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湖南省三十六湾矿区耕地重金属健康风险评价及生态修复对策.pdf

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资源描述

1、第 14 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.14 No.8August,2023矿 产 勘 查MINERAL EXPLORATION湖南省三十六湾矿区耕地重金属健康风险评价及生态修复对策唐晖1,2,梅金华1,2,谌宏伟3,朱智超3(1.湖南省自然资源事务中心,湖南 长沙 410004;2.自然资源部洞庭湖流域生态保护修复工程技术创新中心,湖南 长沙 410004;3.长沙理工大学水利与环境工程学院,湖南 长沙 410114)摘 要 三十六湾矿区是全国第三批“山水林田湖草”生态保护修复工程耕地复垦重点修复试点区。本文基于污染指数法、地积累指数、富集系数和USEPA健康风险评价模型,探究三

2、十六湾矿区土壤重金属的污染特征、农作物重金属累积状况及其对人体健康的危害,提出土壤修复建议,以期为矿区土壤重金属污染防治和管控提供科学依据。结果表明,土壤重金属综合污染指数为中重度,其风险等级为:CdPbAsZnHgCuCrNi;农作物Cd全部超标,白菜和萝卜Pb、Cr超标,水稻、白菜和萝卜As超标,白菜Hg超标。农作物对重金属的富集能力为:水稻白菜萝卜。食用农产品的非致癌风险CrAsCdPbHg,成人与儿童的非致癌危害指数分别为1.04和2.11,致癌风险指数分别为1.6210-5和3.3410-4,显示成人和儿童均有非致癌风险,儿童有致癌风险,且儿童各种风险都大于成人。建议采取工程措施与物

3、理化学法结合、重金属稳定剂-抗逆性植物联合、植物修复、土壤调理-轮作休耕等技术开展区域耕地土壤生态修复。关键词 耕地土壤;农作物;重金属;健康风险评价;生态修复对策;三十六湾矿区;湖南省中图分类号:X53 文献标志码:A 文章编号:1674-7801(2023)08-1484-10Heavy metal contamination of soil and health risk assessment of crops in Sanshiliuwan mining area of Hunan Province and ecological restoration strategiesTANG H

4、ui1,2,MEI Jinhua1,2,CHEN Hongwei3,ZHU Zhichao3(1.Hunan Center of Natural Resources Affairs,Changsha 410004,Hunan,China;2.Technology Innovation Center for Ecological Conservation and Restoration in Dongting Lake Basin(MNR),Changsha 410004,Hunan,China;3.School of Hydraulic and Environmental Engineerin

5、g,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,Hunan,China)Abstract:The Sanshiliuwan Mining area is the key restoration pilot area of cultivated land reclamation in the third batch of mountain,water,forest,farmland,lake and grassland ecological protection and restoration doi:10.20008/j.

6、kckc.202308016收稿日期 2023-06-12;修回日期 2023-07-17基金项目 本文受自然资源部重点生态保护修复项目(财建 2018 622号;财资环 2020 75号)和湖南省水利科技重大项目(XS KJ2019081-09)联合资助。第一作者简介 唐晖,男,1977年生,高级工程师,主要从事土地管理、生态保护修复等工作;E-mail:。通讯作者简介 梅金华,女,1972年生,硕士,正高级工程师,主要从事矿山生态保护修复等工作;E-mail:。引用格式 唐晖,梅金华,谌宏伟,朱智超.2023.湖南省三十六湾矿区耕地重金属健康风险评价及生态修复对策 J.矿产勘查,14(8)

7、:1484-1493.Tang Hui,Mei Jinhua,Chen Hongwei,Zhu Zhichao.2023.Heavy metal contamination of soil and health risk assessment of crops in Sanshiliuwan mining area of Hunan Province and ecological restoration strategies J.Mineral Exploration,14(8):1484-1493.1484第 14 卷 第 8 期唐晖等:湖南省三十六湾矿区耕地重金属健康风险评价及生态修复对策

8、project.In this paper,we explore the heavy metal pollution characteristics in soil and crop for pollution index method,the index of geo-accumulation,enrichment coefficient and USEPA health risk assessment model,which relationship between human health.The results showed that the comprehensive polluti

