陽新縣復(fù)墾工礦廢棄地土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險評價

馬鵬途，師 懿，李雅雯，程勝高，曾 莉，劉 康

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢中地格林環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武漢430074)

土壤重金屬污染具有隱蔽性和難逆性、易富集性和非生物降解性等特點(diǎn)[1]，Hg、Pb、As、Cd和Cr等有害重金屬元素會在土壤中不斷累積，當(dāng)富集到一定含量水平時，會直接對在其上生長的植物產(chǎn)生毒害作用[2]，阻礙農(nóng)作物生長及其他生命機(jī)能，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)，甚至引發(fā)其中毒死亡，造成經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。更為嚴(yán)重的是，土壤重金屬污染會導(dǎo)致重金屬在農(nóng)產(chǎn)品中富集并通過食物鏈進(jìn)入人體而危害人體健康[6-8]。另外，重金屬在土壤中的累積具有隱蔽性和滯后性，其環(huán)境響應(yīng)晚于污染發(fā)生時[9-10]，因此土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險問題不容忽視。

工業(yè)生產(chǎn)和礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程是土壤重金屬污染的重要來源[11-14]，同時還造成了大量土地因生態(tài)破壞或環(huán)境污染而失去使用功能，成為工礦廢棄地，須經(jīng)復(fù)墾后才能恢復(fù)利用。據(jù)估算，截至2010年我國的工礦廢棄地已有約2億畝，其中只有將近15%得到了復(fù)墾利用，仍有85%的工礦廢棄地沒有得到整治[15]。因此，我國工礦廢棄地復(fù)墾潛力巨大，開展工礦廢棄地復(fù)墾對緩解人地矛盾和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[16]。然而，首次全國土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果顯示[17]，當(dāng)前我國工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出，主要超標(biāo)污染物為重金屬。同時，由于我國工礦廢棄地復(fù)墾利用的主要方向?yàn)檗r(nóng)用地，因此復(fù)墾工礦廢棄地土壤重金屬污染狀況及潛在生態(tài)風(fēng)險關(guān)乎農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康，已成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。趙雪等[18]對銅川市君安煤礦復(fù)墾土壤中重金屬的污染特征進(jìn)行了研究，但未對其潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估；樊文華等[19]對平朔安太堡露天煤礦復(fù)墾土壤中6種重金屬(Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、As)的污染狀況及其潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了研究，結(jié)果表明重金屬Hg是最主要的污染因子，其對潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻(xiàn)最大，其余重金屬的生態(tài)風(fēng)險較低；鄧紅衛(wèi)等[20]研究了湖南某鉛鋅尾礦庫復(fù)墾土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險，結(jié)果表明4種重金屬元素總的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的貢獻(xiàn)率由大到小依次為As、Pb、Zn、Cu。

然而，目前關(guān)于復(fù)墾土壤重金屬污染及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價的研究大多針對單個廢棄工礦場地，缺乏區(qū)域尺度下涉及多種類型工礦廢棄地的總體研究[21]。基于此，本研究對湖北省陽新縣采集的69個不同類型復(fù)墾工礦廢棄地土壤樣品中8種重金屬元素(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn)的含量進(jìn)行了分析測試，在此基礎(chǔ)上分別采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對復(fù)墾土壤中重金屬污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價，以為研究區(qū)工礦廢棄地復(fù)墾工作中的環(huán)境管理提供基礎(chǔ)資料與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和采樣點(diǎn)分布

陽新縣位于湖北省東南部，長江中游南岸，地理坐標(biāo)介于北緯29°30′35″～30°9′14″和東經(jīng)114°43′3″～115°30′12″之間，面積為2 782.77 km2。該縣是湖北省乃至全國范圍內(nèi)的資源大縣，境內(nèi)礦藏種類多、儲量大，現(xiàn)已探明的礦藏有40多種，為湖北省銅、金、鉛、鋅等內(nèi)生金屬礦藏的重要蘊(yùn)藏地，也是全國八大產(chǎn)銅基地和百家重點(diǎn)采煤縣之一，而且非金屬建材資源亦較豐富。陽新縣礦產(chǎn)開發(fā)歷史悠久，長期的礦產(chǎn)開采和選冶以及挖沙取土、燒磚制瓦等工礦活動形成的工礦廢棄地達(dá)5 226.63 hm2[22]，已引起當(dāng)?shù)卣母叨戎匾暡㈤_展了工礦廢棄地復(fù)墾試點(diǎn)。本研究選取陽新縣69處復(fù)墾工礦廢棄地進(jìn)行了土壤樣品采集，根據(jù)廢棄地以前用途分為：8處煤礦采選廢棄地(包括煤礦、煤場廢棄地和煤矸石渣堆等)、15處金屬礦采選廢棄地(主要是銅礦及其冶煉廠和尾礦庫廢棄地，另有少量金礦和錳礦等廢棄地)、23處砂石場廢棄地(砂場和采石場廢棄地)和23處其他工礦廢棄地(主要為廢棄磚瓦廠和建材加工廠等)，具體土壤采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 陽新縣土壤采樣點(diǎn)分布圖

