望兆博 任大軍 肖宇倫 冷 琪 張曉晴 張淑琴 陳旺生

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

黃石市是一個(gè)以冶金、建材和礦業(yè)為主的工業(yè)和礦業(yè)城市。 它不僅是中國(guó)重要的原材料工業(yè)基地,而且是重要的國(guó)家糧食產(chǎn)區(qū)和商品糧基地[1]。 其縣級(jí)市大冶市地處幕阜山脈北側(cè)的邊緣丘陵地帶,具有超過(guò)3 000 a 的采礦和冶煉歷史,取“大興爐冶”之意,定名為“大冶”[2]。 大冶銅礦的開(kāi)采和冶煉創(chuàng)造了輝煌的青銅文明[3]。 境內(nèi)的銅綠山采冶歷史從西周、春秋至漢代,歷時(shí)1 000 多年,其古銅礦遺址被稱(chēng)為“世界第九大奇跡”,被列入國(guó)家考古遺址公園項(xiàng)目和“世界文化遺產(chǎn)”預(yù)備清單,并被授予“最長(zhǎng)連續(xù)采礦銅礦”吉尼斯紀(jì)錄。 以銅綠山古銅礦遺址為中心,附近坐落著大量的村落,每個(gè)村落中都有豐富的農(nóng)田,并種植多種農(nóng)產(chǎn)品。 因此,大量開(kāi)采、冶煉礦產(chǎn)資源、污水灌溉及濫用化肥農(nóng)藥帶來(lái)的土壤重金屬污染問(wèn)題是當(dāng)?shù)刂饕沫h(huán)境問(wèn)題。 土壤中的重金屬元素停留時(shí)間長(zhǎng)、難以擴(kuò)散、不易被降解[4],還可以通過(guò)植物根系進(jìn)入農(nóng)作物[5],不僅使農(nóng)作物減產(chǎn),影響食品質(zhì)量,還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。

方月梅等[6]以銅綠山礦區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象,測(cè)定了土壤和蔬菜中Cu、Zn、Pb、Cd 這4 種重金屬元素的含量,結(jié)果表明,礦區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬Cu污染非常嚴(yán)重,Zn、Pb 屬輕度污染。 YANG 等[7]確定了4 個(gè)采礦和冶金用地是大冶市土壤重金屬污染的實(shí)際來(lái)源,并提出了具有衰減函數(shù)的多元線性回歸模型,以量化先前確定的污染源對(duì)土壤的重金屬積累。相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn),銅綠山銅礦(以及一些相關(guān)的選礦和冶煉企業(yè))貢獻(xiàn)了研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬累積總量的34.3%。 可見(jiàn),大量開(kāi)采、冶煉礦產(chǎn)資源等人為活動(dòng)會(huì)對(duì)周邊土壤釋放大量重金屬元素,造成嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題[8]。 現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)關(guān)于銅綠山礦區(qū)農(nóng)田土壤的研究多以數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)為主,缺乏農(nóng)田土壤重金屬元素總量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布規(guī)律的分析。 本研究以大冶市銅綠山古銅礦遺址周邊農(nóng)田為例,調(diào)查分析土壤中重金屬元素含量特征及空間分布,并評(píng)價(jià)土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,為后期礦山土壤重金屬污染修復(fù)和治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大冶市地形以丘陵、山地、平阪為主,海拔一般為120～200 m,屬典型的大陸性季風(fēng)氣候,冬冷夏熱,四季分明,光照充足,雨量充沛,年平均氣溫17.3 ℃,年均降雨量1 507.3 mm。 已探明資源儲(chǔ)量有42 種,其中金屬礦產(chǎn)12 種,以銅鐵金為主,其中,銅儲(chǔ)量239萬(wàn)t,鐵36 451 萬(wàn)t,金13.48 萬(wàn)t。 以銅綠山古銅礦遺址為中心,附近坐落著大量的村落,幾乎每個(gè)村落都有大量的農(nóng)田,種植著豐富多種的農(nóng)產(chǎn)品。 輻射1 km 范圍內(nèi)坐落著銅山村、熊家灣村、新屋曹村等村落,東南方是城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū),建有商業(yè)住宅小區(qū)、中小學(xué)校、風(fēng)景名勝以及火車(chē)站,西南方還建有一個(gè)有色金屬粉末廠。 輻射1～2 km 內(nèi),西邊有株林村、大青山曹家村,與大青山相鄰,西北方有石家灣村、許家咀村,與雞冠山相鄰,東南方還建有余修齊生態(tài)濕地公園。 輻射2～3 km 內(nèi)坐落著陳彥利村、下張村、桃花村等村落,西北方還有一塊超過(guò)200 萬(wàn)m2的大型田農(nóng)種養(yǎng)殖區(qū)域。 銅綠山古銅礦遺址地區(qū)的工礦活動(dòng)早已影響到該區(qū)域生態(tài)環(huán)境,周邊農(nóng)田土壤中的重金屬元素含量可能達(dá)到了污染水平,由于重金屬元素在作物中富集,對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康產(chǎn)生了潛在威脅。

