有色金屬礦區土壤Pb、Zn、Cd污染評價及形態分布研究

黃順紅（湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100）

有色金屬礦區土壤Pb、Zn、Cd污染評價及形態分布研究

黃順紅
（湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100）

以郴州廢棄礦區土壤為研究對象，對礦區所采集的12個土壤樣品進行重金屬含量調查及綜合污染程度分析，并采用地累積指數法對重金屬污染程度進行評價。結果表明，土樣中重金屬Pb、Zn、Cd的平均含量分別為：3 149.36mg／kg、3 848.75mg／kg、26.74mg／kg。Zn和Cd達到極嚴重污染程度，Pb達到強污染嚴重水平。采用BCR連續提取法對土壤中Pb、Zn、Cd三種重金屬元素的形態進行分析，結果表明Pb主要以可還原態存在，Zn主要以殘渣態存在，Cd主要以弱酸提取態存在。

重金屬；污染評價；地累積指數；形態

礦產開采及冶煉等生產活動會導致重金屬元素的釋放和遷移，從而對礦區附近土壤等表生環境造成嚴重的重金屬污染［1］。重金屬能從土壤遷移到其它生態系統組成部分中，如地下水、植物等，并通過飲用水和食物鏈影響人類健康［2］，因此研究礦區土壤重金屬污染特征并對其污染進行評價十分重要。

目前國內外普遍采用單因子指數法和內梅羅綜合指數法等進行土壤重金屬污染評價［3］，以上兩種方法均能對研究區土壤重金屬污染程度進行較為全面的評價，但無法從自然異常中分離人為異常，判斷表生過程中重金屬元素的人為污染情況。地累積指數（Igeo）是德國學者Muller于1979年提出的［4］。它不僅考慮了自然地質過程造成的背景值影響，而且也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響，因此，該指數不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數［5］。

土壤重金屬污染的毒性及重金屬在土壤中的環境行為并不完全取決于其總量，很大程度上取決于其化學形態［6］。隨著土壤重金屬污染的加重以及對重金屬污染的生態環境效應和植物修復研究的深入，土壤中重金屬元素化學形態的研究也越來越引起國內外許多學者的重視［7］。

本文以郴州某廢棄鉛鋅礦區為典型有色金屬礦區，研究了土壤受到重金屬污染的情況，采用地累積指數法對土壤中重金屬Pb、Cd、Zn的污染程度進行評價，并對重金屬的形態分布進行了研究，旨在為當地土壤環境質量的綜合評價及重金屬污染治理提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 樣品采集與處理

本研究采用網格布點法，采集了12個表層土壤樣品，每個樣品由五個5～20 cm表層土樣混合而成。樣品自然風干，揀除石塊、植物根莖等雜物，磨碎過100目尼龍篩，混合均勻后取適量測定重金屬總量、BCR形態含量。參照GB／T 17141－1997測定土壤中Pb、Cd的含量；參照GB／T 17138－1997測定土壤Zn的含量。

1.2 地累積指數評價方法

地累積指數表達公式如下：

式中：Cn為元素n在土壤中的含量；Bn為土壤中該元素的化學背景值，本研究中選擇背景值為湖南省土壤背景值；k為考慮各地巖石差異可能會引起背景值的變動而取的系數（一般取值為1.5），用來表征沉積特征、巖石地質及其它影響。

地累積指數分級標準具體詳見表1。

表1 地累積指數分級標準

2 結果與討論

2.1 土壤pH值特征

研究區土壤pH值頻率分布情況如圖1所示。研究區的12個表層樣品中，pH值介于5.0～6.0的土樣占總數的33.33%；pH值介于6.0～7.0的土樣占50.00%；pH值介于7.0～8.0的土樣占16.67%。研究區土壤pH值的變幅為5.17～7.75，中值為6.46，從圖1可以看出，土壤基本上呈中性偏酸性。

圖1 土壤pH值分布頻率

2.2 土壤重金屬元素含量組成特征

對研究區12個土壤樣品中的Pb、Zn、Cd的含量進行統計分析，各重金屬平均含量見表2。

表2 重金屬元素含量統計mg／kg

從表2中可以看出Pb元素均值為3 149.36 mg／kg，含量在770.61～10 475.20 mg／kg之間；Zn元素含量范圍為1 420.26～18 743.2 mg／kg，平均值為3 848.75 mg／kg；Cd元素含量范圍為8.7～120.12 mg／kg，平均值為26.74 mg／kg。研究區內Pb、Zn、Cd平均值均遠遠高于湖南省土壤背景值，其中Zn元素高出土壤背景值一百多倍。Pb元素高出土壤背景值近四十倍。Cd元素高出土壤背景值三百多倍。

2.3 土壤重金屬污染評價

將不同樣品中土壤重金屬平均濃度值及湖南省土壤重金屬背景值代入地累積指數計算公式，求得土壤樣品中Cr、Pb和Zn的Igeo及污染程度分級，污染程度分級結果見表3，評價結果見表4。

