楊玉敏, 師學(xué)義, 張 琛

(1.山西省國(guó)土資源調(diào)查規(guī)劃院, 太原 030024; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

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基于內(nèi)梅羅指數(shù)法的復(fù)墾村莊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)及空間分布

楊玉敏1, 師學(xué)義2, 張 琛2

(1.山西省國(guó)土資源調(diào)查規(guī)劃院, 太原 030024; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

以復(fù)墾村莊——山西省澤州縣西郜壓煤搬遷村莊為研究區(qū)，采集和測(cè)定了村莊內(nèi)18個(gè)樣點(diǎn)中Hg，As，Pb，Cd，Cr的重金屬含量，并通過(guò)內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)和空間分析。研究表明：西郜村中土壤的重金屬綜合污染程度達(dá)到了中度污染程度，其中Hg元素污染程度最高;0—20 cm土壤中重金屬污染程度要高于20—40 cm土壤;研究區(qū)耕地處重金屬污染程度較輕，而土路處由于交通運(yùn)輸及人類活動(dòng)從而導(dǎo)致重金屬污染程度較高，對(duì)于宅基地區(qū)域，重金屬污染程度較高區(qū)域都分布在修建年代不久的宅基地所在位置，研究結(jié)果可為開展村莊復(fù)墾重金屬治理提供一定借鑒。

復(fù)墾村莊; 重金屬污染; 內(nèi)梅羅指數(shù)法; 空間分析

我國(guó)黃土高原區(qū)煤炭基地作為重要的能源基地，為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市化的進(jìn)程起著巨大的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，大規(guī)模的煤炭開采也帶來(lái)了許多土地塌陷、地下水枯竭等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致許多村莊土地被或即將被廢棄。受到增減掛鉤政策、地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的共同影響，開展黃土區(qū)煤炭基地村莊的土地復(fù)墾成為補(bǔ)充耕地、改善土壤環(huán)境的有效手段。復(fù)墾后村莊土壤的理化性質(zhì)對(duì)于復(fù)墾后耕地的生產(chǎn)能力具有重要影響，而土壤重金屬含量超標(biāo)導(dǎo)致的重金屬污染具有潛伏性、長(zhǎng)期性和不可逆性[1]，且重金屬通過(guò)食物鏈的生物作用，容易被吸收與富集，從而對(duì)身體健康造成威脅與影響[2-4]。因此對(duì)復(fù)墾村莊的土壤重金屬含量及空間分布情況進(jìn)行評(píng)價(jià)與研究對(duì)指導(dǎo)復(fù)墾后重金屬污染治理具有重要的意義。

目前，對(duì)于土壤重金屬評(píng)價(jià)的研究，有大量的學(xué)者進(jìn)行了大量的探討。針對(duì)城市的重金屬污染問(wèn)題，Gale等人在以美國(guó)密蘇里州為研究區(qū)域，探討了城市中鉛冶煉廠生產(chǎn)導(dǎo)致的重金屬污染對(duì)周圍的土壤以及植物的影響，李科等以太原市為研究區(qū)，對(duì)城市中的主要的7種重金屬含量及分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，太原市土壤重金屬污染主要來(lái)源于工業(yè)區(qū)的廢物排放[5]。在農(nóng)田方面，有學(xué)者從農(nóng)田中重金屬污染程度、重金屬元素在土壤中的形態(tài)和空間分布規(guī)律以及對(duì)于土壤中污染的修復(fù)等進(jìn)行了很多的探討[6-7];在礦區(qū)重金屬的研究方面，王珍等以安徽省淮南市大通煤礦為例，探討了不同重填模式下不同位置的土壤重金屬含量，得出研究區(qū)不同區(qū)域污染程度不一[8]。所采用的研究方法上，常用的方法有單因子指數(shù)法，潛在生態(tài)危害指數(shù)法[9]，內(nèi)梅羅指數(shù)法[10]，地質(zhì)累積積數(shù)法[11]，物元分析法[12]，集對(duì)分析與三角模糊數(shù)耦合模型[13]?？梢钥闯觯壳搬槍?duì)復(fù)墾村莊土壤重金屬空間分布及評(píng)價(jià)研究較少，需要進(jìn)一步展開研究。

