六盘水响水镇煤矸石修复场木豆重金属分布特征与生态风险评价

第43卷㊀第1期
2021年1月
环㊀境㊀影㊀响㊀评㊀价
Environmental Impact Assessment
Vol.43,No.1
Jan.,2021
收稿日期:2020-09-14
作者简介:
姚逸(1968 ),男,贵州六盘水人,本科,高级工程师,主要从事生态环境治理及修复工作,E -mail:
931001704@
通讯作者:
曹振兴,男,河南人,博士,主要从事生态环境治理及修复工作,E -mail:caozhenxing123456@ 六盘水响水镇煤矸石修复场木豆重金属分布特征与生态风险评价
姚逸1,邹荣灿1,邓秋婷1,何雪棉2,桂琳琳2,曹振兴2
1.六盘水市环境工程评估中心,贵州六盘水㊀553004;
2.六盘水师范学院,贵州六盘水㊀553004
摘要:为研究六盘水响水镇煤矸石修复场木豆不同部位重金属含量分布及生态风险特征,运用火焰原子吸收光谱法测定各样
品中Cd ㊁Cr ㊁Pb ㊁Zn ㊁Cu 和Ni 等6种重金属元素含量㊂结果表明:Cd ㊁Cr ㊁Cu 及Ni 元素在木豆根㊁茎与叶中平均含量相当,Pb 与Zn 在木豆叶片中含量明显高于根和茎部位㊂Hakanson 潜在生态风险指数法评价发现整个木豆植株中Pb 的生态危害程度为中度,Cr 和Cd 具有较强的生态风险㊂植被木豆中6种重金属元素的平均潜在生态风险程度大小为:Cr>Cd>Pb>Ni>Cu>Zn ,潜在生态风险指数RI 值的变化范围为6.09~408.00㊂关键词:
重金属元素;煤矸石;植被修复;生态风险评价
DOI :10.14068/j.ceia.2021.01.017
中图分类号:X820.4㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:2095-6444(2021)01-0080-05
Distribution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals of Cajanus Cajan in Xiangshui Coal Gangue Repair Site ,Liupanshui
YAO Yi 1,ZOU Rongcan 1,DENG Qiuting 1,HE Xuemian 2,GUI Linlin 2,CAO Zhenxing 2
1.Liupanshui Environmental Engineering Assessment Center,Liupanshui 553004,China;
2.Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China
Abstract :Study the distribution and ecological risk characteristics of heavy metals in different parts of Cajanus cajan in Xiangshui coal
gangue recovery site,the contents of Cd,Cr,Pb,Zn,Cu and Ni are determined by flame atomic absorption spectrometry.The result of the average contents Cd,Cr,Cu and Ni in Cajanus cajan roots,stems and leaves are similar,the contents of Pb and Zn in leaves are significantly
higher than those in roots and stems.The ecological damage degree of Pb in the whole Cajanus cajan plant is moderate by Hakanson potential ecological risk index method,while Cr and Cd have strong ecological risk.The average potential ecological risk of six heavy metals
in Cajanus cajan are as follows:Cr>Cd>Pb>Ni>Cu>Zn,the RI value of potential ecological risk index ranged from 6.09~408.00.