表3 Cr、Pb和Zn的Igeo及污染程度分級

表4 地累積指數法污染程度評價結果%

從表4中可以看出，表層土樣中污染程度最重的元素為Zn，極重污染的土樣個數占整體的100%。其次為Pb，達到中度污染以上的樣品數占100%。Cd達到重污染－極重污染和極重污染的樣品分別占75%和16.67%。從各元素所達到的最高污染程度來看，污染順序為：Zn＞Cd＞Pb。

2.4 土壤重金屬形態分布

重金屬的生物毒性不僅取決于其總量，更大程度上是受其存在形態的影響，不同的形態產生不同的環境效應。試驗采用BCR（community bureau of reference）連續提取法對土壤中的Pb、Zn、Cd的重金屬形態進行分析，結果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 Pb的形態分布

從圖2中Pb的形態分布可以看出，各個形態的分配系數按以下順序遞減：可還原態鉛＞可氧化態鉛＞殘渣態鉛＞弱酸提取態鉛，可還原態所占比例最高，達61.6%，弱酸提取態所占比例最低，僅為6.66%。說明土樣中Pb活性較大，將會對其上生長的植物產生較大的不利影響。

圖3 Zn的形態分布

從圖3中Zn的形態分布可以看出，各個形態的分配系數按以下順序遞減：殘渣態鋅＞弱酸提取態鋅＞可還原態鋅＞可氧化態鋅，殘渣態鋅所占比例最高，但也只有34.3%，而Zn的可還原態，弱酸提取態占比例也較大為40%，因此具有一定的生物有效性和潛在生態危害。

從圖4中Cd的形態分布可以看出，各個形態的分配系數按以下順序遞減：弱酸提取態鎘＞可還原態鎘＞可氧化態鎘＞殘渣態鎘。弱酸提取態所占比例最高，為37.4%，殘渣態所占比例最低，為17.6%。由于Cd不是植物生長所必須的微量元素，即使其土壤中含量排在Zn后面，其毒害性也不亞于Zn。

圖4 Cd的形態分布

3 結 論

1.研究區土壤呈中性偏酸性，土樣中重金屬Pb、Zn和Cd的含量遠遠高于湖南省土壤重金屬背景值。

2.研究區土壤中Pb、Zn、Cd重金屬元素的地累積指數評價結果顯示，土壤中Zn和Cd元素為極嚴重污染，Pb元素屬于重污染－極重污染；在整個研究區內的污染程度順序為：Zn＞Cd＞Pb。

3.土壤重金屬形態分析結果為：Pb主要以可還原態存在，所占比例高達61.6%；Zn主要以殘渣態存在，所占比例為34.3%；Cd主要以弱酸提取態存在，所占比例為37.4%。

［1］ 仇榮亮，仇浩，雷梅，等.礦山及周邊地區多金屬污染土壤修復研究進展［J］.農業環境科學學報，2009，28（6）：1 085－1 091.

［2］ 劉敬勇.礦區土壤重金屬污染及生態修復［J］.中國礦業，2006，15（12）：66－69.

［3］ 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.潛在生態危害指數法評價中重金屬毒性系數計算［J］.環境科學與技術，2008，31（2）：112－115.

［4］ Muller G.Index of geoaccumulation in sediments of the Rhine river［J］.Geo Journal，1969，2（3）：108.

［5］ C.Mico，L.Recatala，M.Peris，et al.Assessing heavymetal sources in agriculturalsoilsofan European Mediterranean area bymultivariate analysis［J］.Chemosphere，2006，65（5）：863－872.

［6］ 黃勇，郭慶榮，任海，等.城市土壤重金屬污染研究綜述［J］.熱帶地理，2005，25（1）：14－18.

［7］ Serife Tokalioglu，Senol Kartal，Latif Elci.Determination of heavy metals and their speciation in lake sediments by flame atomic adsorption spectrometry after a four-stage sequential extraction procedure［J］.Anal Chim Acta，2000，413：33－40.

A Study of Pollution Assessm ent and Speciation Distribution for Pb，Zn，Cd in Soil of Nonferrous M etal M ining A reas

HUANG Shun-hong
（Hunan Research Institute of Nonferrous Metals，Changsha 410100，China）

With soil of discarded mining areas in Chenzhou as research object，investigation was carried on heavy metal content and comprehensive pollution degree of twelve soil in the area，geostatistics and multistatistics were applied to evaluate pollution degree of heavymetals.The results indicate thataverage concentrations of Pb，Zn and Cd were 3149.36，3848.75，26.74 mg·kg－1，respectively.The soil was extremely seriously polluted by Zn and Cd，and seriously polluted by Pb.The results of BCR sequential extraction procedure show that Pb wasdominated by reducible form，while Zn and Cd were dominated by residual formand weak acid extracive form respectively.

heavymetal；pollution assessment；speciation distribution；form

X758

A

1003－5540（2016）02－0065－03

2016－02－25

長沙市科技計劃項目（k1403043－31）

黃順紅（1972－），女，高級工程師，主要從事土壤重金屬污染治理及修復研究工作。