矿区农用地重金属污染特征及成因分析.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:作者简介:张晓昀(),男,硕士,工程师,主要从事生态环境保护政策技术研究工作.矿矿区区农农用用地地重重金金属属污污染染特特征征及及成成因因分分析析张晓昀,王黎明(黄石市生态环境保护综合执法支队,湖北 黄石 ;黄石市环境投资有限责任公司,湖北 黄石 )摘要:采用网格布点法,在矿区农用地布设 个土壤采样点,对矿区农用地土壤中的C d、C u、A s、P b、Z n、C r、N i和H g等种重金属污染状况进行了评价分析,为矿区农用地的安全利用提供理论依据.采用电感耦合等离子体质谱法(I C PM S)检测土壤重金属含量,利用单因子污染指数(Pi)、内梅罗综合污染指数(N I P I)和重金属累积性分析评估了土壤重金属污染状况.结果显示:调查区重金属单因子污染指数顺序为:C d C u A s P b Z n C r N i H g,对土壤中C u、P b、C d和A s作累积性分析,C u的累积系数范围为 ,属于中度累积;C d的累积系数范围为 ,属于重度累积.根据重金属污染特征分析,矿区土壤主要污染来源为当地铜、铁、煤矿等开采、金属冶炼等行业的影响,通过大气粉尘和地表废水等途径污染农田.关键词:农用地;土壤重金属;污染特征;成因分析中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()P o l l u t i o nC h a r a c t e r i s t i c sa n dC a u s e so fH e a v yM e t a l s i nF a r m l a n dS o i l s i naM i n eA r e aZ h a n gX i a o y u n,W a n gL i m i n g(H u a n g s h iC o m p r e h e n s i v eL a wE n f o r c e m e n tD e t a c h m e n t o fE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tP r o t e c t i o n,H u a n g s h i,H u b e i ,C h i n a;H u a n g s h iE n v i r o n m e n t a l I n v e s t m e n tC o,L t d,H u a n g s h i,H u b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t op r o v e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e s a f eu t i l i z a t i o no f t h e a g r i c u l t u r a l l a n do f t h em i n i n ga r e a,f o r t y e i g h t s o i l s a m p l e sw e r ec o l l e c t e d i nt h ea g r i c u l t u r a l l a n do f t h em i n i n ga r e ab yg r i dd i s t r i b u t i o np o i n tm e t h o d,a n d t h e c o n t e n t s o fC d,C u,A s,P b,Z n,C r,N i a n dH gw e r e t e s t e d T h e i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m am a s ss p e c t r o m e t r y(I C PM S)w a su s e dt od e t e c tt h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si ns o i l T h es o u r c e sa n dd i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l s i nf a r m l a n ds o i l sw e r ea n a l y z e du s i n gt h es i n g l ef a c t o r i n d e x,t h eN e m e r o wc o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o n i n d e xa n d t h e a c c u m u l a t i v e e f f e c t o f h e a v ym e t a l s i ns o i l T