矿粮复合区土壤中重金属污染特征研究

徐蕾，肖昕，张浩嘉，聂建，韩筱璇

（1.徐州市环境监测中心站，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221000）

矿粮复合区是指既是矿产资源主产区又是粮食主产区的特殊区域，在我国粮食产区占有重要地位[1]。矿山开采与利用过程中会对周边环境释放废水、废气及固体废物，进而造成区域土壤环境质量下降，其中重金属污染是矿区土壤研究的重点[2～3]。目前对矿区污染的研究大多集中在金属矿山，但研究人员也逐渐发现煤矿固体废物周边、煤矿产区以及电厂周边均出现了不同程度的重金属累积[4～7]。土壤污染是区域作物重金属污染的重要来源，监测典型矿粮复合区土壤可以有效推断分析区域粮食安全性。本文通过采集徐州市城北矿粮复合区36个采样点的土壤样品，对土壤中五种重金属镉（Cd）、铬（Cr）、锌（Zn）、铅（Pb）、铜（Cu）的含量以及污染状况进行分析和评估，从而得出矿粮复合区土壤中重金属的污染特征。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

徐州市城北矿粮复合区位于徐州西北，东经117°07´～117°19´，北纬34°32´～34°36´ 。该区属温带季风气候，年平均温度14℃，年均降水量900mm。区域内的主要作物为小麦、水稻、玉米等。区域内有五个煤矿、三个火电厂、两个大型粉煤灰堆场和多处煤堆放场地，同时还有2/3的面积为农田，是典型的矿-农复合区。

1.2 采样点位布设

在实地调研的基础上，依据均匀布点与结合污染源的原则，在研究区域内布设了36个土壤样品采样点。

1.3 样品的采集与预处理

每个采样点以梅花布点法采集5个表层土壤样品（0～15cm），去除土壤中的石块、植物残体等杂质，混合成一个样品带回实验室。样品经风干、缩分、研磨过100目筛后备用。样品用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸以3∶1∶3∶1比例消解。

1.4 样品分析与质量保证

消解后的样品用电感耦合等离子体发射光谱仪（Perkin Elmer，Optimal 8000）进行分析，以GSS-13进行质控。

1.5 数据处理方法与区域内土壤重金属评价方法（见表1）

实验所得数据用Excel2003和SPSS16.0进行基本特征分析。

表1 区域内土壤重金属评价方法

2 结果与讨论

2.1 区域土壤重金属污染情况

总体而言，区域内土壤中各重金属含量：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd（见表2）。与《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）相比，区域内77%点位的Cd超过国家二级标准，其他重金属元素（Pb、Cu、Cr、Zn）均低于相应国标，说明区域内大部分土地已不适合种植作物，且主要污染物为Cd。与当地土壤背景值相比，86%点位的Cu和80%点位的Cd均超出背景值，其中Cu均数是背景值的1.89倍、Cd是2.69倍，其他金属的均数均略低于背景值，但也出现了部分超出背景值的点位。说明，在研究区域内土壤中的Cu和Cd均存在一定程度累积。其中Cd污染的区域主要在工业园区一带，园区内电气设备公司、橡胶管公司、工业用地泥公司等企业的生产会对周围的环境排放废气废水，这些废气废水中可能含有重金属Cd对周围的土壤造成污染。而Cu污染区域主要有庞庄煤矿东城井、徐州协通铸业有限公司、徐州中丰生物科技有限公司、固城铜业、徐州苏润石化有限公司。造成Cu超标的原因很可能是矿场资源的开采与加工。

各重金属分布的变异系数差异较大，其中Cd的变异系数最大，为67.95%，其次为Cu，为50%，然后为Zn、Pb和Cr，分别为40.36%、34.7%和18.67%。变异系数可反映总体中各目标值的离散程度，研究区域中Cd、Cu的变异系数分别是Cr的3.64和1.86倍，说明这两种重金属存在局布污染源的可能性较大，可能与农作方式、污水灌溉或固体污染物储运等有一定的相关性。

