喀斯特山區燃煤型電廠周邊農業土壤中重金屬的污染特征及評價

楊皓，范明毅，黃先飛， 3*，曹人升，秦樊鑫，胡繼偉1. 貴州師范大學喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；. 貴州師范大學貴州省山地環境與生態保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001；3. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 55005

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喀斯特山區燃煤型電廠周邊農業土壤中重金屬的污染特征及評價

楊皓1， 2，范明毅2，黃先飛2， 3*，曹人升2，秦樊鑫2，胡繼偉1， 2
1. 貴州師范大學喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2. 貴州師范大學貴州省山地環境與生態保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001；3. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025

摘要：以喀斯特山區燃煤型電廠周邊不同方向的土壤及農作物為研究對象，探討了火電廠周邊隨距電廠水平方向、垂直剖面土壤中8種重金屬總量及污染分布特征，并分析了土壤中重金屬元素之間及其與pH、有機質的相關性。結果表明，與貴州省土壤背景值相比，土壤樣品中除了Cd和Cr之外，其它元素均有不同程度的超標現象，以Hg元素的超標最為嚴重；土壤中大多數重金屬元素主要以殘渣態為主，而Cd主要以酸可提取態和可還原態存在，容易發生環境遷移；土壤剖面中重金屬含量均表現為20～50 cm土層大于0～20 cm，土壤重金屬在次表層出現富集現象。相關分析表明，除了Zn以外，其它元素間的相關關系較高，pH與土壤Hg、As、Cu元素之間存在正相關關系，有機質與As、Ni之間也存在著顯著正相關，電廠不同方向上的pH變化與8種重金屬含量變化的差異相一致。采用內梅羅綜合污染指數法進行環境污染評價，發現電廠周圍土壤中的重金屬含量具有方向性，不同方向上的污染程度表現為正北＞西南＞東北＞東南＞西北＞正東。對比農業土壤采樣點，森林土壤中的Hg、Pb和Ni含量明顯較低，推測森林植被可能對電廠重金屬的沉降有一定的減緩作用；電廠周邊研究區內卷心菜的Hg、Pb、Ni元素的超標最為嚴重，而卷心菜對Cd元素的富集能力明顯高于其它重金屬。

關鍵詞：燃煤型電廠；重金屬；土壤；污染特征；喀斯特山區

引用格式：楊皓， 范明毅， 黃先飛， 曹人升， 秦樊鑫， 胡繼偉. 喀斯特山區燃煤型電廠周邊農業土壤中重金屬的污染特征及評價［J］. 生態環境學報， 2016， 25（5）: 893-902.

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土壤是人類賴以生存的主要自然資源之一，也是生態環境的重要組成部分。中國西南的喀斯特地區，地表碳酸鹽巖裸露，分布眾多峰叢、洼地、石林、盆地、山谷、溶溝、溶洞和地下河等，生態環境十分脆弱，成土物質少、土壤瘠薄、間斷，農業耕地資源十分匱乏（Sweeting，1993）。重金屬污染物在土壤中移動性差、滯留時間長、不能被微生物降解，對農作物的生長、產量以及品質都有較大影響。此外，重金屬還能被作物富集吸收，進入食物鏈，從而危害人體健康。研究表明（Charlesworth et al.，1999），重金屬在土壤中具有不同的賦存形態：可交換及碳酸鹽結合態（酸可提取態），鐵錳氧化物結合態（可還原態），有機物及硫化物結合態（可氧化態）以及殘渣態。它們各自表現出不同的物理化學穩定性、生物可利用性以及潛在的生態毒害性，從而使得土壤中的重金屬總量難以有效評價土壤中重金屬的毒性效應。

