歐陽達(dá),譚長銀,余 霞,孫 花,萬大娟,楊 燕,曹雪瑩
(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南長沙 410081)
近年來,隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,土壤、沉積物中重金屬污染問題越來越嚴(yán)峻.因為重金屬毒性較強(qiáng),不被生物降解,容易在土壤中積累,并可通過食物鏈危害人體健康,故土壤、沉積物中重金屬污染是當(dāng)前受關(guān)注的環(huán)境熱點(diǎn)問題,也是我國“十一五”期間凸顯的重大環(huán)境問題.通過樣點(diǎn)定期監(jiān)測和早期風(fēng)險預(yù)警評價,是防止土壤重金屬污染和及早治理的必要措施[1-4].
土壤、沉積物重金屬污染主要來源于礦業(yè)開發(fā)、污水灌溉、農(nóng)業(yè)措施、工業(yè)三廢的排放等人為活動,其中采、選、冶是向土壤和沉積物釋放重金屬污染的主要途徑之一[5-6].湘江流域有許多工礦企業(yè),對湘江流域土壤和沉積物造成了不同程度的重金屬污染,影響該區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展.因此,許多學(xué)者對該地區(qū)重金屬污染做了大量的研究.龍永珍等[7]用單因子指數(shù)法和綜合因子指數(shù)法對長株潭地區(qū)土壤中的Cu、As、Zn、Cd、Pb 進(jìn)行了評價,其污染嚴(yán)重程度從大到小為Cd、Zn、Pb、As、Cr、Cu、Ni.郭朝暉等[8]人對湘江衡陽-長沙段的土壤和蔬菜重金屬進(jìn)行了采樣研究,結(jié)果表明:土壤中As、Cd、Cu、Ni、Pb 和Zn 含量均大于湖南土壤背景值,其中Cd 與Pb 分別為背景值的7.97 和3.69 倍.甘國娟等[9]利用單因子指數(shù)法對湘中某冶煉區(qū)農(nóng)田重金屬污染進(jìn)行了評價,結(jié)果顯示:土壤重金屬污染程度從大到小為Cd、Pb、Zn.
由于不同重金屬元素生物毒性的差異和元素之間的相互作用,復(fù)合污染的土壤綜合環(huán)境質(zhì)量往往難以判別,呈現(xiàn)模糊性.單因子指數(shù)法等把這種模糊性用一種明確的界限加以區(qū)分,難以對復(fù)合污染土壤進(jìn)行精確的評價,而模糊綜合評價法很好地克服了這一缺點(diǎn).本文采用模糊綜合評價法對該區(qū)域的重金屬污染程度進(jìn)行評價,同時對湘江長沙段的重金屬污染來源做了初步的分析,旨在進(jìn)一步了解該區(qū)域的重金屬污染現(xiàn)狀,為該區(qū)域土壤、沉積物中重金屬污染治理和修復(fù)提供依據(jù).
選取湘江流域長沙段為研究區(qū)域,對湘江流域長沙段的土壤和沉積物的農(nóng)業(yè)利用狀況、典型污染源和污染場地進(jìn)行實地考查.于2010年9月至2011年4月枯水期間在湘江長沙段兩岸沿線采集沉積物樣品,以河堤為界,在河堤外周邊區(qū)域采集相應(yīng)的土壤樣品.根據(jù)研究需要,選取了昭山、坪塘、猴子石、湘江一橋、月亮島、丁字鎮(zhèn)6 個區(qū)域.在區(qū)域內(nèi)設(shè)置32 個采樣單元,每個單元采用梅花形布設(shè)5 個采樣點(diǎn),每個采樣點(diǎn)分別采集深度為0~20 cm 和20~40 cm 作為表層和亞表層兩種樣品,密封,帶回實驗室.共采集土壤樣品30 個,沉積物樣品34 個,其中土壤樣品多采自蔬菜土壤;沉積物采樣點(diǎn)多布設(shè)于水流緩慢、沉積穩(wěn)定的地帶.樣點(diǎn)分布見圖1.土壤樣品和沉積物樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后,剔除動植物殘體,用石英研缽研磨,過篩備用.
圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sites of sampling
Cr 的測定:采用粉末壓片法制樣.稱取樣品,放入模具內(nèi),撥平,用低壓聚乙烯鑲邊墊底,在30 t 壓力下壓45 s,壓制成試樣直徑為32 mm,鑲邊外徑為40 mm 的圓片,由ZSX PrimusⅡ型X 射線熒光分析儀進(jìn)行分析測定,采用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制.
As、Hg 的測定:樣品經(jīng)王水消解,在酒石酸(5%)介質(zhì)中,用硫脲—抗壞血酸將五價As 還原為三價,再用硼氫化鉀,將三價As 還原為氫化物.在HCl(5%)介質(zhì)中,As 和Hg 與硼氫化鉀作用生成As2H3和Hg.樣品試劑制備完后使用北京海光AFS-9800 型雙道氫化物—無色散原子熒光分析儀測定.樣品測定過程隨機(jī)插入密碼5%,插入標(biāo)樣12%,檢測合格率均達(dá)100%.
Pb、Cd 的測定:采用三酸消化法(HCl-HNO3-HClO4)消解制樣,由Varian Spectr AA 220FS,220Z 原子吸收光度計進(jìn)行測定[10],采用國家標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制.
土壤重金屬污染往往是多因素作用的結(jié)果.不同重金屬元素的生物毒性不同且元素之間具有協(xié)同、拮抗、生物積聚和放大效應(yīng),使得復(fù)合污染的土壤綜合環(huán)境質(zhì)量難以判別,呈現(xiàn)模糊性[11].因此,本文采用模糊綜合評價法對樣區(qū)土壤和沉積物的重金屬污染等級進(jìn)行評價[12-15].
模糊綜合評價可以大致分為以下幾個步驟:
a)確定對象因素集,U={U1,U2,U3,…,Un};
b)確定評價分級標(biāo)準(zhǔn)值,建立評價結(jié)論集V;
c)建立隸屬度函數(shù),由各重金屬隸屬度構(gòu)建樣點(diǎn)的模糊矩陣.
隸屬度矩陣R 代表每一個環(huán)境質(zhì)量評價因子對每一級環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度.表達(dá)式如下:
式(1)中,μm(xi)為第i 個重金屬元素為第m 級污染的隸屬度;Xi為第i 個重金屬元素的實測值;m 為污染級別;e(m)為第m 級污染的標(biāo)準(zhǔn)值,見表3.
d)確定權(quán)重集
本文土壤重金屬污染因子采用超標(biāo)率賦權(quán),計算公式:
式中Ai為第i 個元素的實測值與背景值的比值,Ci為第i 個元素的實測值,Si為第i 個元素的背景值,ai為第i 個元素的權(quán)重.
所有試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007 表格和Matlab7.0 軟件分析處理.
本研究選取的重金屬元素有As、Pb、Cd、Cr、Hg 5 種元素,土壤和沉積物中各重金屬元素分析結(jié)果統(tǒng)計值見表1.
表1 湘江長沙段土壤和沉積物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(μg/g)Tab.1 Averaged concentration of heavy metals in the soils and sediments distributed in Changsha section of the Xiangjiang River
與湖南土壤背景值相比,可以看出湘江長沙段土壤中重金屬As、Pb、Cd、Cr、Hg 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為湖南土壤背景值的3.44、2.73、15.52、1.61 和4.08 倍[16].污染最嚴(yán)重的元素是Cd,其次則為Hg.As、Pb、Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值都出現(xiàn)在昭山樣區(qū),這可能與昭山上游有許多工礦企業(yè)有關(guān).Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值則出現(xiàn)在坪塘樣區(qū).而Cr 最大值出現(xiàn)在月亮島,其他樣點(diǎn)濃度都普遍較低,這可能是因為長沙鉻鹽廠曾在該區(qū)域(見圖1),而Cr3+的遷移性較差,導(dǎo)致了月亮島地區(qū)Cr 的積累.