h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eo r d e r o f s i n g l e f a c t o rp o l l u t i o n i n d e xo f h e a v ym e t a l s i n t h e s u r v e ya r e aw a s:C dC u A s P bZ nC r N i H g,a n dt h ec u m u l a t i v ea n a l y s i so fC u,P b,C da n dA s i ns o i ls h o w e dt h a t t h ec u m u l a t i v ec o e f f i c i e n t so fC ur a n g e df r o m t o ,w h i c hb e l o n g e dt om o d e r a t ea c c u m u l a t i o n;t h e c u m u l a t i v e c o e f f i c i e n t so fC dr a n g e d f r o m t o ,w h i c hb e l o n g e d t oh e a v ya c c u m u l a t i o n A c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fh e a v ym e t a l p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s,t h em a i ns o u r c eo f s o i l p o l l u t i o n i nt h em i n i n ga r e a i s t h e i n f l u e n c eo f l o c a l c o p p e r,i r o n,c o a lm i n i n ga n dm e t a l s m e l t i n g i n d u s t r i e s,w h i c hp o l l u t e s t h e f a r m l a n dt h r o u g ha t m o s p h e r i cd u s t a n ds u r f a c ew a s t e w a t e r K e yw o r d s:a g r i c u l t u r a l l a n d;h e a v ym e t a l s i ns o i l;p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s;c a u s ea n a l y s i s 引言矿产的开采、冶炼、运输等生产活动造成粉尘、废水及废渣的产生和排放.废弃物中含有的重金属,经大气扩散和地表径流等迁移,会对矿区周边农用地土壤造成污染.在受污染农用地上开展水稻、蔬菜等的种植生产,会影响农产品质量安全,最终威胁到人的身体健康安全.近年来,研 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期究人员在矿区农用地重金属污染方面的研究取得了一系列进展,.韩娟娟等 对北京某金矿区的浅层土壤样品的种重金属含量分析,揭示了金矿地区土壤污染主要为P b、A s、C d,金属污染风险较高的区域集中分布在金矿开采区、尾矿库、选矿厂及其下游约 k m范围内.煤炭是我国重要的非金属矿产资源.刘娣等 以山西长治市典型煤矿聚集区为研究区,系统解析不同类型企业(钢厂、采煤厂、选煤厂、洗煤厂、化工厂、焦化厂和燃煤电厂)周边土壤重金属元素的累积特征及差异性.研究结果表明:研究区土壤中种重金属的平均含量均高于山西省土壤元素背景值;C r、N i、C u和Z n在不同类型企业周边土壤中存在显著差异.化工厂周边土壤中重金属的生态风险指数最高.在以生物质为燃料的电厂周边进行土壤污染调查显示,电厂主导风下风向和次主导风下风向,土壤受到C d、C r和S e的重度污染.此外,农用地有机肥料的使用,也会造成农田土壤中A s、P b和C d等多种重金属的积累,并造成蔬菜和水稻中的重金属含量增加.以上针对矿区农用地重金属的研究评价,为我国重金属污染土壤的调查、评价和污染防治提供了依据.但对农用地土壤的采样分析仅限于浅层土壤,无法评价矿区地下水对农用地土壤质量可能造成的影响.因此,本文对农用地浅层、深层土壤采样分析,经数据对比,对不同重金属的累积性进行评价,结合地下水监测数据,对研究区污染特征及成因进行了研究.材料和方法 研究区概况本研究区位于大冶市某石灰石矿区西南侧,呈南北走向,长约 m,宽约 m,北高南低(图).地表标高 m,最大相对高差约 m.研究区及周边地表水体以小型水塘、季节性溪流为主,上游来水主要为石灰石矿区山体降水.区内地下水的补给来源主要为大气降水,降水依岩溶裂隙顺地势径流,部分在研究区内的低洼处排出地表.