隨著工業化的迅速發展，大量重金屬以三廢（廢水、廢氣、廢渣）形式進入大氣、水、土壤和生態環境之中，造成環境污染，火電廠通過煙囪所排放的煙氣中的飛灰顆粒因其遷移范圍、粒度等原因成為環境污染較大的排放源，火電廠的重金屬污染主要來自煤的燃燒。煤炭燃燒過程中，會有多種易揮發的重金屬元素通過煙氣、灰渣、廢水等介質，最終污染周邊土壤環境。火電廠燃煤排放的廢氣重金屬是中國大氣重金屬污染的主要來源之一（Tian et al.，2012；Wu et al.，2010），大氣中的重金屬元素通過干、濕沉降進入農田土壤或被作物葉片直接吸收，可引起農田土壤和作物中Zn、Ni、Pb、Cu、Cd等多種重金屬含量升高（Gupta et al.，2007）。Akin et al.（2012）對土耳其Afsin-Elbistan火電廠周邊土壤重金屬污染研究發現，Cu、Cr和Ni均高于當地的土壤背景值；Prashant et al.（2010）對印度Singrauli地區的火電廠周圍土壤的研究表明，電廠周圍土壤存在不同程度的污染，并且發現重金屬含量的變化與盛行風向有關；Divan et al.（2009）對巴西南部的 Candiota地區火電廠的污染研究發現，周圍的優勢植物體內重金屬含量變化也與風向有關。Zhong et al.（2014）和Huang et al.（2013）等對中國西南喀斯特地區的工業基地的研究得出，Cu、Cd、As、Pb和Hg受工業區的距離和廠礦類型影響，而Cr和Ni則與自然資源環境有關。但是多數研究都集中在電廠周圍的表層土壤的幾種重金屬的污染和風險評價，且較少涉及喀斯特地區，而喀斯特地區地形起伏，山高坡陡，受地形地貌和成土母質等因素影響，土壤重金屬本底值普遍較高（方重華等，1992），重金屬元素遷移擴散較非喀斯特地區更加靈活，波及范圍更廣，危害性更大，僅僅對火電廠周圍的表層土壤或者幾種重金屬的研究尚不能闡明火電廠對周邊土壤的污染特性和垂直方向的遷移能力，不足以評估重金屬污染對周邊地區的生態風險。因此，本研究選擇以貴州黔北電廠作為研究對象，結合優勢農作物的現狀，地形地勢、盛行風向和距離電廠遠近等因素，采集電廠周圍的表層、剖面土壤和優勢農作物，對電廠周邊環境進行了風險評價，旨為該地區土壤環境治理提供參考，同時也為其它喀斯特地區電廠周邊土壤的生態修復提供科學依據。

1　材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選擇貴州省畢節地區金沙縣的黔北電廠，金沙縣城地處烏蒙山脈與婁山山脈交匯處，座落于烏江與赤水河之間，海拔約為910 m，地形起伏大，巖溶發育強烈，地貌類型有低山、低中山和中山等，屬北亞熱帶濕潤季風氣候。黔北電廠位于金沙縣城，處于夏季盛行東南風的上風向，且總裝機容量較大，達1700 MW，是國家特大型坑口火力發電廠，于1998年開始發電，1.25電，型5kW機組年利用小時保持在8000 h以上，連續幾年在全國同類型機組技術指標評比中奪冠。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集分兩次進行，分別選擇準靜止風主導的春季（3月初）和盛行東南風向主導的夏季（7月末）進行。以電廠煙囪為中心，采用同心圓布點法設置6條放射線，每條放射線根據主導風向、地形地貌、距離以及地被物特點設置4～7個采樣點，運用GPS定位每個采樣點的位置，樣點布設如圖1。同步在每條放射線上距離電廠不等的2個采樣點附近隨機選擇2個森林對照點，每個樣品從1.5 m×1.5 m正方形4個頂點和中心共5處各采集1 kg表土（0～20 cm）。此外，根據喀斯特山區土壤薄瘠的特點，自上而下分 2層采集每個采樣點的土壤剖面樣（0～20、20～50 cm），同一層次取3次混合為1個土樣。最后，根據實際情況，在選定的每個采樣點采集該地區優勢農作物卷心菜（Brassica oleracea Linnaeus var. capitata Linnaeus）的植物樣品，共采集32個表層土樣，12個森林對照土樣，64個土壤剖面樣，32個植物樣品。土壤樣品帶回實驗室自然風干，剔除石塊、植物根莖等雜質后，研磨過100目的土壤篩，保存備用。植物樣品先用蒸餾水沖洗，然后在70 ℃鼓風干燥箱中烘干，干燥的樣品用粉碎機進行粉碎，并全部通過0.147 mm篩編號并保存。