综上所述，研究区域内土壤中的Cu和Cd存在一定程度的局部污染（见表2），其污染来源仍需进一步监测分析。

2.2 区域内土壤重金属评价

由单因子指数法的结果（见表3）可知，评价区域土壤中Pb、Cr、Cu、Zn都处于未污染的水准，且只有一半的点位存在Cd污染，其中轻度污染、中度污染、重度污染分别占22.22%、27.78%和2.78%。综合污染指数法的结果表明未污染、警戒、轻度污染和中度污染的点位分别占比41.67%、16.67%、33.33%和8.33%，无重度污染点位（见表4）。

由此可知，区域总体来说较为清洁，但存在中度污染及以下不同程度的污染情况，在评价区域内土壤中主要存在Cd元素污染。

表2 土壤重金属描述性统计 （单位：mg/kg）

表3 基于单因子指数法的污染状况统计 （单位：%）

表4 基于综合污染指数法的污染状况统计

以徐州市的背景值为基准，得到研究区域土壤样品中的累积指数结果（见表5），表明所有元素均存在一定程度的富集。其中绝大部分点位中的Pb、Cr和Zn元素处于轻微富集，极少处于中度富集，而Cu则是61.11%的点位处于中度富集，30.56%的点位处于轻微富集，极少部分处于中强和强富集水平。Cd元素在点位中从无富集到较强富集都有分布，其无富集、轻微富集、中度富集、中强富集、强富集、较强富集比例分别为：5.56%、22.22%、33.33%、13.89%、22.22%、2.78%，说明Cd存在污染并分布极不均匀，部分点位污染严重情况等。

潜在生态风险指数法的结果显示（见表6），在所测量重金属Cd、Pb、Cu、Cr和Zn中，只有Cd存在生态危险，从无生态危害到强生态危害均有分布，其在无生态危害、轻微生态危害、中生态危害和强生态危害的比例分别为：12.6%、27.0%、42.2%和18.8%。说明，Cd存在不同程度的潜在生态风险，且大部分存在中生态危害。

表5 基于地累积指数法的污染状况统计 （单位：%）

表6 基于潜在生态风险指数法的污染状况统计（单位：%）

通过对Cd污染区域的研究表明，工厂“三废”的排放可能是造成Cd污染的主要原因。区域周边工厂燃煤产生的废气和废渣可能是造成土壤重金属污染的重要来源之一。有研究表明，燃煤过程中释放的Cu、Zn和Pd等对大气和水环境的综合污染都达到了重污染的水平[8、9]。同时，工业废气也是造成空气镉污染的主要来源，较高浓度的镉可通过降雨或沉降进入土壤，其中部分会被植物体吸收从而造成污染，部分则会在土壤中大量积累。此外，采用工厂废水进行灌溉也是造成Cd在土壤中积累的原因之一，许多污水未经任何处理即被引入农田，造成大面积污灌区土壤Cd积累。另外，研究区域有大型粉煤灰堆场和多处煤堆放场地，也会造成土壤中Cd的积累[10]。

另一方面，农药与化肥的过度使用在一定程度上也会造成土壤重金属污染。研究区小麦、水稻、玉米等作物在污水灌溉的同时，大量施用农药与化肥，也会导致重金属在土壤中的积累，如Cd在磷肥中的含量较高[11]。Cd是植物生长的非必需元素，但会对植物生长产生不利影响，当植物体内的Cd累积到一定程度时，Cd会阻碍植物根系的生长，抑制水分和养分的吸收，引起一系列的生理代谢紊乱，最终导致产量下降[12]。

3 结论

采用单因子指数法、综合污染指数法和地累积指数法等方法，研究矿粮复合区土壤中重金属污染特征，可得出以下结论：

（1）总体来说，研究区域土壤较为清洁。与当地的土壤背景值相比，土壤中存在一定程度Cu和Cd的局部污染。

（2）单因子指数法显示，评价区域内除Cd外其余重金属元素均处于未污染状态。由此可见，评价区域内主要存在Cd元素污染。

（3）地累积指数法显示，区域土壤中的Cd、Pb、Cu、Cr和Zn元素均存在一定程度的富集，但Cd元素的富集最为严重，Cd元素从无富集到较强富集都有分布，表明Cd的污染分布极其不均匀，且部分点位污染严重，需要重视。

（4）潜在生态风险指数法显示，评价区域内除Cd外，其余测量的重金属元素均处于无生态风险的状态，但Cd存在不同程度的生态危害。

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