根据水文地质资料,研究区内地下水监测井静止水位标高 m,场地北部地下潜水位高,南部水位低,故主要表现为由北向南径流,场地水位最大高差约 m,水力梯度约为.现地块为农用地.样品采集利用卫星地图对研究区划定 m m网格,在网格内依据不同田块分别进行采样.共采集图研究区范围 个农田浅层土壤混合样品,其中 个浅层土壤监测样品,个平行样品.每个监测点样品为该网格范围内个点位的混合样,样品采集深度为 c m.按 比例采集 m土壤剖面样品,共计 个深层农田土壤样品.土样去除杂物后,将其装入写好标签的聚氯乙烯自封袋密封后运回实验室.同时,在研究区内采集地下水样品组,其中个为监测样品,个为平行样品.地下水样优先利用民井,或钻探到指定深度洗井完成后,抽取地下水装入采样瓶密闭保存.样品分析土壤样品经自然风干后,清理出碎石、植物根系等杂物,充分研磨后过 目筛(mm筛孔),装入尼龙袋后备用.土壤和地下水样品的检测均由具有CMA专业测试资质的机构完成,按照NY/T 规定方法测定土壤p H值.按照H J 测试元素为C u、C r、N i、Z n、P b、C d.按照H J 测试土壤中A s和H g.地下水中重金属浓度的测定按照相应国家标准进行分析.重金属污染评价方法 表层土壤重金属累积性分析根据土壤样品分析结果,表层土壤中的C u、P b、C d和A s均出现了不同程度的超标.针对超标因子参照 农用地土壤环境风险评价技术规定(试行)做表层土壤重金属累积性分析.计算公式为:AiCiBi()式()中:Ai为土壤中重金属i的单因子富集张晓昀,等:矿区农用地重金属污染特征及成因分析环境与安全系数;Ci为表层土壤中重金属i的测定值;Bi为深层土壤(一般为 c m以下)中重金属i的测定值,单位与Ci保持一致.根据Ai值的大小,进行土壤调查点位单项重金属累积性分析.土壤单项重金属累积程度分级如表.表土壤单项重金属累积程度分级累积程度分级值无明显累积Ai 轻度累积 Ai中度累积Ai重度累积Ai 单因子污染指数分析单因子指数法是目前国内外普遍采用的方法之一,可对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价.其计算公式为:P IiCiCi s()式()中,P Ii为第i种污染物土壤单项污染指数;Ci为第i种污染物土壤污染物实测值(m g/k g);Ci s为第i种污染物土壤污染物评价标准(m g/k g).土壤重金属污染分级标准见表.表土壤重金属污染分级标准等级划分单因子污染指数污染程度P Ii 未超标 P Ii 轻微超标 P Ii 轻度超标 P Ii 中度超标P Ii 重度超标 内梅罗综合污染指数法内梅罗综合污染指数法(N I P I)能反映多种重金属的联合污染水平,是一种评价土壤重金属污染的传统方法.计算公式为:Pn(CiSi)m a x(CiSi)a v e()式()中,Pn为单一调查点土壤中污染物的综合环境质量指数;Ci为污染物i的实测浓度,m g/k g;Si为污染物i的评价标准,m g/k g;(Ci/Si)m a x为土壤污染物环境质量指数最大值;(Ci/Si)a v e为土壤污染物环境质量指数平均值.评价分级标准,见表.表内梅罗污染指数法评价标准污染指数分级污染等级污染水平Pn 安全清洁 Pn 警戒线尚清洁 Pn 轻污染土壤开始受到污染 Pn 中污染土壤受中度污染Pn 重污染土壤受污染已相当严重 结果与讨论 土壤重金属含量特征表层土壤C d、C u、A s和P b超筛选值,其中C d超标率 ,最 大 超 标 倍 数 ;C u超 标 率,最大超标倍数;A s超标率 ,最大超标倍数 ;P b超标率,最大超标倍数 ,其他重金属指标均未超过筛选值,所有土壤点位均未超过农用地土壤风险管控值(表).表土壤重金属分析结果土层重金属样品数含量范围平均值超标点位数点位超标率/表层(m)P b Z n C u C d N i H g C r A s 深层(m)P b Z n C u C d N i H g C r A s 通过对土壤中C d、C u、A s和P b作累积性分析,具体结果见表.从表中可看出C u的累积系数范围为 ,属于中度累积;C d的累积系数范围为 ,属于重度累积;P b的累积系数范围为 ,属于轻度累积;A s的累积系数范围为 ,属于轻度累积.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期表层土壤重金属累积性分析结果是土壤重金属高背景区判定的参考依据.在土壤重金属超标时,结合区域地质背景及污染源分布情况,区域内Ai且周边无相关污染源的情况下,方可认为地质高背景的判断条件之一.表层土壤的重金属含量要明显高于深层(m)土壤,且部分点位重金属含量超标倍数大,说明调查区域内农田可能受当地煤矿和铜铁矿开采、金属冶炼等行业的影响,导致表层土壤受重金属污染.表表层土壤重金属累积性结果统计污染因子Ai最大值Ai最小值Ai平均值调查点位数无明显累积点位数轻度累积点位数中度累积点位数重度累积点位数C u P b C d A s 地下水环境质量评价根据地下水重金属含量分析结果,对比 地下水质量标准(G B/T )中类标准,多个点位重金属含量超标.