圖1　黔北電廠采樣點分布圖Fig. 1　The distribution of sampling points around the power plant of Qianbei

1.3 樣品分析

土壤重金屬全量樣品的測定采用美國國家環保局相關標準（USE-PA）抽提消煮，用原子熒光測定儀（AFS-933）測定Hg和As，石墨爐原子吸收光譜儀（ZEE nit 700P）測定鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr），火焰原子吸收光譜儀（WFX-210）測定銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni），隨批帶空白實驗。土壤的重金屬賦存形態采用改進的 BCR順序提取法測定其酸可提取態、可還原態、可氧化態以及殘渣態（Pardo et al.，2004），前3種形態統稱為可提取態（王鳴宇等，2011）。植物樣品莖和葉片采用濕法消解法（HCl+HClO4）消解，消解后的樣品采用ICP-AES測定其Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 和 Ni的含量。質量控制采用雙平行樣和加標回收法，各元素的加標回收率在 92.5%～106.4%，測定結果精密度滿足所用方法的允許值，準確度符合95%置信水平下置信區間要求。數據處理采用Excel 2003、Origin 9.1和SPSS 19.0完成。

1.4 評價標準與方法

本研究采用的評價方法是目前國內外普遍采用的污染指數法，應用單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數法評價表層和剖面土壤的重金屬污染狀況（James et al.，2015；Ogunkunle et al.，2013）。利用富集因子法評價植物重金屬的富集情況（Arnot et al.，2006；Azam et al.，2014）。計算方法如下：

式中，Pi為環境污染物 i的單項污染指數；Ci為環境污染物i的濃度值；Si為環境污染物i的評價標準。本研究選擇貴州省土壤重金屬元素的背景值為評價標準（國家環境保護局，1990），Hg、As、Pb、Cd、Cr、Zn、Cu、Ni背景值分別為0.11、20.0、35.2、0.659、95.5、82.4、32.0、39.1 mg·kg-1。當Pi＞1時，即受到污染。

內梅羅綜合污染指數法：

式中，Pcom為內梅羅綜合污染指數，Pimax為環境污染物中單項污染因子中最大值，Piave為環境污染物中單項污染因子的平均值，內梅羅綜合污染指數評價標準見表1。

富集因子系數法：

式中，BCF是植物對土壤中重金屬的富集特征。Cp為植物地上部分重金屬含量，Cs為土壤中重金屬含量。當 BCF＞1的元素，重金屬元素在生物體內富集。

表1　土壤內梅羅綜合污染指數評價標準Table 1　The evalution criterion for Nemerow comprehensive pollution index of the soil

2　結果與分析

2.1 黔北電廠不同季度周邊土壤的重金屬污染狀況

表2　黔北電廠不同季度的土壤重金屬含量干重Table 2　The concentration of the heavy metals in soil around the coal-fired power plant of Qianbei　　　　　mg·kg-1

