【某礦區(qū)土壤植物體系重金屬含量變化實驗探究6200字（論文）】

某礦區(qū)土壤植物體系重金屬含量變化實驗探究摘要為了研究礦區(qū)土壤重金屬在植物體系中的富集與遷移情況并作出生態(tài)風(fēng)險評價，以小麥苗根和周圍土壤為研究對象，采用ICP-MS對樣品中的Cr、Mn、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Ni的含量進行測定。結(jié)果表明：研究區(qū)范圍內(nèi)土壤樣品平均含量順序為：Mn>Cr>Zn>Pb>Ni>Cu>As=Cd，Pb元素在研究區(qū)土壤樣品中的平均含量高于安徽省土壤元素背景值，Pb的超標(biāo)倍數(shù)為1.48倍。運用植物富集系數(shù)評價元素的富集情況，結(jié)果表明Cr、Mn、Cu、As、Cd、Pb和Ni元素富集系數(shù)小于1，未在植物根系中富集，Zn元素富集系數(shù)為1.4，在植物根系中富集，富集能力較其他重金屬元素強。采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價，結(jié)果表明，各元素單項生態(tài)風(fēng)險因子最大值均小于40，單項生態(tài)危害均較低；該研究區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)均在150以下，由此得出該研究區(qū)土壤環(huán)境狀況良好，土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險較低。關(guān)鍵詞：礦區(qū)；土壤植物體系；重金屬；富集能力；遷移；風(fēng)險評價目錄緒論 11區(qū)域概況 21.1蘆嶺煤礦簡介 22材料與方法 22.1樣品采集與處理 22.2土壤樣品處理 42.3植物樣品處理 42.4樣品的測試與分析 43結(jié)果與討論 53.1重金屬含量特征分析 53.2重金屬遷移特征分析 63.3風(fēng)險評價結(jié)果 74結(jié)論 9參考文獻： 11緒論土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件，為人類提供食物和其他原材料的重要資源。同時，土壤也是環(huán)境中各種污染物匯聚地，其中包括重金屬污染[1]。隨著工業(yè)化的發(fā)展和城市化進程的加快,各種污染對土壤的危害不斷加重，例如來自含病原體的人畜糞便、垃圾、生活污水、醫(yī)院污水、工業(yè)廢水的污染；重金屬元素和放射性元素等。近年來，土壤重金屬的累積已經(jīng)成為已是客觀存在的事實，尤其是礦區(qū)土壤重金屬污染備受關(guān)注[2-3]。重金屬在土壤中積累到一定程度后會毒害土壤和植物系統(tǒng)，長期生長在污染環(huán)境中植物通常具有一定的調(diào)控適應(yīng)機制，用于抵御土壤環(huán)境中的重金屬在其自身生長發(fā)育過程中產(chǎn)生的損害或影響[4]。不僅使農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有所下降，同時還會通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，使水文環(huán)境逐漸惡化，并可能通過直接接觸或食物鏈等其他途徑危及人類的生命安全。國內(nèi)外眾多學(xué)者對煤礦區(qū)土壤重金屬污染狀況進行了大量的研究。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的土壤重金屬評價方法主要有三種第一個是內(nèi)梅羅指數(shù)法、第二個是地累積指數(shù)法第三個是污染負(fù)荷指數(shù)法等[5-8]，三種方法都有各自的特點。第一種方法是一種平衡內(nèi)極值型或突出最大權(quán)重因子的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法，該方法是基于單項污染指數(shù)法的綜合污染程度評價方法，單項污染指數(shù)是指某種重金屬含量在實測值中的比值及其評價標(biāo)準(zhǔn)，能夠反映重金屬元素的污染程度。在單一污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)能更全面地反映多種污染物的綜合作用，突出污染最嚴(yán)重重金屬元素的危害性[9]。地質(zhì)累積指數(shù)，又被稱為穆勒指數(shù)，由穆勒于1969年提出。是一種定量評價重金屬污染的方法。該方法既考慮了自然地質(zhì)作用確定的元素背景含量，又考慮了人類活動對重金屬的疊加效應(yīng)。它能直接反映外源重金屬在沉積物中的富集程度[10]。1980年，湯姆林森提出了污染負(fù)荷指數(shù)法，根據(jù)土壤中某一重金屬的實測濃度和該元素的背景值，計算出單個元素的污染負(fù)荷指數(shù)。然后采用先乘后求根的算法計算污染負(fù)荷指數(shù)，既能綜合反映多種重金屬對環(huán)境污染的貢獻。