9、on index of soil was medium to severe,and the risk level of soil heavy metals was CdPbAsZnHgCuCrNi.The Cd in three crops exceeds the standard,the Pb and Cr in cabbage and radish exceed the standard,the As in rice,cabbage and radish exceeds the standard,and the Hg in cabbage exceeds the standard.Comp

10、arison of rice,cabbage and radish,the enrichment ability of heavy metals decrease,gradually.Crop health risk assessment showed that the non-carcinogenic risk of agricultural products was CrAsCdPbHg,the non-carcinogenic hazard index and the carcinogenic risk index of adults and children was 1.04,2.11

11、and 1.6210-5,3.3410-4,respectively.It indicated that the accumulation of heavy metals in crops had non-carcinogenic risk for both adults and children,and there was a carcinogenic risk for children,and the various risks of children were greater than adults.The technologies such as combination of engi

12、neering measure and physic-chemical methods,heavy metal stabilizer-resistant plant,phytoremediation and soil conditioning-crop rotation were put forward for the ecological restoration.Keywords:cultivated soil;crops;heavy metals;health risk assessment;ecological restoration strategy;Sanshiliuwan mini

13、ng area;Hunan Province0引言土壤重金属污染及由此导致的人群健康损害是矿业开发造成的主要问题之一(陈自然等,2021;郭钰颖等,2022;孙晓寅等,2022)。据估计,中国约1/6耕地遭受了重金属污染(韩娟娟等,2021;李相楹等,2021),不仅降低了土壤质量、影响农作物产量和品质,还会对人群健康造成巨大的伤害(林承奇等,2019;张恒博等,2021;杨家林等,2022),影响人体神经系统、消化系统、造血功能等,甚至诱发畸变和癌症(Anuska et al.,2022)。广西典型铝土矿区土壤遭受重度重金属污染,导致部分农作物不同程度的 Pb、Cd、As 积累,威胁着人群健

14、康(王浩等,2020)。湖南石门雄黄矿区土壤遭受中度As、Cd污染,其中,As对成人和儿童均存在显著的致癌健康风险(杨敏等,2016)。另有研究表明,河南省地方病的分布与矿产资源开发引发的次生地球化学环境污染有着密切的关系(张惠芳,2009)。综合来看,各类研究成果多采用单污染指数、综合污染指数、地累积指数、富集系数及美国EPA健康风险评价模型分别评价土壤污染和作物污染物累积程度以及由此产生的人群健康风险(Ji et al.,2020;张浙等,2022)。这些方法成熟、简洁,意义明确,已得到了广泛应用。三十六湾位于湖南省郴州市临武县,是有色金属矿业发达的地区(刘春早等,2012),其矿业开发可

15、追溯到明朝万历年间,至今已有 400多年历史。20世纪80年代,区内掀起了采矿热潮,鼎盛时期各类采矿窿道和采矿点达 500 多个,选厂 500 多处。无序开发导致了矿区及湘江二级支流甘溪河、猴子江与珠江二级支流武水流域严重的水土污染(郭婧琳等,2016)。据 郴州市矿山地质环境调查报告(2017),区内土壤重金属超标率达67.06%,pH最低2.25,Cd、As、Pb等分别超 土壤环境质量 农业用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)风险筛选值365.33倍、291.77倍和126.39倍;甘溪河香花岭段、泡金山与铁沙坪武水河流域和猴子江两岸耕地污染范围分别达 26.55 km2、

16、43.25 km2和 3.71 km2。流域水体重金属超 V 类水标准的超标率达41.5%,河流污染长度39 km。2019年湖南省国土资源厅再次组织开展了有针对性地补充调查,并对白菜、水稻、萝卜等主要农作物重金属累积状况进行了取样分析。本文以此为依据,评价矿区土壤重金属污染及人群健康风险,并对矿区生态修复提出建议。其成果对于深入而全面了解矿区土壤重金属污染和农作物重金属累积状况及由此导致的人群健康风险具有实际意义,并为矿区生态修复提供了参考。1材料与方法1.1研究区域概况三十六湾矿区位于临武县城西北约14 km,地理 坐 标:东 经 112 2824 112 3617,北 纬 2514852

