礦糧復合區土壤中重金屬污染特征研究

徐蕾，肖昕，張浩嘉，聶建，韓筱璇

（1.徐州市環境監測中心站，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221000）

礦糧復合區是指既是礦產資源主產區又是糧食主產區的特殊區域，在我國糧食產區占有重要地位[1]。礦山開采與利用過程中會對周邊環境釋放廢水、廢氣及固體廢物，進而造成區域土壤環境質量下降，其中重金屬污染是礦區土壤研究的重點[2～3]。目前對礦區污染的研究大多集中在金屬礦山，但研究人員也逐漸發現煤礦固體廢物周邊、煤礦產區以及電廠周邊均出現了不同程度的重金屬累積[4～7]。土壤污染是區域作物重金屬污染的重要來源，監測典型礦糧復合區土壤可以有效推斷分析區域糧食安全性。本文通過采集徐州市城北礦糧復合區36個采樣點的土壤樣品，對土壤中五種重金屬鎘（Cd）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、銅（Cu）的含量以及污染狀況進行分析和評估，從而得出礦糧復合區土壤中重金屬的污染特征。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

徐州市城北礦糧復合區位于徐州西北，東經117°07′～117°19′，北緯34°32′～34°36′ 。該區屬溫帶季風氣候，年平均溫度14℃，年均降水量900mm。區域內的主要作物為小麥、水稻、玉米等。區域內有五個煤礦、三個火電廠、兩個大型粉煤灰堆場和多處煤堆放場地，同時還有2/3的面積為農田，是典型的礦-農復合區。

1.2 采樣點位布設

在實地調研的基礎上，依據均勻布點與結合污染源的原則，在研究區域內布設了36個土壤樣品采樣點。

1.3 樣品的采集與預處理

每個采樣點以梅花布點法采集5個表層土壤樣品（0～15cm），去除土壤中的石塊、植物殘體等雜質，混合成一個樣品帶回實驗室。樣品經風干、縮分、研磨過100目篩后備用。樣品用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸以3∶1∶3∶1比例消解。

1.4 樣品分析與質量保證

消解后的樣品用電感耦合等離子體發射光譜儀（Perkin Elmer，Optimal 8000）進行分析，以GSS-13進行質控。

1.5 數據處理方法與區域內土壤重金屬評價方法（見表1）

實驗所得數據用Excel2003和SPSS16.0進行基本特征分析。

表1 區域內土壤重金屬評價方法

2 結果與討論

2.1 區域土壤重金屬污染情況

總體而言，區域內土壤中各重金屬含量：Zn＞Cr＞Cu＞Pb＞Cd（見表2）。與《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）相比，區域內77%點位的Cd超過國家二級標準，其他重金屬元素（Pb、Cu、Cr、Zn）均低于相應國標，說明區域內大部分土地已不適合種植作物，且主要污染物為Cd。與當地土壤背景值相比，86%點位的Cu和80%點位的Cd均超出背景值，其中Cu均數是背景值的1.89倍、Cd是2.69倍，其他金屬的均數均略低于背景值，但也出現了部分超出背景值的點位。說明，在研究區域內土壤中的Cu和Cd均存在一定程度累積。其中Cd污染的區域主要在工業園區一帶，園區內電氣設備公司、橡膠管公司、工業用地泥公司等企業的生產會對周圍的環境排放廢氣廢水，這些廢氣廢水中可能含有重金屬Cd對周圍的土壤造成污染。而Cu污染區域主要有龐莊煤礦東城井、徐州協通鑄業有限公司、徐州中豐生物科技有限公司、固城銅業、徐州蘇潤石化有限公司。造成Cu超標的原因很可能是礦場資源的開采與加工。

各重金屬分布的變異系數差異較大，其中Cd的變異系數最大，為67.95%，其次為Cu，為50%，然后為Zn、Pb和Cr，分別為40.36%、34.7%和18.67%。變異系數可反映總體中各目標值的離散程度，研究區域中Cd、Cu的變異系數分別是Cr的3.64和1.86倍，說明這兩種重金屬存在局布污染源的可能性較大，可能與農作方式、污水灌溉或固體污染物儲運等有一定的相關性。

