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典型铅锌冶炼厂周边土壤重金属复合污染特征研究

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第22卷第1期 湖南科技大学学报(自然科学版) 2007年 3月 Journal of Hunan University of Science&Technology(Natural Science Edition) V0l-22 No.1 Mar.2o07 典型铅锌冶炼厂周边土壤重金属复合污染特征研究 许中坚,吴灿辉,刘 芬,邱喜阳 (湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭,411201) 摘要:应用地积累指数、相关分析、聚类分析及主成分分析对湖南某典型铅锌冶炼厂周边土壤中重金属(Cd、Hg、 、Cu、Pb、 cr和Zn)复合污染特征进行了研究.结果表明,Cd达到强一极严重污染,Pb和Zn为中等污染,其余为轻度一中等污染.Cd的污 染频率最大,达到95.8%;其次是Pb和zn,均是91.7%;其余大小依次是cu(87.5%)、Hg(70.8%)、Cr(62-5%)、As(29.2%).Cd、Hg、 、cu、Pb和zn的含量存在两两之间的极显著或显著相关性.地积累指数聚类分析将7种重金属分为3组:cd、Hg.-Pb—zn、 cu—cr 。这3组的地积累指数逐渐减小.主成分分析中的前2个主成分能解释总信息的80-31%;第1主成分能解释63.27%的信 息,主要反映Pb、zn、Hg、cu、 、cd的富集程度;第2主成分主要反映cr的富集信息.图2,表7,参8. 关键词:铅锌冶炼厂;重金属;复合污染;地积累指数;聚类分析;主成分分析 中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1672-9102(2007)0卜011卜04 随着采矿和冶炼业的迅速发展,造成矿冶周边地 自然风干,研磨过100目的尼龙筛备用. 1.2土壤样品测定方法 区土壤中重金属污染.铅锌冶炼厂在生产过程中排放 大量的有害有毒物质,通过大气沉降、废渣渗滤和污 水灌溉进入土壤,致使周边土壤生态系统平衡遭到破 坏,结构和功能恶化,土壤环境质量下降【1.21.由于重金 属具有生物富集性,并能通过生物链转移,直接或间 一镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(zn)采用盐酸一 高氯酸消化土样后,用火焰原子吸收分光光度法测 定;铬(Cr)采用硫酸一一氢氟酸消化土样后,加 氯化铵液,火焰原子吸收分光光度法测定;砷(As)采 接威胁和危害人体健康.本文对湖南株洲铅锌冶炼厂 周边土壤,尤其是农用土壤重金属污染状况及复合污 染特征进行了研究,对指导矿冶周边地区重金属污染 土壤的安全利用和生态修复具有重要意义. 用硫酸一一高氯酸消煮土样后,用二乙基二硫代 氨基甲酸银分光光度法测定;汞(}Ig)采用一硫酸 一五氧化二钒消解,冷原子吸收法测定. 1 材料与方法 1.1 土壤样品采集 2结果与讨论 2.1 土壤重金属污染特征及地积累指数评价 在距冶炼厂半径约8 km的范围内采集代表该地 区重金属不同污染程度的24个表层土样(0 20 cm 深土柱),为了保证样品的代表性,样品由采样中心点 研究区24个表层土壤样品重金属量统计结果、 湖南省、中国土壤背景值见表1.由表1可知,该研究区 土壤重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr和zn的含量分别为 13.576 mg,l【g、0.597 mg,l【g、20.400 mg,l【g、64.714 mg,I【g、 及周边5 m范围内的4 5个子样混合组成.置于塑料 袋中运回实验室,去除较大的植物根系、石块等杂物, 收稿日期:2006—1o-16 250.841 mg,l【g、158.370 mg,l【g和472.958 mg,l【g研究区 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20577008);湖南省自然科学基金资助项目(05JJ30017);湖南省教育厅项目(05C171);湖南省高校青年 骨干教师培养对象资助项目 作者简介:许中坚(1967一),男。湖南洞口人,博士,教授,主要从事环境污染化学与生物修复研究. 111 维普资讯 http://www.cqvip.com