其中铁、锰元素超标可能是受当地地质条件影响.且超标的地下水监测点位集中在研究区的上游和下游,处于矿区山体和石灰石加工厂附近.因此,地下水可能主要受矿区采矿、加工活动的影响.单因子污染指数分析对于农用地土壤点位,Z n、C r、N i和H g污染指数均小于,所有点位的Z n、C r、N i和H g均处于未超标状态;C d单因子污染指数较高,最大单因子污染指数 ,所有点位都超标;其次是C u,最大单因子污染指数 ,大部分点位都超标;A s单因子污染指数最大单因子污染指数为 ,超标点位过半;P b少部分点位超标,最大单因子污染指数为 .农田重金属单因子污染指数顺序为:C d C u A s P b Z n C r N i H g(表).表背景点和调查点位单项污染指数法评价结果污染指标 调查点位单因子污染指数区间平均值C u P b Z n C d C r N i A s H g 内梅罗综合污染指数分析根据公式计算单一调查点的综合污染指数,利用其与点位数量的比值可得出调查区域内所有点位的平均内梅罗指数(表、).表单一调查点综合污染指数点位点位数平均数中位数标准差最小值最大值调查区点位 表土壤重金属综合污染评价综合污染等级Pn PnPnPnPn清洁(安全)尚清洁(警戒线)轻微污染中度污染重度污染调查区频数/个 调查区比例/由表中可以看出,调查区内,处于轻微污染点位的比例最高,为 ;处于中度污染点位的比例为 ,尚清洁点位的比例为 ,没有重度污染点位通过综合污染指数评价,作出环境质量污染程度分级图(图),由图中可以看出在调查农田范围内,靠近南部下游农田均有重度污染.污染成因分析根据现场调查,对调查范围内农田土壤和地下水污染情况评价与分析,并对表层土壤重金属污染进行累积性分析可知:()表层土壤A s和P b属于轻度累积,C u属于中度累积,C d属于重度累积.()对内梅罗综合污染指数结果分析,处于轻微污染点位的比例最高,为 ;处于中度污染点位 的 比 例 为 ,尚 清 洁 点 位 的 比 例 为 .张晓昀,等:矿区农用地重金属污染特征及成因分析环境与安全图环境质量污染程度分级表层土壤重金属累积性分析结果是土壤重金属高背景区判定的参考依据.在土壤重金属超标时,结合区域地质背景及污染源分布情况,区域内Ai且周边无相关污染源的情况下,方可认为地质高背景的判断条件之一.调查发现农用地深层土壤均未超出土壤筛选值,表层土壤C d已经出现重度累积,推测农田重金属超标主要来自外源,引起该区域农用地土壤金属含量超标的主要原因可能有:受当地铜、铁、煤矿等开采、金属冶炼等行业的影响,含重金属粉尘随大气传输,洗矿废水流进入农田土壤,以及矿石等运输沿途受雨水径流进入农田等,农用地施用农药化肥也可能是导致表层土壤受重金属污染原因之一.结论()研究区内共布设监测点 个,土壤监测指标包括:p H值、N i、C u、C d、A s、P b、H g、Z n和C r.对比 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)污染风险筛选值,所有监测点位表层土壤均出现不同程度超标.其中C d超标率 ,最大超标倍数 ;C u超标率,最大超标倍数;A s超标率 ,最大超标倍数 ;其他重金属指标均未超过筛选值,所有土壤点位均未超过农用地土壤风险管控值.()调查区重金属单因子污染指数顺序为:C dC uA sP bZ nC rN i H g.对土壤中C u、P b、C d和A s作累积性分析,C u的累积系数范围为 ,属于中度累积;C d的累积系数范围为 ,属于重度累积;P b的累积系数范围为 ,属于轻度累积;A s的累积系数范围为 ,属于轻度累积.()研究区内地下水个监测点中,个点位的F e、M n超标,个点位中的A s、P b超标.F e、M n元素超标可能是受当地地质条件影响.地下水受周围化工活动影响大,不同程度受到污染.()研究区属于永久基本农田,C d、C u、A s为主要污染因子,未来除了加强对污染区内重金属的修复,还应开展对照区土壤及农作物协同监测,进一步保障农产品质量安全.参考文献:黄钟霆,易盛炜,陈贝贝,等典型锰矿区周边农田土壤农作物重金属污染特征及生态风险评价J环境科学,():彭驰,刘旭,周子若,等铜冶炼场地周边土壤重金属污染特征与风险评价J环境科学,():李晓曼,李青青,杨洁,等上海市典型工业用地土壤和地下水重金属复合污染特征及生态风险评价J环境科学,():郑飞,郭欣,汤名扬,等白洋淀及周边土壤重金属的分布特征及生态风险评估J环境科学,():陈能场,郑煜基,何晓峰,等 全国土壤污染状况调查公报 探析J农业环境科学学报,():(下转第 页)年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期 ():刘春,刘晨阳,王济民,等我国畜禽粪便资源化利用现状与对策建议J中国农业资源与区划,():安思羽,李艳霞,张雪莲,等我国果菜茶中畜禽粪便有机肥替代化肥潜力J农业环境科学学报,():刘世亮,刘晨旭,刘红恩,等畜禽粪便有机肥与氮肥配施对小麦土壤理化性状及酶活性影响J西北农业学报,():Y