典型矾矿区土壤及优势植物重金属分布特征

祝琳， 黄显怀， 陈冰宇， 王华元， 钱婧

（安徽建筑大学a.环境与能源工程学院； b.水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室， 合肥 230601）

矾矿资源开采将地下的重金属元素释放到周围地表， 同时由于明矾矿石的电离和伴生黄铁矿的氧化会导致周边的土壤呈现出中酸性或偏酸性， 矾矿开采所产生的酸性矿山废水［1-2］， 会造成矿区流域水体及土壤重金属污染， 威胁区域生态系统安全［3］。因此， 对矾矿区周边土壤重金属污染现状需要进行深入的研究。

某矾矿是原化工部重点化学矿山， 该矾矿区以明矾石矿、 黄铁矿、 石英为主［4］， 2001 年停产至今，是国内一个典型的废弃矾矿区。 由于长时间的开采导致大量的矿渣堆积， 对周边的环境造成严重的危害［5］。 本文以该矾矿区为研究区域， 选择当地优势植物的根系土做为土壤样品， 对土壤与植物中的重金属元素含量进行对比研究。 在此基础上， 对废弃矾矿区生态环境进行潜在风险评价， 以期获取对典型重金属元素富集和转运能力较好的优势植物， 为矾矿区土壤重金属污染修复治理措施提供选择。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

矿区有两处地下水常年分别从西山平硐和东山平硐口向地表溢流， 水量较为可观， 且均为较强的酸性水［6］， 并伴随着多类型的重金属元素。

矿区周边主要分布的植物有草本植物中的菊科，以及部分禾本科、 十字花科、 蕨科、 堇菜菜科、 木兰科、 商陆科等， 其他科植物均为单科单种点缀其中。 由于菊科适应性较强、 种类较多、 分布较广，而禾本科种子传播能力较强， 因此， 菊科、 禾本科植物的分布比例相对较高。 通过实地调研， 矿区具有代表性、 生长良好且数量较多的优势植物有沿阶草、 星宿菜、 鬼针草、 小二仙草、 小蓬草、 蕨、 五味子、 商陆、 鸭跖草和紫花地丁等。

1.2 样品采集及分析方法

通过调查矾矿区范围内植物群落较发育的植被区， 并对植物科属及数量进行全面统计， 植物样品采集点包括有： 西山平硐和东山平硐出口处， 以及未受明显人为开采影响的周边山体， 共在20 个采样点采集了15 种植物及对应的表层（0 ～20 cm）土壤样品。 每种植物采用全株采集的方式， 随机取3 ～5 株样品。 土壤样品采用梅花法采集， 密封保存。

对于植物样品， 首先用去离子水冲洗粘附在植物表面的泥土和其他物质， 循环3 次， 于105 ℃杀青45 min， 70 ℃烘干72 h 至恒重。 土壤样品放置于牛皮纸上自然风干， 去除其中碎石、 动植物残体等杂物， 过200 目尼龙筛后装袋备用。 植物和土壤样品分别用HNO3-H2O2（体积比为8 ∶2）和HNO3-HCl-HF（体积比为5 ∶3 ∶2）消解。

采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定植物和土壤样品中砷（As）、 铜（Cu）、 镉（Cd）、 铅（Pb）含量， 采用电位法测定土壤样品pH 值。 在上述测定过程中， 均设置空白样和二次平行样加标回收率进行严格的质量控制， 数据误差均控制在5%以内。

1.3 数据分析方法

本文运用地累积指数方法［7］评价研究区4 种重金属元素污染程度［8-9］：

式中， Igeo为地累积指数； Ci为重金属元素实测值， mg／kg； C0为研究区域重金属元素背景值， mg／kg； 常数1.5 用于校正区域背景值差异。 污染水平划分为6 级， 包括： Igeo≤0， 无污染； 0 ＜Igeo≤1，轻微污染； 1 ＜Igeo≤2， 轻度污染； 2 ＜Igeo≤3，中度污染； 3 ＜Igeo≤4， 偏重污染； 4 ＜Igeo≤5，重污染； Igeo＞5， 高度污染。

通过计算典型重金属元素潜在生态风险系数RI， 对矾矿区土壤进行潜在生态风险评价［10］：

表1 重金属潜在生态风险等级划分标准Tab. 1 Grading standards of potential ecological risk from heavy metals

植物累积重金属元素的能力用转运系数和富集系数表示， 计算公式如下：

本研究中重金属元素含量的描述性统计分析及生态风险评价结果统计采用SPSS 24.0 完成。

2 结果与分析

2.1 土壤典型重金属元素分布特征

土壤pH 值范围为3.75 ～6.89， 平均值为4.86，表明受长期矾矿资源开采的影响， 矾矿区土壤整体呈现出偏酸性， 土壤典型重金属含量分布特征如表2、 图1 所示。

从表2 和图1 可以看出， 以GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中规定的风险筛选值为标准值， 则矾矿区土壤As 含量超标率为73%， 表明研究区受到As 污染已较严重。 研究区土壤Cu 元素变异系数超过100%，表明Cu 含量的空间分布具有较大的变异特征， 且超标率近似一半。 土壤Cd 含量为0.5 ～6.5 mg／kg，超标率为100%， 表明研究区Cd 污染较为严重，范围较广。 Pb 元素超标率高于82%， 表明研究区土壤中Pb 污染亦需得到重视。 Wilding［12］将变异系数划分为3 个等级， 其中小于15%则属于小变异程度， 15%～35% 范围内则为中等变异程度， 大于35%为高度变异程度， 故矾矿区土壤As、 Cu 和Cd均属于高度变异程度， Pb 接近于高度变异程度。