Key words :heavy metal elements;coal gangue;vegetation restoration;ecological risk assessment
㊀㊀随着现代工业的快速发展,煤矿开采力度逐渐加大,煤矸石堆积量也越来越多,其对周边生态环境造成的重金属污染问题已经受到各部门的广泛关注㊂煤矸石的生态危害主要表现为占用土地资源㊁
污染大气和地下水体㊁破坏土壤环境㊁易发生地质灾害等[1]㊂目前,煤矸石的综合利用是减少其堆放的主要途径之一,但因利用率低,每年的处理量远远小于排放量,绝大多数煤矸石仍以填埋和堆积的方式进行处置[2]㊂因此,煤矸石的综合治理显得十分重要,煤矸石堆积地植被修复与生态重建将成为煤矸石综合治理的主要方法㊂近年来,对于利用植物修复煤矸石重金属方面的研究越来越多,这进一步表明植物在煤矸石重金属修复方面具有良好的应
第1期姚逸等:六盘水响水镇煤矸石修复场木豆重金属分布特征与生态风险评价㊀㊀㊀
用前景,已经成为煤矸石堆积地土壤重金属污染修复的热点方向之一[3]㊂由于堆积的煤矸石中浸出的重金属具有长期性,且土壤对重金属具有富集和迁移的特点[4]㊂因此,应对修复场中植物的重金属含量富集特征加强研究,并采取一系列应对措施,以防止重金属对人体健康和生态环境造成危害㊂我国煤矸石综合利用率达到70%以上,六盘水作为我国西南煤炭之都,煤矸石的利用率只有10%左右[5],大量煤炭的开采使煤矸石不断堆积,现已形成几百座煤矸石山[6],可见六盘水煤矸石的生态治理也面临着巨大挑战㊂目前,在六盘水乃至全国很少见到关于煤矸石堆场植被生态风险评价的研究报道,国内外关于木豆用于修复煤矸石堆场的研究报道也较少㊂因此本文通过实验分析重金属在木豆不同部位的含量及分布特征,并进行生态风险评价,了解研究区域木豆的重金属污染状况,以期为煤矸石堆场植被环境风险评价和重金属污染防治提供理论依据㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀研究区概况
六盘水位于贵州省的西部,地理坐标北纬25ʎ19ᶄ44ᵡ~26ʎ55ᶄ33ᵡ,东经104ʎ18ᶄ20ᵡ~105ʎ42ᶄ50ᵡ,属亚热带高原性季风气候区,年平均温度在12~15ħ,夏季平均气温19.7ħ,冬暖夏凉,气候宜人㊂本研究区位于盘州市境内,地处六盘水南部,是典型的煤矿区,海拔1300m㊂煤矸石堆场面积近67000m2,一共可回填煤矸石约200万m3,修复区域三面环山,矸石堆场周边为县级道路,目前堆场已回填10万m3煤矸石㊂1.2㊀样品采集与测定
样品采集根据煤矸石修复场地地形在修复区域两边缘及中间各布设1条采样线,每条采样线均匀布置3个采样点,整个区域共布置9个采样点,选取生长健壮㊁无病虫害的成熟木豆,将其整株挖起,每个样点分别采集根㊁茎㊁叶各1份,共采集木豆样品27份㊂为防止植物样品烘干后体积缩小且防止实验过程中一些不可控因素的影响,每个样品取1
kg左右,置于聚乙烯保鲜袋封装编号运回实验室㊂先用自来水冲洗样品表面杂质,再用蒸馏水清洗3次,放置室内进行晾干后干燥处理㊁粉碎㊁研磨,过60目尼龙筛,装袋密封保存以备用㊂称取一定量样品,置于聚四氟乙烯坩埚中,加入王水溶液浸泡过夜㊂将坩埚置于电加热板上加热消解,直到样品消解完全,再定容,使用火焰原子吸收光度计进行数据测定[7]㊂
1.3㊀潜在生态风险评估法
本文的生态风险评估方法采用Hakanson的潜在生态风险指数法,它可以反映生态风险指数随着重金属含量增加而增加㊁重金属污染物的种类㊁污染物重金属的浓度㊁重金属的毒性水平四个方面[8]㊂是当前国内外广泛用于评价叶子重金属污染的潜在方法之一[9]㊂计算公式如下:
E i r=T i rˑC i f(1)
C i f=C i
C i n
(2)
RI=ðn i=1E i r(3)㊀㊀式中:RI为潜在生态风险指数;Ei r为金属元素i 的潜在风险单项系数;Ti r为重金属元素i的毒性响应系数,查阅以往参考文献,根据徐争启[10]的计算结论所测重金属的毒性系数分别为:Cu=Ni=Pb=5㊁Zn=1㊁Cr=2㊁Cd=30;Ci f为重金属元素i的单向污染系数;C i为重金属i的实际测量值;Ci n为重金属参比值,Hakanson提出应当参照现代化工业前沉积物重金属背景值的最高值为参比值,有的学者采用校园植被作为参比值[11]㊂本论文中参比值以污染相对较小的校园植被均值作为参比值㊂潜在生态风险评价分级标准见表1,植被重金属元素参比值见表2㊂
