鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)土壤重金屬污染狀況調(diào)查

范春麗　劉曉娟　田云芳　曲金柱

摘 要：為了解城市工業(yè)發(fā)展對土壤的影響，以中原鋁廠為中心，采集了鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)的土壤樣品。采取單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法，對土壤樣品進(jìn)行調(diào)查分析。結(jié)果顯示，Zn、Pb、Ni、Cd、Hg、Mn、Cr、Cu、Co、V元素對土壤都產(chǎn)生了一定程度的污染，其中污染較為嚴(yán)重的是Zn、Pb、Cd、Cr、Hg。

關(guān)鍵詞：鄭州市西部工業(yè)走廊;重金屬;污染指數(shù);調(diào)查研究

中圖分類號 X53;X826文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）03-0113-04

Investigation on Soil Heavy Metal Pollution in the Western Industrial Corridor of Zhengzhou City

FAN Chunli et al.

（College of Life Science， Zhengzhou Normal University， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： In order to understand the influence of urban industrial development on the soil， the soil samples were collected from surrounding area of Zhongyuan Aluminum Factory in the industrial corridor of the western Zhengzhou. Applying the single factor index method and Nemerow index method， this study was investigated and analyzed the soil samples， which revealed that Zn， Pb， Ni， Cd， Hg， Mn， Cr， Cu， Co， V elements have caused a certain level of soil pollution. Among these elements， pollution caused by Zn， Pb， Cd， Cr， Hg is more serious.

Key words： Zhengzhou western industrial corridor region; Heavy metal; Pollution index; The investigation and study

近年來，由于工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染愈演愈烈、生態(tài)破壞日益嚴(yán)峻，人類的健康和生存正面臨重大的威脅，其中重金屬元素對環(huán)境、生態(tài)的污染和破壞作用尤為嚴(yán)重，特別是Pb、Cd、Hg及其復(fù)合污染最為突出，這在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)特別是工業(yè)產(chǎn)區(qū)表現(xiàn)得更為明顯[1]。土壤與人類的生產(chǎn)和生活有著密切的關(guān)系，作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，環(huán)境中大約90%的污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤中[2]。鄭州西部工業(yè)走廊是河南省的老工業(yè)基地之一，國家早期重點投資建設(shè)的各種類型的工廠、企業(yè)聚集在此。由于西部走廊地區(qū)工業(yè)集聚、工業(yè)發(fā)展歷史悠久、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、企業(yè)環(huán)保意識薄弱，存在嚴(yán)重的土壤重金屬污染問題。研究表明，重金屬對各種生物危害極大，特別是對人類。通過人類種植的各種作物、蔬菜及飲用水等途徑進(jìn)入人體內(nèi)，在人體內(nèi)逐漸累積會導(dǎo)致人類的各種疾病，威脅人類的生命健康。因此，土壤中的重金屬元素調(diào)查和評價，對于人類的生產(chǎn)和生活有著極為重要的意義。

對土壤中的重金屬污染狀況進(jìn)行評價的方法有許多，單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法常常作為評價土壤重金屬污染現(xiàn)狀的方法。這2種方法主要是根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將重金屬作為污染因子評價指標(biāo)進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價[2]。為了解鄭州西部工業(yè)走廊地區(qū)的土壤重金屬污染現(xiàn)狀，本研究以中原鋁礦為中心采集工業(yè)園區(qū)及其他周邊地區(qū)的土壤樣品，測定土壤樣品中的重金屬類型及各元素的含量，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并對樣品中的重金屬對土壤造成的污染狀況進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)主要是中鋁公司及相關(guān)的廠礦和廢渣存放地區(qū)，位于鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)，以上街區(qū)中鋁公司為中心，上街中鋁公司在1958年就在上街區(qū)建廠，主要生產(chǎn)年產(chǎn)氧化鋁、鋁錠、水泥、碳素制品等。赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時排出的污染性廢渣，一般平均每生產(chǎn)1t氧化鋁，附帶產(chǎn)生1.0～2.0t赤泥。目前赤泥的處理方式主要是干燥堆放，赤泥在堆放過程中除了占用大量土地外，還由于赤泥中的化學(xué)成分入滲土地易造成土地堿化、地下水污染，影響人們的身體健康。

2 材料與方法

2.1 布點和采樣 根據(jù)調(diào)查區(qū)污染源的分布，結(jié)合調(diào)查過程中的具體情況，以鄭州市上街區(qū)中原鋁廠為中心，選擇上街區(qū)峽窩鎮(zhèn)、垃圾電廠、滎陽火電廠、滎陽城關(guān)機(jī)械廠、中州鋁廠、鋼廠、灰渣礦、選礦廠、鞏義鋁礦區(qū)等地作為調(diào)查對象，采集50個0～20cm土壤樣品。

