重金屬污染特征范文

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第1篇

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第2篇

關鍵詞：臥龍湖 沉積物 重金屬 地質累積指數 污染評價 空間分布

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（a）-0096-04

水環境中的重金屬污染是全球關注的環境問題之一。由于水體中的重金屬會被其懸浮物吸附，經過沉積后最終在水體表層的沉積物中積累[1]，而長期的累積會導致沉積物中重金屬含量是上覆水體中重金屬含量的幾倍至幾十倍[2]，因此湖泊沉積物是湖泊水體污染物的主要蓄積場所，是水環境中重金屬的“匯”和“源”，也是湖泊的潛在污染源[3-5]。沉積物中重金屬的污染負荷和來源能夠反映自然與人類活動對湖泊的影響，對其研究不僅能提供重金屬的污染現狀和歷史，而且能為將來的研究提供基礎資料[5]。

該文應用德國海德堡大學沉積物研究所Mullers教授提出的地質累積指數法（Igeo）定量評價臥龍湖表層沉積物中Cu、As、Cd、Pb、Zn 5種重金屬的污染程度及其空間分布特征。

1 材料和方法

1.1 采樣時間和點位設置

2014年5月，設置17個采樣點，采用GPS定位。

1.2 分析方法

沉積物樣品自然風干，剔除石塊和植物殘根，研磨過 100目尼龍篩。Cu、Cd、Pb、Zn按照《土壤環境質量標準》GB 15618-1995中相應方法測定，As參照《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》GB/T 22105-2008的方法測定。

1.3 地質累積指數計算和統計分析

地質累積指數（Igeo）的計算公式為：

式中：cn為實測重金屬的質量分數；βn為當地沉積物重金屬的背景值；1.5為考慮到成巖作用可能引起背景值波動而設定的常數。

地質累積指數與重金屬污染程度的關系，Igeo≤0清潔；0

應用統計學原理，采用克立格（Kriging）插值預測方法分析臥龍湖沉積物中重金屬的空間分布特征；采用SPSS 22.0單因素方差分析臥龍湖沉積物中各種重金屬的差異性。

2 結果與討論

2.1 臥龍湖沉積物中重金屬污染評價

地球化學背景參考值，選定康平縣土壤環境中重金屬元素的背景值作為計算依據，取Cu、As、Cd、Pb、Zn金屬背景參考值分別為4.30 mg/kg、4.62 mg/kg、0.04 mg/kg、7.30 mg/kg、11.40 mg/kg。

臥龍湖沉積物中重金屬地質累積指數特征見圖1和表1。臥龍湖沉積物中5種重金屬地質累積指數的順序為Cd>Cu>As>Zn>Pb，Igeo均值1.56，總體呈偏中度污染。沉積物中5種重金屬的污染程度：Cd為偏重污染；Cu為中度污染；As為偏中度污染；Zn為輕度污染；Pb為清潔。各樣點重金屬污染程度差異較大，以Cd、Zn為首。Pb總體污染程度雖為清潔，但個別點位出現輕度和偏中度污染。

經單樣本非參數K-S檢驗，臥龍湖沉積物中重金屬Igeo值呈正態分布。單因素方差分析顯示臥龍湖沉積物中5種重金屬Igeo值差異極顯著（P0.05）、Pb和Zn之間（P=0.657>0.05）差異不顯著，其他兩兩之間差異均顯著（P

2.2 臥龍湖沉積物中重金屬的相關性分析

對臥龍湖沉積物中的5種重金屬Cu、As、Cd、Pb、Zn的Igeo值進行相關性分析，見表2。結果發現，除Cd與Cu、As，Cu與Zn外，其他相互間都存在相關性（P

