東北老工業(yè)基地不同土地利用類型土壤重金屬污染特點

1、第36卷第3期2011年3月環(huán)境科學(xué)與管理收稿日期:20100913作者簡介:李玉文(1965,男,博士,教授,東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)科帶頭人,主要從事環(huán)境科學(xué),環(huán)境生物學(xué),環(huán)境影響評價方面的研究工作。通訊聯(lián)系人:王粟文章編號:16746139(201103011805東北老工業(yè)基地不同土地利用類型土壤重金屬污染特點李玉文,王粟,崔曉陽(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱150040摘要:以東北老工業(yè)基地北部城市群為例,對其重點區(qū)域及周邊的不同土地利用類型中Hg ,Pb ,Cr ,Zn4種元素進(jìn)行測定分析,利用單因子污染評價和多因子污染評價方法進(jìn)行評價。結(jié)果表明,4種元素在不同利用類型土壤中,汞

2、和鉛在土壤中的遷移能力較弱,且汞元素在土壤中積累程度不高,只是在個別區(qū)域其含量有所波動;鉛在農(nóng)田和工業(yè)用地土壤中都有一定的積累,但向其他利用類型土壤的遷移效果不明顯;鉻在個別區(qū)域的旱田,蔬菜地中的積累略高,并遷移威脅到了其周圍的林地土壤;鋅在某些地區(qū)的工業(yè)用地,旱田,蔬菜地的污染程度相比其他幾種元素污染更為嚴(yán)重。關(guān)鍵詞:土壤;利用類型;重金屬;污染;評價中圖分類號:X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AThe Different Land use Types Characteristics of Heavy MetalsPollution in China's Northeastern Old Indu

3、strial BaseLi Yuwen ,Wang Su ,Cui Xiaoyang(College of Forestry ,Northeast Forestry Universtry ,Harbin 150040,China Abstract :The contents of heavy metals (Hg ,Pb ,Cr ,Zn in different land use types soil form the focus and the surroundingarea of China's Northeastern Old Industrial Base were analy

4、zedMoreover ,evaluate them with Single factor evaluation and multi factor evaluation methdsThe results showed that the four kinds of elements in different land use types soil ,the movement ability of Hg and Pb is weak and the accumulative extent of Hg is not high in soil ,the content may fluctuate o

5、nly in a few region ;Pb has a certain accumulation in arid areas ,vegetables areas and industrial areas ,but the movement effect is not obvious to other land use types soil ;Cr has a slightly high accumulative extent in a few arid areas and vegetables areas ,and its movement threatens the ambient fo

6、rest areas ;Zn has more serious pollution compared with the other elements in some region such as industrial areas ,arid areas and vegetables areasKey words :soil ;land use types ;heavy metal ;pollution ;evaluation東北是中國重要的老工業(yè)基地,也是重要的糧食生產(chǎn)基地1,其土壤主要以黑土和黑鈣土為主,理化性狀好,有機(jī)質(zhì)含量高,顆粒結(jié)構(gòu)好,養(yǎng)分含量豐富,自然肥力高2。重金屬在土壤一植物一微

7、生物這一生物鏈中,對各個環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生毒性生態(tài)效應(yīng)3,當(dāng)含量超過一定限度或土壤容量時,就會影響土壤微生物的活動和土壤酶的活性,同時污染土壤和地下水,對動植物的生長及人類健康造成危害。隨著工業(yè)發(fā)展,城市污染加劇以及農(nóng)業(yè)農(nóng)藥化肥的施用,導(dǎo)致大量重金屬通過多種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境。國內(nèi)的一些研究,從不同人類活動類型出發(fā),比較不同人類活動影響下土壤重金屬的潛在風(fēng)險。結(jié)果表明,城市化進(jìn)程的加快和農(nóng)業(yè)活動已導(dǎo)致土壤重金屬一定程度的積累4。且重金屬在土壤中的分布和遷移受其土壤理化性質(zhì),周圍企業(yè)的排污模式以及與企業(yè)距離的影響5。同時由于土地利用方式的類型不同,其相同元素在不同的利用類型間的含量及污染程度也存在著一

