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沘江两岸耕地土壤重金属径流迁移模拟研究

来源:SCI期刊网 分类:农业论文 时间:2021-10-18 08:01 热度:

摘 要:摘要:为研究重金属污染土壤在暴雨径流条件下是否存在水环境风险,对亚洲最大铅锌矿所在地,即沘江两岸耕地土壤中重金属元素As、Zn、Cd、Pb累积状况进行系统调查,并选择上游、中

  摘要:为研究重金属污染土壤在暴雨径流条件下是否存在水环境风险,对亚洲最大铅锌矿所在地,即沘江两岸耕地土壤中重金属元素As、Zn、Cd、Pb累积状况进行系统调查,并选择上游、中游、下游污染程度不同的3个代表性供试土壤,通过人工模拟降雨方法,研究不同坡度(5°、15°和25°)和不同降雨强度(30mm/h和60mm/h)下沘江流域耕地土壤中重金属元素As、Zn、Cd、Pb随地表径流迁移流失的环境风险。结果表明:1)沘江两岸耕地土壤重金属累积存在不同程度的污染,流域内中风险组As、Zn、Pb、Cd的含量超标率分别为7.69%~85.71%、7.69%~100%、23.08%~46.67%和38.46%~60%,高风险组Pb和Cd的含量超标率分别为53.33%~71.43%和40%~100%,流域不同位置耕地土壤中重金属As、Zn、Cd、Pb平均累积量从大到小表现为上游、中游、下游;2)模拟研究结果显示,沘江流域耕地土壤的地表径流水中出现不同程度重金属污染,上游耕地土壤的径流中As、Zn、Cd、Pb均被检出,中游耕地土壤的径流中Zn、Cd、Pb被检出,下游耕地土壤的径流中只有Cd被检出,其中Cd和Pb质量浓度在地表水Ⅳ-劣Ⅴ类之间波动,径流中As和Zn质量浓度均未超过Ⅰ类水质标准;3)地表径流水中As、Zn、Cd、Pb的质量浓度和迁移量都随着坡度和降雨强度的增加而增大。沘江两岸耕地土壤中存在重金属污染,土壤污染程度、降雨强度和坡度都可能对研究区域耕地土壤重金属径流迁移造成影响。

沘江两岸耕地土壤重金属径流迁移模拟研究

  关键词:环境学;沘江流域;重金属;耕地土壤;径流

  0引言

  有色金属矿产的开发利用是重金属污染的主要来源之一,尤其是露天金属矿山的开采[1]。矿山在开采过程中会产生大量的矿渣、废水、废石、尾矿等,大部分未经处理直接露天堆放,使得周边农田土壤中的重金属不断累积[2]。土壤重金属积累对生态环境的影响已引起学者广泛关注[3-5]。累积在土壤中的重金属可以通过多种方式迁移,主要包括植物吸收进入食物链、扬尘进入大气环境以及地表径流或淋溶进入水体环境等[6]。研究表明,因重金属累积而导致的迁移是造成地表水大面积非点源重金属污染的根本原因[7],而土壤重金属随地表径流迁移除受到土壤污染程度的影响外,还受到重金属赋存状态、降雨强度、降雨酸度、坡度、土地利用方式、植被覆盖度、农业管理措施以及土壤理化性质等多种因素的影响[8-14]。

  沘江上游的兰坪金顶铅锌矿目前是我国已经探明的最大铅锌矿,也是世界上为数不多储量上千万吨级的铅锌矿床之一[15]。兰坪金顶铅锌矿中铅储量2.53×106t,锌储量近1.3×106t,镉储量1.7×105t,其中伴生及共生砷、硫、铁、铊、锶、银、钡等[16]物质。重金属矿产资源的开发常造成周围环境的重金属累积[17],由于金顶铅锌矿区地势陡峻,在雨季易于汇水,因此累积在土壤表层的重金属更易受到径流的影响,发生土-水界面的迁移转化,致使土壤中重金属随径流进入到沘江中游、下游水环境,给环境和人体健康造成危害[18]。2008年,李瑞萍等[16]最先报道了流经兰坪金顶铅锌矿区的沘江水体中重金属污染状况,研究发现沘江水遭到镉污染,底泥已成为重金属元素的蓄积库,以国家土壤环境质量标准(Ⅲ级)衡量,铅、锌、镉、砷分别超标3.4倍、15.8倍、106倍和2.6倍。王李鸿等[15]通过实地调查采样,采用室内试验和相关分析等方法,发现沘江流域水体中Pb和Cd均已超过国家(九)类水质标准(GB3838—2002),水体中Pb和Cd与采样点即矿区的距离呈正相关。金修齐等[2]通过对沘江沿岸小尺度农田的调查发现,农田土壤中铅、锌、镉含量均超过当地土壤背景值,出现污染富集。根据国家土壤环境质量标准,铅含量未超标,而锌、镉含量超标率分别高达98.6%和100%。但目前关于沘江流域污染土壤中重金属元素随地表径流迁移规律的研究较少,本试验在沘江流域上游、中游、下游坡耕地中共采集耕地土壤35个,测定土壤中重金属元素As、Zn、Cd、Pb累积量。选择上游、中游、下游具有代表性的污染耕地土壤作为供试验土壤,并于沘江流域通过人工模拟降雨方法,研究不同坡度(5°、15°和25°)和不同降雨强度(30mm/h和60mm/h)下沘江流域耕地土壤中重金属元素As、Zn、Cd、Pb随地表径流的迁移特征,不仅可以掌握沘江流域土壤重金属污染状况和径流流失风险情况,还可为沘江流域沿岸耕地土壤可持续利用提供参考。

