广东某矿区周边土壤与植物重金属的研究与分析

黄裕宏　范颖晖　李锐敏　丘文明　吕辉雄

摘 要 目前矿区土壤的重金属污染问题引起了世界范围的高度关注。对广东省内某一矿区周边耕地土壤中重金属的污染现状进行调查，采集了矿区周围耕地芭蕉、水稻、玉米、黄豆、番薯及对应土壤，参照《土壤农业化学分析方法》进行重金属含量测定。结果表明：作物样及其对应土壤都受到了重金属Cd、Pb、Cu、Zn的污染，其中污染程度最高的是Cu，综合污染指数法评价表明，4种土壤的综合污染指数都大于2，整体属于中度污染，芭蕉土的綜合污染指数超过4，属于严重污染。玉米、芭蕉、番薯的重金属含量处于较高水平，对重金属有一定的富集作用。可见，采矿会对周边土地造成不可忽视的重金属污染。

关键词 重金属污染；矿区；土壤与植物

中图分类号 X171.5 文献标识码 A

Abstract The soil heavy metal pollution in mine areas is an issue widely concerned. A study was conducted to investigate the heavy metal contamination of the soil and vegetation in one of the mining fields in Guangdong. The soils， plantain， rice， soybean， maize， and sweet potato were collected from the farmland around the mining area， and the heavy metals were determined. It was found that all the plants and soil samples were contaminated by Cd， Pb， Cu and Zn， especially by Cu. According to nemerow integrated pollution index， the index of 4 kind of soils were above 2， which meaning middle level pollution. Plantain soil was intensely polluted with the index of 4. The concentrations of most heavy metals were at high level in 3 kinds of vegetation samples（maize， plantain， sweet potato）， due to the phytoremediation of polluted soils. Above all， mining would cause and increase the soil heavy mental pollution around the field.

Key words Heavy mental pollution；Mining area；Soil and vegetation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.06.024

土壤是人类赖以生存的资源，耕地资源与人类生产生活息息相关，耕地健康情况直接影响人类健康。然而采矿业的发展，以及采矿工艺与管理的不完善性，使其不断对周边耕地产生不良影响，其中重金属污染便是一项。尤其是有色金属矿区，由于污水排放，水土流失等原因，一些有害金属就随着采矿所产生的酸性废水以及尾矿堆积、淋滤过程中流失，从而导致土壤中重金属含量的超标[1]。另外，矿区灰尘的干、湿沉降也会造成周边耕地土壤重金属污染。以广东韶关大宝山矿山的研究为例，大宝山外排的酸性废水的铅、锰、铜、镉分别为背景值的11、12、224和10倍[2]，其酸性废水对附近上坝村的种植物粮食作物造成严重污染，在香蕉等作物中测得镉超标197倍[3]。

土壤中的重金属可以通过皮肤、消化道和呼吸道进入人体，随后与体内的某些有机物质如：蛋白质、核酸等发生反应，生成金属络合物或金属螯合物，从而对人体产生不良影响，尤其是对母婴，其毒害效果更为明显。同时重金属还能与儿茶酚胺、维生素、激素等微量活性物质发生反应，重金属会使上述物质改变或丧失其原有的生化功能，从而引起病变[4]。重金属的污染多为伴生或综合性的复合污染，污染的程度也将比单一金属污染更为严重。矿区所排放的重金属中不乏有害金属如汞、镉、铅等，汞是日本水俣病的成因，镉的摄入将导致人体骨骼中的钙大量流失，最终导致人体骨骼萎缩；铅则直接伤害人体脑细胞，微量即可致使婴儿智力低下。

Deng等[5]认为，植物的某种适应机制说明部分植物能在重金属严重污染的条件下很好地平衡重金属的吸收和转移过程，即土壤重金属严重污染时部分植物可能会进一步对其富集，而对于粮食作物，如果作物体内重金属富集程度高，重金属含量偏高，对人体的危害是极为严重的。

本课题组采集了广东省某矿区周边耕地的土壤样和植物样，进行重金属含量的测定分析，旨在估算该地区受周边矿区重金属污染程度以及作物对重金属的生物积累程度，以关注矿区周边重金属等污染，提高污染区农户的安全耕作意识。

1 材料与方法

1.1 材料

2015年9月份，于广东某矿区周边，距离大概40 km处耕地进行随机采样，采集芭蕉、水稻、玉米、黄豆、番薯及对应土壤。其中采回芭蕉、水稻、玉米、黄豆各2个样，番薯3个样以及对应数量的土壤样品。

1.2 方法

1.2.1 样品测定及分析 将芭蕉、水稻、玉米、黄豆、番薯样品用自来水和去离子水洗净，置烘箱内65 ℃ 48 h烘干，记录干重。干样用万能粉碎机磨细，过0.25 mm的尼龙筛，备测重金属镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、铜（Cu）、镍（Ni）和锌（Zn）含量。

将土壤样品在室内风干，去除根系等杂物，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存备测重金属Cd、Cr、Pb、Cu、Ni和Zn的含量。