土壤中重金属含量与湖南省土壤背景值比较得到的 富集系数表明,Cd呈现出极强烈富集(富集系数达 68.78),明显受到强扰动;Pb、Zn、Hg的富集系数分为 7.17、5.03、3.98,呈现强烈富集;Cu和Cr的富集系数 分别为2.49和2.33,表现为较强的富集;As的富集系 数为1.36,呈一定的弱富集.与中国土壤背景值相比, 结果仍然是Cd为极强烈富集(141.81),Pb、zn、Hg呈 现强烈富集(9.65、6.37、9.18),Cu和Cr为较强富集 (2.86和2-35),As为弱富集(1.s2). 表1土壤重金属含量、背景值 Tab.1 Heavy metal contents and value ofbackground in the soils 项目 CA Hg As Cu Pb Cr Zn 平均值 m异,k 13.756 0.597 20.400 64.714 250.84ll5&370472.958 标准偏差 17.775 0.680 12.418 38.588 296.553 84.741 360.839 最小值/(mg/kg)0.228 0.078 5.672 31.270 43.219 51.090 103.857 最大值/(mg/kg) 58.420 2.450 51.216 226.600 1348.000 338.745 1606.000 湖南省表土背景值/(玎 0.20 0.15 15.0 26.0 35.0 68.0 94.0 中国表土背景值/(r 0.097 0.065 l 1.02 22.60 26.o0 6l伪74.20 冶炼厂周边土壤平均值f瑚南省土壤青景值68.78 3.98 1.36 2.49 7.17 2.33 5.03 冶炼厂周边土壤平均值f十国土壤背景值141.81 9.18 1.82 2.86 9.65 2.35 6.37 地积累指数( )常用于评价沉积物(土壤)中重金 属的污染状况,它是由德国海德堡大学沉积研究所的科 学家MUller于1969年提出来的酮.其计算公式如下: l ̄=loga盘・ 式中,c 为元素/7,的实测质量分数,mg/kg;B 为元 素n的背景质量分数,mg g.重金属地积累指数分级 与污染程度之间的相互关系列于表2. 表2地积累指数分级 Tab.2 Gmding ofindex ofgeoacculation 根据计算,研究区重金属元素的地积累指数及其 分级情况见表3.可以看出用湖南省土壤重金属背景 值和中国土壤背景值计算的结果及得出的结论(污染 程度)不全相同,这主要是由于各元素湖南省背景值 和中国背景值的差异所致.但总的来说,2种背景值计 算得来的结果及其结论还是十分接近的.从应用湖南 省土壤重金属背景值计算的地积累指数(平均值)来 看,研究区土壤中Cd达到强一极严重污染,Pb和zn 为中等污染,Hg、Cu、Cr为轻度一中等污染,而As没 112 有造成污染.但从中国土壤重金属背景值计算结果来 看,以上7种元素都遭受了污染,As也达到了轻度一 中等污染. 表3土壤重金属元素地积累指数及其分级情况 Tab.3 Igeo and hte grading ofheavy metals in soils 最大值 分级 污染程度 赫 嚣蒜 中国 中国湖南省 中国 Cd 24 4.023 5.o71.0.396 0.648 7.605 8.469 5 6强.投严重极严重 HE 24 0.676 1.882—1.528-0.322 3.45 4.651 1 2轻度-中等 中等 As 24-n367 0.055一1.988一l567 1.187 1.608 0 l 无轻度.中等 Cu 24 0.588 0.790.0.3l9.0.1l7 2.539 2.741 1 1轻度.中等轻度.中等 Pb 24 1.492 1.921.0.281 0.148 4.682 5.11l 2 2 中等 中等 Cr 24 0.437 0.593-0.997.0.841 1.732 1.888 1 1轻度.中等轻度.中等 Zn 24 1.376 1.717-0.441-0.1o0 3.510 3.85l 2 2 中等 中等 从重金属兀黍的地积累指数分级频翠计算的绪果 来看(表4),Cd的污染频率最大,达到95.8%( 值按 照湖南省土壤背景值,指1级及以上级别所占的百分 比,以下同);其次是Pb和Zn,均是91.7%;再次是Cu、 Hg和Cr,分别为87.5%、70.8%和62.5%;As的污染频 率最小,为29.2%,且Cd出现了41.7%的极严重污染. k-4土壤重金属元素地积累指数分级频率分布 三 :!!!皇竺 :兰竺! 坚竺! 望竺竺! : 竺: 竺坐 污染皴嚣百 甍 o ≤o无污染 笔 ≤ 轻度一中等污染 66..;4 1 . z ≤z中等污染 : s z ≤s中等一强污染 : 4 s ≤4强污染 4. 2 :: :笔 s 4 ≤s强一极严重污染 :主 :: :: 6 s 极严重污染 警 ::: :: 2-2土壤重金属元素的相互关系 为了探讨土壤重金属复合污染特征,对土壤中重 金属元素的含量进行了两两相关分析,土壤元素含量 相关系数如表5所示.