個舊礦區(qū)周邊水稻土重金屬生態(tài)風險研究范文
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《環(huán)境科學導刊雜志》2016年第S1期
摘要:
礦區(qū)周邊土壤重金屬污染對區(qū)域農產品和人體健康危害極大，為對個舊市大屯鎮(zhèn)稻田土壤重金屬的潛在生態(tài)風險進行定量評價及預警分析，計算了6種重金屬元素(Pb、Cd、砷、Zn、Cu和Cr)的綜合生態(tài)風險指數(RI)、地累積指數(Igeo)和生態(tài)風險預警指數(IER)。結果表明:研究區(qū)域6種重金屬平均風險指數的大小順序為:Cd＞砷＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，Cd和砷元素的生態(tài)風險指數平均值＞40，94.4%的土壤樣品處于中等風險以上水平;重金屬元素的Igeo順序為Cd＞砷＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn，Cd和砷元素有超過94.4%的土壤樣品處于中等污染以上水平。生態(tài)風險預警評價結果顯示，66.7%采樣點處于生態(tài)風險無警級別，33.3%采樣點處于生態(tài)風險重警級別。綜合分析認為，該區(qū)域主要是以Cd和砷為主的土壤重金屬復合污染，對已經達到生態(tài)風險重警級別的區(qū)域應該采取相應的土壤修復措施，對無警區(qū)域應該加強監(jiān)控防止污染。
關鍵詞:
重金屬;生態(tài)風險;風險預警;個舊
云南省個舊市素以“錫都”著稱，是我國最大的錫礦所在地，長期的土法采礦煉礦不僅導致礦產資源有效利用率低，而且破壞了當地自然環(huán)境，給當地居民的生產生活帶來了嚴重的影響。黃玉等［1］對個舊錫礦區(qū)的不同輻射范圍進行土壤污染調查研究，發(fā)現個舊市礦業(yè)活動區(qū)Pb、Cd、砷給當地造成極高風險。肖青青等［2］對個舊市雞街鎮(zhèn)的土壤重金屬污染調查評價發(fā)現土壤中Pb、Cd、Zn和Cu含量均超出《土壤環(huán)境質量標準》二級標準。土壤中的重金屬長期停留和積累在環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境和人體健康存在諸多現實和潛在風險，選用一種或幾種正確的評價方式評價土壤中的重金屬污染程度對于環(huán)境和健康問題有著重要意義。前人對個舊礦區(qū)重金屬污染分布和風險評價采用的主要方法有:Hakanson指數法［3］、單因子指數法［4］、內梅羅綜合污染指數法［5］和地積累指數［6］。這些方法各有其適用條件和優(yōu)點，但也存在一定的局限［7－8］。生態(tài)風險預警評價源于生態(tài)風險評價，既具有Hakanson指數法、地積累指數法、臉譜圖法、綜合指數法、尼梅羅綜合指數法和污染負荷指數法等評價方法定量評價的特點，也能通過定量評價值與警度內涵之間的關聯(lián)，實現定性評價分析［9］。前期關于區(qū)域土壤污染評價的研究多采用單一的分析方法進行重金屬風險評價，針對個舊市大屯鎮(zhèn)水稻土的污染評價也僅局限于單因子指數、內梅羅綜合污染指數法的污染分級評價，采用重金屬生態(tài)風險評價和風險預警的研究鮮見報道。本研究以云南省個舊市大屯鎮(zhèn)稻田土壤為研究對象，采用Ha-kanson指數法和地積累指數法對6種重金屬(Pb、Cd、砷、Zn、Cu、Cr)的含量進行分析計算，評估其污染程度，定量評價生態(tài)風險并作出風險預警，以期為個舊市水稻土生態(tài)風險預警和農產品安全生產提供科學依據。
1材料與方法
1.1土壤樣品的采集
