。由表5 可知，各重金屬之間存在不同程度的相關性，Pb和Zn之間相關系數為0.825，Cd和Ni之間相關系數為0.695，達到顯著相關水平，可見Pb和Zn、Cd和Ni之間存在一定的伴生關系，可能屬于同源污染物。
3 結論
（1）錳礦周邊土壤中主要存在重金屬Mn、Cd、Pb、Zn、Cu污染，其中Mn的超標率和超標倍數最高，污染最為嚴重。土壤中Cr、Ni均未超出農用地土壤環境質量標準，但部分土壤Cr、Ni含量高出區域土壤背景值。土壤中各重金屬含量變化幅度較大，說明礦區周邊土壤重金屬污染差異較大。土壤重金屬縱向分析發現，研究區重金屬污染主要集中在表層。
（2）采用湖南當地背景值計算研究區各元素的地積累指數及其污染情況。土壤重金屬Mn的Igeo最大值為5.38，達極嚴重污染水平;Cd的Igeo最大值為2.57，屬于中污染-強污染;Pb的Igeo最大值達1.77，屬于中度污染水平;Cu、Cr、Ni、Zn的Igeo值均小于1.00，屬于無污染-輕微污染。其中重金屬Mn受污染最為顯著，其次為Cd，而Cr、Ni 幾乎不受影響。
（3）Cd是潛在生態危害最大的因子，Mn等其他5 種重金屬的危害輕微;由多元素綜合潛在生態風險指數（RI）來看，該地區存生態風險輕微-中等，表明礦區周邊土壤整體生態風險較輕。
（4）各重金屬之間存在不同程度的相關性，Pb 和Zn 之間相關系數為0.825，Cd和Ni之間相關系數為0.695，達到顯著相關水平，可見Pb 和Zn 、Cd和Ni之間存在一定的伴生關系，可能屬于同源污染物。
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