有色矿业区耕作土壤、蔬菜和大米中重金属污染研究

生态环境2007,16(4):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（20507022）作者简介：郭朝晖（1971－），男，博士，副教授，研究方向为土壤污染化学、环境生物技术与矿冶生态环境工程。Tel:[phone](O)；E-mail:[e-mail]*现在重庆三羊钛业有限公司工作。收稿日期：2007-02-09本文由【中文word文档库】搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习、社会经济等word文档下载有色矿业区耕作土壤、蔬菜和大米中重金属污染郭朝晖，宋杰，陈彩*，程义中南大学冶金科学与工程学院环境工程研究所，湖南长沙410083摘要：有色金属矿业区周边土壤重金属污染严重，对我国生态环境质量、食品安全和人体健康构成了一定威胁，研究典型矿业区周边复合污染地带的土壤环境质量及其食物安全对促进其可持续发展具有深远的意义。从湖南省的长沙、株洲、衡阳、郴州等有色金属矿业区收集耕作土壤、蔬菜和大米样品，结合主成分分析、聚类分析和相关分析，研究其中重金属元素的累积和迁移特征，评估蔬菜和大米中重金属元素对人体健康的潜在危害程度。研究结果表明，耕作土壤中主要重金属污染元素为Cd、As、Pb、Cu、Zn等；主成分分析表明，菜地土中第一主成分主要反映了Pb、Zn、Cd、As的复合污染信息以及与土壤pH的相关关系；水稻土中第一主成分主要反映了Cu、Zn、Pb、Cd的复合污染信息；聚类分析进一步阐明耕作土壤以Cd、Pb、As、Cu、Zn为主的复合污染特征。研究区蔬菜中Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr含量，大米中Cd、Pb和Zn含量均明显超过我国食品卫生标准；蔬菜中Cd、Pb、As和大米中Cd、Pb对人体健康的潜在危害较大。关键词：有色金属矿业区；耕作土壤；蔬菜；大米；多元分析中图分类号：X53；X56文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）04-1144-05人类矿业生产活动严重扰动了表生带地球化学元素平衡。在一些典型工矿业地区，土壤重金属环境容量已趋于基本饱和，大量工矿业“三废”的产生和环境保护的矛盾日趋突出。据统计，目前我国矿区废弃地面积已达40000hm2，且每年以200hm2的速度增长[1]。矿区周边土壤重金属污染严重，矿山尾矿、冶炼废渣等造成的土壤污染问题在一些典型地区已经产生了明显的生态环境危害效应[2-5]，由于重金属污染的隐蔽性、持久性以及污染后果的严重性，对我国生态环境质量、食品安全、人体健康和农业可持续发展构成了一定威胁[6-7]，研究我国典型工矿区周边复合污染地带的土壤环境质量对促进其可持续发展具有深远的意义。湖南是有色金属之乡，郴州柿竹园地区、衡阳水口山地区、株洲清水塘地区等有色金属矿业区引起的土壤中镉、铅、砷、锌等重金属污染严峻[8]，甚至导致蔬菜和大米中镉、铅等重金属超标[9-10]。然而，就湖南省有色矿业区周边农业生产土壤中重金属的生态环境效应与潜在危害程度了解相对较少[11-12]。本研究以湖南省典型有色金属矿业区周边耕作土壤、蔬菜和大米样品为研究对象，研究重金属尤其是Cd、Pb、As的污染状况，并探讨和评价长期有色矿业活动对其周边耕作土壤、蔬菜和大米的潜在生态环境风险，为湖南省典型有色金属矿业区重金属污染土壤的生态修复与可持续利用提供科学依据。1材料与方法从湖南省的长沙、株洲、衡阳、郴州等典型有色金属矿业区周边地区收集耕作土壤样品73个，白菜(BrassicachinensisL.)、莴笋(Lactucasativavar.angustanaIrish)、包菜(Brassicapekinensis(Lour.)Rupr.)