本文選取山西省澤州縣西郜村為研究區(qū)域，基于內(nèi)梅羅指數(shù)法，對(duì)復(fù)墾村莊土壤中的重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在綜合全面地反映出土壤中重金屬污染空間分布差異規(guī)律及綜合污染程度，為提升復(fù)墾后耕地質(zhì)量以及對(duì)重金屬污染進(jìn)行治理提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

山西省晉城市西郜村地處澤州縣巴公鎮(zhèn)，距離澤州城北25 km，位于東經(jīng)112°50′55″—112°53′03″，北緯35°39′20″—35°41′09″，處于山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)永豐煤業(yè)有限公司開采區(qū)范圍內(nèi)。西郜村總體地勢(shì)呈東西北高，中部、南部較低，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。土壤類型主要為褐土，土層較為深厚，土壤質(zhì)地偏粘并且土壤熟化度高。村內(nèi)的交通條件良好，土地總面積為35.706 2 hm2。但村莊分布分散，且壓占了大量的煤炭資源，對(duì)該村莊進(jìn)行搬遷復(fù)墾具有重要意義。

1.2土壤樣品采集

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，選取汞、砷、鉛、鎘和鉻五種重金屬元素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采樣點(diǎn)的布設(shè)采用網(wǎng)格法，按照每2 hm2布設(shè)一個(gè)樣點(diǎn)的原則，共設(shè)立了18個(gè)采樣點(diǎn)覆蓋村莊的全部。并且每個(gè)采樣點(diǎn)按照0—20 cm和20—40 cm兩種深度分層進(jìn)行采樣。

1.3土壤樣品測(cè)定

將采樣后的土樣混合，通過(guò)風(fēng)干、去雜、過(guò)篩后用瑪瑙研缽磨成粉末，再進(jìn)行重金屬元素的測(cè)定。對(duì)于As的測(cè)定，采用的是二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法，利用冷原子吸收分光光度法對(duì)Hg元素進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)火焰原子吸收分光光度法測(cè)定Cr，利用KI-MIBK法對(duì)Pb和Cd的含量進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試的土壤各樣點(diǎn)重金屬含量水平具體見表1。

1.4評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在以往重金屬評(píng)價(jià)的研究中，研究區(qū)土壤背景值或者國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均可以作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中，西郜村大部分土地將被復(fù)墾利用為耕地，因此對(duì)土地的質(zhì)量要求較高。另外，不同類型的土壤中某一種元素的背景值可能存在很大的差異，因此，在選擇評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該選擇同一地區(qū)同一或者相近類型的土壤中元素的平均含量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次研究選擇西郜村所在地的山西省土壤背景值[14]作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.2評(píng)價(jià)方法本次研究采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)復(fù)墾村莊土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)，內(nèi)梅羅指數(shù)法可以綜合地反映出不同污染物在土壤中的污染程度，并可以計(jì)算得到各單個(gè)污染物的污染指數(shù)，適合對(duì)土壤重金屬這類聯(lián)合污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體的計(jì)算公式如下：

Pi=Ci/Si

(1)

(2)

式中：Pi表示表示土壤重金屬元素i的單因子污染指數(shù)；Ci表示元素i的實(shí)測(cè)值mg/kg；Si表示為元素i計(jì)算時(shí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值；PN表示重金屬的綜合污染指數(shù)；Paver表示所有重金屬污染指數(shù)的平均值；Pmax則表示所有重金屬污染指數(shù)的中最大值。當(dāng)PN<0.7時(shí)，顯示污染等級(jí)為清潔；當(dāng)0.7≤PN<1時(shí)，顯示污染等級(jí)為警戒；當(dāng)1≤PN<2時(shí)，顯示污染等級(jí)為輕度污染；當(dāng)2≤PN<3時(shí)，顯示污染等級(jí)為中度污染；當(dāng)3≤PN時(shí)，顯示污染等級(jí)為重度污染[15-16]。

