廢棄電子垃圾消解影響區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量空間分布特征

廢棄電子垃圾消解影響區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量空間分布特征

信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展不僅使人們能夠享受生活，而且還帶來了新的環(huán)境問題?！娮永ｋ娮永哂匈Y源再生性和潛在環(huán)境污染性的雙重特點。它不僅具有金、銅、鋁、銀等多種貴金屬以及塑料的回收利用的價值,還含有鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等大量有害物質(zhì)。如果回收利用處置不當或者任意丟棄,則將成為重要的環(huán)境污染源而危害生態(tài)和人體健康及生命安全。農(nóng)田重金屬污染在環(huán)境中難以降解并具有持久性,可通過食物鏈在動植物體內(nèi)積累,從而對生物和人體健康構(gòu)成威脅。長江三角洲某典型區(qū)擁有中國最大廢舊金屬回收產(chǎn)業(yè),并具有完整的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。鏈的起端是源于20世紀70年代末的廢舊拆解業(yè),終端為電機、軸承等制造行業(yè),中間的鏈接點是廢舊金屬的交易市場。廢舊拆解物資來源以進口物資為主,主要包括廢舊電機、電線電纜、五金電器、箱殼和機械零件等。長期以來,這些物資采用傳統(tǒng)的手工作坊式生產(chǎn),造成大量金屬溶解化學材料直接或通過污灌進入農(nóng)田土壤。農(nóng)田土壤的重金屬污染成為該地區(qū)所面臨的主要問題。已有的研究根據(jù)近似沿某條線采集的50個左右表層土壤樣品分析得出,研究區(qū)表層土壤以Cu、Pb、Zn和Cd為代表的重金屬污染嚴重。另有以自然村為研究尺度采集16個水稻田土壤表層樣品對其土壤重金屬含量進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)其中Cu、Pb兩種重金屬含量較高且存在一定污染。前人的工作均以研究區(qū)局部土壤作為對象開展研究,但還沒揭示整個廢棄電子拆解影響區(qū)土壤Cu、Pb、Zn和Cd的污染特征。鑒于此,本文擬以該廢棄電子垃圾拆解影響區(qū)農(nóng)田土壤作為研究對象,應(yīng)用地統(tǒng)計學分析和GIS空間表征相結(jié)合的方法對表層土壤重金屬元素Cu、Pb、Zn和Cd含量的空間分布特征進行分析和表征,旨在闡明該區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素的空間分布規(guī)律和污染現(xiàn)狀,為該區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量評價和土壤污染修復(fù)提供科學依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)1.1對土壤改良的適應(yīng)研究區(qū)位于浙江省中部沿海,屬中亞熱帶季風氣候,溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明,全區(qū)地形西高東低,由西向東南傾斜,呈狹長形,全區(qū)總面積27.4km2。該區(qū)位于溫黃平原東南側(cè),區(qū)內(nèi)河道縱橫,湖塘密布。因成陸時間和耕作歷史不同,導致土壤脫鹽脫鈣程度不同,土壤類型復(fù)雜多樣,形成了不同土系。當?shù)剞r(nóng)業(yè)以種植水稻為主,也有蔬菜和葡萄等經(jīng)濟作物種植。當?shù)刂еa(chǎn)業(yè)為由廢舊拆解所衍生出的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈,民企用于生產(chǎn)的80%的原材料,來自拆解業(yè)。