1.2 土壤取樣和預(yù)處理

本研究以銅綠山古銅礦遺址為中心,輻射狀調(diào)查周邊3 km 內(nèi)農(nóng)田土壤的污染情況(采樣時(shí)間為2020年12 月)。 如圖 1 所示,以銅綠山古銅礦遺址為研究區(qū)圓心,將該區(qū)分為內(nèi)圈(1 km 范圍,1～9 號(hào)樣品)、中圈(1～2 km 范圍,10～27 號(hào)樣品)和外圈(2～3 km,28～60 號(hào)樣品),分別在研究區(qū)村莊的農(nóng)田或農(nóng)場(chǎng)采樣,采取蛇形布點(diǎn)法在農(nóng)田耕作層0～20 cm隨機(jī)采集土壤樣品。 如圖1 所示,共取60 個(gè)點(diǎn)的土壤樣品,通過(guò)四分法每個(gè)點(diǎn)取樣5 kg 土壤,記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔等信息,做好標(biāo)注帶回。 帶回的土壤自然風(fēng)干,挑去石塊和雜物,破碎后過(guò)20 目篩,密封保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)示意Fig.1 Schematic of sampling points in the study area

1.3 土壤重金屬總量的測(cè)定

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[9],農(nóng)田污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的項(xiàng)目為必測(cè)項(xiàng)目,包括鎘、砷、鉛、鉻、銅、鎳、鋅。 樣品中這7 種重金屬元素總量通過(guò)《土壤和沉積物 12 種金屬元素的測(cè)定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)[10]測(cè)定,所有樣品均測(cè)定3 次,取平均值。

1.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中的必測(cè)項(xiàng)目:農(nóng)田污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(表1),采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法共同評(píng)價(jià)該地區(qū)農(nóng)田的重金屬污染狀況[11],土壤pH 值根據(jù)《土壤 pH 值的測(cè)定 電位法》(HJ 962—2018)[12]測(cè)定。

表1 農(nóng)田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值Table 1 Soil pollution risk screening value of agricultural land

表2 重金屬污染指數(shù)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Graded evaluation standards of heavy metal pollution index

單因子污染指數(shù)Pi計(jì)算公式為

式中,i為所測(cè)污染物元素序號(hào),1～7;Ci為污染物的實(shí)測(cè)值,mg/kg;Si為污染物的風(fēng)險(xiǎn)篩選值,mg/kg。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)PN的計(jì)算公式為

式中,PN為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Pavg為所有單因子污染指數(shù)的平均值;Pimax為各個(gè)單因子污染指數(shù)中的最大值。