此外，它還可以反映區(qū)域綜合污染狀況[11]。本文選用植物富集系數(shù)法來分析重金屬遷移特征，用潛在生態(tài)危害指數(shù)法做風(fēng)險評價。采煤礦區(qū)的工礦活動如開采、運輸和使用過程中會產(chǎn)生大量的煤矸石和巖煤粉塵等煤炭固體廢棄物，其中的重金屬經(jīng)多種途徑進入空氣、土壤、地表水和地下水等環(huán)境介質(zhì)，然后經(jīng)自然沉降、地表徑流和地下徑流等作用，使得污染物在土壤中富集。而重金屬進入食物鏈的重要途徑之一是食用農(nóng)作物，進而進入人體。因此對重金屬元素在土壤中的富集、遷移規(guī)律以及遷移強弱順序研究非常有必要。目前對土壤重金屬污染方面的評價絕大部分是基于總量的評價，而土壤重金屬的生物有效性評價可以更加合理、有效的反映污染狀況、更有助于土壤重金屬污染的防治。本課題把蘆嶺礦區(qū)土壤與植物作為為研究對象，研究該區(qū)周邊農(nóng)田土壤重金屬含量特征及潛在生態(tài)風(fēng)險，并對該研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤-小麥苗重金屬遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行分析，以期為礦區(qū)土壤重金屬污染評價及土壤生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。1區(qū)域概況1.1蘆嶺煤礦簡介為對礦區(qū)土壤-植物重金屬遷移狀況進行研究，本文選取投產(chǎn)時間較長的老礦區(qū)-蘆嶺礦區(qū)為研究區(qū)域。蘆嶺煤礦位于\t"/item/%E8%8A%A6%E5%B2%AD%E7%85%A4%E7%9F%BF/_blank"安徽省宿州市東南30公里處，緊靠宿（州）靈（壁）公路和宿（州）固（鎮(zhèn)）公路，與合（肥）徐（州）高速公路毗鄰，礦區(qū)專用鐵路與京滬大動脈相連，交通十分便利。蘆嶺礦是華東地區(qū)大型礦井，于1969年投產(chǎn)，原設(shè)計生產(chǎn)能力150萬噸，經(jīng)改擴建后，近年來原煤年產(chǎn)量保持在200萬噸左右。井口選煤廠建成于1981年，經(jīng)多次改擴建后，年入洗能力已經(jīng)提高至240萬噸。多年以來，蘆嶺礦的\t"/item/%E8%8A%A6%E5%B2%AD%E7%85%A4%E7%9F%BF/_blank"煤炭產(chǎn)品已經(jīng)銷往華東各地，并出口至\t"/item/%E8%8A%A6%E5%B2%AD%E7%85%A4%E7%9F%BF/_blank"日本等國家和地區(qū)。2材料與方法2.1樣品采集與處理采集蘆嶺煤礦礦區(qū)農(nóng)田土壤及相應(yīng)的農(nóng)作物小麥，采樣點分布如圖1所示。在8個采樣點分別采取了植物和土壤樣品。采集好的土壤樣品帶回實驗室自然風(fēng)干，并挑出土樣中的石塊，植物根莖等雜質(zhì)后用瑪瑙研缽研磨土樣，然后過200目尼龍篩子篩分土樣。將篩分后土樣一分為二并分別裝進塑料袋中密封并貼上標(biāo)簽，一份用于消解、測試，一份留作備用。土壤樣品采用濕法消化，將約0.25g土樣置于消解管中，加入適量氫氟酸（HF）、高氯酸（HClO4）和硝酸（HNO3），后在重金屬消化儀上120℃下消解3-4小時。植物樣品用自來水沖洗，然后用去離子水沖洗和干燥。置于105℃殺青30min后，將溫度調(diào)至75度℃干燥至恒重，稱干重（g）。將植物樣品粉碎并通過0.25mm尼龍篩，稱取約0.5g樣品并放入含有聚四氟乙烯消化罐高氯酸（HCLO4）、硝酸（HNO3）置于重金屬消解儀上120℃消解3-4小時。實驗所用酸均為優(yōu)級純，配置溶液所用水均為超純水。圖1研究區(qū)采樣圖2.2土壤樣品處理本文采用濕消化法對土壤樣品進行了消化。將約0.25g土樣置于消解管中，加入適量氫氟酸（HF）、高氯酸（HClO4）和硝酸（HNO3），后置于重金屬消解儀上120℃消解3-4小時。經(jīng)消化、稀釋、離心、定容等操作，最后采用恒容后的電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）對樣品進行檢測，測定了樣品中Cr、Mn、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Ni的含量。實驗中使用的酸都是優(yōu)級純，溶液中使用的水都是超純。2.3植物樣品處理用自來水沖洗采取的植物樣品，然后用去離子水沖洗并干燥。放在105℃殺青30min后，再將溫度調(diào)至75℃干燥直到恒重，然后稱干重（g）。將植物樣品粉碎并通過0.25mm尼龍篩，稱取約0.5g樣品，置于聚四氟乙烯消化罐中，在120℃下重金屬消化儀上消解高氯酸（HClO4）和硝酸（HNO3）3-4小時。2.4樣品的測試與分析將消解后的樣品進行稀釋、離心、定容等相關(guān)操作操作，最后采用ICP-MS對定容后的樣品進行重金屬含量測試，測出樣品中Cr、Mn、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Ni重金屬元素的含量。