由表5可知,Cd—Pb、Cd—zn、 Hg-As、Hg-Cu、Hg-Pb、Hg-Zn、As-Pb、As-Zn、Cu-Pb、 Cu—zn、Pb—zn在土壤中存在极显著相关性;Ca—Hg、 Cd—As、Cd—Cu、As—Cu在土壤中存在显著相关性;而Cr 与其它6种元素的相关性差,均没有达到显著性水平. 除Cr以外,其余6种重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb和zn存 在两两之间的极显著或显著相关性,这表明研究区存 在这6种重金属不同程度、不同组合的复合污染类型. 维普资讯 http://www.cqvip.com

表5土壤重金属元素含量相关系数 Tab.5 Correlation coefficients ofheavy metal elements in the soils 0: (0.05;・ : (O.01 2.3土壤重金属元素的聚类分析 聚类分析评价是分析土壤环境重金属含量特征 的重要手段,聚类冰柱图和树状图可以形象地反映土 壤元素间或样品间的相似性或亲疏关系,可以有效地 揭示土壤重金属复合污染特征及污染物的来源.本研 究采用SPSS软件对土壤中7种重金属元素地积累指 数进行了聚类分析,图1和图2是分别是以湖南省土 壤背景值计算和中国土壤背景值的地积累指数聚类 分析树状图.由图1和图2可见,无论以哪种背景值计 算为基础,当聚类分析树状图上的距离(D)小于2时, 7种重金属共分为3组:第1组是Cd;第2组是 Hg—Pb—Zn,由图1还可以细分为2组:Pb和zn为一 组,Hg单独为一组;第3组是Cu—C卜As,由图1也可 细分为2组:一组是Cu和Cr,另一组是As.每组具有 共同的地积累指数特征,从第1组到第3组,地积累 指数逐渐减小.Cd单独为一组,且地积累指数最大,说 明研究区域土壤中Cd严重受到人为因素的影响.一般 情况下,表生环境中Hg的性质,但该研究区土壤 中Hg与Pb—zn具有共同的地积累指数特征,这很可 能是由于铅锌冶炼厂排放的大量酸性废气导致酸沉 降tTl,在地表产生S的积累,而S与Hg关系较密切,S 对Hg有一定的捕获能力嘲,同时Pb和zn也为亲硫元 素,从而在铅锌冶炼厂废气影响的周边地区土壤中出 现了Hg与Pb—zn具有共同的地积累指数特征这一现 象.Cu、Cr、As具有较小的地积累指数,而元素相关分 O 5 1O 15 20 25 图1 湖南省土壤背景值计算的地积累指数聚类分析树状图 Fig.1 Clustering tree ofcluster analysis oflgeo counted using value of soil background ofHunan province 析表明,土壤中这3种元素含量之间的关系性弱,可 以认为这3种元素主在受控于不同成土母质,表明人 为因素影响不大. Hg Pb Zn Cu C As Cd D O 5 1O 15 2O 25 图2 中国土壤背景值计算的地积累指数聚类分析树状图 Fig.2 Clustering tree ofcluster analysis oflgeo counted using value of soil background ofChina 2.4土壤重金属主成分分析 为了进一步揭示重金属之间的相互关系,利用 SPSS软件进行主成分分析求出因子荷载矩阵,通过元 素之间的关联探讨该地区重金属含量之间的相互关系. 表6为土壤重金属元素相关阵的特征值及其贡献率.按 特征值和特征向量累计贡献率大于85%的原则,选取 了4个主因子,这3个主因子 、 、 对各变量的方差 贡献率分别为63.27%、17.04%、8.23%,其所含信息占 总体信息的88.54%(见表6).表7为前3个主因子的 特征向量.由表7可以看出,第1主成分主要由元素 Pb、zn、Hg、Cu、As、Cd组成,这些元素在第1主成分上 有较高的正荷载,可见第1主成分反映了这些元素的 富集程度;第2主成分主要反映了Cr的富集信息;而 第3主成分主要反应了砷的富集和铜的释放信息. 表6土壤重金属元素相关阵的特征值及其贡献率 Tab.6 Figenvalues and explained vadance of correlation matrix of heavymetalelementsinthe soils 表7前3个主因子的特征向量 Tab.7 Eigenvector for ifrst three principal factors 113 维普资讯 http://www.cqvip.com

