大冶矿区主要公路两侧农田土壤重金属污染特征分析

孙清斌，邓金锋，尹春芹*，吴晓维，刘园梅

(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室中国科学院南京土壤研究所，江苏南京210008; 2湖北理工学院矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北黄石435003)

0 引言

土壤重金属污染来源广泛、危害较为严重，已经成为环境污染治理中的热点、难点问题［1］。土壤中重金属含量一旦达到污染水平就可能会降低土壤肥力和作物的产量与品质，并通过食物链影响人类的健康，甚至还会造成生态环境的恶化。公路作为交通骨架的主要组成部分，连接了全国90%以上的大中型城市，在所产生的污染物质中，重金属占较大部分［2］。国内外对公路两侧土壤重金属污染的研究有很多［2－6］。Nazzal等认为高速公路的修建与两侧土壤中重金属污染之间存在必然关系，可能会存在潜在的生态健康风险。郭广慧等研究表明，公路交通对道路两侧土壤产生严重和轻度Pb污染，其污染范围分别为距公路0～10 m和10～65 m［3］。林建等对福建省319国道龙岩市新罗区路段公路旁耕作地的重金属污染进行评价，提出土壤对重金属元素的吸附及污染程度为Cd＞Pb＞Cu＞Cr＞Zn＞Ni＞As，公路旁土壤中重金属污染物质的主要来源可能为机动车燃料和轮胎中所含微量重金属成分［4］。马光军等研究也表明，在交通密集的地带，土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr的污染更为严重［5］，公路交通污染是香港地区土壤中 Pb的主要来源之一［7］。

湖北省大冶市矿藏资源丰富，素有“百里黄金地，江南聚宝盆”之美誉，是中国开采最早的矿区之一，迄今为止已发现273处矿床。铜绿山是该地区最大的铜矿之一，从商代开始采矿以来距今已有3 000多年的历史，已被列入联合国矿区遗产名单。大冶市依托长江，背靠武汉，北连黄石、鄂州，南毗九江，西邻咸宁，东达安庆，交通便利。其境内主要交通干线包括310、106国道以及315、238省道部分路段，便利的交通条件为矿产资源的开采和运输提供了保障，但同时也很可能会对当地交通干线两侧土壤造成一定程度的不良影响。国内外对各地区的公路交通干线两侧土壤重金属污染的研究较多，但对于矿业发达的大冶市主要公路交通干线两侧农田土壤中不同重金属的污染调查研究鲜见报道。鉴于此，本研究以大冶市主要交通干线两侧的农田土壤作为研究对象，分析土壤中重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Ni和Mn)的污染水平及特征，评价其污染程度，并进一步解析其可能来源，为该地区公路两侧农业土壤的安全利用及污染的防治提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集和预处理

沿主要交通干线布点，采取“随机”和“等量”的原则进行采样。“随机”即每一个采样点都是任意决定的，采样单元内的所有点都有同等机会被采到。“等量”是要求每一点采集土样的深度一致且采样量一致。本试验共布设了24个采样点，采样点分布图如图1所示。

土壤取回后风干，除去砾石和植物残根，采用四分法逐级过筛，并将过筛后的样品贮存在干燥器中备用。

图1 采样点分布图(n=24)

1.2 样品提取、消解与测定

测定项目包括土壤pH值、土壤有机质含量、8种重金属(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Ni和Mn)全量。土壤pH值测定采用电位法［8］，土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法［9］，土壤重金属全量测定采用王水回流消解原子吸收法［10］，Cu、Pb、Zn、Cr、Co、Ni和Mn采用火焰原子吸收光谱法测定，Cd采用石墨炉原子吸收分光光度仪(Varian AA 240 FS，美国)检测。

1.3 评价方法和标准

1.3.1 单因子污染指数法

单因子评价是对土壤中某一污染物的污染程度进行评价。评价的依据是该污染物的单项污染指数:

式(1)中:Pi为单项污染指数，Ci为实测浓度，S为土壤评价标准。Pi＜1表示清洁; 1≤Pi＜2表示轻污染;2≤Pi＜3表示中度污染;Pi≥3表示重污染。

1.3.2 内梅罗综合污染指数法

式(2)中:P综为综合污染指数;(Ci/为土壤所有污染物中单项污染因子最大值的平方;(Ci/Si)2ave为土壤所有污染物中单项污染因子平均值的平方。土壤分级标准如表1所示。

