典型锰矿区周边农田土壤重金属污染风险评价及其来源分析.pdf
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1、d o i:j i s s n 收稿日期:基金项目:重庆市教委科学技术研究项目(K J QN )作者简介:张永江(),男,博士,正高级工程师典型锰矿区周边农田土壤重金属污染风险评价及其来源分析张永江,李璐,马双,邓茂,李希希,吴丽君,周洵平(重庆化工职业学院 环境与质量检测学院,重庆 ;重庆市南岸区生态环境监测站,重庆 ;重庆市黔江区生态环境监测站,重庆 )摘要:为探究典型锰矿区周边农田土壤重金属污染状况及主要来源,以重庆市秀山县溶溪锰矿区周边农用地的土壤为研究对象,测定了土壤中镉、砷、铅、铬、镍、铜、锌和锰的含量,采用了多种分析方法(包括多元统计分析、单因子污染指数法、内梅罗指数法和地质累积
2、指数法)研究土壤重金属污染水平、分布特征,并结合皮尔逊相关性分析、P C A和A P C S ML R分析,解析研究区土壤重金属的主要来源和贡献率.结果表明,锰矿区周边水稻田土壤M n均值含量显著低于其它农作物土壤(p ),其他种重金属均值含量在各农田土壤中均无显著差异(p ).内梅罗综合污染指数表现为红薯地()大豆地()玉米地()水稻田(),重金属污染程度由大到小表现为:M nC dA s N i、Z nP b、C r、C u.地累积指数由大到小表现为:M n A s P bZ nN i C dC uC r.污染源解析表明,研究区土壤中C d、P b、N i、C u、Z n和M n之间存在显
3、著正相关关系(r 、p ),主要受到矿业开采等活动影响,贡献率分别为 、和 .A s和C r存在显著正相关关系(r 、p ),主要受到土壤母质等自然因素的影响,贡献率分别高达 和 .因此,应重点加强对M n和C d的来源管控和污染防治.此外,红薯地种重金属污染累积程度均高于其他农作物土地,应开展相应整治,防止持续对红薯地土壤造成污染.关键词:锰矿区;重金属;农田土壤;污染评价;来源分析中图分类号:X 文献标志码:A文章编号:()P o l l u t i o nE v a l u a t i o na n dS o u r c eA n a l y s i so fH e a v yM e t
4、 a l s i nF a r m l a n dS o i l sa r o u n dt h eT y p i c a lM a n g a n e s eM i n i n gA r e aZ HANGY o n g j i a n g,L IL u,MAS h u a n g,D E NG M a o,L IX i x i,WUL i j u n,Z HOUX u n p i n g(D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a n dQ u a l i t yT e s t,C h o n g q i n gC h e m i c a l
5、 I n d u s t r yV o c a t i o n a lC o l l e g e,C h o n g q i n g ,C h i n a;E c o l o g i c a lE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gS t a t i o no fN a n a nD i s t r i c t i nC h o n g q i n g,C h o n g q i n g ,C h i n a;E c o l o g i c a lE n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n gS t a
6、 t i o no fQ i a n j i a n gD i s t r i c t i nC h o n g q i n g,C h o n g q i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oe x p l o r et h ep o l l u t i o ns t a t u sa n d m a i ns o u r c e so fh e a v y m e t a l si nf a r m l a n ds o i l sa r o u n dt h eR o n g x im a n g a n e s em i n i
7、n ga r e a i nX i u s h a nc o u n t y,C h o n g q i n g T h ec o n t e n t so fC d,A s,P b,C r,N i,C u,Z na n dM ni ns o i l sw e r ed e t e r m i n e d,a n dt h es i n g l ef a c t o rp o l l u t i o ni n d e x,N e m e r o wp o l l u t i o ni n d e xa n d M u l l e ri n d e x w e r eu s e dt oe v
8、a l u a t et h ep o l l u t i o nl e v e la n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v y有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第 期m e t a l s M e a n w h i l e,c o r r e l a t i o na n a l y s i s,P C Aa n dA P C S M L R w e r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h es
