崇左某廢棄離子型稀土礦區土壤Cd、Zn污染特征研究

黃春霞 黃立幸

(1.廣西民族師范學院;2.廣西理工職業技術學院,廣西 崇左 532200)

土壤重金屬污染是目前我國最顯著的環境問題之一[1-2]。土壤重金屬污染是一種嚴重的環境污染類型,土壤中重金屬具有隱蔽性、滯后性、累積性和不均勻性,尤其是重金屬具有降解周期長、生物毒性強等特點,導致重金屬對土壤的污染修復難度大,極難被治理[3]。土壤中重金屬可通過食物鏈在生物體內富集,可能導致農作物減產或絕收,甚至危害人體健康[4-6]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

本研究選取廢棄礦區9個采樣點,利用梅花布點法分別采集0-20 cm(表層)和20-60 cm(深層)土壤樣品各9個,共18個樣品;另外在礦區、非礦區采集不同深度土壤樣品,探索研究重金屬含量的垂直分布規律,土壤剖面的采集深度為0-100 cm,每隔10 cm取一個,2個剖面采樣共得到土壤樣品20個。本研究總共采集了38個土壤樣品各1kg以上,裝進密封袋中密封。

所有土壤樣品帶回實驗室自然風干,過20目篩,再以四分法全部研磨通過100目篩,稱取0.1～0.2g過篩后的樣品于消解罐中,加入1 mL鹽酸、4 mL硝酸、1 mL氫氟酸、1 mL雙氧水,利用微波消解進行消解,冷卻,于趕酸儀中150℃敞口趕酸,至內溶物近干,冷卻后,去離子水溶解,轉移至50 mL容量瓶中,定容。濾膜過濾后利用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定Cd和Zn的重金屬含量。

1.2 地累積指數重金屬污染評價方法

地累積指數(Igeo)是德國科學家Muller提出的一種研究水環境沉積物中重金屬污染的定量指標[17]。因其不僅考慮到污染因素、環境地球化學背景值等,也注意到自然早期成巖作用可能引起背景值變動的因素,在歐洲得到廣泛應用。地累積指數(Igeo)計算方法如下:

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(4)

式中,Cn為樣品中元素n的含量(實測值);Bn為元素n的地球化學背景值,Cd、Zn的Bn取廣西土壤環境背景值;k為修正系數(一般取值為1.5),考慮成巖作用可能會引起背景值的變動。見表1。

表1 文中使用的污染指數評價方法和分級標準

1.3 潛在生態危害指數評價方法

潛在生態危害指數法是瑞典學者Hakanson[18]基于元素豐度和釋放能力原則建立的一套評價重金屬污染及生態危害的方法。該方法不僅考慮土壤及沉積物重金屬含量,并且將重金屬的環境效應、生態效應與毒理學聯系在一起,采取具有可比性、等價屬性指數分級法進行評價,是一種比較好且應用最廣泛的方法之一[19-20]。見表1。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量特征

本研究共選取廢棄礦區9個采樣點,分別采集0-20 cm(表層)和20-60 cm(深層)土壤樣品各9件,對土壤中Cd、Zn兩種重金屬含量特征進行分析,具體見表2。同時結合礦區不同深度土壤中重金屬的含量對比圖(圖1),顯示表層和深層土壤中重金屬元素平均含量均表現為: Zn>Cd。另外,從整個研究區域來看,2種重金屬含量在表層和深層中分布特征表現出細微差異,Zn表現出深層土壤中的含量大于表層土壤,Cd的含量表現出表層略高于深層。

圖1 表層和深層土壤重金屬含量分布圖

表2 礦區表層和深層土壤重金屬含量 單位:mg/kg

變異系數可以判斷重金屬的污染程度,也可以判斷重金屬是由自然因素導致還是人為因素導致。根據變異系數大小來進行分級,變異系數<10%為弱變異,變異系數在10%～30%之間為中等變異,變異系數>30%為強變異[21]。該研究礦區表層土壤2種元素的變異系數均在10%～30%之間,屬于中等變異,深層土壤中Cd和Zn的變異系數都在30%以上,表現出強變異,說明該礦區土壤重金屬的含量可能受人為因素的干擾嚴重。另外,深層土壤重金屬變異強度高于表層,可能是因為礦區開采產生的污染物質經過常年的降雨淋慮、滲透,元素自上而下流向最終在深層富集積累,表層土壤經過礦山恢復治理和土地復墾使得重金屬污染程度降低。

為了更為直觀地了解土壤重金屬的污染特征,現將金屬含量與土壤背景值的比值作圖(圖2)。本研究采用廣西土壤背景值作為參考背景值,土壤環境質量標準使用2018年生態環境部最新實施的《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值。

圖2 表層和深層土壌重金屬含量與背景值的比值

由圖2可知,該礦區表層土壤重金屬Cd、Zn的平均含量分別是廣西土壤背景值的4.31和1.05倍,均超過1,說明這2種重金屬相對于廣西土壤背景值而言存在不同程度的污染。與《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)中的篩選值相比,Cd超標率最高,達到100%,說明該礦區土壤中Cd的污染范圍較大,Zn未檢測出有超標點位。另外,與全國土壤元素背景值相比,Cd的平均含量是全國土壤元素背景值的11.86倍,同樣超出倍數最高;Zn平均含量分別是全國背景值的1.07倍。綜合顯示,表層土壤中Cd、Zn元素含量表現出既超過廣西土壤背景值也超過全國土壤元素背景值,尤其是Cd存在大范圍的重金屬超標現象。

