关键词镉污染;锌污染;hakanson潜在生态危害指数法;都龙矿区
中图分类号x143文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)22-0263-03
studyoncadmium&zincpollutionofsoilsandplantsindulongmine
li feng-weibei rong-tawu ming
(department of environment science & engineering,southwest forestry university,kunming yunnan 650224)
abstractthe analysis on samples of sediments,tailings,rice soils and plants in xiaobai river polluted by cadmium and zinc were tested. the results showed that soil sediments,tailings and rice soils all had been severely polluted by cd,and the zn content of rice soils and sediments were beyond the standard of soil environmental quality level ⅱ.the lars hankanson’s method was used to assess potential ecological risk of the heavy metals in xiaobai river. the assessment results showed that each sample point was high with potential ecological risk,which was caused by high levels of cd. in addition,zn and cd contents of plants growing in contaminated soils were much more than those in no polluted soils. it was indicated that the plants were severely polluted in contaminated soils. some measures should be adopted to integrate control for the polluted area.
key wordscadmium pollution;zinc pollution;potential ecological risk assessment of hakanson;dulong mine
金属矿产资源是不可再生资源,对国民经济的发展起着重要作用。但是矿山的开发及其一系列采矿、选矿经过加工程序都是高污染过程,尤其对河流、土壤、植物的污染更表现为直接性和危险性[1]。土壤重金属污染物造成土壤营养不良,导致土壤生产力低下,也影响着农产品的品质,已成为土壤环境科技工作者研究的首要问题[2]。
该研究通过对已受矿区污水污染的小白河流域的土壤,包括河流底泥、污染土壤,并对该地生长的几种植物进行分析测定,了解土壤中的镉(cd)、锌(zn)等重金属污染情况,从而对受污染的土壤提出合理的生态治理修复措施。
1材料与方法
1.1研究区概况
试验材料来源于云南省文山州马关县都龙镇小白河流域的三岔河。马关县位于云南省文山州南部,地处东经103°52′～104°39′、北纬22°42′～23°15′,属低纬度亚热带山地季风气候。年平均气温16.9 ℃,1月平均气温9.6 ℃,7月平均气温21.7 ℃,年均降水量1 345 mm,最大降水量1 776 mm,最小降水量1 027 mm。研究区马关县都龙矿区是锌、锡、砷和铁共生的多金属矿床,并伴生有铟、锗、镉、镓、钴、银等稀贵金属。
1.2样品处理方法
1.2.1土壤样品采集及处理。试验确定3块采样地,第1块样地是小白河三岔河段河岸底泥,第2块样地是已废弃的尾矿坝,第3块样地是远离重金属污染的距小白河200 m的水稻田。采用“之”字形的布点方法,按0～20 cm的深度取样,每个样点取5个混合土样。四分法弃取,保留1 kg土壤样品,贴好标签,带回实验室进行处理,清除枯根败叶,在阴凉处风干,磨碎,过100目尼龙筛,封装待测。
1.2.2植物样品的采集及处理。每个样地分别采集5种常见的植物5～10株,把根、茎、叶、果实混合在一起。5种植物为紫茎泽兰(eupatorium adenophorum spreng)、木贼(equisetum hyemale l sp pl)、多花抗子梢(multiforons clovershrub)、野牡丹(melastoma affine )、光叶蕨(knuiwatsukia cuspidata)。将采回植物鲜样洗净、切碎,放在阴凉处晾干。然后用瓷制研钵研碎,过20目尼龙筛,封装待测。