土壤中重金屬的含量既與母巖及成土母質有密切的關系，又受到風向、地形和人為活動的強烈影響。由表2可知，8種重金屬元素含量最高的為Zn，最低的為 Cd，對比全省土壤重金屬元素的背景值，Cd和Cr在春、夏季均低于全省背景值， 夏季As也低于相應平均值，而其余元素均存在不同程度的超標現象。其中，Hg在春、夏季分別超標6.33和4.75倍，As在春季超標1.47倍，Pb在春、夏季分別超標1.27和1.98倍，Cu在春、夏季分別超標1.27和1.81倍，Zn在春、夏季分別超標1.11 和2.26倍，Ni在春、夏季分別超標1.90和1.44倍，顯示出不同季度電廠周邊土壤重金屬的污染狀況有所差異，除了Hg、As、Cd和Zn元素，其余元素的平均含量均表現為7月份小于3月份。已有研究表明：大氣降塵中重金屬時間變化較顯著，基本上呈現冬春季高于夏秋季（Groll et al.，2013），這與本文的研究較一致。大氣沉降是土壤中重金屬元素的主要輸入路徑，累計貢獻率在外源輸入因子中排在首位，而在靜止風控制的一季度，土壤中重金屬的含量普遍高于盛行風控制的3季度，大氣顆粒物表面攜帶的重金屬元素發生沉降改變了土壤中原有元素的比率（Kloke et al.，1984）。Hg、As、Cd和Zn元素在春季較高可能是由于貴州的基質為海相碳酸巖，含砷較高；而南方濕潤低山丘陵、熱帶雨林和高山峽谷等低溫成礦區Hg的背景值也較高；Cd和Zn為同族元素，在自然界常為共生，在一些有機的水溶性肥料中Cd與Zn含量較高，可能在春季施肥過程中由外源帶入（陳海燕等，2006），進入夏季的雨季時，由于降水淋濾，以及農業土壤前期的翻耕作業，濃度下降。Zn和Ni的標準差較高，均大于 100，且波動也較大。一般來說，重金屬在土壤中的移動是很小的，但西南地區夏季集中的降水，會使土壤中 Ni、Zn等有明顯的移動（Schirado et al.，1986），同時，采樣點也可能受到了強烈的人為活動的影響。

2.2 黔北電廠不同季度周邊土壤的重金屬分布特征

圖2　不同季度不同方位上土壤中重金屬含量Fig. 2　Heavy metals concentration of the soil from different directions in different seasons

由于黔北電廠位于盛行風向的上風向，因此，在東北風主導的夏季，土壤重金屬污染較嚴重的地方主要集中在其盛行風的下風向，西北方向、西向和西南方向土壤重金屬含量明顯高于其他方向（圖2），Zn除外，表明Zn極值的異常可能有其它污染源，其余元素的最高值均出現在上述方向，說明風向對重金屬元素的遷移方向有重要的影響。此外，電廠的每個方向上，重金屬的含量變化也表現出一定規律，出現了先升高后降低的趨勢，但不同方向上的變化幅度有所差異，這可能由于喀斯特山區地表起伏的下墊面減弱或改變了風速與方向。同時，出現下降趨勢一般為距電廠2～4 km處，這主要和電廠的煙囪高度有一定的關系。而喀斯特山區地下與地表存在著溫度差異，形成類似偏遠地區如北極（Hunga et al.，2005）、南極（Martins et al.，2010）、青藏高原（祁士華等，2003）以及冰川（Wang et al.，2008）等特色地域的“冷陷阱效應”，有利于大氣重金屬元素的沉降。

表3　森林對照點較其附近農業土壤中重金屬的降低率Table 3　Reduction rate of heavy metals from forest soil to nearby agricultural soil　　　　　　　　　　　　　　　%

為了說明下墊面的改變對重金屬的沉降的影響，選擇分析采樣點附近松樹林土壤重金屬含量（表3），研究發現：與農業土壤采樣點相比，森林土壤中的Hg、Pb和Ni含量明顯較低，推測森林植被可能對電廠重金屬的沉降有一定的減緩作用。而森林土壤中As、Cd、Cu和Zn含量分別有25.00%、33.33%、25.00%和 25.00%的土壤樣品高于農業土壤樣點含量，究其原因，一是可能該地本身背景值較高，二是可能受到其它來源的污染，有待進一步驗證。