綜上所述，研究區域內土壤中的Cu和Cd存在一定程度的局部污染（見表2），其污染來源仍需進一步監測分析。

2.2 區域內土壤重金屬評價

由單因子指數法的結果（見表3）可知，評價區域土壤中Pb、Cr、Cu、Zn都處于未污染的水準，且只有一半的點位存在Cd污染，其中輕度污染、中度污染、重度污染分別占22.22%、27.78%和2.78%。綜合污染指數法的結果表明未污染、警戒、輕度污染和中度污染的點位分別占比41.67%、16.67%、33.33%和8.33%，無重度污染點位（見表4）。

由此可知，區域總體來說較為清潔，但存在中度污染及以下不同程度的污染情況，在評價區域內土壤中主要存在Cd元素污染。

表2 土壤重金屬描述性統計 （單位：mg/kg）

表3 基于單因子指數法的污染狀況統計 （單位：%）

表4 基于綜合污染指數法的污染狀況統計

以徐州市的背景值為基準，得到研究區域土壤樣品中的累積指數結果（見表5），表明所有元素均存在一定程度的富集。其中絕大部分點位中的Pb、Cr和Zn元素處于輕微富集，極少處于中度富集，而Cu則是61.11%的點位處于中度富集，30.56%的點位處于輕微富集，極少部分處于中強和強富集水平。Cd元素在點位中從無富集到較強富集都有分布，其無富集、輕微富集、中度富集、中強富集、強富集、較強富集比例分別為：5.56%、22.22%、33.33%、13.89%、22.22%、2.78%，說明Cd存在污染并分布極不均勻，部分點位污染嚴重情況等。

潛在生態風險指數法的結果顯示（見表6），在所測量重金屬Cd、Pb、Cu、Cr和Zn中，只有Cd存在生態危險，從無生態危害到強生態危害均有分布，其在無生態危害、輕微生態危害、中生態危害和強生態危害的比例分別為：12.6%、27.0%、42.2%和18.8%。說明，Cd存在不同程度的潛在生態風險，且大部分存在中生態危害。

表5 基于地累積指數法的污染狀況統計 （單位：%）

表6 基于潛在生態風險指數法的污染狀況統計（單位：%）

通過對Cd污染區域的研究表明，工廠“三廢”的排放可能是造成Cd污染的主要原因。區域周邊工廠燃煤產生的廢氣和廢渣可能是造成土壤重金屬污染的重要來源之一。有研究表明，燃煤過程中釋放的Cu、Zn和Pd等對大氣和水環境的綜合污染都達到了重污染的水平[8、9]。同時，工業廢氣也是造成空氣鎘污染的主要來源，較高濃度的鎘可通過降雨或沉降進入土壤，其中部分會被植物體吸收從而造成污染，部分則會在土壤中大量積累。此外，采用工廠廢水進行灌溉也是造成Cd在土壤中積累的原因之一，許多污水未經任何處理即被引入農田，造成大面積污灌區土壤Cd積累。另外，研究區域有大型粉煤灰堆場和多處煤堆放場地，也會造成土壤中Cd的積累[10]。

另一方面，農藥與化肥的過度使用在一定程度上也會造成土壤重金屬污染。研究區小麥、水稻、玉米等作物在污水灌溉的同時，大量施用農藥與化肥，也會導致重金屬在土壤中的積累，如Cd在磷肥中的含量較高[11]。Cd是植物生長的非必需元素，但會對植物生長產生不利影響，當植物體內的Cd累積到一定程度時，Cd會阻礙植物根系的生長，抑制水分和養分的吸收，引起一系列的生理代謝紊亂，最終導致產量下降[12]。

3 結論

采用單因子指數法、綜合污染指數法和地累積指數法等方法，研究礦糧復合區土壤中重金屬污染特征，可得出以下結論：

（1）總體來說，研究區域土壤較為清潔。與當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）單因子指數法顯示，評價區域內除Cd外其余重金屬元素均處于未污染狀態。由此可見，評價區域內主要存在Cd元素污染。

（3）地累積指數法顯示，區域土壤中的Cd、Pb、Cu、Cr和Zn元素均存在一定程度的富集，但Cd元素的富集最為嚴重，Cd元素從無富集到較強富集都有分布，表明Cd的污染分布極其不均勻，且部分點位污染嚴重，需要重視。

（4）潛在生態風險指數法顯示，評價區域內除Cd外，其余測量的重金屬元素均處于無生態風險的狀態，但Cd存在不同程度的生態危害。

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