2　結(jié)果與分析

2.1復(fù)墾村莊土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)性描述

本研究分別對(duì)西郜村不同采樣深度復(fù)墾土壤中5種重金屬元素的含量通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體的統(tǒng)計(jì)性描述結(jié)果見表2。

從表2的結(jié)果顯示來(lái)看，在0—20 cm土層中，5種重金屬的測(cè)定值范圍分別為：鉻39.09～58.73 mg/kg；鎘0.03～0.22 mg/kg；砷13.50～15.82 mg/kg；汞0.04～0.19 mg/kg；鉛28.45～48.45 mg/kg；變異系數(shù)從大到小依次為：鎘>汞>鉛>鉻>砷。20—40 cm土層中，5種重金屬的測(cè)定值范圍分別為：鉻32.96～56.03 mg/kg；鎘0.02～0.29 mg/kg；砷13.51～15.70 mg/kg；汞0.04～0.18 mg/kg；鉛26.99～47.53 mg/kg；變異系數(shù)從大到小依次為：鎘>汞>鉛>鉻>砷。此外可以看出在這兩層土壤中，汞和鉻的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)都較大，表明此次試驗(yàn)測(cè)得的這兩種重金屬含量可能存在一定的異常值，其余重金屬元素的含量基本符合正態(tài)分布。

表1　不同樣點(diǎn)土壤重金屬濃度

表2　復(fù)墾村莊土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2復(fù)墾村莊土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

本研究根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算得出山西省西郜村土壤中各種重金屬的污染系數(shù)以及綜合污染程度，并對(duì)及結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果見表3—5。

表3　復(fù)墾土壤重金屬的污染系數(shù)及綜合污染程度

表4　不同元素的綜合污染程度

表5　不同深度下土壤重金屬綜合污染程度及評(píng)價(jià)等級(jí)

從表3的結(jié)果中可以看出，煤炭基地復(fù)墾村莊西郜村中土壤的綜合污染程度介于1.62～6.16，平均值為2.84，在總體上處于中度污染程度，其中有13個(gè)樣本處于輕度污染等級(jí)，占樣本總數(shù)的36.11%，13個(gè)樣本處于中度污染等級(jí)，占樣本總數(shù)的36.11%，10個(gè)樣本達(dá)到了重度污染等級(jí)，占樣本總數(shù)的27.78%。

從不同元素的污染情況角度來(lái)看，表4的結(jié)果顯示出各個(gè)重金屬因子污染指數(shù)范圍，Hg為1.74～8.26，As為1.48～1.85，Pb為1.91～3.44，Cd為0.20～2.84，Cr為0.60～1.06；對(duì)于平均污染系數(shù)，Hg為3.35，As為1.61，Pb為2.58，Cd為0.91，Cr為0.82。從而可以得出，Hg元素處于較高污染水平，為研究區(qū)主要污染物，而Cd與Cr元素相對(duì)污染程度較低。

從表5中可以看到，0—20 cm土層中土壤的綜合污染程度在1.84～6.16，平均值為3.16，在總體達(dá)到了重度污染等級(jí)；而20—40 cm土層土壤的綜合污染程度在1.62～5.86，平均值2.52，屬于中等污染等級(jí)。因此可以看出，從綜合污染程度的范圍以及平均值的角度來(lái)看，復(fù)墾村莊中0—20 cm土層的污染程度要高于20—40 cm土層，土壤的重金屬污染程度隨著土層深度的增加而增加。

2.3復(fù)墾村莊土壤重金屬污染空間分布分析

為了探尋復(fù)墾村莊土壤重金屬污染的空間分布規(guī)律，分別將0—20 cm層次土壤與20—40 cm土壤的污染評(píng)價(jià)結(jié)果與西郜村居民點(diǎn)建設(shè)歷史情況相結(jié)合展開分析，以期探尋復(fù)墾村莊重金屬空間分布差異規(guī)律，具體結(jié)果詳見表6。