表1㊀植被重金属潜在生态风险分级标准
Table1㊀Classification criteria for potential ecological risks of vegetation heavy metals
生态风险等级轻度中度强很强极强
E i rɤ4040~8080~160160~320ȡ320
RI<100100~200200~400>400
18
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表2㊀植被重金属元素参比值
Table 2㊀Reference values of heavy metal elements in vegetation
评价标准
Cd Pb Cr Zn Cu Ni 校园植被重金属含量/(mg /kg)
0.35
4.33
1.02
17.00
7.52
5.27
2㊀
结果与分析
图1㊀木豆各部位重金属含量特征Fig.1㊀Characteristics of heavy metal content
in various parts of Cajanus cajan
2.1㊀木豆重金属含量分析
从图1中可知,木豆根中Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu
和Ni 元素的含量变化范围分别为5.27~36.11mg /
kg,6.94~11.40mg /kg,5.77~9.75mg /kg,4.55~12.42mg /kg,7.37~15.77mg /kg,0.086~0.55mg /
kg,各元素含量的平均值大小为:Cr>Zn>Ni>Pb>Cu >Cd㊂根中Cd㊁Pb㊁Ni 含量的最高值均出现在3号
采样点,Cr㊁Zn 含量最高值出现在1号采样点,Cu 含量最高的是4号采样点㊂
木豆茎中Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu 和Ni 元素的含
量变化范围分别为0.025~0.17mg /kg,5.34~33.20
mg /kg,2.77~22.05mg /kg,6.36~15.21mg /kg,3.41~12.00mg /kg,3.46~16.93mg /kg,各元素含量的平均值大小为:Cr >Zn >Pb >Cu >Ni >Cd㊂茎中Cd㊁Cr 含量的最高值均出现在2号采样点,Pb㊁
Cu㊁Ni 含量最高值的是3号采样点,Zn 含量最高值出现在6号采样点㊂
木豆叶片中Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu 和Ni 元素的
含量变化范围分别为0.24~0.97mg /kg,0.73~
21.57mg /kg,10.32~51.49mg /kg,20.51~37.26
mg /kg,8.44~16.60mg /kg,8.44~16.60mg /kg,各元素含量的平均值大小为:Zn >Pb >Cr >Cu =Ni >Cd㊂叶中Cu㊁Ni 含量的最高值均出现在4号采样点,Cr 含量最高值的是7号采样点,Pb 含量最高值
出现在5号采样点,Cd㊁Zn 含量的最高值均出现在
4号采样点㊂
由图2可知,Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu㊁Ni 在木豆
根中的含量占木豆中各元素总量的百分比为1.12%~
7.15%㊁1.37%~9.39%㊁2.08%~3.42%㊁1.50%~
3.20%㊁2.38%~
4.03%㊁1.86%~
5.09%,在木豆根中的平均含量占整个木豆植株中该元素总量的百分比
为2.86%㊁4.61%㊁2.58%㊁2.33%㊁3.11%㊁3.65%㊂
Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu㊁Ni 在木豆茎中的含量占
木豆中各元素总量的百分比为0.32%~2.21%㊁
1.39%~8.64%㊁0.83%~6.61%㊁1.29%~3.09%㊁1.43%~6.99%㊁1.40%~4.91%,在木豆茎中的平均含量占整个木豆植株中该元素总量的百分比为
1.30%㊁3.43%㊁
2.48%㊁2.62%㊁
3.21%㊁2.72%㊂
Cd㊁Cr㊁Pb㊁Zn㊁Cu㊁Ni 在木豆叶片中的含量
占木豆中各元素总量的百分比为3.12%~12.60%㊁