  1材料与方法

  1.1研究区域概况

  沘江地处99°13'—99°36'E、25°28'—26°41'N,发源于兰坪青岩山,属于澜沧江一级支流,全长169.5km。沘江上游河段的兰坪凤凰山特大铅锌矿床是我国已探明的最大铅锌矿床,也是世界上为数不多的储量上千万吨级的特大型铅锌矿床之一,且兰坪铅锌矿开发集中在此河段,河谷中选厂、冶炼厂等矿业厂区分布密集。沘江上游河段为谷底,相对平坦、开阔,同时也是兰坪县粮食、蔬菜的重要产地之一。中游河段开始于兰坪县与云龙县交界处,直至诺邓镇结束。沘江流经诺邓镇后为下游河段,谷地狭窄,河床较大,水流湍急,建有小型水电站,其中相对宽阔、水流平缓地段有农田与村镇分布。自20世纪70年代末,沘江水污染日趋明显,到80年代中期,随着兰坪铅锌矿的开发,沘江源头及上游两岸的采选和冶炼厂迅速发展,沘江水质日益恶化,从90年代开始,污染程度加剧。

  1.2土壤样品采集

  于2015年7月5日在沘江上游兰坪的金顶镇沿沘江至下游的功果桥,从沘江两岸有农田分布区域采集农田耕地土壤表层土(0~20cm)共35个土壤样品,采样点的设置与金顶铅锌矿的相对距离和上下游位置状况相关。沘江兰坪县金顶镇至兰坪县与云龙县交界处为上游地区,共采集样品7个;兰坪县与云龙县交界处到诺邓镇为中游地区,共采集样品15个;诺邓镇沿沘江至功果桥为下游地区,共采集样品13个。按照随机多点混合采样法,分别在沘江流域上游、中游、下游坡耕地中设置1个采样点,采集0~20cm处农田耕层土壤进行模拟降雨径流实验,风干后去除石砾、有机残体、植物根系等混匀备用,见图1。模拟径流土样中重金属含量见表1。表1模拟径流土样重金属质量比统计Table1Statisticsofheavymetalmassratioinsimulatedrunoffsoilsamples土样采样点pH有机质/(g·kg-1)重金属积累量/(mg·kg-1)AsZnCdPb上游7.915.837.51493.84.262778.4中游7.617.329.711085.53.361915.9下游6.918.918.51012.92287.09

  1.3试验设计

  于云南农业大学水利学院人工降雨大厅,采用南京林业大学人工模拟降雨实验室(南林电子科技有限公司)生产的NLJY-10型人工模拟降雨控制系统进行试验,降雨高度为16m,有效降雨面积约40m2,喷头类型为散喷型。人工模拟降雨控制系统通过雨滴的终点速度以及大小所占比例(雨滴分布)来控制精度,雨滴直径采用色斑法测定,雨滴终点速度采用高速摄影法校验。降雨试验前对不同降雨强度进行率定,降雨期间在地面放置8个雨量筒,根据雨量筒观测降雨量取其平均值,进而对降雨均匀度测定和对雨强进行标定,率定后模拟控制系统降雨均匀系数达95%以上,雨滴降落终速可达自然雨滴图1沘江流域土壤取样点Fig.1SoilsamplingpointsinBijiangwatershed的99%,降雨特性接近天然降雨。试验采用1m×0.3m×0.4m的容器进行盛土,装入等量0~20cm耕层土。为确保填装土壤的均匀,采用分层填装的方式进行填装,即每隔5cm填装一层,且在填装下一层前,对上一层已填土壤的表面进行疏松,防止土层之间出现分层现象,与此同时,试验通过分层装土和压实的方法控制土壤容重,以确保土壤容重最终约1.3g/cm3。试验共设置2个降雨强度和3个坡度,根据沘江流域降雨的发生频率和坡耕地坡度现状设置雨强和坡度,其中降雨强度分别为30mm/h和60mm/h,降雨坡度设置为5°、15°和25°,降雨时间设置为32min。试验每隔4min进行取样并测定,径流中重金属质量浓度为8次采样的平均值,每次采样重复3次测试。