深層土壤重金屬Cd、Zn的平均含量與表層土壤一樣,均表現出超標現象。Cd、Zn的平均含量分別是廣西土壤背景值的4.12、1.12倍,Cd元素超出倍數最高。且Cd的平均含量與篩選值相比,超標率同樣達到100%。Zn平均含量超過全國土壤元素背景值,超出倍數為1.14倍。

綜合該礦區表層和深層土壤重金屬含量數據來看,土壤重金屬Cd存在大范圍重金屬超標現象,在表層和深層土壤中,Cd的超標率均達到了100%;Zn元素含量超過廣西土壤背景值,但是未檢測出有超標點位。

2.2 土壤重金屬來源分析

相關分析廣泛用于解析重金屬污染來源[25],通過研究一定區域內土壤重金屬相關性可推測元素間是否存在共同遷移途徑、物質來源等規律[26]。本文對表層土壤和深層土壤重金屬元素的相關性進行分析,二者關系見圖3。表層土壤和深層土壤中Zn元素含量表現出極顯著正相關,說明表層土壤中的以上元素主要來源于深層成土母質,表現出很強的繼承性;而Cd元素在表層土壤和深層土壤的相關性不明顯,說明可能受到后期人類活動的影響。

圖3 表層、深層土壤重金屬元素相關性分析

2.3 土壤重金屬環境質量評價

表3 重金屬的潛在生態危害系數及生態風險指數

結合地累積指數重金屬污染評價方法,對稀土礦區土壤重金屬的環境質量進行進一步的評價。根據地累積指數Igeo與污染程度分級關系(表1),表層和深層土壤重金屬元素中Cd都處于污染程度偏中度水平,Zn處于無污染狀態,這再次說明本研究區土壤中Cd污染最為嚴重。總體來看,地累積指數重金屬污染評價方法與潛在生態危害指數評價方法得出結論一致,即表層和深層土壤中重金屬Cd均達到偏中度污染程度,屬于較強生態危害水平。Cd元素屬于最主要的生態風險因子,污染最嚴重。

2.4 土壤剖面重金屬污染特征

為了研究土壤污染隨土壤深度的變化特征,選取礦區和非礦區兩個剖面,對剖面0-100 cm深度土壤樣品的重金屬進行地累積指數分析評價。圖4是礦區土壤剖面和非礦區剖面內的重金屬元素地累積指數值變化規律圖,從礦區剖面可看出,Zn元素從表層到100 cm處Igeo值均小于0屬于無污染等級,Cd元素從表層到100 cm處Igeo值均大于0,且處于1和2之間,屬于偏中度污染。另外,Cd和Zn元素Igeo值隨著深度變化特征整體表現一致,均表現出隨著土壤深度增加先升高后降低,且在深度為40 cm處達到最高值。這說明研究區土壤中Cd和Zn元素在土壤層40 cm處發生富集。王國賢等[27]研究內蒙古東部污灌區土壤Cr、Cu、Cd、Pb 在垂直方向上的濃度變化趨勢表明,大多數剖面中Cd、Ni、Cu和Pb含量呈現不同程度的表聚性。

圖4 礦區(a)和非礦區(b)土壤剖面重金屬元素地累積指數值隨深度的變化特征

非礦區剖面土壤重金屬地累積指數隨土壤深度變化顯示,Zn元素Igeo值處于-1和1之間,處在無污染和輕度污染的臨界狀態,污染程度較礦區剖面重金屬的明顯;Cd元素在10-40 cm處Igeo值大于0小于1,屬于輕度污染;在50 cm-100 cm范圍Igeo值小于0,屬于無污染;非礦區剖面土壤重金屬Cd的污染程度小于礦區Cd污染。另外,從整體的變化趨勢來看,Cd和Zn元素的地累積指數值隨深度無明顯變化規律,可能是因為后期土地復墾,對土壤進行了擾動,使得土壤原有的結構發生變化。

3 結論

(1)礦區表層和深層土壤中重金屬元素平均含量均表現為: Zn>Cd。在表層和深層土壤中,重金屬Cd均存在大范圍重金屬超標現象,Cd的超標率均達到了100%;Zn元素含量超過廣西土壤背景值,但是未檢測出有超標點位。由變異系數的分級發現,表層土壤Cd、Zn屬于中等變異,深層土壤中Cd、Zn表現出強變異,深層土壤重金屬變異強度高于表層,說明該礦區土壤重金屬的含量可能受人為因素的干擾嚴重。

(2)表層和深層土壤中Zn元素含量表現出極顯著正相關,說明表層土壤中Zn元素主要來源于深層的成土母質,表現出很強的繼承性;而Cd元素在表層和深層土壤的相關性不明顯,說明可能受到后期人類活動的影響。

(3)根據地累積指數重金屬污染評價方法和潛在生態風險評價法結果得出,表層和深層土壤中重金屬Cd均達到偏中度污染程度,屬于較強生態危害水平。Cd元素屬于最主要的生態風險因子,污染最嚴重。

(4)研究礦區土壤污染隨深度的變化特征發現,礦區剖面中,Zn元素從表層到100 cm深度表現出無污染等級,Cd元素表現出偏中度污染,Cd、Zn元素Igeo值隨著深度變化特征整體表現一致,均表現出隨著土壤深度增加先升高后降低,且在深度為40 cm處發生富集達到最高值。非礦區剖面土壤重金屬Cd的污染程度小于礦區Cd污染,Zn處在無污染和輕度污染的臨界狀態,Cd、Zn元素的地累積指數值隨深度無明顯變化規律。