結(jié)合單因子污染指數(shù)法原理,認(rèn)為只要有一項(xiàng)污染物超標(biāo)就認(rèn)為該土壤樣品超標(biāo),從而可以確定主要的重金屬及其危害程度;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法考慮了污染最嚴(yán)重的某個(gè)單因子,在加權(quán)過(guò)程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響,能更全面地反映農(nóng)田的土壤環(huán)境質(zhì)量[13],重金屬污染指數(shù)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表 2所示。

1.5 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中的必測(cè)項(xiàng)目:農(nóng)田污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,本研究采用Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)該地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[14],重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Hierarchical evaluation standards of potential ecological risks of heavy metals

砷為10,鉛為5,鉻為2,銅為5,鎳為5,鋅為1)。

綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI計(jì)算公式為

單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)能分別反映各個(gè)重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)能反映多種重金屬的綜合風(fēng)險(xiǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Excel 2019 軟件對(duì)銅綠山古銅礦遺址周邊農(nóng)田土壤60 個(gè)采樣點(diǎn)的7 種必測(cè)重金屬元素含量、土壤污染指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并利用GGGIS MAP 軟件對(duì)采點(diǎn)進(jìn)行定位取圖。 通過(guò)單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法中所對(duì)應(yīng)的不同程度來(lái)劃分圖中顏色(通過(guò)圖例說(shuō)明)。 根據(jù)區(qū)內(nèi)已知樣本點(diǎn)的觀測(cè)值采用反距離權(quán)重法預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)除了樣本點(diǎn)以外的其他值[15]。 由于數(shù)據(jù)復(fù)雜性不高,為了從不規(guī)則間隔樣本上的稀疏數(shù)據(jù)中快速插值,本研究選用反距離權(quán)重法(IDW)通過(guò)Arc Map 軟件進(jìn)行空間插值分析并繪圖[16]。

2 結(jié)果和討論

2.1 土壤重金屬污染狀況

根據(jù)《土壤 pH 值的測(cè)定 電位法》(HJ 962—2018)測(cè)定了研究區(qū)農(nóng)田土壤60 個(gè)采樣點(diǎn)的pH 值,結(jié)果表明:60 個(gè)樣品中土壤pH 值為5.22～8.55,中位數(shù)為7.59,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.89,說(shuō)明該地區(qū)土壤呈偏中性和弱堿性。 另外,研究區(qū)農(nóng)田土壤60 個(gè)采樣點(diǎn)的7 種必測(cè)重金屬元素含量見(jiàn)表4,其中土壤中Cd含量為0.04～30.51 mg/kg,中位數(shù)為0.76 mg/kg,這與楊育振等[17]研究獲得的大冶銅綠山礦區(qū)周邊土壤的土壤Cd 中值(0.83 mg/kg)相似。 對(duì)這7 種不同重金屬元素的變異系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),變異系數(shù)規(guī)律為Cd(216.11%)>Pb(131.79%)>As(125.28%)>Cu(119. 07%) > Zn (102. 20%) > Ni (78.92%) > Cr(50.54%)。 Cd 具有最強(qiáng)的變異系數(shù),說(shuō)明該地區(qū)Cd 受到外來(lái)污染因素的影響最大,受到強(qiáng)烈的人為活動(dòng)影響;Cr 的變異系數(shù)最小,說(shuō)明其受到人為活動(dòng)影響較小,含量在空間上變化也不大。 另外,各采樣點(diǎn)土壤重金屬含量范圍變化幅度較大,所測(cè)重金屬的平均值均高于大冶市土壤背景值。 其中Cd、As、Pb、Cu、Zn 分別為背景值的10.00、5.02、3.57、12.16 和3.48倍,說(shuō)明該地區(qū)長(zhǎng)久以來(lái)的礦業(yè)開(kāi)采、礦渣堆放以及粉塵遷移沉降造成了農(nóng)田土壤重金屬污染,進(jìn)而可能增加農(nóng)田的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018),所測(cè)重金屬Cd、As、Cu、Zn 的平均值均高于農(nóng)田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,說(shuō)明這幾種重金屬元素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境檢測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)[18]。