8、定的差異。·811·汞(Hg,鉛(Pb,鉻(Cr,鋅(Zn都是土壤中重要的元素,其中鋅是作物生長的必須的微量營養(yǎng)元素,汞,鉛,鉻都是有毒元素。本文以東北老工業(yè)基地北部城市群為例,在其重點區(qū)域及周邊地區(qū),對土壤按照不同的利用方式分為旱田,蔬菜地,草地,林地,工業(yè)場地,未利用地六種類型,通過對汞,鉛,鉻,鋅四種元素在這六種類型土地中的特點進(jìn)行對比和評價,分析其中的特點。1研究方法11采樣及測定方法采樣點分布在東北老工業(yè)基地北部城市哈爾濱,齊齊哈爾,雞西,佳木斯,大慶五個城市,其中雞西市是全國重要的礦產(chǎn)區(qū);大慶市主要以石油產(chǎn)業(yè)為主,土壤pH值高,多為鹽堿地,兩座城市均是典型的以自

9、然資源開采為主,資源型產(chǎn)業(yè)在城市經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)位置6。哈爾濱,齊齊哈爾,佳木斯均有眾多大中型企業(yè),重金屬污染種類比較復(fù)雜。文章根據(jù)六種土地利用類型進(jìn)行劃分,采用隨機(jī)布點的方法,按S形線路采樣,并盡量避免在路邊和溝邊等特殊地形的部位上取樣。采集土壤A 層剖面土。采樣深度為0cm 20cm,去除土壤中較大的沙粒,對于農(nóng)田和林地土壤等還要注意去除夾帶的根系,放入通氣的塑料袋中,低于4保存。采回后的新鮮土樣經(jīng)過處理,配制不同比例標(biāo)準(zhǔn)溶液組,另附一個空白組。按土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中選配的分析方法中規(guī)定的樣品處理方法進(jìn)行分析(見表1。表1樣品檢測分析采用方法項目處理方法檢測儀器檢測方法汞V2O5HNO3H2SO

10、4SnCl·H2O測汞儀冷原子吸收法鉛王水H2O2HNO3H3PO4原子吸收光譜儀石墨爐原子吸收分光光度法鉻H2SO4HNO3HFHCl原子吸收光譜儀火焰原子吸收分光光度法鋅HCl原子吸收光譜儀火焰原子吸收分光光度法12評價方法根據(jù)分析得出的數(shù)據(jù)結(jié)果,按照環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),通過SPSS170,Excle2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并進(jìn)行檢驗。并采用土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB156181995為土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的評價標(biāo)準(zhǔn),采用單因子評價指數(shù)法進(jìn)行評價,單因子污染指數(shù)(Pi的計算公式如下:單因子污染指數(shù)(Pi=土壤污染實測值/土壤污染物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價的標(biāo)準(zhǔn),Pi1,表示未污染;Pi1,表示污染。P

11、i越大,污染越嚴(yán)重。但是在實際情況中,常出現(xiàn)多種污染物同時污染某一區(qū)域土壤的現(xiàn)象,單因子評價難以表示它們的整體污染水平,這時就采用多因子評價方法7。采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算土壤各元素在每種類型土地中的污染指數(shù),并進(jìn)行污染的分級,此方法在可反映污染的程度的同時還可以突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用(見表2。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法,計算公式為:(P N=(PI均2+(PI最大2/21/2式中,P N為內(nèi)梅羅污染指數(shù);PI均為各污染物污染指數(shù)的算術(shù)平均值;PI最大為各污染物中最大的污染指數(shù)。表2內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)等級內(nèi)梅羅污染指數(shù)污染等級P N07清潔(安全07P N10尚清潔(警戒限10P