與湖南土壤背景值相比,可以看出湘江長沙段沉積物中重金屬As、Pb、Cd、Cr、Hg 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為湖南土壤背景值的11.24、5.23、81.41、1.71 和5.58 倍.其中富集程度最高的元素為Cd,其次為Hg.這與湘江長沙段土壤中重金屬富集程度的規(guī)律類似.且沉積物中各金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值都出現(xiàn)在湘江一橋樣區(qū),這可能是由于該區(qū)域處于城市中心區(qū),人口密集,生活污水排放量大,受人類影響較大,并且該處河流坡降較小,流速較緩慢,容易造成重金屬元素的累積.
根據(jù)表1、各重金屬背景值和公式2 計算土壤和沉積物中各金屬元素的權(quán)重值,見表2.
表2 湘江長沙段土壤與沉積物中重金屬的權(quán)重值Tab.2 The weight value of heavy metals in soils and sediments in Changsha section of the Xiangjiang River
通過對土壤重金屬污染等級劃分,可計算出各重金屬的隸屬度.本研究所選用的污染等級的劃分參考《農(nóng)業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)使用手冊》中土壤重金屬污染等級標(biāo)準(zhǔn)[17],見表3.
表3 土壤重金屬污染等級標(biāo)準(zhǔn)(μg/g)Tab.3 Pollution grading standard of soil heavy metal
根據(jù)隸屬度定義,計算個樣點(diǎn)的模糊矩陣R,其中昭山的土壤重金屬污染評價的模糊矩陣為
昭山土壤重金屬的模糊向量A 即表2 中昭山土壤這一列構(gòu)成的列向量:
綜合評價模糊子集可表達(dá)為:B=A·R.則樣區(qū)土壤和沉積物模糊綜合評價的結(jié)果見表4.
評價結(jié)果為:昭山地區(qū)土壤重金屬污染為嚴(yán)重污染,月亮島輕度污染,丁字鎮(zhèn)中度污染,坪塘嚴(yán)重污染,猴子石中度污染.由具體的得分可以知道,湘江長沙段土壤污染的程度從大到小為:坪塘、昭山、丁字鎮(zhèn)、猴子石、月亮島.對應(yīng)的沉積物樣點(diǎn)的重金屬污染均為嚴(yán)重污染.
表4 湘江長沙段土壤和沉積物重金屬污染模糊綜合評價Tab.4 Fuzzy comprehensive evaluation of soils and sediments heavy metal pollution in Changsha section of the Xiangjiang River
重金屬污染模糊和綜合評價的優(yōu)越性在于,不僅能給出綜合污染等級,還能知道各個樣點(diǎn)的主要污染元素.昭山地區(qū)土壤中主要污染元素為Cd、Hg,月亮島、丁字鎮(zhèn)、坪塘土壤重要污染因子為Cd,猴子石土壤中主要污染因子為Cd、Hg.沉積物中主要污染因子均為Cd、As、Pb.土壤和沉積物中的Cr 污染相對較輕.與土壤重金屬污染情況相比,沉積物重金屬污染更為嚴(yán)重,這可能由于湘江長沙段沉積物重金屬的主要來源為上中游地區(qū)眾多工礦企業(yè)排入湘江的廢水,污染水體首先與沉積物接觸,部分污染物沉積于沉積物中,而土壤離這部分污染源相對較遠(yuǎn),僅受少量自然滲透和人為遷移的水體影響.評價結(jié)果與余霞等[18-19]利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法和地累積指數(shù)法結(jié)果相似.