2.3 臥龍湖沉積物中重金屬空間變化特征

臥龍湖沉積物中5種重金屬的空間分布圖見圖2。Cu、As、Pb 3種重金屬的污染趨勢總體上呈現從沿岸帶向湖心加重趨勢。Cd污染的空間分布總體呈現從西南、東北沿岸向湖心梯度降低趨勢，Zn污染的空間趨勢是從北向南逐漸加重，北部清潔。流域內的沉積物進入湖泊后，被輸送到低能量的深水區并永久沉積[6]，Cu、As、Pb 3種重金屬污染的分布正符合這一規律，間接說明Cu、As、Pb的污染歷史比較久遠，污染物已從湖岸帶富集到湖心。湖泊的沉積物通常由流域的河流帶入[7]，Cd污染的空間分布可能與西馬蓮河河水的注入及康平鎮污水處理廠中的水排放有關。另外，水流對沉積物中重金屬含量的分布也有一定的影響[7]。

3 結語

臥龍湖沉積物中重金屬元素含量已受到人類活動干擾，總體呈偏中度污染。5種重金屬污染的順序為Cd>Cu>As>Zn>Pb，Igeo值差異極顯著（P

參考文獻

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第3篇

關鍵詞：襄汾潰壩區;土壤;農作物;重金屬污染;生態風險

中圖分類號：X825 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）20-4821-05

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.20.013

Pollution Characteristics and Risk Assessment of Heavy Metals in Soil and Crops in Dam-breaking Areas of Xiangfen

YAN Jiao， ZHANG Yong-qing， SONG Zhi-ping， HE Xiao-qin， LI Yu-peng

（College of Urban and Environmental Science， Shanxi Normal University， Linfen 041004， Shanxi， China）

Abstract： The contents of eight heavy metals（Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg） in soil and crops in dam-breaking areas of Xiangfen were analyzed. Tailing contained Cu and Zn was found. The contents of Cu and Zn in soil of the covered areas were higher than those in soil of the non-covered areas. The levels of other six elements in soil of the covered areas were lower than those in soil of the non-covered areas. The contents of Cu and Zn in crops of the covered areas were lower than those in crops of the non-covered areas. The levels of other six elements in crops of the covered areas were higher than those in crops of the non-covered areas. The correlation analysis showed that Cu and Zn in the coverage areas were from tailing. The other six heavy metals were homologous or associated in the coverage areas and non-covered areas. The single pollution index， Nemerow's synthetical pollution index and the potential ecological risk index showed that soil in the coverage areas was polluted slightly by heavy metals. Enrichment coefficients showed that the uptake capacity of the other six heavy metals by wheat was higher in the coverage areas than that in non-covered areas with the exception of Cu and Zn.

Key words： dam-breaking areas of Xiangfen; soil; crop; heavy metal pollution; ecological risk

重金屬毒害是礦區普遍存在且最為嚴重的問題之一[1，2]。由于尾礦渣含有多種重金屬，這些重金屬隨尾礦渣進入土壤環境發生積累、遷移，不僅對區域生態安全構成潛在危害，可能影響動植物的生長發育，甚至通過食物鏈進入人體，危害人體健康，導致一些慢性病、畸形、癌癥等的發生[3]。礦山尾砂庫垮壩導致的污染物遷移和擴散，不僅威脅人體健康和生命安全，而且會導致大面積的土地污染，使下游土地的重金屬含量升高，土壤酸化，有機質含量降低和土壤板結[4]。例如，西班牙南部的Aznalcollar硫鐵礦尾砂壩坍塌導致Agrio和Guadiamar流域55 km2范圍內的土壤受到重金屬污染，土壤Pb、Zn、As、Cd和Cu的含量分別增加到1 786、1 449、589、5.9、420 mg/kg[4]，受污染土壤的pH最低可以下降到2[5， 6];1985年，湖南郴州市竹園礦區尾砂壩坍塌，致使尾砂沖入東河兩岸農田，即使農田中的尾砂已被清理，該地區農田土壤的As和Cd含量仍然高達709、7.6 mg/kg[7，8]。