12、 N20輕度污染20P N30中度污染P N30重污染2結(jié)果與分析21土壤重金屬含量分析經(jīng)過樣品處理和分析后得到旱田,蔬菜地,草地,林地,工業(yè)用地,未利用地六種不同土壤利用類型Hg,Pb,Cr,Zn重金屬含量(見表3,汞在旱田,林地,未利用地的平均含量略高于背景值,而在蔬菜地,草地,工業(yè)用地的平均含量均低于土壤背景值,其中未利用地汞的變異系數(shù)為1.853說明在未利用地類型中不同區(qū)域的汞含量差異性較大;鉛在旱田,蔬菜地,工業(yè)用地的平均含量高于土壤背景值,其中蔬菜地的含量最高,為40.901mg/kg;鉻在旱田,蔬菜地,林地的平均含量高于土壤背景值,而林地的標(biāo)準(zhǔn)差為54.382,有個別值顯著高于其

13、背景本底值,根據(jù)樣品檢查,這可能是由于雞西市煤礦開采導(dǎo)致的一些外源性鉻進(jìn)入到了部分草地土壤當(dāng)中;鋅在·911·旱田,蔬菜地,林地,工業(yè)用地平均含量高于背景值,旱田,蔬菜地和工業(yè)用地的含量相對最高,分別為87.389mg /kg ,122.049mg /kg 和129.451mg /kg ,變異系數(shù)分別為0.987,土壤中汞鉛鉻鋅含量統(tǒng)計表重金屬/本底值利用類型平均含量(mg /kg 最小值(mg /kg 最大值(mg /kg 標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)偏度系數(shù)峰度系數(shù)汞(Hg 0.037mg /kg旱田旱田蔬菜地草地林地工業(yè)用地未利用地2600240901241192180031057

14、22521169053513314400198001970016900744004540031000247005740037300889529176071213412137569303420.07102520.098039102533457047802871034093714661657213991301067903601369鉻(Cr 586mg /kg旱田蔬菜地草地林地工業(yè)用地未利用地57676611184558577657529294808535000529343200048391433002410019780075172540871592006994910040023308942584

15、44543826079165920404015401850700011503454450074906701996101017792547415961279398627284173鋅(Zn 707mg /kg旱田蔬菜地草地林地工業(yè)用地未利用地87389122049623197335812945165621367005540543900573704230028000505494346253748001027003594281652008626911275210.067201271075963343109870924016202740831051035811672083516671439223713

16、04111320130301907045180根據(jù)土壤重金屬背景值,通過計算得到Hg ,Pb ,Cr ,Zn 的土壤基線值,并以它為標(biāo)準(zhǔn)對研究區(qū)域土壤樣品進(jìn)行超標(biāo)統(tǒng)計8,結(jié)果,汞的超標(biāo)率最低,為10%,超標(biāo)現(xiàn)象并不明顯;鉛,鉻,鋅的超標(biāo)率依次為27%,24%和22%,通過比對,發(fā)現(xiàn)超標(biāo)樣品多分布在旱田當(dāng)中,而其他土地利用類型的超標(biāo)率樣品數(shù)量相對較少。通過分析可知,4種元素在大部分區(qū)域基本沒有其外源元素進(jìn)入或外源進(jìn)入很少,僅是在局部區(qū)域有一定程度的積累。 圖1汞、鉛、鉻、鋅不同土地利用類型單項污染指數(shù)對比·021·22土壤重金屬單因子污染評價單因子評價是對土壤中某一種污染物的