9、 o u r c e sa n dc o n t r i b u t i o nr a t eo fh e a v y m e t a l si ns o i l s T h er e s u l t ss h o wt h a t M na v e r a g ec o n c e n t r a t i o ni np a d d ys o i li ss i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n t h a t i no t h e r f a r m l a n ds o i l s(p ),a n dt h ea v e r a g ec o
10、 n c e n t r a t i o n so fo t h e rh e a v ym e t a l sh a v en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ea m o n gd i f f e r e n tf a r m l a n ds o i l s(p )T h ec o m p r e h e n s i v eN e m e r o wp o l l u t i o n i n d e x i s s w e e t p o t a t o f i e l d()s o y b e a n f i e l d()c o r n
11、 f i e l d()p a d d y f i e l d(),t h es e q u e n c eo f h e a v ym e t a l p o l l u t i o n i sM n C d A s N i,Z n P b,C r a n dC u T h e a c c u m u l a t i o nd e g r e eo fh e a v ym e t a l s i ns o i l i sM nA s P bZ nN i C dC uC r T h ea n a l y s i so fp o l l u t i o ns o u r c e ss h o w
12、 st h a t t h e r e i s a s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nC d,P b,N i,C u,Z na n dM n(r ,p ),w h i c ha r e m a i n l ya f f e c t e db y m i n i n ga c t i v i t i e s,w i t hc o n t r i b u t i o nr a t e so f ,a n d ,r e s p e c t i v e l y M e a n w h i l
13、e,t h e r ei sas i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nA sa n dC r(r ,p ),w h i c h i sm a i n l ya f f e c t e db yn a t u r a l f a c t o r s s u c ha s s o i l p a r e n tm a t e r i a l,w i t hc o n t r i b u t i o nr a t e so f a n d ,r e s p e c t i v e l y T h e
14、r e f o r e,i t i sn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nt h es o u r c e c o n t r o l a n dp o l l u t i o np r e v e n t i o no fM na n dC d I na d d i t i o n,t h ea c c u m u l a t i o nd e g r e eo f e i g h th e a v ym e t a l sp o l l u t i o n i ns w e e tp o t a t ol a n di sh i g h e rt
15、h a nt h a t i no t h e rc r o pl a n d,t h u sc o r r e s p o n d i n gr e m e d i a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u t t op r e v e n t c o n t i n u o u sp o l l u t i o no f s w e e t p o t a t os o i l K e yw o r d s:m a n g a n e s em i n i n ga r e a;h e a v ym e t a l s;f a r m l a n ds
16、 o i l;p o l l u t i o na s s e s s m e n t;s o u r c ea n a l y s i s锰作为重要的战略矿产资源之一,在国民经济中具有十分重要的战略地位,被广泛应用于钢铁工业、化学工业、轻工业、建材工业、国防工业、电子工业及农牧业等重要领域 .然而,在开采矿产资源及随后的冶炼和加工过程中,由于技术落后、环保设施不完善和管理不善等原因,导致产生的工业废渣、废水和废气大量排放,从而对生态环境造成了严重的危害.锰矿区周边土壤重金属污染是最常见的环境问题之一,“三废”的任意排放会导致矿山附近农作物土壤受到显著污染 .同时,若矿区土壤中的重金属含量过高
17、,也会减缓植物的生长发育,甚至对植物产生一定的毒害作用 .此外,重金属具有生物富集性,能够通过食物链在人体内累积,从而对人类健康造成一定的影响.因此,增强对锰矿区周边农作物土壤重金属的污染现状研究和主要污染源风险调查,对开展区域性农作物土壤污染防治具有重要的指导作用.近年来,许多学者研究了锰矿区附近土壤重金属污染 .谢荣秀等 对湘潭锰矿废弃地土壤重金属污染进行了研究,结果表明该地区受到了较严重M n、P b和C d污染.黄钟霆等 对湖南省某典型关停锰矿区周边农田土壤重金属污染进行了调查,发现污染区存在严重的C d、Z n、A s和M n污染,C d、Z n和M n主要来源于锰矿开采过程,A s