表4 研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical results of heavy metal element content in farmland soil in the study area

2.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)分析

本研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)了該地區(qū)農(nóng)田的重金屬污染狀況,結(jié)果見(jiàn)表5。 由表5 可知:所測(cè)重金屬元素的單因子污染指數(shù)的平均值分別為3.89、1.81、0.76、0.46、3.91、0.29、1.01,其中Cd、Cu 取值大于3,說(shuō)明該地這兩種元素存在重度污染,采礦活動(dòng)可能是造成土壤重金屬污染的主要原因。 根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法原理,PN>3. 0 即可判斷為重度污染,而調(diào)查結(jié)果顯示PN平均值為4.05,最大值高達(dá)37.3,就重金屬元素總量而言,該地區(qū)農(nóng)田重金屬污染狀況嚴(yán)重,超標(biāo)重金屬主要貢獻(xiàn)者是Cd 和Cu。 早在2001 年,束文圣等[19]對(duì)銅綠山古冶煉渣堆進(jìn)行了植被和土壤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)冶煉渣的含Cu 量極高,這與本研究結(jié)論基本一致。 重金屬在土壤中屬于長(zhǎng)期潛在污染物,不易隨水淋溶,不能被土壤微生物分解,但可以被生物體富集,常常使重金屬在土壤環(huán)境中逐漸積累,難以去除和轉(zhuǎn)移。因此,土壤重金屬污染比水環(huán)境重金屬污染治理難度更大,污染危害也更大。

表5 不同重金屬的污染指數(shù)Pi 和PNTable 5 Pollution index Pi and PN of different heavy metals

本研究通過(guò)ArcGIS 中的反距離權(quán)重法對(duì)60 個(gè)樣品的重金屬元素含量以及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行了空間插值分析,結(jié)果如圖2 所示。 由圖2 可知:該地區(qū)農(nóng)田土壤中Cu 含量最高、污染程度最嚴(yán)重、污染分布也最廣,這是由于銅綠山千年來(lái)連續(xù)的銅礦開(kāi)采所導(dǎo)致的。 可以看出,除了Cu 以外,其他大部分重金屬元素含量的空間分布特征表現(xiàn)為礦區(qū)中心地區(qū)含量高,向外輻射區(qū)域含量逐漸降低,說(shuō)明含量分布的確受到礦業(yè)活動(dòng)中采礦粉塵、采礦廢水、礦石運(yùn)輸?shù)挠绊慬20]。 另外,本研究在取樣調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),村落中部分農(nóng)田土壤來(lái)自于村民從山上取回的土壤用于種植作物,這也在一定程度上造成了靠近核心礦區(qū)土壤的轉(zhuǎn)移。

圖2 60 個(gè)樣品中土壤重金屬元素含量空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil heavy metal content in 60 samples

不同元素單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的污染程度在總樣本中的占比如圖3 所示。 由圖3 可知:根據(jù)單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果,Cd 和Cu在總量上存在嚴(yán)重的污染現(xiàn)象,其中Cu 達(dá)35%的重度污染,Cd 達(dá)32%的重度污染;采樣農(nóng)田土壤中Cr和Ni 元素基本不存在污染現(xiàn)象;大部分區(qū)域農(nóng)田中的Pb 和Zn 為無(wú)污染,均表現(xiàn)為15%的輕度污染;As的污染分布比較復(fù)雜,32%的農(nóng)田無(wú)污染,47%的農(nóng)田存在輕度污染,12%的農(nóng)田存在中度污染,10%的農(nóng)田存在重度污染。 另外,根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果,該地區(qū)所取樣農(nóng)田土壤中僅有2%的土壤處于安全狀態(tài),5%的農(nóng)田土壤處于警戒狀態(tài),35%的農(nóng)田土壤處于輕度污染,20%的農(nóng)田土壤處于中度污染,38%的農(nóng)田土壤處于重度污染。 王亞平等[21]分析了大冶銅綠山銅鐵礦尾礦庫(kù)周?chē)寥乐械闹亟饘俜植继卣?發(fā)現(xiàn)尾礦庫(kù)周?chē)寥乐蠧u、Pb、Zn、Cd等含量較高,重金屬污染嚴(yán)重。 朱柳琴等[22]研究指出,黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)核心區(qū)土壤中Ni、Cd、Cu、Pb均無(wú)污染,核心區(qū)整體環(huán)境質(zhì)量為優(yōu),僅As 在部分區(qū)域環(huán)境質(zhì)量為良。 綜合評(píng)價(jià)核心區(qū)大部分地區(qū)均無(wú)污染,土壤環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)良,這是因?yàn)榇笠焙鷳B(tài)新區(qū)核心區(qū)遠(yuǎn)離銅綠山古銅礦礦區(qū),降低了重金屬污染和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),與本研究結(jié)論一致。