統(tǒng)計分析顯示(表5),沉積物As 與Pb、Cd 之間,Cd 與Hg 之間存在極顯著的相關(guān)性.Pb 與As、Cd、Cr 之間有正相關(guān)性.根據(jù)基于最遠(yuǎn)鄰法聚類分析結(jié)果(圖2),按照距離為3 作為分類的標(biāo)準(zhǔn),沉積物中5 種重金屬可分為三類,第一類:As 和Pb;第二類:Cd 和Hg;第三類:Cr.這說明這三類元素在沉積物中可能有相似的來源或相近的釋放規(guī)律.
表5 湘江長沙段沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性Tab.5 Correlation among the contents of heavy metals in the sediments from Changsha section of the Xiangjiang River
選取受人為影響小且地球化學(xué)特征穩(wěn)定的元素或化合物為基準(zhǔn)(本文選用TiO2)[20-21],將TiO2實測值和其背景值做比值,即化合物自然富集過程導(dǎo)致的濃度富集系數(shù).該重金屬元素的富集有可能來自自然源也有可能來自人為源,還有可能為兩者的共同作用.如果該重金屬元素的富集系數(shù)和基準(zhǔn)元素的富集系數(shù)相關(guān)性很強(qiáng),則說明該元素的富集過程與自然富集具有密切關(guān)系,也即該重金屬元素污染來源于自然過程.TiO2背景值以揚(yáng)子準(zhǔn)地臺花崗巖中的豐度(0.24 μg/g)為標(biāo)準(zhǔn)[22].TiO2的實測值/背景值為X,某重金屬元素實測值/背景值為Y 值,對上述5 種重金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,做出回歸直線(圖3).
圖2 湘江長沙段沉積物重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚類分析Fig.2 Clustering tree of heavy metals in sediments from Changsha section of the Xiangjiang River
由圖3 可知,As 回歸效果良好,通過殘差分析可知,除月亮島第5 個采樣點(diǎn)0~20 cm 層沉積物樣品點(diǎn)以外,其余數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)均較近,且殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn),這說明回歸模型y=5.49 x-7.3 能較好地符合原始數(shù)據(jù),圖中箭頭指向的點(diǎn)為異常點(diǎn).說明As 污染與自然富集具有密切關(guān)系.Hg(實測值)/Hg(背景值)的比值與TiO2(實測值)/TiO2(背景值)做相關(guān)性分析,R=0.149(p=0.05),R2=0.022,回歸方程為y=1.25 x+1.37,相關(guān)性不明顯.Cd(實測值)/Cd(背景值)的比值與TiO2(實測值)/TiO2(背景值)做相關(guān)性分析,R=0.577 3(p=0.05),R2=0.333,相關(guān)關(guān)系不顯著.可知Cd 和Hg 污染的造成與自然富集相關(guān)不顯著,也即Cd 和Hg 污染主要來源于人為污染.Pb(實測值)/Pb(背景值)的比值與TiO2(實測值)/TiO2(背景值)做相關(guān)性分析,R=0.78(p=0.05),R2=0.61,達(dá)到顯著性水平,相關(guān)性明顯.由殘差分析可知,除兩個樣點(diǎn)以外,其余數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)均較近,且殘差的置信區(qū)間均包含零點(diǎn),這說明回歸模型y=0.82 x-5.89能較好地符合原始數(shù)據(jù),圖中箭頭指向的點(diǎn)為異常點(diǎn).說明Pb 污染與自然富集具有密切關(guān)系.Cr(實測值)/Cr(背景值)的值與TiO2(實測值)/TiO2(背景值)做相關(guān)性分析,R=0.61(p=0.05),R2=0.37,相關(guān)關(guān)系不顯著.回歸方程為y=0.23 x+0.87.可見Cr 污染主要來源于人為污染.以上分析結(jié)果與聚類法分析結(jié)果相吻合.