目前，關于礦業的開采活動對礦區周圍環境的影響有很多研究。曲蛟等[9]對鉬礦尾礦周圍蔬菜地的土壤的分析表明，重金屬含量從大到小的順序為殘余態、有機結合態、氧化結合態和酸可提取態，由于尾礦石中可能釋放重金屬，當地的重金屬污染很嚴重，預警類型為重警;李祥平等[10]對粵西黃鐵礦區的土壤做了詳細的研究，證實鐵礦開采和尾渣堆放給礦區環境帶來嚴重的危害，土壤重金屬含量已超過中國土壤背景值的30余倍，Cd、Zn等已達到中度甚至重度污染，且污染物已滲透到土壤深層;王素娟等[11]對廣西德保幾個礦區尾礦的研究發現，土壤中Cd和Pb含量都超出了廣西土壤環境質量標準的背景值，且Cd含量隨pH的升高顯著增加，Pb含量隨pH的升高而減少。而礦山尾砂壩坍塌是一種較常見的事故，但對其導致下游土壤污染問題的研究至今仍較少。2008年9月8日，襄汾縣云合村塔兒山的尾礦壩坍塌，尾砂沖入下游地區的居民區和農田，不僅造成了巨大的人員傷害和經濟損失，而且造成下游農田土壤被大量的尾砂所覆蓋，可能導致土壤和農作物的重金屬污染。正確評價該區土壤的污染狀況及潛在生態風險具有重要的理論和現實意義。為此，本研究采用單項污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和潛在生態風險指數法對研究區內土壤及農作物重金屬污染狀況和潛在生態風險進行評價，以期為土壤污染控制和污染農田修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潰壩區位于山西省臨汾市襄汾縣云合村塔兒山，E 111°3′，N 35°53′，海拔679～769 m，屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫11.5 ℃，1月年均氣溫4.5 ℃，7月年均氣溫26 ℃，年均降水量454 mm，年均日照數2 522 h，無霜期185 d。塔兒山富含磁鐵礦，潰壩發生后，進行了緊急治理，利用大型機械開挖泥石流，對土壤物理性狀造成了較嚴重的破壞，在原有土壤上覆蓋了大量尾砂。

1.2 樣品采集與檢測

在潰壩物覆蓋區，沿潰壩物流向，采用S型取樣法，取0～20 cm的耕層土壤，5個點混成一個土樣，同時在同一塊農田的未覆蓋區采集對照樣品，覆蓋區和未覆蓋區各18個土樣，裝袋、編號、扎口，帶回實驗室。把土樣置于室內自然風干，剔除大石塊、植物根系等雜質，磨細后過孔徑為0.15 mm的尼龍篩，裝袋密封用于測定土壤重金屬含量。在秋季，研究區主要的農作物是小麥，在土壤點位上采集相應的麥苗樣品，帶回實驗室，用自來水沖洗干凈，再用純水洗3遍，風干，80 ℃烘干至恒重，用研缽研碎，裝袋。

取備用土壤0.1 g放入聚四氟乙烯坩堝，加入5 mL HNO3和1 mL HF，HNO3和HF試劑均為優級純，加蓋，放在電熱板上消解，得到樣品消解液，用火焰原子吸收法檢測消解液中銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）和鎳（Ni）等重金屬的含量， 用石墨爐原子吸收法檢測消解液中鎘（Cd）和鉛（Pb）的含量，用雙道原子熒光光度計檢測消解液中砷（As）和汞（Hg）的含量。測定過程中用10%的平行樣品和加標回收樣進行質量控制，以保證數據的準確度和精度。植物樣品中的重金屬檢測方法同上。

1.3 土壤重金屬污染評價方法及標準

1.3.1 單項污染指數法

Pi=Ci/Si

式中：Pi為樣品中某污染物的單項污染指數;Ci為樣品中某污染物的實測濃度;Si為某污染物的評價標準。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數法

Pn=■

式中：Pi=Ci/Si，Pn是內梅羅綜合污染指數，Pi是樣品中某污染物的單項污染指數，MaxPi是樣品污染物中污染物指數最大值。

依據單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法將土壤重金屬污染劃分為5個等級，見表1。

1.3.3 潛在生態風險指數法 該方法是瑞典學者 Hakanson根據重金屬的性質及環境行為特點，從沉積學角度提出的一種對沉積物或土壤中重金屬污染進行評價的方法[12]。它將重金屬的含量、生態效應、環境效應與毒理學聯系在一起，采用具有可比的等價屬性指數分級法進行評價，可以定量地評價單一元素的風險等級，也可以評價多個元素的總體風險等級[13]。公式如下：