1.2 土壤樣品采集與分析測試

在上述69處復(fù)墾工礦廢棄地各取一個10 m×10 m的采樣區(qū)域，通過梅花布點(diǎn)法在各采樣區(qū)域分別采取中心點(diǎn)和四個對角線頂點(diǎn)的5個表層土壤(0～20 cm)樣品，再均勻混合形成500 g代表該采樣區(qū)域的土壤樣品，共計(jì)采集表層土壤樣品69個。將這些土壤樣品去除表面雜物后，封裝在聚乙烯袋中轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，供分析測試。在實(shí)驗(yàn)室將土壤樣品風(fēng)干，然后碾碎過2 mm尼龍篩，從每個樣品中多點(diǎn)取樣約5 g混合均勻，用瑪瑙研缽進(jìn)一步研磨，使之全部通過0.074 mm尼龍篩，備用。

土壤樣品pH值采用玻璃電極法(水土比2.5∶1)測定；以HF-HClO4-HNO3的混合溶液消解土壤樣品，采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS，NexION 350型，美國PerkinElmer公司)測定土壤樣品中重金屬元素Cd、Cu、Cr、Ni、Pb和Zn的含量；采用原子熒光光譜法(雙道原子熒光光譜計(jì)，AFS-830，北京吉天儀器有限公司)(王水消解)測定土壤樣品中重金屬元素As和Hg的含量[23]。樣品分析測試過程中所使用的酸均為優(yōu)級純，其余試劑為分析純。全部試驗(yàn)過程均設(shè)置空白試驗(yàn)和平行樣，土壤樣品中重金屬含量測定采用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證試驗(yàn)操作、儀器及測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精密度。試驗(yàn)過程所用器皿均在20%的硝酸中浸泡12 h以上。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)最初是美國學(xué)者Nemerow教授在20世紀(jì)70年代提出的一種水污染指數(shù)，后被廣泛用于土壤污染評價中[13,21,24-25]。其計(jì)算公式如下：

(1)

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤重金屬污染程度進(jìn)行評價的分級標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 土壤重金屬污染程度評價的分級標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法)

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法

本文采用瑞典著名地球化學(xué)家Hakanson于1980年提出的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法[26]對土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。其計(jì)算公式如下：

(2)

Hakanson的研究確定了PCB、Hg、Cd、As、Pb、Cu、Cr和Zn的毒性響應(yīng)系數(shù)分別為40、40、30、10、5、5、2和1，本研究涉及的污染物與其相比略有不同(無PCB而有Ni)，參照徐爭啟等[27]的研究確定As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種重金屬污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)，見表2。

表2 8種重金屬污染物的毒性響應(yīng)系數(shù)

采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價的分級標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險評價的分級標(biāo)準(zhǔn)(潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法)

1.3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究中土壤重金屬污染程度評價和潛在生態(tài)風(fēng)險評價均選用湖北省土壤元素背景值[28]作為評價標(biāo)準(zhǔn)值，其中As為12.3 mg/kg、Cd為0.172 mg/kg、Cr為86 mg/kg、Cu為30.7 mg/kg、Hg為0.08 mg/kg、Ni為37.3mg/kg、Pb為26.7 mg/kg、Zn為83.6 mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)墾土壤中重金屬含量特征

69個復(fù)墾土壤樣品中重金屬元素含量的測定及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，見表4。

