崇左某废弃离子型稀土矿区土壤Cd、Zn污染特征研究

黄春霞 黄立幸

(1.广西民族师范学院;2.广西理工职业技术学院,广西 崇左 532200)

土壤重金属污染是目前我国最显著的环境问题之一[1-2]。土壤重金属污染是一种严重的环境污染类型,土壤中重金属具有隐蔽性、滞后性、累积性和不均匀性,尤其是重金属具有降解周期长、生物毒性强等特点,导致重金属对土壤的污染修复难度大,极难被治理[3]。土壤中重金属可通过食物链在生物体内富集,可能导致农作物减产或绝收,甚至危害人体健康[4-6]。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

本研究选取废弃矿区9个采样点,利用梅花布点法分别采集0-20 cm(表层)和20-60 cm(深层)土壤样品各9个,共18个样品;另外在矿区、非矿区采集不同深度土壤样品,探索研究重金属含量的垂直分布规律,土壤剖面的采集深度为0-100 cm,每隔10 cm取一个,2个剖面采样共得到土壤样品20个。本研究总共采集了38个土壤样品各1kg以上,装进密封袋中密封。

所有土壤样品带回实验室自然风干,过20目筛,再以四分法全部研磨通过100目筛,称取0.1～0.2g过筛后的样品于消解罐中,加入1 mL盐酸、4 mL硝酸、1 mL氢氟酸、1 mL双氧水,利用微波消解进行消解,冷却,于赶酸仪中150℃敞口赶酸,至内溶物近干,冷却后,去离子水溶解,转移至50 mL容量瓶中,定容。滤膜过滤后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定Cd和Zn的重金属含量。

1.2 地累积指数重金属污染评价方法

地累积指数(Igeo)是德国科学家Muller提出的一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标[17]。因其不仅考虑到污染因素、环境地球化学背景值等,也注意到自然早期成岩作用可能引起背景值变动的因素,在欧洲得到广泛应用。地累积指数(Igeo)计算方法如下:

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(4)

式中,Cn为样品中元素n的含量(实测值);Bn为元素n的地球化学背景值,Cd、Zn的Bn取广西土壤环境背景值;k为修正系数(一般取值为1.5),考虑成岩作用可能会引起背景值的变动。见表1。

表1 文中使用的污染指数评价方法和分级标准

1.3 潜在生态危害指数评价方法

潜在生态危害指数法是瑞典学者Hakanson[18]基于元素丰度和释放能力原则建立的一套评价重金属污染及生态危害的方法。该方法不仅考虑土壤及沉积物重金属含量,并且将重金属的环境效应、生态效应与毒理学联系在一起,采取具有可比性、等价属性指数分级法进行评价,是一种比较好且应用最广泛的方法之一[19-20]。见表1。

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量特征

本研究共选取废弃矿区9个采样点,分别采集0-20 cm(表层)和20-60 cm(深层)土壤样品各9件,对土壤中Cd、Zn两种重金属含量特征进行分析,具体见表2。同时结合矿区不同深度土壤中重金属的含量对比图(图1),显示表层和深层土壤中重金属元素平均含量均表现为: Zn>Cd。另外,从整个研究区域来看,2种重金属含量在表层和深层中分布特征表现出细微差异,Zn表现出深层土壤中的含量大于表层土壤,Cd的含量表现出表层略高于深层。

图1 表层和深层土壤重金属含量分布图

表2 矿区表层和深层土壤重金属含量 单位:mg/kg

变异系数可以判断重金属的污染程度,也可以判断重金属是由自然因素导致还是人为因素导致。根据变异系数大小来进行分级,变异系数<10%为弱变异,变异系数在10%～30%之间为中等变异,变异系数>30%为强变异[21]。该研究矿区表层土壤2种元素的变异系数均在10%～30%之间,属于中等变异,深层土壤中Cd和Zn的变异系数都在30%以上,表现出强变异,说明该矿区土壤重金属的含量可能受人为因素的干扰严重。另外,深层土壤重金属变异强度高于表层,可能是因为矿区开采产生的污染物质经过常年的降雨淋虑、渗透,元素自上而下流向最终在深层富集积累,表层土壤经过矿山恢复治理和土地复垦使得重金属污染程度降低。

为了更为直观地了解土壤重金属的污染特征,现将金属含量与土壤背景值的比值作图(图2)。本研究采用广西土壤背景值作为参考背景值,土壤环境质量标准使用2018年生态环境部最新实施的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的筛选值。

图2 表层和深层土壌重金属含量与背景值的比值

由图2可知,该矿区表层土壤重金属Cd、Zn的平均含量分别是广西土壤背景值的4.31和1.05倍,均超过1,说明这2种重金属相对于广西土壤背景值而言存在不同程度的污染。与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)中的筛选值相比,Cd超标率最高,达到100%,说明该矿区土壤中Cd的污染范围较大,Zn未检测出有超标点位。另外,与全国土壤元素背景值相比,Cd的平均含量是全国土壤元素背景值的11.86倍,同样超出倍数最高;Zn平均含量分别是全国背景值的1.07倍。综合显示,表层土壤中Cd、Zn元素含量表现出既超过广西土壤背景值也超过全国土壤元素背景值,尤其是Cd存在大范围的重金属超标现象。