C■■=C■■/C■■;E■■=T■■×C■■;

RI=■E■■=■T■■×C■■=■T■■×C■■

式中：C■■為某一重金屬的污染參數;C■■為土壤中重金屬的實測含量;C■■為計算所需的參比值;E■■為潛在生態風險系數;T■■為某一重金屬的毒性系數。參比值的選擇，各地學者差異較大，大都以全球沉積物重金屬的平均背景值為參比值[14]，或以當地土壤背景值為參比[15]，或以背景采樣點值為參比[16]，為了更真實反映評價區域的重金屬污染狀況，本研究以未覆蓋區土壤中重金屬含量為參比值。不同重金屬元素毒性水平不同，生物對重金屬污染的敏感程度也不盡相同，用重金屬元素毒性系數反映該特點[17]。根據“元素豐度原則”和“元素稀釋度”，Hakanson認為某一重金屬的潛在毒性與其豐度成反比，或者說與其稀少度成正比[17]，因此他指定的標準化重金屬毒性系數為Zn（1）

1.3.4 富集系數 富集系數是植物中重金屬的含量與土壤中重金屬含量的比值，表示植物對重金屬的富集能力[1]。富集系數越大，其富集能力就越強。

1.4 數據處理與統計分析

重金屬含量用EXCEL 2003計算，重金屬含量的最大值、最小值、平均值、變異系數、正態分布檢驗等描述性統計分析采用SPSS 19.0計算。

2 結果與分析

2.1 潰壩區下游土壤重金屬分析

2.1.1 土壤重金屬含量 潰壩區下游土壤重金屬含量見表3。覆蓋區和未覆蓋區8種重金屬的平均值和最大值均沒有超過國家土壤環境質量標準的二級標準，兩區域的Zn、Cr、Ni和As等4種重金屬的平均濃度沒有超過山西省土壤元素背景值，其他4種元素的平均濃度均超過山西省土壤元素背景值。覆蓋區和未覆蓋區相比，覆蓋區Cu和Zn的平均濃度高于未覆蓋區，其他6種元素的平均濃度均低于未覆蓋區。這可能是因為尾礦砂中含有Cu和Zn覆蓋在農田上，雖然經過清理，但還有殘留，導致覆蓋區的土壤中Cu和Zn的含量偏高;而Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的情況正好相反，尾礦砂中可能沒有這些元素，或者含量極少，進入土壤后反而降低了土壤中Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg的濃度，造成未覆蓋區土壤中的含量偏高。

變異系數（CV）是衡量研究區各樣品間的變異程度，CV大則說明土壤受外界干擾顯著，空間分異明顯，也說明土壤的污染是以復合污染的形式存在[19]。CV≤10%為弱變異，10%100%為強變異。覆蓋區和未覆蓋區8種重金屬的變異都為中等變異，說明研究區內重金屬的來源不相同，并不全部來自潰壩物。覆蓋區內Hg的變異系數最高，說明不同采樣點Hg的分布差異性很大，覆蓋區內各重金屬的變異系數從高到低依次為Hg、Pb、Cr、Ni、Cd、Zn、Cu、As。未覆蓋區內也是Hg的變異系數最高，各重金屬的變異系數從高到低依次為Hg、Pb、Cu、Cr、Cd、Ni、As、Zn。

研究土壤中重金屬含量的相關性可以推測其來源是否相同。覆蓋區和未覆蓋區土壤重金屬的相關系數分別見表4和表5。覆蓋區內，Cu和Zn呈顯著正相關，與其他6種元素（Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg）呈負相關，說明Cu和Zn來源相同，與其他6種重金屬元素是異源關系;Ni與Cr顯著相關;Cd與Pb、As、Hg顯著相關，Pb與As、Hg顯著相關，As與Hg顯著相關，說明Cd、Pb、As和Hg為同一來源或者伴生關系。未覆蓋區內，Ni和Cr、Pb、Hg，Cd和As、Hg，Pb和As、Hg，As和Hg，都呈顯著正相關;而Cu和Zn相關性不顯著，這與覆蓋區完全不同。在覆蓋區和未覆蓋區內，Cr、Cd、Pb、Ni、As和Hg之間都具有很高的相關性，這些重金屬可能是伴生關系或者來自同一污染源。