研究區(qū)范圍內(nèi)土壤樣品的重金屬元素含量統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)見表1。表1土壤樣品的重金屬的含量統(tǒng)計分析表元素CrMnCuZnAsCdPbNi平均值50.57359.4515.8337.540.000.0031.1222.14最大值66.40435.1820.7150.870.000.0139.3131.08最小值31.60289.6811.5225.610.000.0021.6918.24標(biāo)準(zhǔn)差8.0242.792.427.340.000.004.383.93變異系數(shù)(%)15.8611.9015.2919.550.000.0014.0817.75安徽省土壤背景值[12]67.50530.0020.4062.0011.20.09726.629.8單位：mg/kg由于用植物樣品與土壤樣品進行數(shù)據(jù)比對，故植物樣品實驗步驟與土壤樣品檢測方法一致。由此得出植物根樣品的重金屬含量統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)見表2.表2植物根樣品的重金屬的含量統(tǒng)計分析表元素CrMnCuZnAsCdPbNi平均值5.42134.785.0550.030.350.361.842.99最大值10.74171.028.1384.311.890.704.515.65最小值2.1740.123.6527.610.000.020.541.09標(biāo)準(zhǔn)差7.4140.631.0718.110.57變異系數(shù)（%）137%30%21%36%169%67%62%43%單位：mg/kg3結(jié)果與討論3.1重金屬含量特征分析由表1可知，研究區(qū)范圍內(nèi)土壤樣品平均含量順序為：Mn>Cr>Zn>Pb>Ni>Cu>As=Cd，不同重金屬元素的含量相差較大，通過與安徽省土壤元素背景值對比發(fā)現(xiàn)，采集的所有土壤樣品中，Cr、Mn、Zn、As、Cd、Ni、Cu元素平均含量顯著低于安徽省土壤背景值，Pb元素平均含量高于安徽省土壤背景值，平均含量為31.12mg/kg，Pb的含量超標(biāo)率為85%，Pb的平均含量高于安徽省土壤背景值1.48倍。分析表1中土壤樣品的變異系數(shù)，可以得出其大小順序為：Zn>Ni>Cr>Cu>Pb>Mn>As=Cd，其中Zn的變異系數(shù)最大為19.55%，Ni、Cr、Cu、Pb、Mn的變異系數(shù)范圍在11.90-17.75，表明Zn元素在研究區(qū)范圍內(nèi)含量波動相對較大，分布不均一。從表2可以看出，采集的植物根樣品中八種重金屬元素平均含量順序為：Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As，植物根樣品中平均含量較多的元素為Mn和Zn，兩種元素的平均含量分別為134.78mg/kg和50.03mg/kg，Cr、Cu、Ni、Pb、Cd、As的平均含量在0.35mg/kg-5.42mg/kg，變異系數(shù)的大小關(guān)系為：As>Cr>Cd>Pb>Ni>Zn>Mn>Cu，研究區(qū)范圍內(nèi)植物樣品中所測的八種元素的變異系數(shù)都大于10%，其中As元素和Cr元素的變異系數(shù)大于90%，As、Cr、Cd和Pb的變異系數(shù)分別為169%、137%、67%和62%，Ni、Zn、Mn、Cu元素的變異系數(shù)均小于60%，表明As、Cr、Cd和Pb元素在研究區(qū)范圍內(nèi)含量波動較其他元素大，分布不均一。3.2重金屬遷移特征分析對比表1表2可以看出，研究區(qū)范圍內(nèi)Cr、Mn、Cu、Pb、Ni含量在土壤中的平均值明顯大于在植物根中的含量，Zn、As、Cd含量在植物根中的平均含量明顯大于在土壤中的含量。其中土壤中的元素含量多的，植物根中的含量相應(yīng)的也多。推測可能是植物通過吸收土壤中的營養(yǎng)，重金屬隨著遷移，因此元素呈現(xiàn)富集特征。其中As和Cd在土壤中的平均含量為0.00mg/kg，在植物根中的平均含量分別為0.35mg/kg和0.36mg/kg，推測是植物通過葉片吸收，因此使元素在植物的根中呈現(xiàn)富集的特征。植物富集系數(shù)（BioaccumulationFactor，BCF）是某種元素在植物地上部分中的含量與該植物所生長的土壤中該元素含量的比值，反映了植物對某種元素的富集能力[13]。其計算公式為：BCF=Ci公式中：Ci為植物根中某重金屬元素含量（mg/kg）；Cj為土壤中相應(yīng)重金屬元素含量（mg/kg）.BCF＞1說明植物體內(nèi)的重金屬含量比土壤中的重金屬含量多，對這種重金屬具有一定的富集能力，可應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)治理。