由表4可以看出：

(1) 研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬元素Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量均值高于湖北省土壤元素背景值，分別達(dá)到湖北省土壤元素背景值的1.69、1.58、1.43、1.24和1.12倍，存在一定程度的富集，重金屬As和Ni元素的含量均值與湖北省土壤元素背景值接近，重金屬Cr元素的含量均值則略低于湖北省土壤元素背景值；

(2) 復(fù)墾土壤pH值的范圍在4.42～8.40之間，其中強(qiáng)酸性(pH≤5.5)、弱酸性(5.57.5)土壤樣品的數(shù)量分別為12個、14個、12個和31個，分別占樣品總數(shù)的17.4%、20.3%、17.4%和44.9%。

(3) 根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[29]中的土壤污染風(fēng)險篩選值，研究區(qū)復(fù)墾土壤全部樣品中重金屬Cr、Hg、Pb和Zn元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，而部分樣品的重金屬As、Cd、Cu和Ni元素的含量存在超標(biāo)。其中，6個復(fù)墾土壤樣品中As元素的含量超標(biāo)，超標(biāo)率為8.7%，全部是堿性樣品；3個復(fù)墾土壤樣品中Cd元素的含量超標(biāo)，其中堿性樣品、中性樣品和弱酸性樣品各1個，總超標(biāo)率為4.3%；7個復(fù)墾土壤樣品中Cu元素的含量超標(biāo)，其中堿性樣品、弱酸性樣品和強(qiáng)酸性樣品分別為2個、3個和2個，總超標(biāo)率為10.1%；1個復(fù)墾土壤樣品中Ni元素的含量超標(biāo)，為強(qiáng)酸性樣品，超標(biāo)率為1.4%。

(4) 從變異系數(shù)(CV)來看，研究區(qū)復(fù)墾土壤中除Hg外其他重金屬元素含量的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬中等空間變異，而Hg元素含量的CV值達(dá)114.91%，屬于空間強(qiáng)變異，對比其均值與最大值，存在異常高點(diǎn)，這也符合其空間強(qiáng)變異的特點(diǎn)。

表4 研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬元素含量的測定及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2 復(fù)墾土壤中重金屬污染程度評價

依據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法公式(1)計(jì)算出研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬單因子污染指數(shù)平均值Pi和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN,并結(jié)合土壤重金屬污染程度的分級標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，得到研究區(qū)各類型復(fù)墾土壤中重金屬污染的內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果，見圖2和表5。

圖2 研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬單因子污染指數(shù)分布

由圖2可見：研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬單因子污染指數(shù)平均值排序?yàn)镃d>Cu>Hg>Pb>Zn>Ni>As>Cr。綜合來看，Cd、Cu是最主要的重金屬污染因子，但Hg的單因子污染指數(shù)極大值最高，說明部分復(fù)墾土壤中存在Hg元素強(qiáng)污染。

由表5可知：研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(PN)的范圍為0.74～7.48，平均值為1.97，僅有1.45%的復(fù)墾土壤重金屬污染級別為預(yù)警，無清潔級別，而98.55%的復(fù)墾土壤受到重金屬污染，輕度污染、中度污染和重度污染三個級別分別占69.57%、18.84%和10.14%。研究區(qū)各類型復(fù)墾土壤中重金屬污染內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值依次為：金屬礦采選廢棄地>其他工礦廢棄地>砂石場廢棄地>煤礦采選廢棄地，金屬礦采選廢棄地和其他工礦廢棄地復(fù)墾土壤中重金屬污染總體達(dá)到中度污染級別，而砂石場廢棄地和煤礦采選廢棄地復(fù)墾土壤中重金屬污染總體為輕度污染。

結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況來看，污染程度整體偏高的金屬礦采選廢棄地復(fù)墾土壤原來主要是銅礦及其選冶廠和尾礦庫，在銅礦開發(fā)過程中，大量的“三廢”被排入周圍環(huán)境中，尤其是尾礦渣等的無序堆放對周邊土壤環(huán)境中重金屬Cu和Cd元素含量的貢獻(xiàn)很大[30]。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注研究區(qū)內(nèi)銅礦采選廢棄地復(fù)墾土壤中重金屬Cu和Cd的污染控制與治理。

表5 研究區(qū)各類型復(fù)墾土壤中重金屬污染的內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果