、花椰菜(Brassicaoleraceavar.botrytisL.)、萝卜(DaucuscarotaL.var.SativaHoffm)、冬苋菜(Herbaacalyphae)、辣椒(Capsicumannumvar.longum)等蔬菜样品39个，大米样品19个。将土样自然风干，过2mm筛，一半研碎过60目筛，备用。蔬菜样品在自来水和去离子水下清洗干净，在105℃杀青30min后于65~70℃烘干至恒质量。烘干蔬菜样和大米样粉碎备用。土壤pH值采用pH计(ThermoOrion-420A)进行测定(水土质量比为2.5∶1)；土壤和植物样品分别采用HNO3-HF-HClO4法和HNO3-HClO4法消煮[13]。同时做土壤标准样(GBW08303)、植物样标准样(GBW08513)和平行全空白样。所有样品中重金属含量采用ICP(美国热电元素公司IntrepidⅡXSP等离子发射光谱仪)进行测定。测试数据采用SSPS11.0和Excel2003进行统计分析。郭朝晖等：有色矿业区耕作土壤、蔬菜和大米中重金属污染11452结果与分析2.1耕作土壤中重金属从表1可以看出，与湖南省土壤背景值相比，研究区土壤中重金属含量均很高，尤以Cd、Pb最为显著，反映出有色矿业活动长年污染造成的Cd和Pb等重金属在其周边耕作土壤中的大量积累。长沙、株洲和衡阳三地矿区耕作土壤中As的变异系数分别达到了254%、287%和180%，Cd、Cu、Pb、Zn的变异系数次之;郴州矿区耕作土壤中Cd的变异系数达到了198%，其次为As和Zn。由此说明长沙土壤中As、Cu和Pb，株洲土壤中As、Zn和Cd，衡阳土壤中As、Pb和Cu，郴州土壤中Cd、As和Zn的区域变幅明显。这主要与长沙地区的原有矿业活动以Pb、Zn、Cu多金属矿开采和Zn冶炼为主，株洲地区主要为长期的大型Pb、Zn冶炼活动，衡阳地区主要为Pb、Zn多金属矿开采、Pb、Zn冶炼及化工生产活动，而郴州地区主要受多金属有色矿业影响等密切相关。然而，研究区土壤中Cr的变异系数和平均值均较小，揭示了有色金属矿业区周边耕作土壤中主要污染元素为Cd、Pb、As、Cu和Zn，与Pb、Zn为主的有色金属采选冶活动密切相关。将研究区所收集的耕作土壤样品根据其利用类型分为菜地土和水稻土(表2)，菜地土和水稻土中As的变异系数分别为187%和285%，菜地土中Cd、Cu、Pb，水稻土中Pb、Zn、Cu的变异系数也较大，一定程度上揭示了研究区菜地土主要污染元素为As、Cd、Cu、Pb，水稻土主要污染元素为As、Pb、Zn、Cu，菜地土和水稻土中As、Pb、Cd、Cu、Zn等污染严重。然而，在菜地土和水稻土上As、Cd、Cr、Zn含量存在明显差异：菜地土靠近城市和矿区，受采矿活动和工业污染影响更大；常用农药、肥料尤其是磷肥进一步增加了菜地土中As、Cd等重金属的污染程度；在生产使用过程中常施石灰改良使土壤中重金属流失程度降低，从而导致菜地土中As、Cd等重金属的污染程度反而比水稻土上严重。Zn污染主要来源于矿体和矿业加工活动，但菜地土上Zn含量明显低于水稻土；Cu、Pb在菜地土和水稻土上含量基本相当，可能与其来源基本相同、环境迁移性较差有关，出现这种结果的原因有待进一步研究和探讨。为了揭示研究区菜地土和水稻土中重金属元素间的相互关系，按特征值和特征向量累计贡献率大于85%的原则选取5个主成分，分别求其因子荷载矩阵[15-16]。根据土壤中重金属元素的因子荷载矩阵第一、第二主成分所对应的特征向量中pH、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等7个分量，以F1作为横坐标，F2作为纵坐标得到6种重金属和pH的直观分类图(图1)。从研究区菜地土所对应的直观分类图1(a)可以看出，第一、第二主成分累积方差贡献率已经达到58.12%。Pb、Zn、Cd、pH、As归为一类，作为第一主成分，能解释接近50%的信息量，主要反映了Pb、Zn、Cd、As在菜地土中的复合污染信息及其与土壤pH的相关关系，依次与Pb、Zn、pH、Cd、As之间存在显著正相关。