2.2 土壤樣品測定方法 將每個采集點取到的土壤，約1～2kg，除去雜質(zhì)，用報紙包裹后放在恒溫干燥箱內(nèi)將其進(jìn)行干燥，用直徑200目的篩子去除雜質(zhì)，最后將篩子篩過的土壤分別裝入用標(biāo)簽標(biāo)明采樣地的保鮮袋內(nèi)備用。用土壤重金屬分析儀Genius9000 XRF檢測土壤中各重金屬的類型、含量的數(shù)據(jù)，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。

2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法和標(biāo)準(zhǔn) 用重金屬分析儀測量土壤樣品的重金屬類型以及含量，通過單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到土壤樣品是否超標(biāo)、超標(biāo)狀況以及綜合污染指數(shù)，進(jìn)而對調(diào)查區(qū)的土壤重金屬污染狀況進(jìn)行分析評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦區(qū)土壤重金屬的含量 表1列出了鄭州市上街區(qū)峽窩鎮(zhèn)、西馬固、灰渣庫、選礦廠、登封路、廠區(qū)、城關(guān)區(qū)、垃圾電站、火電站、小鋼廠、鋁礦區(qū)、中原路、滎陽西等地的耕層土壤中10種重金屬的含量。

表2列出了鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)的50個土壤樣品中Mn、Zn、Cr、Pb、Ni 5種重金屬的含量范圍、平均數(shù)以及各金屬元素的檢出率、超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)。從表2可以看出，調(diào)查區(qū)土壤重金屬元素Mn的含量在200.26～910.33mg/kg，平均值461.03mg/kg，其值沒有超出河南省土壤背景值560.60mg/kg;重金屬元素Zn的含量在0.00～344.24mg/kg，平均值80.04mg/kg，其值是河南省土壤背景值62.5mg/kg的1.28倍;重金屬元素Cr的含量在0.00～271.41mg/kg，平均值63.40mg/kg，其值和河南省土壤背景值63.3mg/kg相差無幾;重金屬Pb的含量在0～330.84mg/kg，平均值48.19mg/kg，其值是河南省土壤背景值21.8mg/kg的2.21倍;重金屬元素Ni的含量在0.00～68.15mg/kg，平均值26.82mg/kg，其值沒有超出河南省土壤背景值27.3mg/kg。

表3列出了鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)的50個土壤樣品中Cu、Co、Cd、Hg、V 5種重金屬的含量范圍、平均數(shù)以及各金屬元素的檢出率、超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)。從表3可以看出，調(diào)查區(qū)土壤重金屬元素Cu的含量在0～60.31mg/kg，平均值21.67mg/kg，其值是河南省土壤背景值560.60mg/kg的1.08倍;重金屬元素Co的含量在3.35～17.21mg/kg，平均值8.84mg/kg，其值沒有超出河南省土壤背景值11.2mg/kg;重金屬元素Cd的含量在0.15～1.43mg/kg，平均值0.31mg/kg，其值是河南省土壤背景值0.064mg/kg的4.84倍;重金屬元素Hg的含量在0.02～0.61mg/kg，平均值0.15mg/kg，其值是河南省土壤背景值的5.77倍;重金屬元素V的含量在0～137.19mg/kg，平均值是68.80mg/kg，其值沒有超出河南省土壤背景值。

由表2、3可知，鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)鋁廠核心區(qū)及礦渣處理地的土壤樣品中，10種重金屬元素的平均含量由低到高分別為Hg

3.2 礦區(qū)土壤污染評價方法

3.2.1 評價方法 目前，對土壤中重金屬元素進(jìn)行評價的方法主要有單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法[5]。評價公式如下：

單因子指數(shù)法： Pi=Ci/Si

式中，Ci—i是污染物的實測值;Si—i是污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)或背景值;

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法：P_綜=[（P_max²+P_ave²）/2]^1/2

式中，Pmax即（Ci/Si）max為單因子污染指數(shù)的最大值;Pave即（Ci/Si）ave為單因子污染指數(shù)的算數(shù)平均值[6]。

本次調(diào)查主要通過測量分析土壤中的重金屬種類及含量，通過計算然后與土壤背景值進(jìn)行對比，可以看出土壤中重金屬是否超標(biāo)。土壤背景值是指沒有人為的活動對土壤中的各元素產(chǎn)生影響，自然條件作用下土壤中的各元素含量。其可作為評價土壤是否受到污染的標(biāo)準(zhǔn)。以土壤背景值作為評價標(biāo)準(zhǔn)反映土壤中各元素的超標(biāo)情況，雖然不能直觀看出各金屬元素的污染現(xiàn)狀以及能夠?qū)θ祟愒斐晌：Φ某潭龋芸闯鲎罱鼛啄甑墓I(yè)生產(chǎn)、人類生活對土壤環(huán)境造成的污染狀況。本研究所用的重金屬的背景值是參考《河南省土壤環(huán)境背景值研究》的成果[7]。