廢舊金屬經(jīng)過拆解者的分割組合,分類出售,如薄板、矽鋼片等,大的做家用電器的沖壓件,小的做墊圈;厚的做小農(nóng)具和小商品中的合頁,薄的做軸承密封圈等,利用率達到90%以上。但是剩下的近10%的拆解廢料,有的堆積于田間地頭,有的直接傾倒到河岸,還有的露天燃燒。拆解業(yè)始于改革開放初期,開始散戶拆解,拆解散戶最多時達近萬家。1999年后,陸續(xù)有企業(yè)搬遷到新建立的16hm2和1hm2的拆解園區(qū)內(nèi),但是園區(qū)內(nèi)企業(yè)仍舊向當?shù)氐墓喔群泳W(wǎng)排泄廢水,形成大片的污水灌溉農(nóng)田。1.2研究區(qū)的概況廢舊電子垃圾拆解產(chǎn)業(yè)的特點是原料和產(chǎn)品均依靠公路網(wǎng)輸入和輸出,拆解的過程中需要水的沖洗。采樣現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),研究區(qū)有2個拆解園區(qū),其具體位置如圖1所示,東邊的拆解園區(qū)占地面積較大,共16hm2,西邊拆解園區(qū)占地較小為1hm2。根據(jù)資料,西邊的園區(qū)建立要早于東部園區(qū)。研究區(qū)的主要道路(見圖1)是東北-西南走向的國道、省道及與其連接的東西走向的聯(lián)系各個自然村的柏油、水泥路。河流的分布、走向與道路的基本一致,具體見圖1。研究區(qū)的工業(yè)比較齊全,但以拆解企業(yè)為主。拆解企業(yè)主要分布在兩個園區(qū)內(nèi),農(nóng)村村落里也有零散的拆解地點,但規(guī)模不大。此外,在研究區(qū)的西南部有電鍍廠的存在。2學習方法2.1樣品采集和采樣位置考慮到土地利用類型和污染源分布,兼顧均勻性和易實施性,共布設(shè)197個樣點,采樣深度為0～20cm。采樣位置如圖1所示,水稻田樣品110個、葡萄園樣品26個、菜地樣品25個、甘蔗地樣品18個和其他農(nóng)用土壤樣品18個。每個采樣點的經(jīng)緯度均用GPS精確定位,樣點周圍的環(huán)境均有詳細的記載。2.2pb和cd全量、cd全量和石墨爐分光光度法土壤重金屬Cu、Zn、Pb、Cd全量采用王水—高氯酸消煮,Cu、Zn和Pb全量采用原子吸收分光光度法測定,而Cd全量用石墨爐原子吸收分光光度法(VarianSpectrAA220FS)測定。為保證分析結(jié)果的可靠性,分析過程中均以國家標準物質(zhì)土壤標準參考樣(GSS系列)作內(nèi)標。2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用的圖件資料是研究區(qū)土地利用圖;圖件在Arcinfo軟件環(huán)境下矢量化;數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS13.0軟件;半方差函數(shù)的擬合在GS+中進行、克里格插值圖在ArcGIS環(huán)境中完成。2.4污染評價方法2.4.1評估方法采用單因子污染指數(shù)法和綜合因子污染指數(shù)法進行評價,具體參照文獻。2.4.2污染程度分級參照文獻的分級標準,以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準二級質(zhì)量標準值為參照,將其污染程度分級為:若以Pi表示污染指數(shù),則Pi≤1,無污染(清潔);1<Pi≤2,輕度污染;2<Pi≤3,中度污染;Pi>3,重度污染。3結(jié)果與討論3.1重金屬污染程度的評價通常情況下,當偏度系數(shù)處在-1～1之間,樣本符合正態(tài)分布。由表1的偏度系數(shù)可知,土壤重金屬元素Cu和Pb經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)化后服從正態(tài)分布,而Zn和Cd的偏度系數(shù)雖然不在[-1,1]之間,但最大僅為1.392,可以近似看作正態(tài)分布。