圖3 湘江長沙段沉積物重金屬回歸分析圖Fig.3 The regress analysis of heavy metals from Changsha section of the Xiangjiang River
許多研究表明,河床沉積物Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是其粘土礦物含量的有效指標(biāo),Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,其顆粒粒徑越小,所以沉積物Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)被用來表征沉積物的粒度特征.對上述3類元素進(jìn)行粒度效應(yīng)分析(圖4).湘江長沙段沉積物Pb 與Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯正相關(guān),R2=0.58,相關(guān)方程為y1=0.76 x.而Cd 與Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間R2=0.35,相關(guān)方程為y2=0.59 x.沒有明顯的線性關(guān)系.這說明湘江長沙段Pb 具有明顯的粒度效應(yīng),表明其來源包括上游巖石風(fēng)化(自然過程)的貢獻(xiàn).
對湘江流域沉積物中重金屬污染源的研究很多.大多數(shù)研究認(rèn)為流域上游的有色金屬礦床的采、冶等是湘江沉積物重金屬污染的主要來源[23].同時,也有很多人對該流域內(nèi)元素背景值進(jìn)行了研究,認(rèn)為該流域環(huán)境介質(zhì)中(如花崗巖)具有高重金屬元素(Pb、As、Zn 等)背景值與該流域重金屬污染有關(guān)[24].彭渤等人[25]通過Pb 同位素對該地區(qū)重金屬污染來源做了分析,認(rèn)為河床沉積物的Pb 主要來自花崗巖風(fēng)化(自然源Pb)、流域上游Pb-Zn 礦床礦石(人為源Pb)和燃煤煙塵(人為源Pb),是一個自然源Pb 和兩個人為源Pb 組成的多元混合鉛.通過聚類分析可知As、Pb 具有相似的來源或釋放規(guī)律,這說明湘江長沙段的As 也是人為源和自然源組成的多元混合As.而實地調(diào)查可知,Cr 污染的主要點(diǎn)為月亮島,其他點(diǎn)為清潔,說明湘江長沙段Cr 污染的主要來源為坐落于月亮島附近的鉻鹽廠.
圖4 湘江長沙段沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Pb)、w(Cd)與w(Al2O3)的線性相關(guān)圖解Fig.4 The regress analysis of w(Pb),w(Cd)and w(Al2O3)from Changsha section of the Xiangjiang River
利用模糊綜合評價法對湘江長沙段土壤和沉積物重金屬污染進(jìn)行了評價,結(jié)果表明:湘江長沙段土壤和沉積物重金屬污染嚴(yán)重,其中昭山地區(qū)土壤為嚴(yán)重污染,月亮島輕度污染,丁字鎮(zhèn)中度污染,坪塘嚴(yán)重污染,猴子石中度污染.對應(yīng)的沉積物樣點(diǎn)的重金屬污染均為嚴(yán)重污染.昭山地區(qū)土壤中主要污染元素為Cd、Hg,月亮島、丁字鎮(zhèn)、坪塘土壤主要污染元素為Cd,猴子石土壤中主要污染元素為Cd、Hg.各地區(qū)沉積物中主要污染因子均為Cd、As.
通過聚類分析,可將這5 種重金屬按來源分為三大類,第一類為Pb、As;第二類為Cd、Hg;第三類為Cr.同時,通過以TiO2為基準(zhǔn),結(jié)合粒度效應(yīng)分析,對該地區(qū)的沉積物重金屬污染源進(jìn)行了判別.結(jié)果表明:湘江長沙段沉積物中重金屬As、Pb 的來源是人為源和自然源的混合源.Cd、Hg、Cr 污染的來源主要是人為源,且Cr 污染源來自長沙鉻鹽廠.
[1]駱永明.中國主要土壤環(huán)境問題與對策[M].南京:河海大學(xué)出版社,2008:3-9.
[2]林躍勝,方鳳滿,魏曉飛,等.黃山景區(qū)土壤重金屬分布特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險評價[J].水土保持學(xué)報,2012,26(2):256-260.