單因子指數(shù)法能夠比較直觀的反映出土壤中各項污染指標(biāo)的情況，因此首先利用單因子指數(shù)法，對各元素的污染程度加以分析。然而，為了更進(jìn)一步的分析從而評價、判斷土壤綜合污染程度，再利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對土壤重金屬污染進(jìn)行等級劃分[8]。

3.2.2 評價結(jié)果 現(xiàn)用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[9].計算出50種調(diào)查區(qū)土壤樣品中的Zn、Pb、Ni、Cd、Hg、Mn、Cr、Cu、Co、V 10種重金屬元素的綜合污染指數(shù)，并參照表3～4的土壤綜合評價分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表5。從表5可以看出，Zn元素的綜合污染指數(shù)為3.99，Pb元素的綜合污染指數(shù)為10.84，Ni元素的綜合污染指數(shù)為1.90，Cd元素的綜合污染指數(shù)為16.17，Hg元素的綜合污染指數(shù)是3.82，Mn元素的綜合污染指數(shù)為1.82，Cr元素的綜合污染指數(shù)為3.11，Cu元素的綜合污染指數(shù)為2.26，Co元素的綜合污染指數(shù)為1.22，V元素的綜合污染指數(shù)為0.89。Zn、Pb、Cd、Cr、Hg 5種重金屬元素屬于嚴(yán)重污染，Cu元素屬于中度污染，Ni、Mn、Co3種重金屬元素屬于輕度污染，V元素屬于尚清潔水平。10種重金屬在所調(diào)查地區(qū)的累積程度從大到小依次為：Cd>Pb>Zn>Hg>Cr>Cu>Ni>Mn>Co>V。

3.3 評價結(jié)果比較 為了更加清晰地了解到鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)鋁廠周郊的重金屬污染現(xiàn)狀，采集遠(yuǎn)離工業(yè)基地的鄭州東區(qū)50個土壤樣品，采用同樣的方法對對采集的土壤樣品進(jìn)行測量分析，結(jié)果見表6。從表6可以看出，只有Cd元素含量達(dá)到嚴(yán)重污染水平，Zn、Pb、Ni、Hg、Cu 5種重金屬元素含量達(dá)到輕污染水平，Mn、Cr、Co 3種重金屬元素含量屬于尚清潔水平，V元素含量屬于清潔水平。通過表5、表6對比可以看出，鄭州市西部工業(yè)走廊地區(qū)中原鋁廠周圍礦區(qū)附近耕地層土壤污染情況比較嚴(yán)重。

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，鄭州西部工業(yè)走廊地區(qū)土壤中達(dá)到嚴(yán)重污染水平的重金屬元素有5種，分別為Zn、Pb、Cd、Cr、Hg;達(dá)到中度污染水平的重金屬元素有1種，為Cu元素;達(dá)到輕污染的重金屬元素有3種，分別為Ni、Mn、Co;達(dá)到警戒級的重金屬元素有1種，為V元素。比較工業(yè)走廊地區(qū)與鄭州東區(qū)土壤的重金屬物綜合污染指數(shù)，以工業(yè)走廊地區(qū)廠礦核心區(qū)和礦渣區(qū)的土壤污染更為嚴(yán)重。

土壤中的重金屬元素的來源有很多，主要包括工業(yè)“三廢”的無節(jié)制排放、化肥農(nóng)藥的過度使用、汽車尾氣的過度排放、石油等礦物燃料燃燒所釋放的重金屬等[10-12]。鄭州西部工業(yè)走廊地區(qū)自20世紀(jì)50年代以來一直作為鄭州市工業(yè)發(fā)展的核心地區(qū)，其污染來源主要為工業(yè)廢物、廢水、廢氣的無節(jié)制排放。徐友寧研究表明，元素Hg、Pb、As、Cd會導(dǎo)致不同程度的非致癌風(fēng)險[13]。目前，中鋁公司改制停產(chǎn)和逐步，選礦廠、灰渣庫等都閑置或棄用，對這些重金屬污染較嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)勢在必行。

植物修復(fù)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的清除土壤中重金屬的一種有效、經(jīng)濟(jì)的生態(tài)技術(shù)。重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)主要有植物固定、植物揮發(fā)和植物吸收等方式。固定技術(shù)是利用植物阻隔土壤中重金屬的遷移，而植物揮發(fā)和植物吸收則是將土壤中的重金屬移除[14-17]。今后要篩選出適合本地區(qū)重金屬富集植物進(jìn)行植物修復(fù)，以恢復(fù)重金屬污染嚴(yán)重地區(qū)的土壤生態(tài)功能。

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（責(zé)編：張宏民）

基金項目：河南省高等學(xué)校重點科研項目（6B550008），植物景觀多樣性與生態(tài)修復(fù)重點實驗室。

作者簡介：范春麗（1978—），女，河南滎陽人，碩士，講師，從事生物技術(shù)研究工作。

收稿日期：2020-12-26