表6　西郜村0-20 cm，20-40 cm土壤重金屬綜合污染程度空間分布

結(jié)合表6進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)耕地所在區(qū)域內(nèi)，即樣點(diǎn)1，樣點(diǎn)2，0—20 cm和20—40 cm兩種土層上的土壤重金屬污染程度均較低，該樣點(diǎn)處原本土地類型為耕地，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的耕種與管理，所以該處土壤重金屬污染程度較低。對(duì)于在村莊土路上所選擇的樣點(diǎn)3，4，5，其所在處0—20 cm和20—40 cm的土壤中，重金屬污染程度則相對(duì)較高，可能是由于道路上汽車輪胎磨損、汽車尾氣排放等交通運(yùn)輸活動(dòng)以及當(dāng)?shù)鼐用裨谛凶邥r(shí)所亂扔的垃圾有很大關(guān)系。而對(duì)宅基地范圍內(nèi)所選擇的樣點(diǎn)分析來(lái)看，高值區(qū)主要分布在1990年以后所建造的宅基地區(qū)域內(nèi)，而次高值區(qū)多分布在1950—1990年期間所建造的宅基地范圍內(nèi)，而1950年以前所建的宅基地區(qū)域內(nèi)土壤重金屬污染程度較低，這可能是因?yàn)槲髹逯?950年以前的房屋以及一小部分1950—1990年的房屋無(wú)人居住且離開采區(qū)較遠(yuǎn)，受人為因素影響較小以及采礦帶來(lái)的粉塵等污染離這些區(qū)域距離較遠(yuǎn)，其所在地的土壤中重金屬含量較低。而對(duì)于復(fù)墾村莊中1950—1990年的房屋絕大多數(shù)房屋以及1990年以后修建的房屋所在區(qū)域，由于該部分區(qū)域人口較多，日常生活中產(chǎn)生大量的如電池這種垃圾與生活廢水，造成區(qū)域重金屬富集，從而造成了土壤重金屬污染程度較高。另外，這部分區(qū)域離采礦區(qū)距離較近，采礦中所產(chǎn)生的如煤矸石等各種固體廢棄物以及工業(yè)廢水，容易造成面源污染導(dǎo)致該部分區(qū)域累積了大量的重金屬元素，從而引發(fā)重金屬污染程度很高。

3　結(jié)論與討論

本研究基于內(nèi)梅羅指數(shù)法，以復(fù)墾村莊山西省西郜村為例，選取Pb，Hg，Cr，Cd，As五種重金屬元素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從村域尺度上全面地評(píng)價(jià)了村莊土壤重金屬的污染狀況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)研究區(qū)域內(nèi)土壤污染程度空間分布規(guī)律進(jìn)行了全面的分析?？梢钥闯觯髹逯型寥赖闹亟饘倬C合污染程度達(dá)到了中度污染，其中Hg元素污染程度最高，在進(jìn)行村莊復(fù)墾時(shí)應(yīng)該有針對(duì)性的進(jìn)行治理，如利用超累積植物進(jìn)行重金屬元素提取[17]。此外，從復(fù)墾村莊重金屬垂直方向分布來(lái)看，0—20 cm的土壤重金屬含量要高于20—40 cm土壤，表層土壤的重金屬污染問(wèn)題更為嚴(yán)重。另外從水平空間分布來(lái)看，研究區(qū)耕地處重金屬污染程度較輕，而土路處由于交通運(yùn)輸及人類活動(dòng)從而導(dǎo)致重金屬污染程度較高。對(duì)于研究區(qū)宅基地區(qū)域，重金屬污染程度較高區(qū)域都分布在修建年代不久的宅基地所在處，主要與這部分區(qū)域受人為生活及采礦活動(dòng)干擾影響相對(duì)更大。