個舊地區(qū)水稻生產區(qū)域主要集中在大屯鎮(zhèn)，本試驗地點位于云南省個舊市礦區(qū)周邊大屯鎮(zhèn)稻田種植區(qū)。采樣點集中在23°2'56″～24°2'56″N和103°14'11″～104°22'55″E的研究稻田。2015年3月12日，參照《NY/T395－2000農田土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》的相關要求，分別按照不同的取樣地塊采集0～20cm土壤樣品，每個樣品由5個五點法取樣的子樣品混合而成，共采集54個樣品。土壤樣品自然風干，去除雜物，磨碎后過100目尼龍篩，用自封袋保存待測。
1.2樣品的測定
土壤pH值用酸度計(STARTER3100，奧豪斯儀器(上海)有限公司)測定，固液比值為1∶2.5［10］;重金屬總量測定采用HF－HClO4－HNO3消解法［11］。所用試劑為優(yōu)級純，試驗用水為去離子水。樣品溶液中重金屬元素鉛、鎘、砷、鋅、銅和鉻采用ICP－MS(ELANDRC－e型，美國PerkinElmer公司)進行分析測定。
1.3評價方法
1.3.1潛在生態(tài)風險指數法
評價潛在生態(tài)風險指數法是1980年由瑞典科學家Hakanson［12］提出的評價方法。該方法綜合考慮了重金屬含量、環(huán)境效應、生態(tài)效應和重金屬毒性等因素而被廣泛用于土壤中重金屬污染風險分析［13－14］。其計算公式如下:Cri=Ci/Cni(1)Eri=Tri×Cri(2)RI=∑ni=1(Eri)=∑ni=1(Tir×Cir)(3)式中:Cri為土壤中重金屬i的富集系數;Ci為重金屬i的實測數據;Cni為計算所需的參比值，本文采用云南省土壤質量背景值作為參比值;Eri為土壤中重金屬i的潛在生態(tài)風險系數;Tri為沉積物中重金屬i的毒性系數，本研究中Pb、Cd、砷、Zn、Cu和Cr6種元素的毒性系數分別為5、30、10、1、5和2;RI為土壤中多種重金屬的綜合潛在生態(tài)風險指數。潛在生態(tài)風險分級標準見表1。
1.3.2地累積指數法
地積累指數法是在1969年由Muller［15］提出的用于評價水環(huán)境沉積物中重金屬的方法。該方法考慮了自然成巖作用對背景值的影響，也考慮了人為活動對環(huán)境的影響，近年來，被國內外學者用于評價土壤重金屬的污染程度［16－17］。計算公式為:Igeo=log2［Ci/(K×Cin)］(4)式中:Ci是土壤中元素n的實測值;Cni為普通頁巖中元素i的地球化學背景值，本文采用云南省土壤質量背景值作為參比值;K為消除各地巖石差異可能引起背景值的差異(一般取值為1.5)。其污染等級分為0～6級，見表2。
1.3.3重金屬生態(tài)風險預警
對于個舊市大屯鎮(zhèn)稻田土壤重金屬生態(tài)風險預警，采用Rapant等［18］提出的生態(tài)風險預警指數法進行預警評估，預警分級標準見表3。公式為:IER=∑ni=1IERi=∑ni=1(CAi/CRi－1)(5)式中:CAi表示重金屬i的實測數據;CRi表示重金屬i的背景參比值，本文的背景參比值采用《GB15618－95國家土壤二級標準進行評估》(表4);IERi為重金屬i的生態(tài)風險預警指數;IER表示各采樣點土壤樣品的生態(tài)風險預警指數。
2結果與分析
土壤重金屬基本參數統(tǒng)計描述如表4所示。結果表明，土壤樣品中Pb、Cd、砷、Zn、Cu和Cr含量的平均值分別為180.57、1.96、136.55、133.44、84.09和145.71mg/kg。研究地土壤pH值為7.03±0.44，按照《GB15618－1995土壤環(huán)境質量標準》二級標準，重金屬超標的元素有Cd和砷，超標倍數分別為2.27、4.46。與喬鵬煒等［19］2014年調查研究云南個舊錫礦區(qū)大屯盆地農田土壤重金屬平均值相比，本研究中Pb和Zn元素明顯較低，Cr元素明顯較高，其他元素含量平均值相差不大。6種重金屬元素的變異系數在12.17%～74.54%，屬于中等變異程度，其中Pb、Cd和砷3種元素變異程度相對較大，說明其易受外源因子干擾。土壤重金屬元素和pH值相關分析結果見表5。大屯鎮(zhèn)礦區(qū)周邊水稻土多數重金屬元素之間存在相關性，Pb與Cd、砷和Zn的相關性達到極顯著水平(P＜0.01)。Cd與砷和Zn的相關性達到極顯著水平(P＜0.01)。Cu與Cr的相關系數為0.757，相關性達到極顯著水平(P＜0.01)。這表明，該區(qū)域水稻土Pb、Cd、砷和Zn可能具有相似的來源，呈現相互伴隨的復合污染現象，而Cu和Cr的來源途徑也具有相似性。土壤pH與Pb呈極顯著正相關，與Cd和砷呈顯著正相關，而與Zn、Cu和Cr相關性不顯著。