圖3 60 個(gè)樣品中土壤重金屬元素污染程度分布Fig.3 Distribution of soil heavy metal pollution in 60 samples

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析

綜合考慮不同重金屬的毒性差異,本研究采用Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)該地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),不同重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見(jiàn)表6。 由表6 可知:所測(cè)重金屬元素的單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值分別為116.58、18.12、3.81、0.91、19.56、1.46 和1.01,其中As、Pb、Cr、Cu、Ni 和Zn 的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小于40,Pb、Cr、Ni和Zn 的值遠(yuǎn)小于40,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)很低。 但是Cd 的平均值大于80 但小于160,最大值高達(dá)1 525.70,說(shuō)明該地區(qū)Cd 存在很高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 另外,綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值為161.44(大于150 但小于300),說(shuō)明在綜合考慮該地區(qū)7 種重金屬污染的情況下,潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)。

表6 不同重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和RITable 6 The potential ecological risk index and RI of different heavy metals

樣品Ei′r CdAsPbCrCuNiZn RI最小值1.754.680.530.352.280.370.2718.45中位數(shù)65.6111.972.380.8011.581.100.7799.95最大值1 525.70185.4625.123.2499.575.925.651 836.00平均值116.5818.123.810.9119.561.461.01161.44標(biāo)準(zhǔn)偏差212.8925.074.280.4421.321.100.93253.22變異系數(shù)/%182.61138.40112.2248.10109.0075.5092.36156.85

通過(guò)ArcGIS 中的反距離權(quán)重法對(duì)60 個(gè)樣品的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行了空間插值分析,結(jié)果如圖4所示。 通過(guò)圖4 能夠清晰地展示研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度,該地區(qū)農(nóng)田土壤中Cd 含量較高,而Cd 的毒性系數(shù)高達(dá)30,因此由Cd 引起的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)十分嚴(yán)重。 其他元素由于相應(yīng)的毒性系數(shù)相對(duì)Cd 來(lái)說(shuō)較小,因此盡管重金屬含量出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo),但引起的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小。 總體來(lái)說(shuō),不同元素導(dǎo)致的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要集中在銅綠山遺址周邊,距離銅綠山越遠(yuǎn)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越低,這也從側(cè)面證實(shí)了礦業(yè)活動(dòng)中采礦粉塵、采礦廢水、礦石運(yùn)輸是造成土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要因素。

圖4 60 個(gè)樣品中土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布Fig.4 Spatial distribution of potential ecological risks of soil heavy metals in 60 samples