2.3 黔北電廠土壤單因子和內梅羅綜合指數評價結果

表4　土壤單因子和內梅羅綜合指數分級結果Table 4　Classification results of single factor and Nemerow comprehensive index method

以貴州省土壤背景值為評價標準，得出夏季電廠周邊不同方向上的重金屬的污染指數（表4），發現不同元素、不同方向上的重金屬污染狀況表現出一定的規律。從單因子污染指數來看，各個方向上的Cd和Cr均未受到污染，As僅在正北方向存在污染，而其余元素在各個方向上均受到污染，特別是Hg、Pb、Cu和Ni元素的單因子污染指數均大于1.50。從內梅羅綜合指數來看，各個方向均受到污染，除了正東方向屬于輕污染之外，東北、西北和東南方向屬于中污染，正北方和西南方向屬于重污染，特別是正北方向的內梅羅指數高達5.75，這也與夏季的盛行風向相吻合，需要引起相關部門的注意。

2.4 黔北電廠周邊表層土壤重金屬形態賦存特征

黔北電廠周邊表層土壤形態分布特征見圖 3。從土壤中重金屬各形態分布比例來看，重金屬元素（除Cd外）主要以殘渣態為主（平均值＞80%），其中As幾乎以殘渣態的形式存在。在非殘渣態中Cu 和Zn還原態占的比例較大，其次為氧化態和酸可提取態。Cd元素則以非殘渣態為主，比例高達91.84%，其中Cd主要以生物有效性強的酸可提取態和還原態存在（約占80.13%），該地區的土壤類型為黃壤，在一定程度上決定了酸可提取態和還原態Cd占絕對優勢。因此，黔北電廠周邊土壤中的Cd雖低于貴州省的背景值，但具有相當高的活性，極易發生遷移和轉化，且酸可提取態遷移性較強，可以直接被生物利用，一般用來評價重金屬生物毒性。因此，電廠周圍的Cd具有很強的潛在環境危害性，相關治理部門應著重注意。

圖3　周邊表層土壤重金屬形態分布Fig. 3　Distributions of the heavy metals in various fractions in surface soils

2.5 土壤重金屬間及其與pH、有機質之間的相關分析

表5　土壤重金屬間以及與pH和有機質之間的相關系數（0～20 cm）Table 5　Correlation coefficient analysis results of eight heavy metals and pH， organic matter

土壤重金屬間及其與 pH、有機質之間的相關系數見表5。表層土壤8種重金屬元素之間存在著14組顯著的正相關關系，其中Hg分別與As、Cd、Cr、Ni，Ni與Hg、As、Cd、Cr、Cu、Zn之間存在著極顯著的正相關關系，說明Hg、As、Cd、Cr、Ni來自同一來源（Hakanson，1980；Izquierdo et al.，1997），可能受到外源污染。相關研究已經證實，重金屬元素通過大氣沉降進入土壤可引起農田土壤和作物中Hg、As、Cd、Cr、Ni等多種重金屬含量升高（Yu et al.，2006；雒昆利等，2004；蔣靖坤等，2005）。Pb-Cu、Cd-Cr、Cr-Cu之間的相關系數也較高，形成協同效應。而Zn與其他元素之間不存在顯著的相關關系，Zn常作為禽畜飼料的添加劑，用來防治其疾病和促進生長；此外，Zn也是汽車輪胎硬度添加劑，汽車輪胎磨損會產生含鋅粉塵（Lv et al.，2013；姜萍等，2010）。pH與土壤Hg、As、Cu之間存在著顯著的正相關關系（常玉虎等，2015），有機質與As、Ni之間也存在著顯著正相關（張金萍等，2009）。由于有機質參與了土壤重金屬的絡合與螯合作用，可影響重金屬的遷移與轉化，而土壤pH的升高，土壤溶液中的多價陽離子和氫氧離子的離子積也增大，因而生成該元素的沉淀的機會也加大，這些沉淀增大了對重金屬的吸附力。