17、023 年矿产勘查2303252805,矿区面积约 142 km2。矿区出露有寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第四系。寒武系和泥盆系跳马涧组是本区钨、锡、铅、锌、锑、银等的主要矿源层与含矿层。矿区位于南岭东西向构造带中段北缘与耒阳临武南北向构造带中段交会部位的香花岭短轴背斜,该背斜为区内主要控矿构造。区内岩浆岩分布广泛,岩浆活动以燕山早、中期为主。其中,香花岭花岗岩体群为区内主要成矿岩体。1.2样品采集及处理2019年3月开展野外调查和土壤与农作物样品采集工作,土壤按照三十亩一个样品,共采集土壤246份,重点区表层土壤样品在样点周边510 m范围内、一般区表层土壤样品在

18、样点周边2050 m范围内采用五点采样法,等量采集5个子样组成一个样品。随机采集农作物样品38份,包括水稻16份,白菜13份和萝卜9份,取样点位置分布见图1。土壤样品采集深度及层位为地表至地表下20 cm之间的A层(耕作层)土柱,原始重量15002000 g,所截取的粒级样品重量不少于500 g;植物样品包括白菜、水稻、萝卜3种农作物,采集稻谷0.51.0 kg;白菜为1.02.0 kg(鲜重样),在采样单元内选取520个植株,采集组合成样。将野外采集的土壤样品及时送往实验室,低温烘干(60),研磨后过200目的孔径筛备用,样品加工过程中的质量监控采用 土地质量地球化学评价规范(DZ/T029

19、5-2016)中的方法。土壤pH值采用水土比为2.5 1的悬液采用pH计测定。土壤和植物样品中重金属含量分别依据GB/T 5009.2682016、HJ/T 4912019 和 HJ/T 6802013 进行酸系消解,Cd、Cu 和 Zn 使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定,As 和 Hg 使用原子荧光光度计(AFS)测定。1.3分析方法及评价标准采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、地累积指数法对土壤中的重金属污染进行评估。利用富集因子和危险商数方法,开展人群健康风险评估。(1)单项污染指数单一污染物采用单因子污染指数法进行土壤重金属污染评价(苗芳芳等,2022)。标准采用 土

20、壤质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618-2018)。单项污染等级划分为 5 个等级(表1)。(2)内梅罗综合污染指数采用内梅罗综合污染指数法评价矿区土壤重金属污染(陈锦和郭锦,2020)。污染等级划分为5个等级(表2)。(3)地累积指数地累积指数是一种重要的反映土壤中重金属图1三十六湾矿区地理位置图(a)与取样点分布图(b)1采样点位置;2乡镇界线;3河流水面表1单项污染指数评价等级污染指数Pn11Pn223污染等级1234污染评价无污染轻微污染中度污染重度污染1486第 14 卷 第 8 期唐晖等:湖南省三十六湾矿区耕地重金属健康风险评价及生态修复对策元素的分布特点和人类活

21、动对环境的影响的指标(王坤等,2020)。其计算方法如下:Igeo=log2CiK Bi(1)式(1)中,Igeo为地积累指数;Ci为土壤中单项重金属含量(mgkg-1);Bi为单项重金属的地球化学背景值(mgkg-1),As、Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni和Hg背景含量分别为 18.60、0.081、67.0、26.0、90.0、25.0、31.90和0.11 mgkg-1(王云和魏复盛,1995);K为修正系数,表示背景值可能变动的幅度,一般取1.5。污染等级划分为7个水平(表3)。(4)富集系数富集系数为农作物地上部分的重金属含量与对应土壤重金属含量的比值,用于评价农作物对土壤重金属

22、的吸收状况(方凤满等,2010)。(5)健康风险评价模型土壤重金属暴露途径主要有3种:一是食物链经口进入消化道;二是口鼻吸入空气中的土壤扬尘;三是皮肤渗入(杨振等,2018;任婷等,2020;冯博等,2022)。农作物主要通过饮食进入人体,其暴露途径为经口摄入。危害商(HQ)用于评估重金属的非致癌健康风险(Xu et al.,2013)。其计算公式如下:HQn=Cn IR EF EDBW AT RfDn(2)式(2)中,Cn为农作物中某种重金属含量(mgkg-1);IR为人均对农作物的日食用量(kgd-1);EF为重金属年暴露频率(da-1);ED为人体平均暴露年限(a);BW为人体平均体重(