不同元素單因子潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)在總樣本中的占比如圖5所示。 由圖5 可知:對(duì)于Cd 引起的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),30%的樣品土壤處于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),35%的樣品土壤處于中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),23%的樣品土壤處于較高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),5%的樣品土壤處于高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),7%的樣品土壤處于超高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),這與尹春芹等[23]研究得出的“環(huán)大冶湖農(nóng)田土壤中Cd 存在潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)”的結(jié)論相似。 鎘是人體的非必需元素,它可以在體內(nèi)富集,形成鎘硫蛋白在肝臟和腎臟中蓄積,從而導(dǎo)致鎘中毒。 鎘廣泛用于工業(yè)生產(chǎn),比其他重金屬更容易被農(nóng)作物吸收,并且容易通過(guò)廢氣、廢水和廢渣排放到環(huán)境中,從而造成污染[24]。 鎘污染來(lái)源主要是礦山礦產(chǎn)資源開(kāi)采和運(yùn)輸[25]、有色金屬冶煉、電鍍以及使用鎘化合物作為原料或催化劑的工廠[26]。 另外一個(gè)主要原因可能與磷肥、農(nóng)藥的施用密切相關(guān),而當(dāng)?shù)亓追屎娃r(nóng)藥的施用歷史長(zhǎng)遠(yuǎn)、面廣且量大。 因此,來(lái)自磷肥和農(nóng)作物中某些農(nóng)藥的鎘也是導(dǎo)致研究區(qū)鎘潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高的原因[27]。 其余元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,只有Cu 和As 具有較高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。 在綜合考慮潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的情況下,在60 個(gè)樣品種中,58%的樣品土壤處于低風(fēng)險(xiǎn),18%的樣品土壤處于中風(fēng)險(xiǎn),15%的樣品土壤處于較高風(fēng)險(xiǎn),8%的樣品土壤處于高風(fēng)險(xiǎn),無(wú)超高風(fēng)險(xiǎn)樣品土壤。 孫宏亮等[28]分析了大冶保安湖表層底泥中的Hg、Pb、Cd、Cr、As、Cu 和Zn 含量及分布,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為65.70～1 280.72,平均值為227.63,大部分屬于中等風(fēng)險(xiǎn),與本研究結(jié)論基本一致。 此外,該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)Cd 的主要來(lái)源可能與入湖河流上游的工業(yè)園區(qū)內(nèi)存在較為密集的鋁型材制造加工企業(yè)有關(guān)。

圖5 60 個(gè)樣品中土壤重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.5 Distribution of potential ecological risks of soil heavy metals in 60 samples

3 結(jié) 論

(1)采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和Hakanson 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)大冶市古銅礦遺址周邊農(nóng)田土壤的重金屬污染狀況和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行了評(píng)價(jià),并通過(guò)ArcGIS 軟件繪制了重金屬污染和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布圖,可為該地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬修復(fù)技術(shù)研究與工程實(shí)踐提供依據(jù)。

(2)研究區(qū)內(nèi)所測(cè)土壤重金屬含量均高于大冶市土壤背景值且變化幅度較大,重金屬污染問(wèn)題顯著,Cd 具有最強(qiáng)的變異系數(shù),受到強(qiáng)烈的人為活動(dòng)影響。 所測(cè)重金屬元素中,Cd 和Cu 存在嚴(yán)重污染現(xiàn)象,但由于Cd 的高毒性,由Cd 引起的重金屬污染和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重。 區(qū)內(nèi)大部分重金屬元素含量和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的空間分布特征表現(xiàn)為礦區(qū)中心地區(qū)高,向外輻射區(qū)域逐漸降低,說(shuō)明礦業(yè)活動(dòng)中采礦粉塵、采礦廢水、礦石運(yùn)輸是造成重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要因素。 另外,村民從礦山取回土壤作為農(nóng)田土壤也在一定程度上造成了核心礦區(qū)土壤的轉(zhuǎn)移。

(3)在后續(xù)研究中,可使用不同的土壤重金屬空間插值方法,如普通克里格法(OK)、反距離權(quán)重法(IDW)和徑向基函數(shù)法(RBF)進(jìn)行分析,提高分析結(jié)果的可靠性;另外,增大研究區(qū)范圍和取樣密度,也有助于進(jìn)一步提升分析精度。