2.6 土壤剖面中重金屬的垂直分布特征

圖4給出了電廠周邊土壤剖面中重金屬的垂直分布特征。結果表明，黔北電廠周邊土壤8種重金屬的含量變化表現出一定的規律，呈現出20～50 cm層土壤的重金屬含量大于0～20 cm層土壤，土壤重金屬在次表層出現富集現象。這一結果與其它喀斯特地區的已有研究有所差別：土壤重金屬有明顯的表聚化現象（劉勇，2012）。同時，重金屬含量的變化也在方向上和元素的富集上表現出一些差異，在正北、西北和西南方向上含量較高，這可能是由于這3個地區處于電廠的盛行風向的下風向，大氣干濕沉降較強；而Pb、Cr、Cu、Zn、Ni的含量變化在土壤中的垂直分布較其它元素更具遷移性，重金屬元素被地表徑流或雨水淋溶向土壤深層遷移擴散。由于此次采樣點的設置均為農業用地，土壤作物的輪作周期較短，再加上上述5種重金屬元素的總量也較大，喀斯特山區的土壤較為瘠薄，重金屬元素易在次表層出現富集。

2.7 電廠周邊農作物重金屬含量特征

電廠周邊不同方向的卷心菜中重金屬含量的統計特征見表 6。參照國家蔬菜衛生標準，研究區內卷心菜的 Pb、Cr、Zn、Ni超標率均為 100%， Hg、As、Cd元素的超標率也較高，Hg、Pb、Cr 和Ni超過國標限量值的7～10倍甚至更多。從污染方向上來看，卷心菜的重金屬污染主要集中在偏北方向附近，需引起警惕。此外，根據8種重金屬元素在卷心菜中的富集系數可以看出，Cd元素的富集系數遠大于其它元素，說明Cd易在卷心菜中富集，這與常玉虎等人（2015）的研究結論也相符。

圖4　土壤剖面重金屬元素垂直分布Fig. 4　Vertical distribution of heavy metal elements in soil profile

3　討論與結論

3.1 討論

（1）不同季度、不同方向上的不同元素在研究區土壤中的超標程度與形態特征不盡相同，究其原因，與黔北電廠的燃煤發電關系緊密。例如，Hg在春、夏季分別超標6.33和4.75倍，這可能與貴州燃煤在地質化學中表現為親硫，根據元素地球化學親和性原理，高硫煤也可能為高汞煤（王濟等，2005）。近年來的研究發現，一些燃煤電廠周邊土壤Hg嚴重超標，并且逐年增加，而砷含量卻低于國家標準。本研究的結果支持此結論（黃國磊，2014）。煤是一種結構組成復雜的固體混合物，燃煤中一部分易揮發的重金屬如 Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Ni等經過火電廠的高溫燃燒，隨燃煤粉灰顆粒一起向煙囪運移并逐漸降溫，被粉塵顆粒吸附進入大氣后沉降于周邊土壤，對環境造成污染。黔北電廠周邊表層土壤形態分布特征表明，土壤中大多數重金屬元素主要以殘渣態為主，重金屬元素中可直接被生物利用的酸可提取態含量較低。其中，Cd的非殘渣態占91.84%，其中酸可提取態和還原態約占80.13%，很容易發生環境遷移，且生物可利用性高。土壤剖面中重金屬的垂直分布特征顯示，20～50cm層土壤的重金屬含量大于0～20 cm層土壤，土壤重金屬在次表層出現富集現象，同時，重金屬含量的變化在方向上和元素的富集上也表現出一些差異，在正北、西北和西南方向上含量較高，而Pb、Cr、Cu、Zn、Ni在土壤中的垂直分布較其它元素更具遷移性。

表6　電廠周邊卷心菜的重金屬污染狀況Table 6　The results of heavy metals pollution in Brassica oleracea Linnaeus var. capitata Linnaeus around the power plant　　　mg·kg-1