作为第二主成分，与Cr和pH正相关，与Cu负相关。同样，从研究表1研究区耕作土壤中重金属含量及其污染特征Table1Contentandpollutioncharacteristicsofheavymetalsintheculturedsoilsfromthestudiedareasmgkg-1元素AsCdCrCuPbZn长沙(n=18)MSD58.7149.18.17.9117.090.3292.5402.8402.8547.2506.8410.4CV2.540.980.771.381.360.81F4.231001.8311.715.495.63株洲(n=23)MSD186.3533.823.521.8133.5103.1505.8456.21084.1823.73467.63781.4CV2.870.930.770.900.761.09F13.70290.122.0920.2341.7038.53衡阳(n=19)MSD126.2227.811.613.472.273.9211.6338.41048.91841.41023.71358.7CV1.801.151.021.601.751.33F9.28143.211.138.4640.3411.37郴州(n=13)MSD599.4701.65.210.3143.988.1324.3291.8934.2707.01120.11084.6CV1.171.980.610.900.760.97F44.0764.202.2512.9735.9312.45湖南土壤背景值[14]13.60.08164.025.026.090.0M为平均值;SD为标准差;CV为变异系数,%;F为土壤中重金属平均值与湖南土壤背景值的比值表2菜地土和水稻土中重金属含量Table2Contentofheavymetalsinthevegetablesoilsandpaddysoilsmgkg-1元素AsCdCrCuPbZn菜地土(n=38)M258.6115.34131.43329.26864.951236.77SD484.3919.8497.02341.58736.911171.66CV18712973.8210385.2094.74水稻土(n=35)M161.0911.2389.30360.78887.612164.40SD459.7311.9683.97435.441465.423469.42CV285106.5094.03120.69165.10160.29M为平均值;SD为标准差;CV为变异系数,%1146生态环境第16卷第4期（2007年7月）区水稻土所对应的直观分类图1(b)可以发现，第一、第二主成分累积方差贡献率已经达到62.64%。作为第一主成分，Cu、Zn、Pb、Cd归为一类，能解释接近50%的信息量，主要反映了Cu、Zn、Pb、Cd的复合污染信息，依次与Cu、Zn、Pb、Cd正相关。其中，Cu、Pb和Zn之间存在紧密的相关性；pH与Cu、Zn之间正相关。As与pH分别归为一类，作为第二主成分，与As正相关，与pH负相关，主要反映了As污染信息与pH变化对土壤中其他重金属的影响程度。主成分分析结果进一步表明，菜地土和水稻土的污染可能主要源自铜矿和铅锌矿中的Cu、Pb、Zn、Cd。对研究区菜地土和水稻土上重金属及其pH进行系统聚类(R型)[17]。从图2可以看出,菜地土体系可分为三个大类：第一类中包括Pb、Zn、As、Cd和pH，尤以Pb和Zn关系最为密切，第二类是Cr，第三类是Cu；水稻土体系同样可分为三个大类：第一类中包括Cu、Zn、Pb和Cd，尤以Cu和Zn关系最为密切，第二类是pH和Cr，第三类是As。进一步阐明了有色矿业区周边耕作土壤以Cd、Pb、As、Cu、Zn为主的复合污染特征。2.2蔬菜和大米中重金属研究区蔬菜和大米样品中重金属的平均含量均超过国家食品卫