1.3测定方法
1.3.1植物样品的预处理。将标有号码的瓷坩埚在高温电炉中灼烧15～30 min,移至炉门口稍冷却,放入干燥器内冷却至室温,称重。必要时再次灼烧、冷却、称重,至恒重为止。在坩埚中准确称取磨碎、烘干、混合的样品2～3 g(称准到0.01 g),放在电炉上缓缓加热炭化,烧至无烟时移放在已烧到暗红色的高温电炉门口处,片刻后再放进炉内深处,关闭炉门,加热至约450 ℃(暗红色),在此温度下烧至灰分近于白色为止,大约需要1 h(0.75～2.00 h)。将坩埚移放在炉门口稍冷却,最后放入干燥器内冷却至室温[3]。用1∶1 hcl溶解灰分,定容到50 ml容量瓶中,待测。
1.3.2土壤样品消解。准确称取过80目的风干底泥样品0.3～0.7 g(精确至0.000 1 g)于小烧杯中,加少许蒸馏水润湿,加王水15 ml。同时做试剂空白试验。在电热板上加热微沸(140～160 ℃),至有机物剧烈反应后,加高氯酸5 ml,继续加热至冒浓白烟,强火加热至样品呈灰白色,小心赶去高氯酸(若出现棕色烧结干块,则继续加入少许王水,加热至灰白色)。然后,取下样品,用1%硝酸15 ml加热溶解,以中速定量滤纸过滤于50 ml容量瓶中,用少量水冲洗残渣,定容待测。
1.3.4标准曲线的绘制。吸取混合标准溶液(cd:10 mg/l;zn:10 mg/l)0、0.05、1.00、3.00、5.00、10.00 ml分别放入6个100 ml容量瓶中,用0.2%硝酸稀释定容;然后,按测定步骤测量吸光度,用经校准的吸光度对相应的浓度作图,绘制标准曲线。
1.3.5测定吸光度。按标准曲线的绘制方法测定样液中的吸光度,并在标准曲线上查出样液中镉、锌的浓度,最后计算水样、底质中2种重金属的含量。
1.3.6计算方法。土壤或植物中重金属含量的计算方法为:
式中:c—从标准曲线或线性方程上查到的各样液的浓度(mg/l);v—样液的定容体积(ml);w—样品的干重(g);a—土壤或植物中镉、锌的含量。
2结果与分析
2.1土壤中cd、zn含量分析
将小白河流域各采样点河流底泥、尾矿土和水稻土中的zn、cd含量(表1)与我国二、三级环境土壤标准进行比较,分析重金属zn、cd的毒性对土壤造成的危害。由表1可知,河流底泥cd含量为74.67 mg/kg,尾矿土cd含量为77.84 mg/kg,水稻土cd含量为11.19 mg/kg;分别是我国二级土壤环境标准的248.9倍、259.5倍和37.3倍。与我国三级土壤环境标准相比较,上述土壤cd的含量分别是相应标准的74.67倍、77.84倍和11.19倍,说明cd对该流域土壤污染严重。河流底泥zn含量为1 737.60 mg/kg,尾矿土zn含量为115.00 mg/kg,水稻土zn含量为715.74 mg/kg。尾矿坝土zn的含量为我国二级土壤环境标准的一半,而小白河流底泥和水稻土的zn含量分别是我国土壤二级环境质量标准的6.95倍和2.86倍。说明zn对该小白河流域河流底泥影响最大,河流底泥zn污染对河水相互影响,使受河水灌溉的水稻土受到影响,其zn含量比较高,但尾矿土壤没受到zn的污染。综上所述,对小白河流域土壤污染最大的重金属是cd,其次是zn。
2.2小白河流域植物cd、zn含量分析
(1)污染区植物重金属含量分析。在不同的生长区域各种植物中重金属的含量不同,通过对试验区5种植物重金属cd、zn含量分析,与无污染区作对照。由表2可知,受污染植物体内的重金属含量明显要高于对照,说明土壤环境中金属元素含量越高,植物体内的重金属含量也就高。对cd的吸收最为显著的植物是多花抗子梢,污染区生长的多花抗子梢植物体内cd含量是无污染区的1 314倍,该植物体内cd含量高达13.14 mg/kg。其次为光叶蕨和紫茎泽兰,污染区生长的光叶蕨体内cd含量是无污染区的1 033倍,污染区生长的紫茎泽兰体内cd含量是无污染区生长的354倍。因此,植物对cd的吸收能力依次为多花抗子梢>光叶蕨>紫茎泽兰。
对zn的吸收最为显著的植物是紫茎泽兰,污染区生长的紫茎泽兰体内zn含量是无污染区83.80倍,该植物体内zn含量为33.100 mg/kg,其次为光叶蕨和多花抗子梢,污染区生长的光叶蕨体内zn含量是无污染区的21.25倍,污染区生长的多花抗子梢体内zn含量是无污染区的6.98倍。因此,植物对zn的吸收能力依次为紫茎泽兰>光叶蕨>多花抗子梢。
(2)同一污染植物不同重金属的含量分析。由于同一种植物对不同的重金属敏感程度及其含量不同,重金属zn、cd对已污染的植物危害也不同。分别分析矿区紫茎泽兰、多花抗子梢、野牡丹和光叶蕨这4种植物的zn、cd含量,研究植物体内zn、cd富集程度及对其造成的危害。图1和表3表明紫茎泽兰体内重金属zn的含量明显高于其他3种植物,它们有着相同的生态环境,但紫茎泽兰比其他植物更加适宜zn污染的土壤环境;而紫茎泽兰对重金属元素cd的吸收表现出弱势,光叶蕨次之,多花抗子梢吸收的cd含量最高,在野牡丹中没有发现cd存在。表明多花抗子梢比其他3种植物更加适宜cd污染的土壤环境。光叶蕨体的重金属含量高于多花抗子梢,表明光叶蕨比多花抗子梢更加适宜重金属污染的土壤环境。
2.3小白河流域土壤重金属的生态危害评价