0.19%~5.61%㊁3.09%~15.42%㊁4.16%~7.56%㊁3.48%~6.85%㊁3.46%~6.80%,在木豆叶片中的
28
第1期姚逸等:六盘水响水镇煤矸石修复场木豆重金属分布特征与生态风险评价
㊀㊀㊀平均含量占整个木豆植株中该元素总量的百分比为
6.89%㊁3.07%㊁6.05%㊁6.16%㊁4.79%㊁4.75%㊂
由各重金属在木豆各部位所占百分比可知,各
元素在木豆各部位的分布依次为,Cd:叶>根>茎;Cr:根>茎>叶;Pb:叶>根>茎;Zn:叶>茎>根;Cu:叶>茎>根;Ni:叶>根>茎
㊂
图2㊀各元素在木豆各部位所占比例
Fig.2㊀The proportion of various elements in various parts of Cajanus cajan
2.2㊀木豆生态风险评价
六盘水响水镇木豆根㊁茎㊁叶部位潜在风险单
项系数E i r 和生态风险指数RI 见表3-表5,图1为评价标准,判断6种重金属在植被不同部位的生态危害程度㊂
根在各采样点潜在风险单项系数均低于40,生态污染较小㊂潜在生态风险指数的结果表明,木豆根中重金属元素Cr 的潜在生态风险指数值最大,其潜在生态风险指数RI 介于200~400,具有较强的生态风险,其次是Cd 在根中具有中度的生态风险,其余元素在木豆根中生态风险较低㊂木豆根的潜在生态风险指数大小为:Cr>Cd>Pb>Ni>Cu>Zn㊂
茎在各采样点潜在风险单项系数均低于轻度污染标准㊂潜在生态风险指数的结果表明,木豆茎中重金属元素Cr 的潜在生态风险指数值最大,具有较强的生态风险,其余元素在木豆茎中属于低风险重金属㊂木豆茎的潜在生态风险指数大小为:Cr>Pb>Cd>Ni>Cu>Zn㊂
叶中6种重金属元素中只有Cd 元素潜在风险单
项系数大于40,具有中度生态危害性㊂潜在生态风
险指数的结果表明,木豆叶片中重金属元素Cd 的潜在生态风险指数值达到408.00,是木豆叶片最具潜在危害性的重金属,其次Cr㊁Pb 在木豆叶片中的生态危害程度达到了较强的水平㊂木豆叶的潜在生态风险指数大小为:Cd>Pb>Cr>Ni>Cu>Zn㊂
表3㊀木豆根重金属元素的潜在生态危害系数和
潜在生态风险指数
Table 3㊀Potential ecological hazard coefficient and potential
ecological risk index of heavy metal elements in Cajanus cajan roots
采样点潜在风险单项系数E i r
Cd
Cr
Pb
Zn
Cu
Ni
124.8670.8011.390.93 4.9710.50221.4333.759.720.52 4.467.75
347.1439.1813.160.73 5.6411.78412.0036.889.770.67 6.4811.3957.3738.008.810.61 4.318.9267.71
30.438.010.43 5.988.64721.4319.4310.170.76 5.12 5.07817.1410.3310.070.58 3.84 4.329
12.8634.008.280.86 4.247.59平均值19.1034.769.930.68 5.008.44RI 171.94
312.80
89.39 6.0945.04
75.963
8
表4㊀木豆茎重金属元素的潜在生态危害系数和
潜在生态风险指数
Table4㊀Potential ecological hazard coefficient and potential ecological risk index of heavy metal elements in Cajanus cajan stems
采样点
潜在风险单项系数E i r
Cd Cr Pb Zn Cu Ni
1 2.1415.86 4.870.87 2.30 4.67 214.5765.108.270.85 5.468.21 39.4344.9825.460.8811.2611.39 4 6.3410.47 3.200.77 4.05 4.25 59.4311.3716.260.37 2.87 3.24 67.4614.35 4.380.89 4.28 4.0
2 7 5.4418.98 4.670.76 2.70 3.27 813.7126.189.650.7010.209.12 911.1425.169.240.7