u nH a eL e e E f f e c to f l i v e s t o c km a n u r ec o m p o s t sa p p l i c a t i o no ny i e l d,s o i lc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dc a r b o ns e q u e s t r a t i o no fm a i z ec r o p p i n g f o r f i v ey e a r sJ,()林树育狮头鹅产业化发展现状及思路J广东畜牧兽医科技,():金香琴,段丽杰,马继力,等不同微生物菌剂对畜禽粪便资源化堆肥 效 果 的 影 响 J科 学 技 术 与 工 程,():辛世杰,李剑,王涛,等不同微生物菌剂对猪粪堆肥效果的影响J北方园艺,():M o h a m e dOZ,Y a s s i n eB,H i l a l iR a n i aE,e ta l E v a l u a t i o no fc o m p o s tq u a l i t ya n db i o p r o t e c t i o np o t e n t i a la g a i n s tF u s a r i u mw i l to fd a t ep a l mJW a s t eM a n a g e m e n t,:冀红柳,尹苗,吴倩,等猪粪堆肥用微生物及其效果研究进展J黑龙江畜牧兽医,():李昌宁,苏明,姚拓,等微生物菌剂对猪粪堆肥过程中堆肥理化性质和优势细菌群落 的影响 J植 物 营 养 与 肥 料 学 报,():贺仕磊,周倩倩,弓亚方,等基于麦饭石与添加剂不同联用方式对猪粪堆肥过程的调控J环境工程学报,():梁天,张晓东,张玉,等不同C/N条件下菌酶制剂对牛粪堆肥进程的影响J中国农学通报,():卢洋洋,杨硕,张玉,等不同复合微生物菌剂对牛粪堆肥效果的影响J家畜生态学报,():张祥永,任静,马彦霞,等微生物菌剂对牛粪堆肥中酶活性的影响J甘肃农业大学学报,():赵娟,唐淑贤,张琳,等基于复合菌系提高秸秆鸡粪堆肥微生物活性的研究J食品与发酵科技,():王泽,张洪涛,王政,等粪污腐熟剂与不同辅料对鸡粪堆肥腐熟效果 的 影 响 J现 代 农 业 科 技,():,Q i uZ h o n g p i n g S t u d yo nn i t r o g e nr e t a i n i n gm i c r o b i a la g e n tt or e d u c en i t r o g e nl o s sd u r i n gc h i c k e nm a n u r ec o m p o s t i n ga n dn i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o n m e c h a n i s mJJ o u r n a lo fC l e a n e rP r o d u c t i o n,:李可,谢厦,孙彤,等鸡粪有机肥对设施菜地土壤重金属和微生物 群 落 结 构 的 影 响 J生 态 学 报,():赵晓锋,田艳洪,李鹏,等鸡粪对牛粪堆肥微生物区系及氮素变化的影响J现代化农业,():(上接第 页)肖高强,陈杰,白兵,等云南典型地质高背景区土壤重金属含量特征及污染风险评价J地质与勘探,():向罗京,苏趋,孙刚,等典型医药企业聚集区土壤重金属污染特征及成因分析J环境化学,():骆永明,滕应中国土壤污染与修复科技研究进展和展望J土壤学报,():沈仁芳,颜晓元,张甘霖,等新时期中国土壤科学发展现状与战略思考J土壤学报,():张宏泽,崔文刚,黄月美,等黔中喀斯特地区临近矿区耕地土壤重金属污染评价及其源解析J环境科学学报,():张耀,孙刚,王琪,等湖北某铅锌矿区农用地重金属调查与类别划分J环境工程,():,韩娟娟,吴大鹏,张涛北京某金矿区土壤重金属污染特征及风险评价J城市地质,():刘娣,苏超,张红,等典型煤炭产业聚集区土壤重金属污染特征与风险评价J生态环境学报,():吕占禄,张金良,张晗,等生物质能电厂周边土壤中重金属元素污 染 特 征 及 评 价 J环 境 化 学,():谢国雄,王京文,张丹,等商品有机肥对作物产量及土壤与农产品中重金属积累的影响J中国农学通报,():黄珍华,沈智达,施辉能,等三七中药材种植产地土壤重金属污染特征及风险评价J生态与农 村环境学报,():杨育振,刘森荣,杨勇,等黄石市城市边缘区土壤重金属分布特征、风险评价及溯源分析J物探与化探,():蔡玲,胡成,陈植华,等江汉平原东北部地区高铁锰地下水成因与分布规律J水文地质工程地质,():毛盼,王明娅,孙昂,等某典型废弃硫酸场地土壤重金属污染特征与评价J环境化学,():王改玲,李立科,郝明德,等长期定位施肥对土壤重金属含量的影响及环境评价J水土保持学报,():,孙鹏轩土壤重金属污染修复技术及其研究进展J环境保护与循环经济,():,