17、污染程度進(jìn)行評價,評價標(biāo)準(zhǔn)為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 156181995,根據(jù)4種元素在6種不同土地利用類型中的平均單項污染指數(shù)(見圖1,可知,Hg含量污染指數(shù)大小依次為未利用地旱田林地蔬菜地工業(yè)用地草地,鉛含量污染指數(shù)大小依次為蔬菜地工業(yè)用地旱田草地未利用地林地,鉻含量污染指數(shù)大小依次為林地蔬菜地旱田工業(yè)用地未利用地草地,鋅含量污染指數(shù)大小依次為工業(yè)用地蔬菜地旱田林地未利用地草地。表4內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分級表旱田蔬菜地草地林地工業(yè)用地未利用地汞分級指數(shù)清潔0267清潔0.067清潔0.083清潔0.098清潔0.081尚清潔0938鉛分級指數(shù)清潔0697清潔0540清潔0348清潔0291清潔

18、0577清潔0385鉻分級指數(shù)尚清潔0729清潔0343清潔0250清潔0626清潔0310清潔0394鋅分級指數(shù)輕度污染1451輕度污染1038清潔0275清潔0357輕度污染1081清潔0503用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)7,9求得各元素六種土地利用類型的綜合污染指數(shù),(見表4,Hg的綜合污染指數(shù)大小依次為未利用地旱田林地草地工業(yè)用地蔬菜地,其中未利用地的綜合污染指數(shù)0.7,屬于尚清潔;Pb的綜合污染指數(shù)大小依次為旱田工業(yè)用地蔬菜地未利用地草地林地,Cr的含量大小依次為旱田林地未利用地蔬菜地工業(yè)用地草地,其中與單因子污染指數(shù)相比,旱田的污染情況變化相對較大,鉛的污染指數(shù)接近警戒限,而鉻在旱地中值0

19、.7屬于尚清潔,鋅的綜合污染指數(shù)大小依次為旱田工業(yè)用地蔬菜地未利用地林地草地,其中旱地,蔬菜地,工業(yè)用地的土壤鋅污染指數(shù)均1,有輕度污染,表明土壤重金屬積累已比較嚴(yán)重。汞進(jìn)入土壤后,有95%以上的汞能迅速被土壤吸附或固定,其遷移能力較弱,其主要來源是眾多工業(yè)把汞作為原料,或輔助原料,在生產(chǎn)中消耗大量的汞,另有一些是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對局部土壤造成污染10。以未利用地為例,通過樣品檢測,汞超標(biāo)樣點為1個,分布在大慶市,其單項污染指數(shù)大于8,屬重度污染。另有大慶2個樣點,雞西1個樣點的單項污染指數(shù)在0.8左右,污染值明顯超過其他樣點。造成這一原因可能是由于石油,尾礦的堆放風(fēng)化造成這一區(qū)域的汞或其他元素超過土

20、壤本底值,造成了污染。鉛在土壤中的遷移性較差,鉛的冶煉,是土壤鉛污染的主要污染源。另外,還有工業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢氣,廢水,通過空氣,水等介質(zhì)形成的二次污染10。鉛在各土地利用類型中的污染程度均屬于清潔區(qū),只是在旱田,蔬菜地,工業(yè)用地中綜合污染指數(shù)接近07,相對略高。土壤是鉻的富集體,其遷移轉(zhuǎn)化也非常復(fù)雜,多為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和化工,塑料等工業(yè)排放含鉻廢水加重土壤和地下水的污染10,根據(jù)數(shù)據(jù)可知,鉻超標(biāo)樣點1個,分布在雞西市,含量超過背景本底值,污染指數(shù)相對較高,其原因最有可能是與礦產(chǎn)資源開采有關(guān),高鉻礦石、尾礦排放、選礦廢水、礦山飄塵等進(jìn)入其周圍林地土壤導(dǎo)致了局部鉻超標(biāo),而對于其他地區(qū)的林地土壤,均低于