(1)评价方法。瑞典学者hakanson[4]提出的潜在生态危害指数法是评价重金属生态危害的常用方法。按照该方法,某区域土壤中第i种重金属潜在危害指数为:eri=tri(csi/cbi)。式中:csi为土壤中重金属i的实测值;cbi为重金属i的参照值(背景值);csi/cbi为富集系数;tri为毒性响应系数(cd为30,zn为1)。土壤中多种重金属的生态危害指数为单种重金属危害指数之和:ri=∑eri;参照值的选择无统一标准,该文选择工业化以前土壤重金属cd、zn的最高背景值作为参照值[5]分别为0.30、80.00 mg/kg。
毒性相应系数反映了重金属的毒性水平和生物及环境对重金属的敏感程度,一般该系数越大,对生物的毒性就越大。土壤中重金属生态危害程度的划分标准:eri<40或ri <150为生态危害轻微;40≤eri<80或150≤ri<300为生态危害中等;80≤eri<160或300≤ri<600为生态危害强;160≤eri<320或ri>600为生态危害很强。
(2)评价结果。利用hakanson潜在生态危害指数法对小白河流土壤重金属生态危害评价,结果如表4所示。
可以看出,cd的富集系数在37.30～259.47之间,zn的富集系数在1.44～21.72之间。以单个重金属的潜在生态危害指数来评价重金属的生态危害,cd在3个采样点的生态危害均为很强,eri在1 119.00～7 784.10之间,均远远高于160,其在尾矿坝附近土壤潜在生态危害最强,河流底泥生态危害程度略低于尾矿土。尾矿土的ri值高达7 785.54,表明其潜在生态危害最强;河流底泥ri值为7 488.72,水稻土ri值为1 127.95,均远大于600,也属于生态危害很强。在全部监测面的ri值中,cd的数值最大。如果不考虑cd而只考虑zn污染的权重,河流底泥、尾矿土、水稻土样点的ri值分别为21.72、1.44、8.95,均小于160,其潜在生态危害轻微。3个采样点潜在生态危害均属于很强,主要是因为3个采样点土壤中的cd含量远远高于土壤二级环境质量标准,且cd的毒性响应系数又比较高。因此,对小白河流域土壤中的cd污染治理要予以重视。
3结论与建议
3.1结论
(1)小白河流域重金属cd的含量均远远高于我国土壤环境质量二级标准,说明小白河流域土壤已受到重金属cd的严重污染;河流底泥和水稻土的zn含量分别是我国土壤二级环境质量标准的6.95倍和2.86倍,表明zn对该小白河流域河流底泥的影响最大。河流底泥和河水相互影响,相互污染,使受河水灌溉的水稻土受到一定影响,导致水稻土中zn含量比较高,且受到了不同程度的污染,但尾矿土壤还没受到zn的污染。表明小白河流域的河水已受到污染,不能用作灌溉水源。
(2)由于土壤长期受含zn、cd废水的影响,生长在其上面的植物受到严重污染。与对照相比,受污染的植物cd含量超过354～1 314倍,受污染的植物zn含量超过6.98～83.80倍。在所监测的植物中,cd含量吸收最为显著的植物是多花抗子梢,其次是光叶蕨和紫茎泽兰,植物对cd的吸收依次为多花抗子梢>光叶蕨>紫茎泽兰;植物对zn的吸收最为显著的是紫茎泽兰,其次为光叶蕨和多花抗子梢,植物对zn的吸收依次为紫茎泽兰>光叶蕨>多花抗子梢。
(4)利用hakanson潜在生态危害指数法对小白河流域土壤重金属生态危害评价结果表明,各采样点的重金属污染潜在生态危害都很强,主要原因是cd含量过高引起的。
(5)对小白河流域的cd、zn应予以足够重视,需要采取措施防止cd、zn由底泥进入水相,对沿河两岸排放含cd、zn的污水也要采取一定措施,减少含cd、zn废水的排放。
3.2建议
根据环境保护部环发《关于加强土壤污染防治工作的意见》(〔2008〕48号),为改善土壤环境质量,保障农产品质量安全,建设良好人居环境,促进社会主义新农村建设,必须尽快研究防控重金属污染的措施[6]。首先,贯彻依法预防的原则,建立健全和贯彻防治土壤污染的有关法律法规和标准。其次,充分利用土壤污染状况调查结果,加快产业结构调整,优化工农业发展规划和布局,发展清洁生产工艺,控制和消除重金属污染源。第三,提高土壤环境容量和土壤净化能力,建立土壤污染监测、预报与评价系统。第四,小白河流域的河水已受到污染,不能作为农业灌溉用水。加强小白河流域河道重金属污染治理,加大管理力度,严格控制矿区污水排放标准,严禁不达标的选矿废水排入河道。第五,对已受zn、cd污染的水稻田,不能继续种植水稻等对cd吸收能力强的植物。要加强重金属污染治理,改茬换种zn、cd吸收较弱的作物。第六,采用乡土物种,植树种草,适当选用紫茎泽兰、光叶蕨和杨树等当地物种,保护土壤环境,对已污染的土壤采取治理措施,物理措施、化学措施和生物措施综合运用[7]。总之,矿山开发一定要科学、合法、有序、适度,并严格加强管理、监督,确保维护良好的生态环境。 整理
4参考文献
[1] 贝荣塔,马叶,孙丽菲.铜、锌污染河流与植物污染的研究[j].环境科学导刊,2009,28(5):37-38.
[2] 郑国璋.农业土壤污染研究的理论与实践[m].北京:
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