經計算，研究區(qū)域稻田土壤重金屬元素的潛在生態(tài)風險系數(Ei)和綜合生態(tài)風險指數(Ri)如表6所示。從單個重金屬潛在生態(tài)風險系數可以看出，研究區(qū)域6種重金屬平均風險指數的大小順序為:Cd＞砷＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，Pb、Zn、Cu、Cr這4種元素的風險指數平均值＜40，均屬于輕度生態(tài)危害，對該區(qū)域土壤生態(tài)污染的貢獻率較低;其中Cd平均潛在生態(tài)風險指數為267.33，達到很強生態(tài)危害程度，砷平均潛在生態(tài)風險指數為74.21，達到中度生態(tài)危害程度，其余元素均未達到輕度生態(tài)危害的上限標準。根據土壤重金屬潛在危害系數所對應的潛在危害程度頻數的統(tǒng)計(表7)，按照污染程度分級，Cd元素潛在生態(tài)風險系數達到強度、很強和極強生態(tài)危害的比例分別為11.1%、61.1%和22.2%;砷元素潛在生態(tài)風險系數達到中等、強度和很強生態(tài)危害的比例分別為77.8%、5.6%和11.1%。這表明Cd和砷元素對該區(qū)域土壤生態(tài)污染的貢獻率較高。土壤重金屬綜合生態(tài)風險指數(RI)平均值為1114.98，屬于很強生態(tài)危害水平;輕度、很強和極強生態(tài)危害的比例分別為16.7%、50.0%和33.3%。
2.3土壤重金屬地積累指數
以土壤環(huán)境背景值作為地球化學背景值，計算稻田土壤中重金屬的Igeo并進行分級，結果如表8。從表中可以看出，除Zn外，其余5種重金屬元素的地積累指數平均值均＞0。Pb、Cd、砷和Cu元素的最大值都＞1，達到中等污染程度以上。從土壤樣品污染分級比例可以看出，Cd元素污染比例最大，達94.4%，其中有11.1%的土壤樣品屬于中等污染，66.7%屬于中等－強污染，11.1%屬于強污染，5.6%土壤樣品到達強－極嚴重污染。砷元素的污染比例也達到94.4%，其中有22.2%的土壤樣品屬于中等污染，61.1%屬于中等－強污染，有11.1%達到強污染水平。Zn元素的污染比例最低，僅有44.4%的土壤樣品屬于輕度污染。整體統(tǒng)計分析各元素可知，Pb、Cd和砷元素的地積累指數標準差較大，表明土壤樣品中這3種元素地積累指數值離散程度較大，即變異程度較大。
2.4重金屬生態(tài)風險預警
采用生態(tài)風險預警評估法分別計算了研究區(qū)域稻田土壤中重金屬Pb、Cd、砷、Zn、Cu和Cr的生態(tài)風險預警指數，評估了土壤重金屬生態(tài)風險預警級別，結果見表9。從IER分級比例可以看出，該研究區(qū)域稻田土壤中主要重金屬污染為砷、Cd。按照生態(tài)風險分級，砷元素生態(tài)風險指數達到輕警、中警和重警的比例分別為11.1%、66.7%和16.7%;Cd元素生態(tài)風險指數達到輕警、中警和重警的比例分別為61.1%、16.7%和5.6%。從綜合指數來看，該區(qū)域有66.7%樣點處在無警級別，屬于最低生態(tài)風險，有33.3%樣點處于重警級風險狀態(tài)，屬于高生態(tài)風險。
3討論