用分析天平[PB2002-N，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]精确称取1.00 g经上述处理的样品于聚四氟乙烯坩埚中，分别加5 mL HNO3、5 mL HF、3 mL HClO4加盖放置12 h，每个样品2个平行同时有3个空白，用电炉缓慢加热消化，1 h后，打开盖，继续加热除硅，当加热至冒浓厚白烟时，加盖，待坩埚壁上的黑色有机物消失后，开盖驱赶HClO4，白烟并蒸至内容物呈粘稠状。稍冷，加入5 mL HNO3，待酸至粘稠状，加入2 mL 1 ∶ 1的HCl溶解，转移至25 mL容量瓶，定容摇匀后，再经过滤后，用火焰原子吸收分光光度计（Z-2300，日本HITACHI公司）测试样品中的重金属Cd、Cr、Pb、Cu、Ni和Zn的含量。植物重金属含量测定采用干灰化-原子吸收光谱法，其具体测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[6]，土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd全量均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱测定法（GB/T 17138-1997）测定。

1.2.2 污染程度评价 内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一。该方法先求出各因子的分指数超标倍数，然后求出个分指数的平均值，取最大分指数和平均值计算。

单因子指数法通过单因子评价，可以确定主要的重金属污染物及其危害程度。一般以污染指数来表示，以重金属含量实测值和评价标准相比除去量纲来计算污染指数，如公式（1）。

Pi=Ci/Si （1）

式中：Pi为重金属元素的污染指数，Ci为重金属含量实测值，Si为土壤环境质量标准值国家二级标准值。

单因子指数污染分级标准见表1。

单因子指数只能反映各个重金属元素的污染程度，不能全面地反映土壤的污染状况，而综合污染指数兼顾了单因子污染指数平均值和最高值，可以突出污染较重的重金属污染物的作用。综合污染指数计算方法如公式（2）。

式中： Pj为采样点的综合污染指数，Pimax为采样点重金属污染物单项污染指数中的最大值，P为单因子指数平均值。

综合污染指数分级标准见表2。

2 结果与分析

2.1 土壤样品重金属含量

土壤样品测定结果见表3，从样品中均检测出了Cd、Cr、Pb、Cu、Ni、Zn 6种重金属元素。再与GB 15618-1995《土壤环境质量标准》中各级标准值进行比较，可以看出除Cr、Ni的相对含量较低外，Cd、Cu、Zn元素含量普遍不同程度地超过GB15618-1995《土壤环境质量标准》中二级标准值，其中也包括个别土壤样品的Pb含量。

植物样品测定结果如表4，均相应检测出Cd、Cr、Pb、Cu、Ni、Zn 6种重金属元素含量，其中Cd含量与土壤中含量相近，而Zn元素植物中含量偏高。GB 2762-2012《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中指出稻谷、糙米、大米中镉限量指标为0.2 mg/kg，谷物及其制品中铅限量指标为0.2 mg/kg。可以看出，作物中重金属含量接近甚至大大超过这些标准值。

2.2 植物样品对重金属的富集情况

由表5可知，植物对Cd的吸收富集作用较强，对Cr的吸收富集作用次之，对Zn也存在一定的富集作用，对Pb、Cu和Ni没有明显吸收富集作用。

2.3 污染状况分析

经过内梅罗指数分析法得出污染指数情况，如表6。根据表1单因子指数结果表明，3种作物的土壤中Cd、Pb、Cu、Zn的Pi大于1，说明均已受到污染，其中Cu污染最为严重，属于严重污染。几种土壤的Pj大于2，属于中度污染，而芭蕉土Pj大于4，属于严重污染。

通过对矿区周围耕地芭蕉、水稻和玉米、黄豆、番薯及对应土壤重金属含量测量，该矿区周边土壤受重金属Cd、Pb、Cu、Zn的污染，其中污染程度最高的是Cu。同时，受污染的土壤周边植物也受到重金属污染，由于植物对不同金属的吸收能力不同，导致不同植物之间吸收重金属的量也有所不同。而矿区周边的土壤以及植物，受重金属污染严重。

2.4 与其他结果对比

目前重金属中Cd、Cr、Pb、Cu、Zn較受关注[7-9]，高污染矿区对周边环境的影响形势严峻。由表7可知，铅锌矿周边土壤中Cd、Pb、Zn这3种金属含量与《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）中的二级标准值相比均有不同程度的超标，铜矿区周边土壤中Cd、Cu、Zn的含量严重超标。由此可见，不同矿区土壤中重金属的污染情况也各不相同。由表8可知，在非矿区耕地土壤中，重金属含量明显低于矿区。可见，矿区对周边土壤环境的影响不容忽视。

3 讨论与结论

有研究表明，中国耕地重金属污染概率为16.67%，而广东省被认为是我国耕地土壤重金属污染的重点区域[17]。其中在广东典型区域农业土壤中，Cu、Zn、Ni、Pb、Cd和 Hg元素的平均含量都已分别超过了背景值[18]，说明广东大部分耕地土壤已经受到了不同程度的人为污染。

芭蕉、水稻和玉米、黄豆、番薯作物对应土壤中重金属Cd、Pb、Cu、Zn的含量超过国家环境标准值。芭蕉、水稻和玉米、黄豆、番薯作物样品中重金属Cd、Pb、Cu、Zn的含量也较高。说明该地区耕地普遍受到重金属Cd、Pb、Cu、Zn元素的污染，属于中度污染的水平，其中受Cu元素污染最为严重。同时污染的土壤，导致作物重金属积累量的增加，也导致了耕地作物的重金属污染。

本次研究中作物重金属含量均处于较高水平，农作物容易吸收土壤中的重金属元素，人体过量摄入会造成严重危害，因此，对于矿区周边的耕地，应该予以重金属污染检测，并作进一步的耕种风险评估，不宜在不了解重金属污染程度的情况下持续耕作。对于污染较为严重的耕地，政府或相关部门应该予以治理，严重污染的耕地应该做好相应处理，例如采取退耕还林的措施。

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