21、土壤本底值,說明林地土壤易受外源元素進(jìn)入的干擾,工業(yè)和農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的鉻污染遷移到了周圍的林地土壤當(dāng)中。鋅是農(nóng)作物生長的必須營養(yǎng)元素,污染土壤的鋅,主要是各工業(yè)排除的含鋅廢水以及冶煉過程中排入大氣的含鋅飄塵,此外還有向農(nóng)田大量施用含鋅化肥及污泥造成的。以雞西市為例,煤礦開采,尤其是石墨尾礦廢棄產(chǎn)生大量的鋅元素11,·121·另外旱田,蔬菜地長期施用鋅肥,造成土地鋅含量增加,其元素通過各種途徑遷移,還會威脅到周圍的其他利用類型土壤,這可能就是造成其工業(yè)用地,旱地,蔬菜地,包括周圍部分林地土壤輕度污染的主要原因。3結(jié)論工業(yè)生產(chǎn)中的污染物排放,農(nóng)業(yè)中單一品種農(nóng)作物的長期種植,肥料的不

22、合理施加及污水灌溉,都會造成不同土壤類型重金屬元素的積累,并會威脅周圍其他的土壤利用類型,主要是林地和未利用地。由數(shù)據(jù)結(jié)果,可以得出4種元素在不同利用類型土壤中,各元素在草地中的污染程度均相對較低,林地,未利用地容易因周圍工業(yè)場地和農(nóng)田土壤的污染而受到影響。汞和鉛在土壤中的遷移能力較弱,汞元素在土壤中積累程度不高,只是在個別區(qū)域其含量有所波動;鉛在農(nóng)田和工業(yè)用地土壤中都有一定的積累,但向其他利用類型土壤的遷移效果不明顯;鉻在土壤中的遷移能力較強(qiáng),受工業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響,在個別區(qū)域的旱田,蔬菜地中的積累略高,并遷移威脅到了其周圍的林地土壤當(dāng)中;鋅是作物生長的必須營養(yǎng)元素,工業(yè)生產(chǎn)排除的含鋅污染物,

23、以及鋅肥在農(nóng)業(yè)中被大量的施用,在某些地區(qū)的工業(yè)用地,旱田,蔬菜地的污染程度較高,相比其他幾種元素,污染更為嚴(yán)重。參考文獻(xiàn):1劉江生東北老工業(yè)基地渾蒲灌區(qū)土壤中多環(huán)芳烴污染特征、斷代、溯源及風(fēng)險評價研究D山東:山東大學(xué), 20092隋躍宇,張興義,張少良,等黑龍江典型縣域農(nóng)田黑土土壤有機(jī)質(zhì)現(xiàn)狀分析J土壤通報,2008,39(1:1861883王農(nóng),樊娟,劉春光,等農(nóng)田重金屬對“土壤植物微生物”系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)J農(nóng)業(yè)環(huán)境與管理,2008,25(3:89974賈琳,楊林生,歐陽竹,等典型農(nóng)業(yè)區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價J農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,28(11: 227022765嚴(yán)連香不同工業(yè)企業(yè)周圍

24、土壤作物系統(tǒng)重金屬空間變異及其轉(zhuǎn)化規(guī)律研究D南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 20046陳群元,宋玉祥,張平寧,等東北老工業(yè)基地振興面臨的城市化問題與對策J城市規(guī)劃匯刊,2004(2:47517李夢紅,黃現(xiàn)民,鄭家文,等新泰市農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀及評價J安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(31麗華阜新市農(nóng)田土壤重金屬污染分析J遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2009,28(3:4914939陳伯揚重金屬污染評價及方法對比以附件淺海沉積物為例J地質(zhì)與資源,2008,17(3:21321810王云,魏復(fù)盛土壤環(huán)境元素化學(xué)M北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,199511劉文勇,滿秀玲雞西礦區(qū)廢棄地重金屬含量及其污染評價J水土保持學(xué)報,2007,21(6:櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗7074(上接第31頁參考文獻(xiàn):1參天水利資源工程研考會工作通報R2006(452王國賢,孫立波內(nèi)蒙古東部污灌區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查與評價J陜西科技,2007(23A N Angelakisa,L BontouxWastewater reclamation and reusein European coun