垃圾場復墾土壤重金屬銅的含量與分布

劉 皦

（1.晉中市生態環境局，山西 榆次 030600；2.晉中市生態環境保護綜合行政執法隊，山西 榆次 030600；3.晉中市生態環境監測和應急保障中心，山西 榆次 030600；4.祁縣生態環境監測和應急保障中心，山西 祁縣 030900）

土壤重金屬污染是指逐步積累汞、鉻、鎘、鉛等對人類毒害較大的重金屬污染以及砷、硒、磷等有毒元素，明顯高于土壤環境背景值所造成的污染。重金屬污染物危害極大，其污染過程具有長期性、嚴重性、隱蔽性、不可逆性。土壤中的重金屬主要是通過人體直接接觸、地面揚塵被人體直接吸入等途徑對人類產生危害，其對生態環境的影響還表現在對地表水和地下水的污染[1]。土壤中銅含量達到一定濃度時，對作物生長發育及產量產生極大地影響[2]。作物受到銅中毒主要是由于缺鐵而出現失綠癥；與此同時，作物受到銅元素毒害會抑制光合電子轉移，而且破壞光系統Ⅱ，影響作物的光合作用導致產量的降低[3]。相關研究表明，銅濃度超過一定值時，種子在萌發期會出現胚軸畸形，變質腐爛；在生長發育期會主根生長不良、植株矮小、生長緩慢[4]。銅含量過高會影響水稻根系對養分的充分吸收和小麥生長初期株高和分蘗，進而產量降低。因此，土壤重金屬污染對人類的危害極大，已經成為國際社會重點研究和關注的熱點問題。

本文通過測定垃圾場復墾土壤中重金屬銅的含量，來分析土壤中重金屬銅污染狀況，進而為土壤重金屬銅污染防治和修復提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本試驗所用土壤樣品采自某學校污水處理廠垃圾場復墾土壤，根據研究目的，按多點采樣法將所采土壤區域劃分為7 個區，即東區（北）、東區（南）、南區、中區（東）、中區（西）、中區（南）、西區。7 個區在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 三個土壤剖面層次分別采取土壤樣品，土壤剖面記錄及樣品采集按相關規程進行；土樣經風干后，分別過1 mm 孔徑的篩子，提取部分土樣進一步進行瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm 孔徑的篩子，供元素全量分析使用。

1.2 分析方法

土壤重金屬銅的測定采用火焰原子吸收分光光度法。

2 結果與分析

2.1 垃圾場復墾土壤中的銅含量分布

從表1 可以看出：從土壤剖面層次來看，在土壤表層東區（南）的銅含量為27.49 mg/kg，明顯高于其他采樣點的表層；而東區（北）為最低。在土壤剖面層次20～40 cm 范圍內中區（西）銅含量為最高。土壤剖面層次40～60 cm 處銅含量最高者為東區（北）。

表1 垃圾場復墾地不同區位土壤中銅的含量 單位：mg/kg

與山西省銅的土壤背景值相比，除了東區（北）、中區（東）外，其余采樣點土壤樣品中銅的含量均超過了背景值；由此可見，銅在土壤中有較多積累。

由圖1 可以看出：除了東區（北）土壤的含銅量在剖面層次上隨深度的增加而增加外，其余6 個采樣點的含銅量均隨土壤剖面層次深度的增加而呈遞減趨勢。

圖1 垃圾場復墾土壤不同區位銅的含量分布

2.2 土壤重金屬銅污染潛在生態風險評價

本文分別選取山西省土壤銅元素背景值22.9mg/kg，以及農用地土壤污染風險篩選值100 mg/kg 作為評價標準（pH＞7.5）。

2.2.1 單因子指數法

單因子指數法[5]是指分別計算評價土壤中各污染因子的污染指數，進而對土壤環境進行污染評價的一種方法。污染指數是土壤污染物的實測值與評價標準值的比值。計算公式為式（1）：

式中：Ci為土壤中污染物i 的實測值；Si為土壤中污染物i 的評價標準值；Pi為土壤中污染物i 的污染指數。當Pi＞1 時，說明土壤被污染；當Pi≤1 時，說明土壤未被污染。該方法不僅分析出各種污染物的平均污染水平，而且反映出最嚴重的污染物影響生態環境和對人類的危害。