2.3 復(fù)墾土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價

由圖3(b)可見：研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(RI)的范圍為46.26～527.75，平均值為139.60，其中低生態(tài)風(fēng)險、中等生態(tài)風(fēng)險和高生態(tài)風(fēng)險分別占66.67%、30.43%和2.90%，無極高生態(tài)風(fēng)險級別。結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況及重金屬污染研究結(jié)果可知，重金屬高生態(tài)風(fēng)險土壤復(fù)墾前為研究區(qū)南部的一處采石場及其附近一處石材加工廠，兩處復(fù)墾土壤中重金屬Hg元素的含量均很高，高生態(tài)風(fēng)險可能是地質(zhì)背景造成的巖石中Hg元素富集所致；而重金屬中等生態(tài)風(fēng)險土壤則涉及本研究中全部4種復(fù)墾場地，但以礦產(chǎn)采選廢棄地居多，土壤中重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險與礦業(yè)開發(fā)活動有關(guān)。

圖3 研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

對比相關(guān)研究，黃石廢棄采石場復(fù)墾土壤中重金屬RI值的范圍為112.49～363.62[31]，平朔安太堡露天煤礦復(fù)墾土壤中重金屬RI值的范圍為131.43～331.03，平均值為191.68[20]，上海復(fù)墾工業(yè)場地復(fù)墾土壤中重金屬RI平均值為385.79[21]，順德水道復(fù)墾土壤中重金屬RI平均值為73.20[32]，西安公園復(fù)墾土壤中重金屬RI值的范圍為44.95～137.84[33]，湖南香花嶺某鎢礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬RI平均值為330.4[34]，湖南省某冶煉廠周邊農(nóng)田土壤中重金屬RI值的范圍為46.4～1627.5[25]，衡陽松江工業(yè)園復(fù)墾土壤中重金屬RI值的變化范圍為330.51～17 721.89，平均值為2374.32[35]。與其他地區(qū)復(fù)墾土壤或其他類型土壤相比，本研究的復(fù)墾土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險總體處于相對中等的水平，但由于重金屬Cd和Hg元素具有較高的生態(tài)毒性，導(dǎo)致部分復(fù)墾土壤中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險較高，應(yīng)該引起警惕。

3 結(jié) 論

本文在對陽新縣69個復(fù)墾工礦廢棄地表層土壤樣品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8種重金屬元素的含量進(jìn)行測定的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對研究區(qū)不同類型復(fù)墾土壤中重金屬污染程度及其潛在生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了評價，得到了如下結(jié)論：

(1) 研究區(qū)復(fù)墾土壤中存在一定程度的重金屬富集與污染，重金屬元素Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的含量均值高于湖北省土壤元素背景值，部分復(fù)墾土壤中重金屬元素As、Cd、Cu和Ni的含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中的土壤污染風(fēng)險篩選值，超標(biāo)率分別為8.7%、4.3%、10.1%和1.4%。

(2) 研究區(qū)復(fù)墾土壤重金屬污染評價結(jié)果表明：復(fù)墾土壤中無清潔級別土壤，預(yù)警、輕度污染、中度污染和重度污染土壤分別占1.48%、69.57%、18.84%和10.14%，各類型復(fù)墾土壤中重金屬污染程度依次為金屬礦采選廢棄地>其他工礦廢棄地>砂石場廢棄地>煤礦采選廢棄地，復(fù)墾土壤中各重金屬單因子污染指數(shù)依次為Cd>Cu>Hg>Pb>Zn>Ni>As>Cr。

(3) 研究區(qū)復(fù)墾土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果表明：復(fù)墾土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險中，低生態(tài)風(fēng)險、中等生態(tài)風(fēng)險和高生態(tài)風(fēng)險的土壤分別占66.67%、30.43%和2.90%，無極高生態(tài)風(fēng)險級別土壤；復(fù)墾土壤中各重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險中，重金屬元素As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn均處于低生態(tài)風(fēng)險級別，而重金屬元素Cd多處于中等生態(tài)風(fēng)險級別，最高為較高生態(tài)風(fēng)險級別，重金屬元素Hg則多處于低生態(tài)風(fēng)險和中等生態(tài)風(fēng)險兩個級別，但最高達(dá)到極高生態(tài)風(fēng)險級別。

(4) 總體而言，研究區(qū)復(fù)墾土壤中重金屬元素Cd和Cu的污染較為突出，但考慮到毒性響應(yīng)，復(fù)墾土壤中Hg和Cd的污染更應(yīng)引起警惕。