（2）風向是造成研究區土壤污染變化的重要原因，電廠周邊土壤各方向的污染程度表現為：正北＞西南＞東北＞東南＞西北＞正東。根據分析結果，8種土壤重金屬污染主要集中在東北、正北、西北與西南方向。在東北風主導的夏季，土壤重金屬污染較嚴重的地方主要集中在其盛行風的下風向，西北方向、正西方向和西南方向明顯高于其他方向；正東、東北、正北、西北、西南和東南方向土壤pH分別為6.13、7.26、7.13、7.36、7.61和5.89，與土壤污染變化的相關性較高。黔北電廠自 1998年首次發電以來，現已運行 17年之久，且規模還在逐漸擴大，在不同季節盛行風的主導下，重金屬發生了不同程度的遷移；而喀斯特山區起伏的下墊面又對來自電廠重金屬的大氣沉降有一定的干擾作用，內梅羅綜合指數也表明在電廠的盛行風向的下風向，污染較嚴重，而電廠的上風向，污染較輕。此外，本研究還發現，松林土壤對照點中Hg、Pb和Ni全部低于附近農作物的土壤采樣點，而其余元素中除了Cr之外，森林土壤中As、Cd、Cu和Zn的大部分樣點均低于附近農作物的土壤樣點濃度，表明森林植被對電廠重金屬的沉降有滯納作用，這與張娜（2007）的研究結論相吻合。

（3）喀斯特山區是地質上的成礦富集帶，已成為我國重要的煤炭產區，但由于喀斯特山區生態環境脆弱（蘭安軍等，2003），石灰巖母質發育的土壤中Ni、Zn、Pb、As、Cd、Hg等重金屬元素背景值通常也高于其它成土母質發育的土壤；再加上喀斯特山區人多地少，土壤零碎且薄弱，而重金屬污染物在土壤環境中潛伏周期長，很難被降解，不僅能降低作物產量和質量，還能改變土壤結構和功能，對喀斯特山區影響更為嚴重。尤為重要的是，土壤污染具有隱蔽性和滯后性，喀斯特山區裂隙構造發育，通過降雨的淋溶作用和農業耕作，還能下滲到深層土壤及地下水中，對深層土壤和地下水造成污染，需引起足夠重視。

3.2 結論

（1）對比全省背景值，電廠周邊土壤的Cd和Cr在春、夏季均低于此值，夏季的As也低于該值，而其余元素均呈現不同程度的超標現象，其中，Hg在春、夏季分別超標6.33和4.75倍，As在第春季超標1.47倍，Pb在春、夏季分別超標1.27和1.98倍，Cu在春、夏季分別超標1.27和1.81倍，Zn在春、夏季分別超標1.11和2.26倍，Ni在春、夏季分別超標1.90和1.44倍，顯示出不同季度電廠周邊土壤重金屬的污染狀況有所差異。

（2）在東北風主導的夏季，土壤重金屬污染較嚴重的地方主要集中在其盛行風的下風向，西北方向、西方和西南方向明顯高于其他方向。此外，重金屬含量隨與電廠的距離拉長表現出先升高后降低的趨勢，一般為2～4 km處出現下降趨勢，這主要和電廠的煙囪高度有一定的關系。

（3）與農業土壤采樣點相比，森林土壤中的Hg、Pb和Ni含量明顯較低，推測森林植被可能對電廠重金屬的沉降有一定的減緩作用。

（4）以貴州省土壤背景值為評價標準，分析夏季電廠周邊不同方向上的重金屬的污染指數，發現各個方向均受到污染，除了正東方向屬于輕污染之外，其余方向污染均較為嚴重，尤其是正北方向的內梅羅污染指數高達5.75，這與夏季的盛行風向相吻合。