2.1.2 土壤重金屬污染狀況 以未覆蓋區為背景值，計算出覆蓋區土壤重金屬單項污染指數和綜合污染指數（表6）。Cr和Ni的污染指數在安全域內，Cd、As和Hg的污染指數在警戒線上，Cu、Zn和Pb的污染指數處于輕度污染級別。8種重金屬的污染程度從高到低的依次為Pb>Cu>Zn>Cd>As=Hg>Ni>Cr。覆蓋區的綜合污染指數為1.3，處于輕度污染級別，這與Cu、Zn、Pb單項污染指數偏高有關。

2.1.3 土壤重金屬生態風險評價 以未覆蓋區為背景值，覆蓋區土壤單個重金屬的潛在生態危害指數（E■■）和多種重金屬潛在生態危害指數（RI）見表7。8種重金屬的潛在生態危害指數都處于輕微級別，它們的潛在生態風險趨勢為E■■（Hg）>E■■（Cd）>E■■（Pb）>E■■（Cu）=E■■（As）>E■■（Ni）>E■■（Zn）>E■■（Cr）。多種重金屬潛在生態危害指數RI也處于輕微級別。從重金屬污染指數和潛在生態風險指數二者結合來看，潰壩物覆蓋區土壤重金屬污染比較輕微。

2.2 潰壩區麥苗體內重金屬分析

2.2.1 麥苗體內重金屬含量 為了進一步探索土壤對植物重金屬污染的影響，采集了覆蓋區與未覆蓋區的麥苗，并對其重金屬含量進行測定，結果見表8。覆蓋區和未覆蓋區的麥苗重金屬含量差異較大，同種植物中不同重金屬含量差異明顯。與未覆蓋區相比，覆蓋區麥苗體內的Cr、Cd、Pb、Ni、As、Hg含量相對較高，Cu和Zn的含量相對較低，這與土壤中重金屬含量規律相反，很可能與當地的鐵礦開采活動有很大的關系。

2.2.2 麥苗體內重金屬富集系數 覆蓋區和未覆蓋區的麥苗體內重金屬富集系數見表9。從表9可以看出，相同植物對不同重金屬的吸收能力存在差異。除Cu和Zn外，覆蓋區麥苗對其他6種重金屬的吸收能力高于未覆蓋區。覆蓋區的麥苗吸收重金屬的能力依次為Cr>Cd>Hg>Zn>Ni>Pb>As>Cu;未覆蓋區的麥苗吸收重金屬的能力依次為Zn>Hg>Cr>Cu=Cd>Pb>Ni>As。覆蓋區和未覆蓋區的麥苗吸收重金屬的能力不同可能與土壤中重金屬含量、形態等有關。

3 小結

由于尾礦砂中含有Cu和Zn，造成覆蓋區土壤中Cu和Zn的含量高于未覆蓋區，其他6種元素的含量均低于未覆蓋區。覆蓋區和未覆蓋區8種重金屬的變異都為中等變異，各金屬元素在土壤中的含量還是比較穩定的。

通過相關分析可以推斷出覆蓋區內Cu和Zn來源于尾礦砂，其他6種重金屬在覆蓋區與未覆蓋區都具有同源或者伴生關系。

以未覆蓋區為背景值，從重金屬污染指數和潛在生態風險指數二者結合來看，潰壩物覆蓋區土壤重金屬污染比較輕微。

覆蓋區和未覆蓋區對比，麥苗體內重金屬含量規律與土壤中重金屬含量規律相反，這很可能與當地的采礦活動有關。覆蓋區和未覆蓋區的麥苗吸收重金屬的能力不相同可能與土壤重金屬含量、形態有關系。

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