李江燕等［20］對個舊市大屯鎮(zhèn)蔬菜地土壤進行健康風險評價，發(fā)現Zn、Cu、Cd質量比嚴重超標，分別達到412.73mg/kg、132.86mg/kg、1.60mg/kg。喬鵬偉等［19］采用潛在生態(tài)危害指數法對大屯盆地農田土壤進行生態(tài)風險評價發(fā)現，Cd和砷兩種元素對危害的貢獻率高達87%。本研究結果也表明，個舊市大屯鎮(zhèn)稻田土壤重金屬污染特征主要表現為以Cd和砷為主的重金屬復合污染，Cd和砷分別超出《GB15618－1995土壤環(huán)境質量標準》二級標準2.27、4.46倍。因此，研究區(qū)域稻田土壤Cd和砷具有較大的潛在生態(tài)危害，應作為該區(qū)域主要的修復和防控目標。本研究所采用的兩種土壤重金屬生態(tài)風險評估方法的評價結果存在一定的差異。土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數評價結果表明，6種重金屬元素，有83.3%的土壤樣點超過很強污染程度。研究區(qū)域重金屬平均風險指數的從大到小排序為:Cd＞砷＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，Cd和砷元素達到中等生態(tài)危害及以上的比例為94.4%，其余元素均處于輕度生態(tài)危害程度。土壤重金屬地積累指數評價結果表明，除Zn和Cr元素其余元素都有不同比例處于中等污染程度，按照每種元素的地積累指數平均值，從大到小的順序為:Cd＞砷＞Pb＞Cr＞Cu＞Zn。兩種評價方法的結果都表明Cd和砷對土壤重金屬污染的貢獻率最大，其他元素貢獻率大小的差異可能在于生態(tài)風險指數評價法對不同重金屬賦予了相應的毒性系數，而地積累指數法為消除各地巖石差異而引入系數K(一般取值為1.5)，重金屬元素之間沒有差別［20－21］。采用生態(tài)風險預警指數(IER)進行預警分析認為，研究區(qū)域稻田土壤受到Cd和砷元素的污染，Pb和Cu有一部分預警級別是預警，Zn和Cr元素的預警級別是無警?？傮w評估研究區(qū)域IER有33.3%預警類型為重警，說明該研究區(qū)域有1/3的稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)服務功能嚴重退化，生態(tài)環(huán)境受到較大破壞，且受外界干擾后恢復困難，生態(tài)問題較大，生態(tài)災害較多［23］。土壤中Cd和砷對水稻安全質量影響較大，建議調整種植結構，引導種植較好的高梁抗性品種［24］，或采取種植低累積重金屬水稻品種［25］，使用降低土壤重金屬有效性的鈍化劑和施用技術［26－27］、稻田水分管理技術［28］、鈍化劑與農藝聯(lián)合調控技術［29－30］等措施對區(qū)域農田進行修復和安全利用。
4結論
(1)研究地稻田土壤中的Cd、砷、Cu質量比均超出《GB15618－1995土壤環(huán)境質量標準》二級標準，水稻土Pb、Cd、砷和Zn可能具有相似的來源，呈現相互伴隨的復合污染現象。
(2)根據土壤重金屬潛在生態(tài)風險指數的評價結果，研究區(qū)域6種重金屬平均風險指數的大小順序為:Cd＞砷＞Cu＞Cr＞Pb＞Zn，其中Cd和砷元素對該區(qū)域土壤生態(tài)污染的貢獻率較高，有超過94.4%的土壤樣品處于中等生態(tài)風險以上水平。土壤重金屬綜合生態(tài)風險指數(RI)僅有83.3%處于很強生態(tài)風險以上水平。
(3)土壤重金屬地積累指數的評價結果表明，6種重金屬元素含量的平均值只有Zn元素尚處于無污染水平，Cd、砷元素有超過72.2%的土壤樣品處于中等污染以上水平，需要嚴格控制人為活動引入這幾種元素，避免重金屬的累積對土壤生態(tài)環(huán)境的危害。
(4)從土壤重金屬生態(tài)風險預警的評價結果可知，研究區(qū)域33.3%屬于重警區(qū)，應該采取相應的土壤修復措施，在農耕區(qū)改種非食用作物，必要時可以進行土壤污染治理，提高當地居民的環(huán)境保護意識。對無警區(qū)應該監(jiān)控可能引起土壤污染來源，防止土壤污染。
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作者:鄧曉霞 鄒艷虹 陳璐 張文波 杜麗娟 米艷華 段紅平 單位:云南省農業(yè)科學院質量標準與檢測技術研究所 云南省農業(yè)大學資源與環(huán)境學院大屯鎮(zhèn)農業(yè)綜合服務中心