18、主要来源于农业活动.李礼等 和李惠敏等 使用了多种方法分析了重庆市秀山县锰矿区的土壤重金属污染特征,发现土壤中含有较高浓度的C r和A s,此外,还发现该区域土壤M n的污染程度也较高.罗亚平等 使用多种分析方法对桂北荔浦锰矿区周边土壤污染进行了表征,结果表明,土壤M n、Z n和C d等重金属元素含量最高.沈良辰等 对广西某废弃锰矿厂废渣堆存区土壤重金属污染研究表明,研究区土壤受到轻微A s污染和重度C o污染,H g和C d也具有很强的潜在生态风险.由于地形、气候及土壤发育等条件存在差异,因此不同区域的土壤重金属污染状况也具有一定的差异性.我国“锰三角”地区,即重庆市秀山县、湖南省花垣县与
19、贵州省松桃县享有“世界第一锰都”的美誉 .目前,已有研究表明溶溪锰矿区土壤、植物和水体等已经受到重金属污染,但对于溶溪锰矿区不同农作物土壤重金属污染的比较研究较少.本文以重庆市秀山县溶溪镇锰矿区为研究对象,测定周边农用地土壤(水稻田、玉米地、红薯地和大豆地)中镉、砷、铅、铬、镍、铜、锌和锰的浓度,采用多种评价方法探究土壤重金属污染特征,并利用皮尔逊相关性分析、绝 对 因 子 得 分多 元 线 性 回 归 分 析(A P C S ML R)和主成分分析(P C A),对研究区土壤重金属的主要来源及其贡献率开展定量分析.试验部分 研究区域概况溶溪锰矿区坐落于重庆市秀山县,秀山县锰矿储量高达 万t,
20、年平均气温大于 ,平坝、浅丘地带平均气温在 ,属于亚热带季风气候,常年降水量为 mm,以上年份 年第 期有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)降水量在 l mm.溶溪锰矿区位于山地丘陵地带,最高海拔达 m.锰矿开采和冶炼区域存在大量的农用耕地,主要农作物为水稻、玉米、红薯和大豆.样品采集与测定根据研究区域地理位置空间分布情况,典型锰矿区农业用地分布在采矿区头道河、冶炼区溶溪河两岸,综合考虑锰矿开采和冶炼对周围农业用地土壤环境影响,共设置 个采样点,其中水稻田 个,玉米地个,红薯地个和大豆地个(图).使用双对角线点混合法收集研究区域表层土壤(c m)
21、样品,去除样品中的杂质后放入全新的聚乙烯塑料密封袋并贴上样品标签,带回实验室进行后续处理,采样点位的坐标信息采用G P S记录.土壤样品经自然风干后,用玛瑙研磨过 目标准筛(m),装入聚乙烯袋备用.图研究采样点位F i g S a m p l i n gp o i n t so f s t u d ya r e a土壤p H采用 土壤p H值的测定电位法(H J ),使用酸度计进行测定.样品中的C d、A s、P b、C r、N i、C u、Z n和M n微量重金属含量使用电感耦合等离子体质谱仪(I C P M S,A g i l e n t 型)进行测定.土壤的标准物质为G S S 和G S
22、 S (地球物理地球化学勘探研究所),每 个样品测定有证标准物质,其测定结果均在给出的不确定度范围内.此外,每 个样品做一个平行样,当采得的样品数少于 个时需要测定一到两个平行样,同时确保平行样的相对标准偏差,取其平均值.每 个样品中加入个空白样品,以检测测定样品的过程中是否受到污染,空白样品中微量重金属含量均小于测定样品的值.评价方法采用内梅罗指数法(PN)和单因子污染指数法(Pi)对土壤污染进行评价,计算时Si采用 土壤环境 质 量 农 用 地 土 壤 污 染 风 险 管 控 标 准(G B )中的风险筛选值,其中玉米地、红薯地和大豆地C d、A s、P b、C r和C u采用“其他”限值
23、;水稻田中C d、A s、P b和C r采用风险筛选值中的“水田”限值,C u采用“其他”限值.单因子污染指数和综合污染指数分级标准见文献 .采用地质累积指数法(Ig e o)定量评价土壤和沉积物重金属的污染程度,本研究选用的土壤背景参比值是重庆市土壤背景值.地质累积指数分级标准见文献 .A P C S ML R模型主要是通过P C A分析得到绝对主成分因子得分(A P C S),再将A P C S转化为每个污染源的贡献率.采用S P S S 软件进行数据分析,包括皮尔有色金属(冶炼部分)(h t t p:y s y l b g r i mm c n)年第 期逊相 关 性 分 析、P C A和
24、A P C S ML R,此 外,采 用E x c e l进行数据统计和图表制作.结果与讨论 污染土壤重金属含量表征表为研究区的表层土壤p H和重金属含量.以土壤环境质量(G B )作为标准,水稻田土壤P b、C r、N i、C u和Z n含量均低于风险筛选值,土壤样品中C d含量和 土壤样品中A s含量高于风险筛选值(M n没有相关参考值,因此未做比较).玉米地土壤A s、P b、C r、N i、C u和Z n含量均低于风险筛选值,土壤样品中C d含量高于风险筛选值.红薯地土壤A s、P b、C r和C u含量均低于风险筛选值,土壤样品中C d含量、土壤样品中N i含量和 土壤样品中Z n含
25、量高于风险筛选值.大豆地土壤A s、P b、C r、N i、C u和Z n含 量 均 低 于 风 险 筛 选 值,土壤样品中C d含量高于风险筛选值.根据土壤环境质量标准,当土壤污染物含量高于风险筛选值时,会对食用农产品安全生产造成一定的威胁,因此,在日常生活中应结合当地实际情况加强对研究区农作物中C d的监测.水稻田土壤p H均值为 ,玉米地土壤p H均值为 ,红薯地和大豆地土壤p H均值分别为 和 ,不存在显著差异性(p ).此外,红薯地土壤中的C d、N i、C u和Z n均值含量表现为略高于其它农作物土壤,大豆地土壤A s均值含量略高于其它农作物土壤,玉米地土壤P b和C r均值含量略
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