針對(duì)復(fù)墾村莊西郜村土壤重金屬污染，可采取物理化學(xué)、植物修復(fù)等方式進(jìn)行修復(fù)。比如陳懷滿，鄭春等通過(guò)研究指出，使用固化劑石灰石可以提高土壤中PH含量，使土壤中的Hg，Cd重金屬離子形成氫氧化物或鹽類沉淀[18]，郝漢舟、靳孟貴等人得出結(jié)論使用沸石作為修復(fù)材料，可以通過(guò)物理吸附作用將土壤中的Pb，Cd吸附到表面，從而達(dá)到修復(fù)的目的[19]。田吉林等通過(guò)研究大米草的抗汞性的強(qiáng)弱，發(fā)現(xiàn)大米草的抗汞性較強(qiáng)，可以有效的吸收有機(jī)汞元素[20]；同時(shí)，利用鼠類、蚯蚓等低等動(dòng)物，也可以達(dá)到吸收重金屬的效果；在復(fù)墾中可以利用此特性，可以在一定程度上達(dá)到降低土壤中的Hg污染程度的目的，以修復(fù)土壤[21]。對(duì)于復(fù)墾村莊中土壤重金屬修復(fù)，應(yīng)選用科學(xué)合適的方法，達(dá)到修復(fù)的目的。

內(nèi)梅羅指數(shù)法被廣泛應(yīng)用于重金屬污染評(píng)價(jià)中[22-24]。本文所采用的內(nèi)梅羅指數(shù)法不僅全面的展示出了復(fù)墾村莊重金屬綜合污染程度，并且也能夠有效地揭示單個(gè)重金屬元素的污染程度。本研究所得的結(jié)果也與張琛等通過(guò)利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法得到的結(jié)果與規(guī)律相一致[25]，證明利用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行復(fù)墾村莊重金屬污染評(píng)價(jià)是可行有效的。

同時(shí)本研究也存在著不足與需要改進(jìn)的地方。當(dāng)中由于時(shí)間、采樣點(diǎn)難度較大等限制，此次研究以網(wǎng)格法只布設(shè)了18個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)量偏少，由此可能會(huì)造成西郜村土壤重金屬綜合污染程度的不完善，且難以有效的模擬出研究區(qū)土壤重金屬空間分異規(guī)律。此外，本次研究以山西省土壤重金屬背景值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同研究區(qū)域的土壤質(zhì)量狀況和自然條件差異顯著，因此在接下來(lái)的研究中應(yīng)對(duì)研究區(qū)周圍耕地的環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，選擇未受污染的地塊進(jìn)行重金屬含量測(cè)定，將其作為背景值，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

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Spatial Distribution and Evaluation of Heavy Metal Pollution of Reclaiming Village Based on Nemerow Integrated Pollution Index Method

YANG Yumin1, SHI Xueyi2, ZHANG Chen2

(1.AcademyofLandResourcesinSurvey&PlanofShanxiProvince,Taiyuan030024,China;2.CollegeofLandScienceandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Selecting Xigao village in Zezhou County of Shanxi Province as the research area, we collected 18 soil samples in the village, determinated heavy metal content, and carried out the evaluation of heavy metal pollution based on Nemerow integrated pollution index method and spatial analysis of heavy metal distribution. The results demonstrated as follows. The integrated soil heavy metal pollution of Xigao village was at the moderate risk level, the integrated pollution level of soil in 0—20 cm layer was higher than that in the 20—40 cm layer, the heavy metal pollution in arable land area was slight, while it was high in the road area because of transportation and human interventions, in addition, for the residential area, the area where level of heavy metal pollution was high， and located in the newly construction area. The results could provide some

for controling heavy metal pollution in the reclamation work of the village.

reclaiming village; heavy metal pollution; Nemerow integrated pollution index method; spatial analysis

2015-08-19

2015-09-25

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)課題“北方村莊壓煤山丘區(qū)土地綜合整治技術(shù)研究”(201411007)

楊玉敏(1963—),男,山西晉城人,本科,主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源調(diào)查與利用規(guī)劃。E-mail:sxgtyym@126.com

師學(xué)義(1960—),男,山西省祁縣人,博士,教授,主要從事土地利用規(guī)劃與土地利用工程研究。E-mail:shixueyi60@163.com

X53

A

1005-3409(2016)04-0338-06