（5）土壤中重金屬元素（除Cd外）主要以殘渣態為主，其中As幾乎以殘渣態的形式存在。在非殘渣態中Cu和Zn還原態占比較大，而Cd元素則以非殘渣態為主。

（6）相關關系表明，除了Zn與其他元素的相關性較弱之外，其它元素間的相關關系較強，表明Hg、As、Cd、Cr、Ni等元素可能具有同源性。pH與土壤Hg、As、Cu之間存在著顯著的正相關關系，有機質與 As、Ni之間也存在著顯著正相關。電廠周邊土壤 8種重金屬的含量變化呈現出 20～50 cm層土壤的重金屬含量大于0～20 cm層土壤，土壤重金屬在次表層出現富集現象。

（7）研究區內卷心菜的Pb、Cr、Zn、Ni元素的超標率均為100%，Hg、As、Cd元素的超標率也較高，卷心菜中重金屬以Hg、Pb、Ni元素的超標最為嚴重，這也與電廠燃煤大氣沉降的重金屬元素相吻合。從重金屬元素在卷心菜中的富集系數可以看出，Cd易在卷心菜中富集。

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.024

中圖分類號：X825

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）05-0893-10

基金項目：國家自然科學基金項目（21407031）

作者簡介：楊皓（1989年生），男，碩士研究生，研究方向為喀斯特地區生態修復與環境分析。E-mail: yanghaosc1989@foxmail.com

*通信作者。E-mail: hxfswjs@163.com

收稿日期：2016-01-29

Pollution Characteristics and Evaluation for Agriculture Soils Around the Coal-fired Power Plant Located in Karst Mountainous Area

YANG Hao1， 2， FAN Mingyi2， HUANG Xianfei2， 3*， CAO Rensheng2， QIN Fanxin2， HU Jiwei1， 2
1. School of Karst Science， Guizhou Normal University， Guiyang， 550001， China；
2. Guizhou Provincial Key Laboratory of Information System of Mountainous Areas and Protection of Ecological Environment，
Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China；
3. College of Forestry， Guizhou University， Guiyang 550025， China

Abstract：Eight heavy metals （Hg， As， Pb， Cd， Cr， Cu， Zn and Ni） in soil and crop samples from different directions around the coal-fired power plant located in karst mountainous area were designed as the research object. The total concentrations and distribution characteristics of soil heavy metals in the horizontal and vertical distributions were also discussed， and the correlation between eight metals and pH and organic matter in soils were analyzed as well. The results showed that the majority contents of other elements in soils exceeded the permissible limit， while Cd and Cr were below the safe limit compared with soil background values of Guizhou province， and the pollution of Hg is most serious. The majority of the heavy metals are primarily kept in residual fractions，while Cd existed mainly in acid soluble and reducible factions. The concentrations of heavy metals in the 20～50 cm soil horizon were higher than those in the 0～20 cm soil horizon. In other words， these metals are inclined to accumulate in sub-surface soil. The results of correlation analysis showed that the correlations among seven heavy metals under study were significantly positive except for Zn. There are some positive correlations among pH and Hg， As and Cu of soil organic matter was positively related to As and Ni. The variation of soil pH values from different directions along this power plant were in agreement with those of eight heavy metals concentrations. The environmental pollution of heavy metals was evaluated by using Nemerow comprehensive pollution index method. Meanwhile， the pollution level in different directions was in the following order: north ＞ westsouth ＞ eastnorth ＞ eastsouth ＞westnorth ＞ east. In addition， comparing with agricultural soil sampling sites， Hg， Pb and Ni contents in forest soils are significantly lower. It is speculated that forest vegetation may alleviative the deposition of these metals. In study region， Brassica oleracea Linnaeus var. capitata Linnaeus was main polluted by Hg， Pb， Ni and Cd， and it is also found Brassica oleracea Linnaeus var. capitata Linnaeus presented a higher accumulating ability to Cd in comparison with other heavy metals under study.

Key words：coal-fired power plant； heavy metals； soil； pollution characteristics； karst mountainous area