研究區(qū)植物富集系數(shù)圖，如圖2。圖2植物富集系數(shù)圖通過圖2數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，可以看出研究區(qū)植物中Cr、Mn、Cu、As、Cd、Pb、Ni元素的富集系數(shù)均小于1，植物富集系數(shù)范圍為0-0.39，表明Cr、Mn、Cu、As、Cd、Pb、Ni元素未在研究區(qū)植物根系中富集，Zn元素的富集系數(shù)大于1為1.4，表明研究區(qū)植物富集Zn元素的能力較其他重金屬元素強，且Zn元素在研究區(qū)范圍內(nèi)的植物根系中富集。3.3風(fēng)險評價結(jié)果潛在生態(tài)危害指數(shù)法，此方法綜合考慮了重金屬的毒性、在土壤中普遍的擴散與轉(zhuǎn)化進而評價區(qū)域?qū)χ亟饘傥廴镜拿舾行?，以及重金屬背景值的差異，可以從整體上反映沉積物中重金屬的影響潛力，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用到土壤重金屬的生態(tài)危險評價[14]。計算公式為：RI=ri……………..……………（2）Eri=Tri×Cfi……………..……………（3）Cfi=Csi/Cni……………..……………（4）式中：Eri為某種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)，Tri為某種重金屬的毒性系數(shù)，其中Cr=2,Mn=1,Cu=5,Zn=1,As=10,Cd=30,Pb=5,Ni=5;Cfi為某種重金屬的污染系數(shù)；Csi為土壤重金屬濃度實測值；Cni土壤重金屬濃度的背景值。研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)污染指數(shù)見表3，潛在生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表4.表3土壤重金屬的潛在生態(tài)污染指數(shù)和生態(tài)危害污染指數(shù)樣品名稱潛在生態(tài)污染系數(shù)(Er)綜合生態(tài)危害指數(shù)（RI）CrMnCuZnAsCdPbNiA-1-T1.930.814.990.820.000.005.785.1919.52A-2-T1.470.683.590.580.001.806.273.3917.78A-3-T1.240.733.180.460.000.004.793.3213.72A-4-T1.510.683.950.650.000.006.403.4916.68A-5-T1.490.603.810.590.000.006.643.5416.67A-6-T1.520.744.560.720.000.006.613.8217.97A-7-T1.450.573.590.530.000.005.243.4614.84A-8-T1.320.673.260.500.000.005.503.0714.32表4潛在生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)風(fēng)險因子（Er）生態(tài)風(fēng)險程度綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）綜合生態(tài)風(fēng)險程度<40輕微≤150低40~80中等150~300中等80~160強300~600重160~320很強>600嚴(yán)重本文以安徽省土壤背景值作為參比值，分別計算出研究區(qū)范圍內(nèi)八個采樣點的的單項潛在危害生態(tài)系數(shù)（Er）和綜合生態(tài)危害指數(shù)（RI），結(jié)果如表3所示。重金屬潛在危害系數(shù)（Er）由大到小依次為Pb＞Ni＞Cu＞Cr＞Zn＞Mn＞As=Cd，各重金屬元素Er均不超過40，根據(jù)表4的潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)險等級的劃分，表明各重金屬元素在研究區(qū)范圍內(nèi)屬于輕微生態(tài)危害程度，Pb的數(shù)值最大。由于采樣點四周是馬路，交通污染會使Pb元素含量增多，導(dǎo)致研究區(qū)范圍內(nèi)土壤中的Pb對RI的貢獻最大。研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬的生態(tài)風(fēng)險危害程度表現(xiàn)為：A-1-T（RI=19.52）＞A-6-T＞A-2-T＞A-4-T＞A-5-T＞A-7-T＞A-8-T＞A-3-T（RI=13.73）.研究區(qū)范圍內(nèi)綜合生態(tài)危害指數(shù)均不超過150，根據(jù)表4潛在生態(tài)風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進行風(fēng)險等級的劃分，表明各功能區(qū)均屬于輕微生態(tài)危害程度。