3结论 UU Fen,UU Wen—hua。LOU Tao。et aL Correlative Research on Cd PoHufionofSOil andSmeltingFume[J].JournalofHunanUniversityof (1)从平均地积累指数来看,研究区土壤中cd达 Science&Teclmology(NaturalScienceEdition),2003。i8(3):88—91. 【2】廖国礼,吴超,谢正文.铅锌矿山环境土壤重金属污染评价研究 . 到强一极严重污染,Pb和Zn为中等污染,Hg、Cu、Cr、 湖南科技大学学报(自然科学版)。2004。19(4):78—82. As为轻度一中等污染.从地积累指数分级频率来看, LIAO Guo--li,WU Chao。XIE Zheng—wen.The Study about Heavy MetalsPollutionin Lead—ZincMiningActivities叨.Journal ofHI—ll'la—B cd的污染频率最大,达到95.8%(指地积累指数l级 University ofScience&Technology(Natural Science EdiSon). 及以上级别所占的百分比);其次是Pb和zn,均是 2004,19(4):78—82. 【3】王淖.长株潭地区重金属污染评价模型及分析【D】.长沙:中南大 91.7%;再次是Cu、Hg和Cr,分别为87.5%、70、8%和 学。2005. 62.5%;As的污染频率最小,为29.2%,且Cd出现了 WANG Nao.Models and Analysis of Heavy Metals Pollution in Chang ̄ha, Zhuzhou and Xlnagtaa 【D】. Changsha: Central South 41.7%的极严重污染. University.20o5. (2)重金属元素含量之间的相关分析表明,除cr 【4】中国环境监测总站.中国土壤环境背景值【M】_北京:中国环境科学 出版社。199 o. 以外,其余6种重金属(cd、Hg、As、cu、Pb和zn)存在 China Environmental Monitoring Station.Elements Background 两两之间的极显著或显著相关性,说明研究区存在不 Values os Softs in China【MI.Beijing:China Environmental Science Press,1990. 同程度复合污染组合类型. 【5】Muller G.Index of geoaccumulation in Sediments of The Rhine River【J】. (3)聚类结果表明,7种重金属共分为3组:第1 G ̄ournal,1969。2(3):108. 【6】柴世伟,温琰茂,张亚雷,等.地积累指数法在土壤重金属污染评 组为Cd,第2组是Hg-Pb—Zn;第3组是Cu—C卜As.每 价中的应用【J】.同济大学学报(自然科学版).2006.34(12): 组具有共同的地积累指数特征,从第1组到第3组, 1658-1661. CHAI Shi—wei。WEN Yan—inao,ZHANG Yalei,e1.a1.Appficafion of 地积累指数逐渐减小. Index of Geoaccumulation( )to PoUufion Evaluation of Heavy Metals (4)主成分分析结果表明,前2个主成分能解释 in Soils.【J】.Journal ofTongji University(Natural Science),2006, 总体信息的80.31%,尤其是第l主成分,它能解释 34(12):1658一l661. 【7】吴甫成,吴君维,王晓燕,等.湖南酸雨污染特征 .环境科学学 63.27%的信息.第1主成分主要反映了由Pb、zn、Hg、 报,2000,20(6):807—809. WU Fu-eheng。WU Jun-wel。WANG Xiao-yan。e1. Study on Acid Cu、As、Cd组成的信息量,主要反映了这些元素的富 Rain Pollution in Hunan Province .ACTA Scientiae 集程度;第2主成分主要反映了Cr的富集信息. Circuntstantiae,2000,20(6):807—809. 【8】乔胜英,李望成,何方,等.漳州市城市土壤重金属含量特征及控 制因素【J】.地球化学,2005,34(6):635--642. 参考文献: QIAO Seng-ying,1.3 Wang-cheng,HE Fang,et a1.Characteristics and 【l】刘芬,刘文华,娄涛,等.