23、kg);AT为人均寿命期望值(d);RfDn为人体对重金属n的摄入参考剂量(mg(kgd)-1),使用美国 US EPA 标准的参数,As、Cd、Hg、Cr和Pb的RfD值分别为0.0003、0.001、0.0003、0.0003 和 0.0035 mg (kgd)-1。暴露对象为成人(2045岁)和儿童(612岁),部分参数的取值参照国内外相关文献,详见表4。暴露对象摄入农作物中多种重金属后带来的危害指数用HI表示,计算公式如下:HI=i=0nHQn(3)当HI1时,重金属不会对人体产生不良反应;当HI1时,重金属对人体可能存在非致癌影响,数值越大,相应健康风险增加;当HI10时,重金属对人

24、体产生慢性中毒的危害。致癌风险指数(CR)的计算公式如下:CRi=Ci IR EF ED SFiBW AT(4)式(4)中,SFi为农作物样品中可食部分单项致癌重金属经手口途径的致癌斜率系数(kgd)mg-1。CR的可接受范围为10-610-4,小于该量级表明不存在致癌健康风险,大于该量级表明存在明显致癌健表2综合污染指数评价等级污染指数P综0.70.7P综11P综223污染等级安全警戒线轻污染中污染重污染表3重金属地积累指数法污染等级分类地累积指数值Igeo00Igeo11Igeo22Igeo33Igeo44Igeo55PbHg,其中 As、Cd、Pb和Hg的HQ值均小于1,儿童与成人的Cr

25、的HQ大于1,说明摄入农作物中的Cr会对暴露人群的健康产生危害。成人与儿童的HI值分别为1.04和2.11,均在110之间,表明重金属对人体可能存在非致癌影响。对比分析发现,儿童摄入重金属的HQ均大于成人,显示农作物重金属积累对于儿童存在更大的非致癌健康风险。成人摄入农作物中As的CR为1.6210-5,位于 110-4110-6,儿童 CR 值为 3.3410-4,大于110-4,表明研究区农作物对成人不存在重金属暴露致癌风险,而对儿童存在重金属暴露致癌风险,应当引起重视,且研究显示,由于行为和生理特征,儿童的免疫力和代谢功能都较弱,单位体重内,儿童比成人对环境污染物的敏感性更高(上官宇先等

26、,2022)。3生态修复对策针对本矿区土壤重金属污染、农作物重金属含量水平及健康风险评价的结果,提出联合修复技术对策。(1)采用工程措施与物理化学的方式进行修复。在土壤污染级别分类的基础上,对重度污染土壤进行清挖,送危险废物填埋场填埋处置;对中、轻度污染土壤采用固化/稳定化方式处理,集中封存于场区地下,实现场地重金属污染的有效阻隔。(2)采用重金属稳定剂-抗逆性植物联合修复技术进行治理与生态恢复。利用稳定剂的吸附、螯合、沉淀等作用,形成稳定的化合物,降低土壤中重金属的活性,从而实现土壤中重金属的固化稳定,如撒石灰、硅肥。选育耐重金属、耐旱、耐瘠薄的先锋植物和抗性植物,如狗牙根、波斯菊、常夏石竹

27、、大叶女贞、紫薇、球花石楠、构树、楸树等,实现较短时间内植被的复绿,改善矿区水、土、肥等立地条件,为后期植被群落构建提供充足的生长条件。通过“乔木+草本”、“灌木+草本”、“乔木+灌木+草本”等不同的植物配置模式,构建多层次立体空间植被,重构矿区重金属污染地区稳定的生态系统。同时,因地制宜,就地利用,充分挖掘当地的资源优势,进行景观设计,打造别致的生态矿区景观。(3)采取种植富集重金属效果好的植物修复污染土壤,以降低土壤中重金属的含量。如:针对存在As污染的土壤选取种植蜈蚣草,Cd污染的土壤选取种遏蓝菜,Pb污染的土壤选取种印度芥菜等,根据土壤中重金属的污染成分比重,合理选择多种富集重金属的植