[3]HUDSON T L,BORDEN J C,RUSS M,et al.Control on As,Pb and Mn distribution in community soils of an historical mining district,southwestern Colorado[J].Environm Ecol,1997,33(1):25-42.
[4]孫 花,譚長銀,黃道友,等.土壤有機(jī)質(zhì)對土壤重金屬積累、有效性及形態(tài)的影響[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2011,34(4):82-86.
[5]張莎娜,譚長銀,萬大娟,等.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗在農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究中的作用[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2013,36(6):72-78.
[6]李 玲,高 暢,董洋洋,等.典型煤礦工業(yè)園區(qū)土壤重金屬污染評價[J].土壤通報,2013,44(1):227-231.
[7]龍永珍,戴塔根,鄒海洋.長沙、株洲、湘潭地區(qū)土壤重金屬污染現(xiàn)狀及評價[J].地球與環(huán)境,2008,36(3):231-236.
[8]甘國娟,劉 偉,邱亞群,等.湘中某冶煉區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染及生態(tài)風(fēng)險評價[J].環(huán)境化學(xué),2013,32(1):132-138.
[9]郭朝暉,肖細(xì)元,陳同斌,等.湘江中下游農(nóng)田土壤和蔬菜的重金屬污染[J].地理學(xué)報,2008,63(1):3-11.
[10]GB/T17140-1997,土壤質(zhì)量Pb、Cd 的測定[S].
[11]周 義,任伯幟,張 雪,等.城市工業(yè)園區(qū)土壤重金屬含量的空間結(jié)構(gòu)特征及分布規(guī)律[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,28(1):109-113.
[12]謝 峰,吉玉碧,何錦林,等.用模糊綜合評價法評價土壤重金屬污染程度[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,33(3):24-25.
[13]孫麗娜,孫鐵珩,金成洙.臥龍泉河流域土壤重金屬污染的模糊評價[J].水土保持研究,2006,13(1):126-128.
[14]楊西飛,周濤發(fā),張 鑫,等.基于Matlab-FIS 的土壤中重金屬污染模糊綜合評價[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,30(10):1245-1249.
[15]趙鵬大.定量地學(xué)方法及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2008:113-116.
[16]魏復(fù)盛,陳靜生,吳燕玉,等.中國土壤環(huán)境背景值研究[J].環(huán)境科學(xué),1990,12(4):12-19.
[17]汪雅各.農(nóng)業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)實用手冊[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1991:32.
[18]孫 花.湘江長沙段土壤和底泥重金屬污染及其生態(tài)風(fēng)險評價[D].長沙:湖南師范大學(xué),2012.
[19]余 霞.湘江長沙段土壤和沉積物地球化學(xué)特征及重金屬污染分析[D].長沙:湖南師范大學(xué),2013.
[20]王 成,龔慶杰,李 剛,等.從南海沉積物中的主量元素比值變化看物源區(qū)化學(xué)侵蝕變化[J].海洋地質(zhì)動態(tài),2007,23(1):1-5.
[21]王凱雄,胡勤海.環(huán)境化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:141.
[22]史長義,鄢明才,遲清華.中國不同構(gòu)造單元花崗巖類元素豐度及特征[J].地質(zhì)學(xué)報,2007,81(1):47-59.
[23]姚志剛,鮑征宇,高 璞.洞庭湖沉積物重金屬環(huán)境地球化學(xué)[J].地球化學(xué),2006,35(6):629-638.
[24]童 霆.河口三角洲元素含量與礦產(chǎn)資源:以湘資沅澧為例[J].第四系研究,2005,25(3):298-305.
[25]彭 渤,唐曉燕,余昌訓(xùn),等.湘江入湖河段沉積物重金屬污染及其Pb 同位素地球化學(xué)示蹤[J].地質(zhì)學(xué)報,2011,85(2):282-299.