從變異系數(shù)看,除Pb的變異系數(shù)在0.1～0.5之間屬中等程度變異外,其余重金屬元素的變異系數(shù)均大于0.5,屬強變異程度,Cd的變異系數(shù)高達2.00。說明該研究區(qū)的土壤重金屬Cu、Pb、Zn和Cd的含量受人為擾動較為明顯,與前人在該地區(qū)的研究結(jié)果相吻合。4種重金屬的空間變異順序為:Cd>Cu>Zn>Pb。研究區(qū)土壤樣品中重金屬平均含量分別為Cu118mgkg-1、Pb47.9mgkg-1、Zn169mgkg-1、Cd1.21mgkg-1,均高于當?shù)氐淖匀槐尘爸?Cu33.8mgkg-1、Pb34.2mgkg-1、Zn106mgkg-1、Cd0.159mgkg-1)。其中,土壤中Cu、Pb、Zn和Cd分別有92.9%、85.8%、90.4%和61.4%的樣品個數(shù)超過當?shù)氐淖匀槐尘爸?。尤其是Cd,已經(jīng)高于國家土壤環(huán)境的三級標準(1.0mgkg-1),說明研究區(qū)局部地點Cd污染極為嚴重。為了更清楚地揭示研究區(qū)農(nóng)田土壤環(huán)境的現(xiàn)狀,以《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準》的二級標準的最低值(Cu50mgkg-1、Pb250mgkg-1、Zn200mgkg-1、Cd0.30mgkg-1)作為評價標準,利用單因子指數(shù)法和綜合因子指數(shù)法對Cu、Pb、Zn和Cd等4種土壤重金屬的污染程度進行了評估。兩種評價的結(jié)果表明,4種重金屬的污染程度順序為Cd>Cu>Zn>Pb。Cu和Cd屬于重度污染,Zn屬于中度污染,而Pb則處于清潔狀態(tài)。3.2小尺度土壤重金屬的區(qū)塊基比從表2可以看出,農(nóng)田土壤中4種重金屬Cu、Pb、Zn和Cd均可用球狀模型進行預(yù)測(其決定系數(shù)分別為:0.72、0.82、0.98和0.96)。塊金常數(shù)通常表示由于試驗誤差和小于試驗采樣尺度所引起的變異。如果塊金常數(shù)較大。表示較小尺度上的某些過程影響不容忽視。本研究中,4種重金屬的塊金值均小于0.30。說明它們受小尺度過程的影響更大。土壤中Cu、Zn和Cd的塊基比(C0/(C0+C1)均小于25%,說明這3種重金屬元素呈空間強相關(guān)。而土壤Pb的塊基比介于25%至75%之間為中等程度空間相關(guān)。加之4種重金屬的有效變程均小于100m,說明4種重金屬的空間分布均主要受隨機因素(如污染等人為活動)的影響。3.3兩個拆分園區(qū)及其周邊的cd、n的復(fù)合污染用克里格插值法得出4種重金屬在土壤中的空間分布見圖2。土壤中Cu的高濃度區(qū)主要集中在1600畝(1畝=666.7m2)拆解園區(qū)中的污水灌溉區(qū)內(nèi)。土壤中Pb的高濃度區(qū)集中在100畝的拆解園區(qū)內(nèi)。而Zn則集中在電鍍廠所在的東南部分,Cd在兩個拆解園區(qū)的附近濃度均較高,尤其以面積較大的拆解園區(qū)的污水灌溉區(qū)超標面積最大。圖2還可以看出,在兩個拆解園區(qū)及各拆解企業(yè)的周邊均存在Cu、Pb和Cd的復(fù)合污染。此結(jié)果與邵學新等發(fā)現(xiàn)在電子類企業(yè)周邊存在多元素的復(fù)合污染的結(jié)論相一致。另一方面,在研究區(qū)的西南部,則有以電鍍廠為主的多種企業(yè),存在Cu、Pb和Zn的復(fù)合污染。研究區(qū)土壤Cd的污染最為嚴重,是研究區(qū)應(yīng)該引起足夠重視的。當然,土壤Cd的污染不僅是長江三角洲地區(qū)[12,13,14,15,16,17],而且是全國其他地區(qū)土壤所面臨的問題。所以,對存在污染源的區(qū)域開展土壤污染研究時有必要重視Cd的污染。4研究區(qū)廢舊電子平臺污水灌溉農(nóng)田土壤重金屬污染情況1)研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cu、P