28、被搭配。(4)按旱地与水田进行分类处置重金属污染土壤。对于旱地,可采用土壤调理-轮作休耕的方式进行修复。施用土壤调理剂,如含腐植酸肥料、菌根生物肥等,对土壤重金属离子进行钝化,通过休耕轮作的调控措施恢复旱地的地力条件。对于水田重金属污染,VIP+n修复治理技术是近年推广的模式之一。如对于镉污染农田,可采用“低镉品种淹灌石灰土壤调理剂叶面阻控剂翻耕”组合技术模式,有效降低稻米镉含量。与此同时,合理选择不富集或低富集重金属的农作物种类,如小麦、蔬菜等,以保障农作物生产的健康发展和质量安全。图4不同农作物地上部分重金属生物富集系数均值表8农作物中非致癌风险暴露剂量与健康风险指数均值组别儿童成人非致癌

29、风险HQHIHQHIAs2.7510-12.111.7710-21.04Cd5.0410-32.8310-4Cr1.831.02Pb7.0610-43.6910-5Hg2.6910-71.5110-7致癌风险(CR)As3.3410-41.6210-514912023 年矿产勘查4结论与建议4.1结论(1)三十六湾耕地土壤中重金属元素 As、Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni和Hg均值分别超湖南省土壤背景值的 16.61、37.64、0.52、9.28、3.13、1.42、0.46 和1.69倍,且8种重金属元素变异系数很大,说明土壤受人类活动影响很大。(2)三十六湾耕地土壤的土壤环境综合污染

30、风险指数属中高级别,土壤重金属风险等级依次为:CdPbAsZnHgCuCrNi。(3)研究区农作物对5种重金属吸收能力依次为:CdCrPbHgAs;白菜对重金属吸收能力较强,作物对Cd均具有较强的富集能力,对Hg的富集能力较弱。(4)食用研究区内农作物存在一定的致癌和非致癌健康风险,且对儿童的影响大于成人。其中,Cd和As是健康风险的最主要来源。(5)研究成果对于三十六湾耕地土壤的修复具有重要的指导作用。4.2建议(1)政府和管理部门应发挥引导、指导和监管作用,以保证土壤修复的有效实施。协助和指导企业制定有针对性的土壤污染治理方案。同时,可以考虑引入社会资本,有序推进修复工作。另外,应加强宣传

31、,提高居民对土壤重金属污染危害的认知,做到积极配合土壤污染调查、治理以及回顾性评价的监测工作。(2)建议合理选择土壤污染修复方法和技术,对文中提出的修复对策做出科学的评价。同时,科学合理选择农作物种类,以保障农作物生产的安全。参考文献Anuska S,Bijaya A,Mahesh S,Dipesh R,Bindra D S,Achut R P,Sudarshana S P,Raj S.2022.Evaluation of heavy metals in vegetables from contaminated agricultural soils of Madhyapur Thimi,Bha

32、ktapur District,Nepal and their potential health risk assessmentJ.International Journal of Applied Sciences and Biotechnology,10(3):149163.Ji C,Hou D W,Li F Z,Bao G J,Deng A P,Shen H J,Sun H.2020.Assessment and spatial characteristics analysis of human health risk of heavy metals in cultivated soil

33、J.Environmental Science and Ecotechnology,41(3):14401448.Xu D,Zhou P,Zhan J,Gao Y,Dou C M,Sun Q Y.2013.Assessment of trace metal bioavailability in garden soils and health risks via consumption of vegetables in the vicinity of Tongling mining area,China J.Ecotoxicology and Environmental Safety,90:10

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41、7633772.中华人民共和国环境保护部.2014.中国人群暴露参数手册(成人卷)M.北京:中国环境出版社.欢迎订阅2023年 矿产勘查(月刊)矿产勘查 创刊于1992年,是由中国有色金属工业协会主管,有色金属矿产地质调查中心主办,中国有色金属工业协会地质矿产分会、中国有色金属学会地质学术委员会、中国地质学会矿山地质专业委员会联合协办出版,为综合性技术类刊物。矿产勘查 收录情况:中国科技核心期刊、中国科技论文统计源期刊、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊,日本科学技术振兴机构数据库(JST)收录期刊。矿产勘查 月刊,大16开本,每月28日出刊。每期(册)定价50元,全年定价600元,国内外公开发行。订阅方式:1.全国各地邮政局(所);2.联合征订;3.本刊编辑部。中国标准连续出版物号:ISSN 1674-7801CN 11-5875/TD 国内邮发代号:2-6561493

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