表1 土壤分级标准

1.3.3 评价标准的选用

选用湖北省土壤自然背景值［11］和国家土壤环境质量二级标准(GB 15618－1995)作为评价标准，土壤重金属污染评价标准如表2所示。

表2 土壤重金属污染评价标准 mg/kg

1.4 数据分析

用SPSS 13.0软件对试验数据作统计分析。单因素方差采用LSD法分析24个采样点重金属的污染差异。P＜0.05表示在95%的置信度范围内差异显著。相关关系检验用来分析土壤有机质与重金属含量之间的相关性。主成分分析用来解析重金属的主要来源。

2 结果与分析

2.1 单因子污染指数评价

为明确本研究区域主要交通干线两侧农田土壤的重金属污染水平，分别利用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对各采样点土壤重金属进行了相应的评价分析。土壤重金属单因子污染指数评价如表3所示。由表3可知，采用湖北省土壤自然背景值进行评价，8种重金属的单因子污染指数值绝大多数都大于1。以Cd的PB最高(P＜0.05)，Cu其次(P＜0.05)，Cr最低(P＜0.05)，PB平均值从高到低依次为:Cd＞Cu＞Pb＞Zn＞Ni＞Co＞Mn＞Cr。表明该研究区域的土壤已受到重金属不同程度的污染，以Cd最为突出，其污染指数值远大于1.0，达5级污染，属于重污染水平，其中22号采样点 Cd的污染指数值最大，PB为156.7;Cu次之，PB为 4.22，大于1.0，达到5级污染，属于重污染水平，其中1号、20号和21号采样点Cu的PB在10以上。采用国家土壤环境质量二级标准进行评价，PG平均值从高到低依次为:Cd＞Cu＞Ni＞Zn＞ Pb＞Cr，Cd的PG最大(P＜0.05)，其中22号采样点Cd的PG为89.86;Cu的污染也较严重，1号、20号和21号采样点Cu的PG大于6。据实地考察发现，22号采样点为工业废弃地复垦，含Cd工业废水的排放可能是其受到Cd重污染的原因之一。另外，1号、20号和21号采样点分别位于龙角山和铜绿山2个铜矿区附近，铜矿的大量开采、运输产生的粉尘、矿山废水及矿山尾矿可能是造成这3个采样点土壤中Cu重污染的重要原因。与Cd和Cu的污染相比，Pb和Ni的单因子污染指数值PG较小，污染程度相对较低，只有几个采样点的PG大于1，而Zn和Cr的PG均小于1，未造成潜在生态危害。

表3 土壤重金属单因子污染指数评价 n=24

2.2 内梅罗综合污染指数法

24个采样点的土壤重金属内梅罗综合污染指数评价如图2所示。由图2可知，采用土壤背景值评价时，各采样点土壤重金属的综合污染指数值P综B都大于4.0。采用国家土壤环境质量二级标准评价时，除9号、10号、11号和13号采样点的综合污染指数值 P综G小于3.0，属于重度污染水平外，其余采样点的P综G均大于3.0，属于重度污染水平。表明大冶矿区公路两侧农田土壤均已受到不同程度的重金属污染，可能对农产品生产造成一定程度的潜在安全隐患。

图2 土壤重金属内梅罗综合污染指数评价(n=24)

2.3 土壤有机质含量与重金属含量的相关关系分析

土壤有机质参与土壤重金属迁移、转化和积累的地球化学过程，使得土壤有机质含量与土壤重金属积累关系较为密切。土壤有机质含量与重金属含量之间相关性分析如表4所示。由表4可知，土壤中有多种重金属含量与有机质含量呈(极)显著正相关性;但这种相关性在不同区域、不同重金属类型上体现出较大差异，这可能与土壤理化性质、土壤重金属特征和人类活动干扰有关。本研究采样点数据显示，除了Pb、Zn与土壤有机质含量之间的相关系数r(0.470＊＊、0.407*)呈显著相关外，其余4个元素(Cu、Cd、Cr和Ni)的r均较低。

很多研究者曾报道土壤有机碳(Total Organic Carbon，TOC)含量与重金属含量之间存在显著的正相关性［12］。但在本试验中，Cu、Cd、Cr和Ni含量与土壤有机质含量之间的相关性较低，除了土壤母质差异之外，还可能是由其他因素的干扰所导致，例如干湿沉降、距离污染源远近、土地的利用方式或土壤的理化性质等，这些因素对重金属在表层土壤中的分布影响较土壤有机质或者TOC更大。有研究表明大气沉降是农田土壤Pb和Zn污染的一个主要来源［13］。另外，Kim等研究表明金属矿物的开采、加工和冶炼等会造成严重的土壤污染［14］。铜绿山矿区土壤重金属的污染主要来源于人类活动，尤其是采矿业和交通运输［15］。