土壤镉污染与冶炼烟气的相关性研究【J】. Controlling Factors of Heavy Metal Contents in Urban Soils ni Zhangzhou 湖南科技大学学报(自然科学版)。2003,i8(3):88-91. City,F ̄inaProvince[]J.Geochin ̄ca,2005,34(6):635—642. Study on Combined Pollution Character of Heavy Metals in Soils around A Typical Lead-Zinc Smeltery XU Zhong-jian,WU Can-hui,LIU Fen,QIU Xi-yang (SchoolofChemistry andChemicalEngineering,HunanUniversity ofScience&Technology,Xinagtsn411201,China) Abstract:Geoaccumulation index,correlation analysis,clustering naalysis and principle component analysis were adopted to evaluate combined opllution character ofheavy metals(Cd,Hg,As,Cu,Pb,Cr,Zn)in soils around a typical lead-zinc smeltery in Hunan province. The results of ge0acccumulati0n index reveal that the soils are strongly to extremely contaminated wiht Cd,moderately contaminatde with Pb nadZn,and slyghflytomoderately contaminatedwithHg,Cu,Cr,andAs.Amongthe seven heavymetals。Cd hasthemostpoHufion ̄equency (95.8%),nextarelabandZnwith Sallle p0uuti0nfrequency(91.7%),andthe othermetalspollutionfrequencies ofCu,Hg,CrandAs are 87.5%,70.8,62.5%and 29.2%。respectively.Co ̄ehllon coemcient for elements except Cr attains a signiifcant or a very singiifcant leve1. hTe sevenheavymetals are clsasiifedthree groupby clusteringanalysis,andthefisrt groupisCd,the second groupincludesHg。Pb andZn, hte third group is Cu,Cr nad As.The geoaccumulation index ofthe first is the highest,while the htird is the lowest.In principal component naalysis,thefirsttwo principal components can explain 80.31%oftheinformation。andthefisrt one can explian 63.27%oftheinformationin particulra.The first principal component mainly reflects the enrichment of Pb,Zn,Hg,Cu,As and Cd,while the second principal component reflects the enrichment of Cr.2figs.,7tabs.,8refs. Key words:lead-zinc smeltery;heavy metal;combined pollution;geoaccumulation index;clustering analysis;principle component naalysis Biography:XU Zhong-jJna,male,born ni 1967。Dr.。professor,enviornmental pollution chemistyr nad bioremediation. 114 

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