表2 土壤典型重金属含量分布特征Tab. 2 Distribution characteristics of typical heavy metals in sampling soils

图1 土壤重金属含量分布Fig.1 Distribution of heavy metals content in soil

2.2 重金属污染与生态风险评价

研究区土壤重金属污染评价统计结果如表3 所示。 As、 Cu、 Cd 和Pb 的污染水平分别为偏重污染、 轻度污染、 重污染以及轻度污染。 土壤中As污染水平集中在无污染、 轻微污染、 以及偏重污染，其中， 偏重污染占比较高， 超过60%。 土壤中Cu的轻微污染和中度污染的采样点比例较高， 验证了Cu 污染空间分布变异特征较为明显的结论。 Cd 的Igeo均值表明研究区土壤为Cd 重污染水平， 且样点Cd 污染水平均在中度污染以上， 高度污染样点比例最大， 结合Cd 含量已超风险管制值， 研究区Cd污染治理急需开展深入研究和后续修复工作。 Pb污染程度集中分布在轻度污染和中度污染， 但是所有样点Pb 含量均超过标准值， 可能是矾矿区土壤Pb 含量背景值较高导致的。

研究区植物根系土壤中As、 Cu、 Cd 和Pb 4 种重金属元素的生态风险系数见表4。 单一重金属潜在生态风险评价结果表明， 3 个样点As 潜在生态风险系数低于40， 属低潜在生态风险， 4 个样点As 潜在生态风险系数超过100 而低于160， 属中高等潜在生态风险， 其余样点As 潜在生态风险系数均达到高等潜在生态风险， 可以发现矾矿区土壤整体呈现出As 污染现象， 由于植物对As 吸收能力的不同以及局部环境的差异性， 导致部分区域As 元素含量及可能产生的生态风险在可接受范围内。 由于Cu的生物毒性相对较弱， 虽然研究区Cu 元素含量均值明显超过风险筛选值， 但是除个别样点达到中等和中高等潜在生态风险外， 超过80% 的样点Cu 属于低潜在生态风险评价。 Cd 潜在生态风险系数同样表明该区域土壤中Cd 污染较为严重， 超过90%的样点潜在生态风险系数显著超过160， 达到极高等潜在生态风险； 相反， 研究区Pb 潜在生态风险系数均小于40， 仅具有潜在生态风险。

RI 为4 种典型重金属元素潜在生态风险系数的综合值。 商陆植物根系土壤重金属潜在生态风险系数最大； 研究区常见植物小蓬草根系土壤重金属潜在生态风险系数计算值最小， 所有样点RI 均值为1 060.33。 根据表1 中RI 评价等级划分标准，对照点土壤和小蓬草根系土壤样品RI 小于600，但仍达到高等潜在生态风险， 其余土壤样品RI 均显著大于600， 划分为极高等潜在生态风险。 由此可见， 研究区因矾矿的长期开采以及废弃后管理的欠缺， 造成其土壤重金属污染较为严重。

2.3 优势植物重金属富集特征和转运能力研究

基于对优势植物地上部分和地下部分重金属含量的测定， 优势植物的富集系数和转运系数计算结果见表5。

由表5 可以看出， 沿阶草和小二仙草对于土壤中As 具有很好的富集和转运效果， 富集系数分别为2.81 和5.00， 转运系数分别为1.65 和2.73。 虽然沿阶草、 星宿菜、 鬼针草等8 种植物对于Cd 元素的转运系数均大于1， 但仅有紫花地丁对Cd 的富集系数较为可观， 为1.79。 除上述外， 研究区主要植物对于Cu 和Pb 的富集和转运效果均不显著。鉴于研究区土壤As 和Cd 污染情况较为严重， 选择基于以沿阶草和紫花地丁为主的植物修复手段，通过向污染严重的土壤投加针对性的螯合剂或者表面活性剂， 提高As 和Cd 由根部向地上部分转移的能力， 从而提高植物修复效率［13］， 减轻矿区土壤重金属污染程度， 为后期矿区生态修复工作打下坚实的土壤环境基础。

表3 土壤典型重金属元素污染特征Tab. 3 Pollution characteristics of soil typical heavy metals

表4 根系土壤典型重金属潜在生态风险系数Tab. 4 Potential ecological risk coefficients of typical heavy metals in root soil

表5 优势植物的富集系数和转运系数Tab. 5 Enrichment and transfer coefficients of dominant plants

3 结论

（1） 本研究区土壤整体呈现偏酸性， 土壤中As、 Cu、 Cd 和Pb 含 量 分 别为1.2 ～187.5、 18 ～379、 0.5 ～6.5 和72.8 ～197 mg／kg。 按照国家土壤环境质量标准， 研究区73% 土壤样品中As 含量超标， 将近50% 土壤样品中Cu 含量超过风险筛选值， 所有土壤样品中Cd 含量均超过风险筛选值，部分样品甚至超过风险管制值， 超过82% 土壤样品中Pb 含量超过风险筛选值。

（2） 4 种重金属元素在不同采样点的污染水平呈现出一定的差异性， 其中研究区As 和Cd 污染情况较为严重， 对周边人群和生态环境可能会造成一定程度的危害， 急需开展针对性的环境治理工作， 采取有效的修复措施。

（3） 本研究区主要植物沿阶草、 小二仙草以及紫花地丁分别对于土壤中As 和Cd 具有良好的吸收和转运能力， 可以作为优势植物， 为废弃矾矿区土壤重金属污染修复治理提供选择。