表4 土壤有机质与重金属含量的相关分析 n=24

2.4 主成分分析

主成分分析是考察多个变量间相关性的一种多元统计方法，用来研究如何通过少数几个主成分揭示多个变量间的内部结构。因此，为了进一步解析大冶矿区公路两侧农田土壤重金属的可能来源，对24个采样点单个重金属组分进行了主成分分析，主成分分析数据矩阵如表5所示。主成分分析得到了2个因子，分别解释了41.19%和19.46%的变量。其中，因子1主要由Cu、Pb、Zn和Cd组成。有研究表明，大冶铜绿山矿区附近的土壤受到了Cu、Pb、Zn和Cd不同程度的污染，其中Cu的污染受矿源的影响较大，而Pb和Zn的污染则与交通等活动有较大关系［15］。此外，金属冶炼厂排放的烟尘也会带来土壤的重金属污染。黎耀辉等发现大冶冶炼厂烟尘与土壤Cu、Pb、Zn和Cd污染有明显的相关性［16］，也有研究表明，大冶有色冶炼厂排放的污水带来东港渠水体Cd和Pb的严重污染［17］，而污水灌溉亦会带来农田土壤的重金属污染。还有研究表明，公路旁土壤中Cd和Pb的污染严重，Cu和Cr属轻度污染，污染扩散范围约为250 m，污染的来源可能是燃料和轮胎中所含的微量重金属成分［4］。本试验的研究对象(主要交通干线两侧的农田土壤)地处矿业发达的大冶市，除了在常规意义上是由燃料和轮胎中所含重金属造成污染之外，矿产资源的开采和运输、金属冶炼排污、矿山酸性废水、矿山废石和尾矿的长期储存等均有可能对其带来一定程度的重金属污染，这应该是有别于其他交通干线土壤重金属污染的重要特征之一。同时，因子2主要由Cr和Ni组成，这些污染物质的含量主要由其土壤母质决定［18］。本研究结果显示，土壤中Cr和Ni 2种元素均未达到污染水平，表明此2种元素的含量可能是由土壤母质决定，与Huang等［18］的报道结果相同。

表5 单个重金属元素的主因素分析数据矩阵 n=24

通过分析上述结果发现，矿区主要公路两侧的农田土壤已受到不同程度的污染，尤其是矿区附近土壤中 Cu和 Cd的污染最为严重。而矿产资源的开采和利用等人类活动是重金属污染的一个主要因素，这给农产品生产会带来一定程度的潜在安全隐患。笔者曾对大冶铜绿山、铜山口矿区和非矿区的土壤、蔬菜重金属污染特征进行了分析，研究发现矿区附近蔬菜地土壤中Cu和Cd污染严重，矿区蔬菜中Pb和 Cd的含量均超过中国食品安全卫生标准，非矿区部分蔬菜中Pb和Cd的含量超标，矿区居民食用各种蔬菜均会产生Pb和Cd的健康风险。并且蔬菜对土壤重金属的富集能力并不完全随土壤重金属含量的增加而增强［19］。这可能与作物类型、土壤类型、理化性质、耕作方式以及外部环境等条件的影响有一定关系，需要作进一步研究。

3 结论

单因子污染指数评价显示，采用国家土壤环境质量二级标准评价时，Cd严重超标，Cu次之，Zn、Cr和 Pb未对土壤造成污染，单因子污染指数平均值的大小顺序为Cd＞Cu＞Ni＞Zn＞Pb＞Cr。内梅罗综合污染指数评价显示，采用国家二级标准评价时，只有9号、10号和11号采样点土壤属于中度污染水平，而其他采样点土壤都受到了较为严重的重金属污染。

土壤中Pb和Zn含量与土壤有机质含量之间显著相关，Cu、Cd、Ni和Cr含量与土壤有机质含量之间相关性均较低。大冶矿区公路两侧农田土壤重金属的来源可能为金属冶炼、制造业和交通释放的气溶胶颗粒，以及矿山酸性废水、金属矿山废石和尾矿的长期储存等人类活动。

总之，大冶矿区主要公路两侧农田土壤确实受到了一定程度的重金属污染，而且造成此现状的主要原因与当地人为矿业活动有关，面对两型社会的发展趋势，考虑到其对当地居民所造成的潜在性危害，相关政府主管部门应该引起一定的重视，开展必要的环保治理工作。

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