2.2.2 單一重金屬潛在生態風險因子法

在Hakanson 提出的潛在生態危害指數法[6]中，單一重金屬潛在生態風險因子的計算公式為式（2）：

式中：Pi為單一重金屬i 的生物毒性響應系數，反映了重金屬對人體及生態系統的危害程度；Ti的含義與Pi相同；Ei為單一重金屬i 的潛在生態風險指數。Hakanson 給出的7 種重金屬的毒性響應系數分別是汞（Hg）為40、鎘（Cd）為30、砷（As）為10、鉛（Pb）和銅（Cu）為5、鉻（Cr）為2、鋅（Zn）為1。參考Hakanson 的劃分標準，對單一重金屬元素而言，Ei＜30 為輕微生態風險，30＜Ei＜60 為中等生態風險，Ei＞60 為強級以上生態風險。

2.2.3 結果分析

由表2 中7 個采樣點復墾土壤的單因子污染指數（Pi）計算結果顯示：東區（南）土壤的Pi值最大，其次分別為中區（西）、中區（南）、南區、西區、中區（東）、東區（北）。且除了東區（北）和中區（東）其余各點Pi值均大于1，說明這5 個采樣點已造成了土壤重金屬銅污染。

表2 垃圾場復墾土壤中銅的污染指數和潛在生態風險指數

由表3 中7 個采樣點復墾土壤的單一重金屬的潛在生態風險指數（Ei）計算結果顯示：7 個采樣點均存在潛在生態風險，說明某學校污水處理廠土壤金屬銅污染的污染程度為輕微級。

與此同時，由表3 可以看出，以農用地土壤污染風險篩選值100 mg/kg 為評價標準時，各個采樣點的Pi值均遠小于1，說明并未造成土壤金屬銅污染。而且7 個采樣點的Ei值均遠小于30，也說明某學校污水處理廠并未造成土壤重金屬銅污染。

3 討論

1）采用山西省土壤銅的環境背景值計算得到的Pi值和Ei值表明某學校污水處理廠已造成了垃圾場復墾土壤重金屬銅污染。但是若采用農用地土壤污染風險篩選值100 m/kg 進行評價，某學校污水處理廠并未造成垃圾場復墾土壤重金屬銅污染。因此，應該評定為某學校污水處理廠不存在土壤重金屬銅污染現象。原因是在評定污水處理廠污染狀況時，應采用農用地土壤污染風險篩選值100 mg/kg 來進行評價才夠科學準確。

2）從采樣點位來看，7 個采樣點銅含量不同所引起Pi值的不同，其原因可能與其位置不同有關。東區（北）位于污水處理廠氧化溝工藝旁。調節池能夠有效減少和控制廢水水質及流量的波動，為后續處理提供良好條件。而氧化溝則是調節池的后續工藝。氧化溝即循環混合曝氣池，其屬于活性污泥處理的一種變形法，利用轉刷等曝氣設備和延時曝氣法來進行曝氣，其不需初沉池且不采用污泥消化處理。在流態上氧化溝介于完全混合式和推流式之間。很明顯東區（北）的Pi值最小，那是由于氧化溝工藝對污水的凈化作用，其污染物含量必然就要減少，當然其中的銅含量就要相應減少。在污水處理期間由于污水的滲漏等原因，使其旁邊土壤中銅含量減少，Pi為最小且小于1，并未造成污染。而東區（南）則與東區（北）形成鮮明對比，東區（南）遠離氧化溝，所以其銅含量為最大，最后造成Pi值為最大。調節池為氧化溝的前處理工藝，其中的污水經過了必要的預處理，自然地其污水中含銅量要減少。因此，附近土壤中的銅含量隨著與調節池距離的遞減而呈遞減趨勢。即：中區（西）＞中區（南）＞南區＞中區（東）。這說明污水處理在防治金屬銅污染方面起到了一定的積極作用。而西區的Pi值也較大，可能與該塊土地的利用有關。西區附近為練車場，經常進行駕駛訓練，車輛來往頻繁。這說明交通情況也是造成土壤重金屬銅含量變化的原因。

3）某學校污水處理廠土壤重金屬銅含量分布，可能與高校的教學特點有關。在平時教學實驗過程中會使用含Cu2+的試劑，在實驗結束后會隨排水管道進入污水處理廠，經過不徹底的處理后，用來澆灌土地或滲濾到地下，由于使用的量不是很大且經過污水處理，所以并未造成污染。

4）表層土壤中重金屬銅的富集也可能與畜禽養殖有關[7]。動物通過食用銅含量過高的添加劑飼料，過量的重金屬銅將通過排泄物而進入土壤，或通過施用有機肥直接進入土壤，不斷在土壤中生物富集。

總之，人類活動是影響土壤中重金屬銅含量積累的主要因素。