其中，采樣點A-1-T的RI最大，為19.52，結(jié)合研究區(qū)采樣圖分析，推測是因為采樣點A-1-T距離道路交叉位置最近，交通污染使Pb元素增多，Pb元素在研究區(qū)范圍內(nèi)對RI的貢獻最大。說明采樣點A-1-T潛在的生態(tài)危害最大。采樣點A-3-T的RI=13.73，最小，說明研究區(qū)采樣點A-3-T潛在的生態(tài)危害最小。通過上述潛在風(fēng)險評價，結(jié)果表明：采樣點A-1-T綜合生態(tài)指數(shù)（RI）最大，采樣點A-3-T最小，說明交通污染對RI的影響十分顯著。單種重金屬對土壤的潛在危害系數(shù)（Ei）中，Pb最大，說明Ei的大小與研究區(qū)污染成分關(guān)系密切。4結(jié)論本文對蘆嶺礦區(qū)農(nóng)田土壤及幼苗根中的重金屬元素含量進行了含量及遷移特征分析并采用Hakanson風(fēng)險評價方法對土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險進行了評價。得出以下結(jié)論：①通過分析土壤重金屬含量特征，可以得到研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬元素平均值順序為：Mn>Cr>Zn>Pb>Ni>Cu>As=Cd,其中研究區(qū)范圍內(nèi)土壤樣品中Cr、Mn、Zn、Cu、Ni元素的含量中等，明顯低于安徽省土壤元素背景值。Pb元素重金屬含量高出安徽省土壤元素背景值1.48倍。其中Zn的變異系數(shù)最大，為19.55%，表明Zn元素在研究區(qū)范圍內(nèi)含量波動相對較大，分布不均一。②研究區(qū)范圍內(nèi)植物樣品中重金屬元素平均含量順序為：Mn>Zn>Cr>Cu>Ni>Pb>Cd>As，其中平均含量較多的元素為Mn和Zn，兩種元素的平均含量分別為134.78mg/kg和50.03mg/kg。研究區(qū)植物樣品變異系數(shù)總體偏大，植物樣品變異系數(shù)的大小關(guān)系為：As>Cr>Cd>Pb>Ni>Zn>Mn>Cu，其中As、Cr、Cd和Pb的變異系數(shù)分別為169%、137%、67%和62%，Ni、Zn、Mn、Cu元素的變異系數(shù)均小于60%，說明As、Cr、Cd和Pb元素在研究區(qū)范圍內(nèi)含量波動較大，分布不均一。③研究區(qū)Cr、Mn、Cu、As、Cd、Pb、Ni元素富集系數(shù)均小于1，說明這7中元素未在研究區(qū)范圍內(nèi)植物根系中富集，Zn元素富集系數(shù)為1.4，較其他元素富集能力強，在植物根系中富集。④潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價分析結(jié)果表明，各元素單項生態(tài)風(fēng)險因子最大值均小于40，單項生態(tài)危害均較低；生態(tài)風(fēng)險因子最低的元素是As，Pb元素的生態(tài)危害最高，Er=6.61說明研究區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)風(fēng)險的主要貢獻因子是Pb，其綜合生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最大，為19.52，小于150，由此得出該研究區(qū)土壤環(huán)境狀況良好，土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險較低。參考文獻：[1]JinHP,LambD,PaneerselvamP,etal.Roleoforganicamendmentsonenhancedbioremediationofheavymetal(loid)contaminatedsoils[J].JournalofHazardousMaterials,2011,185(2-3):549-547.[2]日鳳偉，王菁菁.有色金屬礦區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查與修復(fù)研究進展[J].礦產(chǎn)勘查2018,9（5）:1023-1030.[3]劉敬勇，趙永久.礦山資源開發(fā)引起的環(huán)境污染效應(yīng)及其控制及對策[J].礦產(chǎn)保護與利用,2007(1):47-50.[4]陳彩云,龍健,李娟,等.植物對土壤重金屬復(fù)合污染的生理生態(tài)適應(yīng)機制研究進展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：58-63.[5]李裕瑞,王志煒,門大威,等.平原農(nóng)區(qū)空心村典型土壤的重金屬污染評價——以山東省禹城市為例[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報,2017,34(4):328334.[6]MüllerG．Schwermetalleindensedimentendesrheins-veranderun