深层土壤重金属Cd、Zn的平均含量与表层土壤一样,均表现出超标现象。Cd、Zn的平均含量分别是广西土壤背景值的4.12、1.12倍,Cd元素超出倍数最高。且Cd的平均含量与筛选值相比,超标率同样达到100%。Zn平均含量超过全国土壤元素背景值,超出倍数为1.14倍。

综合该矿区表层和深层土壤重金属含量数据来看,土壤重金属Cd存在大范围重金属超标现象,在表层和深层土壤中,Cd的超标率均达到了100%;Zn元素含量超过广西土壤背景值,但是未检测出有超标点位。

2.2 土壤重金属来源分析

相关分析广泛用于解析重金属污染来源[25],通过研究一定区域内土壤重金属相关性可推测元素间是否存在共同迁移途径、物质来源等规律[26]。本文对表层土壤和深层土壤重金属元素的相关性进行分析,二者关系见图3。表层土壤和深层土壤中Zn元素含量表现出极显著正相关,说明表层土壤中的以上元素主要来源于深层成土母质,表现出很强的继承性;而Cd元素在表层土壤和深层土壤的相关性不明显,说明可能受到后期人类活动的影响。

图3 表层、深层土壤重金属元素相关性分析

2.3 土壤重金属环境质量评价

表3 重金属的潜在生态危害系数及生态风险指数

结合地累积指数重金属污染评价方法,对稀土矿区土壤重金属的环境质量进行进一步的评价。根据地累积指数Igeo与污染程度分级关系(表1),表层和深层土壤重金属元素中Cd都处于污染程度偏中度水平,Zn处于无污染状态,这再次说明本研究区土壤中Cd污染最为严重。总体来看,地累积指数重金属污染评价方法与潜在生态危害指数评价方法得出结论一致,即表层和深层土壤中重金属Cd均达到偏中度污染程度,属于较强生态危害水平。Cd元素属于最主要的生态风险因子,污染最严重。

2.4 土壤剖面重金属污染特征

为了研究土壤污染随土壤深度的变化特征,选取矿区和非矿区两个剖面,对剖面0-100 cm深度土壤样品的重金属进行地累积指数分析评价。图4是矿区土壤剖面和非矿区剖面内的重金属元素地累积指数值变化规律图,从矿区剖面可看出,Zn元素从表层到100 cm处Igeo值均小于0属于无污染等级,Cd元素从表层到100 cm处Igeo值均大于0,且处于1和2之间,属于偏中度污染。另外,Cd和Zn元素Igeo值随着深度变化特征整体表现一致,均表现出随着土壤深度增加先升高后降低,且在深度为40 cm处达到最高值。这说明研究区土壤中Cd和Zn元素在土壤层40 cm处发生富集。王国贤等[27]研究内蒙古东部污灌区土壤Cr、Cu、Cd、Pb 在垂直方向上的浓度变化趋势表明,大多数剖面中Cd、Ni、Cu和Pb含量呈现不同程度的表聚性。

图4 矿区(a)和非矿区(b)土壤剖面重金属元素地累积指数值随深度的变化特征

非矿区剖面土壤重金属地累积指数随土壤深度变化显示,Zn元素Igeo值处于-1和1之间,处在无污染和轻度污染的临界状态,污染程度较矿区剖面重金属的明显;Cd元素在10-40 cm处Igeo值大于0小于1,属于轻度污染;在50 cm-100 cm范围Igeo值小于0,属于无污染;非矿区剖面土壤重金属Cd的污染程度小于矿区Cd污染。另外,从整体的变化趋势来看,Cd和Zn元素的地累积指数值随深度无明显变化规律,可能是因为后期土地复垦,对土壤进行了扰动,使得土壤原有的结构发生变化。

3 结论

(1)矿区表层和深层土壤中重金属元素平均含量均表现为: Zn>Cd。在表层和深层土壤中,重金属Cd均存在大范围重金属超标现象,Cd的超标率均达到了100%;Zn元素含量超过广西土壤背景值,但是未检测出有超标点位。由变异系数的分级发现,表层土壤Cd、Zn属于中等变异,深层土壤中Cd、Zn表现出强变异,深层土壤重金属变异强度高于表层,说明该矿区土壤重金属的含量可能受人为因素的干扰严重。

(2)表层和深层土壤中Zn元素含量表现出极显著正相关,说明表层土壤中Zn元素主要来源于深层的成土母质,表现出很强的继承性;而Cd元素在表层和深层土壤的相关性不明显,说明可能受到后期人类活动的影响。

(3)根据地累积指数重金属污染评价方法和潜在生态风险评价法结果得出,表层和深层土壤中重金属Cd均达到偏中度污染程度,属于较强生态危害水平。Cd元素属于最主要的生态风险因子,污染最严重。

(4)研究矿区土壤污染随深度的变化特征发现,矿区剖面中,Zn元素从表层到100 cm深度表现出无污染等级,Cd元素表现出偏中度污染,Cd、Zn元素Igeo值随着深度变化特征整体表现一致,均表现出随着土壤深度增加先升高后降低,且在深度为40 cm处发生富集达到最高值。非矿区剖面土壤重金属Cd的污染程度小于矿区Cd污染,Zn处在无污染和轻度污染的临界状态,Cd、Zn元素的地累积指数值随深度无明显变化规律。