3 3.468.49平均值8.8525.839.560.76 5.18 6.29 RI79.67232.4586.00 6.8446.5856.65
根据潜在生态风险指数(图3),木豆根㊁茎㊁叶中Zn㊁Cu㊁Ni污染水平属轻微生态风险,Pb在根㊁茎中污染水平也为轻微生态风险;木豆根中Cd 为中度生态风险,Cr为强生态风险;木豆茎中只有Cr存在危害性,污染水平为强生态风险;木豆叶中Cr㊁Pb的污染水平均表现为强生态风险,Cd的潜在生态风险指数值最高,表现为极强的生态风险㊂综合潜在生态风险评价结果表明,整个木豆植株中Cr㊁Cd具有较强的生态风险,Pb的生态危害程度为中度危害;各重金属元素的在木豆中的平均潜在生态风险程度大小为:Cr>Cd>Pb>Ni>Cu>Zn,潜在生态风险指数RI值的变化范围为6.09~408.00㊂表5㊀木豆叶片重金属元素的潜在生态危害系数和
潜在生态风险指数
Table5㊀Potential ecological hazard coefficient and
potential ecological risk index of heavy metal elements
in Cajanus cajan leaves
采样点
潜在风险单项系数E i r
Cd Cr Pb Zn Cu Ni
121.4312.0012.81 1.717.1710.23 232.57 1.4315.45 1.21 6.529.29 320.5712.1611.92 1.957.2210.30 433.4342.2919.69 2.0111.0415.75 536.0036.0459.46 1.49 6.949.91 643.7135.9419.09 2.049.8113.99 783.1431.0024.11 2.199.3513.34 866.8620.7625.13 1.45 5.618.01 970.2916.8023.45 2.01 5.768.23平均值45.3323.1623.46 1.787.7111.00 RI408.00208.43211.1016.0569.4199.
04
图3㊀木豆重金属潜在生态风险评价
Fig.3㊀Potential ecological riskassessment of
Cajanus cajan heavy metals
3㊀结论
对六盘水响水镇煤矸石修复场植被的重金属含量进行研究,得出主要结论如下:
(1)Cd㊁Cr㊁Cu和Ni在木豆各部位含量变化差异不大,但Pb和Zn在木豆叶片中含量高于根与茎中的含量㊂木豆中各元素含量的平均值大小为,根: Cr>Zn>Ni>Pb>Cu>Cd;茎:Cr>Zn>Pb>Cu>Ni>Cd;叶:Zn>Pb>Cr>Cu=Ni>Cd㊂
(2)植被生态风险评估结果表明,整个木豆植株中Zn㊁Cu和Ni属轻微生态风险;Pb的生态危害程度为中度;Cr和Cd有较强的生态风险㊂其中,木豆叶片中Cd具有极强的生态风险,是木豆叶片最具潜在危害性的重金属㊂
(3)植物木豆中6种重金属元素的平均潜在生态风险程度大小为:Cr>Cd>Pb>Ni>Cu>Zn,潜在生态风险指数RI值的变化范围为6.09~408.00,所采集的样品中有37%具有一定的生态危害性,具有生态危害性的样品有50%是来自木豆叶片㊂
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(下转第90页)
体迁移的速率及过程㊂氮添加加速了NH+4向NO-3的转化,过量的氮添加会导致土壤中根系植物的生存,导致其NH+4向NO-3转化受到抑制㊂模拟氮沉降作用下,不同重金属存在不同的迁移行为,但总体上迁移累积释放量与淋溶时间呈正相关关系,土壤中的重金属的迁移主要依靠降水的淋洗作用向环境水体中迁移㊂氮沉降会导致土壤重金属向毒性更高的离子形态转化㊂在淋溶后不同浓度梯度下的重金属不稳定形态的百分含量变化趋势基本一致,均为Fe-
Mn氧化物结合态>有机结合态>碳酸盐结合态>可交换态㊂其中,Cd㊁Cu㊁Ni㊁Pb㊁Zn在N2条件下,土壤重金属的活化率最大,均为21.16%,10.71%, 3.59%,10.86%,6.58%㊂氮添加对土壤重金属具有一定的活化作用,导致消落带土壤-水体环境风险增大,对三峡库区环境造成潜在危害㊂
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