  1.4分析项目与方法

  根据GB/T7475—1987规定,径流液中Zn、Pb、Cd采用原子吸收分光光度计(AA6880,岛津)进行测定;As采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICPOES,赛莫飞)测定;土壤pH采用玻璃电极法(PHSJ4F,上海仪电雷磁)测定[19];土壤中As采用原子荧光光谱法(GB/T17135—1997)(AFS-230E,北京海光仪器有限公司)测定;Zn采用火焰原子吸收分光光度法(GB/T17138—1997)(AA6880,岛津)测定;Cd和Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T17141—1997)(AA6880,岛津)测定;加入标准物质GBW07405对整个分析测试过程进行质量控制。

  2结果与分析

  2.1流域耕地土壤重金属累积状况

  沘江流域不同河段耕地土壤中重金属累积状况见图2。由图2可知,沘江流域耕地土壤中As的质量比为3.72~91.5mg/kg,Zn的质量比为50.3~3288.9mg/kg,Cd的质量比为0.05~26.83mg/kg,Pb的质量比为0.2~4306.7mg/kg。其中沘江流域上游、中游、下游河段耕地土壤重金属As质量比均值分别为47.69mg/kg、25.47mg/kg和17.23mg/kg,Zn质量比均值分别为966.51mg/kg、662.88mg/kg和273.96mg/kg,Cd质量比均值分别为9.62mg/kg、4.28mg/kg、2.91mg/kg,Pb质量比均值分别为1845.37mg/kg、1215.77mg/kg、691.54mg/kg,各重金属质量比平均值从大到小表现为上游河段、中游河段、下游河段。

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  参考土壤环境质量GB15618—2018《农用地土壤污染风险管控标准》中对各重金属元素污染风险筛选值和管控值,研究发现:沘江流域上游、中游、下游河段耕地土壤重金属As质量比达到中风险组(即筛选值<重金属总量值≤管控值)的样点个数分别占总数的85.71%、53.33%和7.69%;Zn质量比达到中风险组的样点个数分别占总数的100%、46.67%和7.69%;Pb质量比达到中风险组的样点个数分别占总数的28.57%、46.67%和23.08%,达到高风险组(即重金属总量值>管控值)的样点个数分别占总数的71.43%、53.33%和53.85%;沘江流域上游耕地土壤的Cd均达到高风险,中游耕地土壤的Cd达到高风险的占40%,达到中风险的占60%,而下游耕地土壤的Cd达到高风险的占46.15%,达到中风险的占38.46%。当土壤中重金属质量比超过风险管控值时,质量比越大耕地土壤污染风险值越高。

  2.2耕地土壤污染程度对径流中重金属的影响

  2.2.1耕地土壤污染程度对径流中重金属质量浓度的影响

  沘江流域不同河段耕地土壤中重金属污染状况不同,见表3。中游和下游污染土壤的径流水中均未发现As,上游污染土壤的径流水中As质量浓度为0.0025~0.0062mg/L,平均值为0.0044mg/L。沘江流域上游和中游污染土壤的径流水中Zn质量浓度分别为0.0211~0.0394mg/L和0.0105~0.0443mg/L,下游污染土壤的径流水中未发现有Zn。根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》对沘江流域不同污染程度土壤径流水中重金属浓度进行评价,As和Zn质量浓度均未超过Ⅰ类水质标准。流域内污染程度较重的是Cd和Pb,沘江流域上游污染土壤径流水中的Cd质量浓度为0.0587~0.1410mg/L,中游Cd质量浓度为0.0245~0.0416mg/L,下游的Cd质量浓度为0.0092~0.0106mg/L,其平均值排序由大到小为上游河段、中游河段、下游河段,其中,上游和中游河段Cd质量浓度均属于劣Ⅴ类标准,下游河段Cd质量浓度属于Ⅲ类或Ⅳ类标准。沘江流域上游污染土壤径流水中的Pb质量浓度为0.0683~0.1147mg/L,中游Pb质量浓度范围为0.0192~0.0933mg/L,在下游污染土壤的径流水中未发现有Pb,Pb质量浓度的平均值排序由大到小为上游河段、中游河段,上游河段Pb质量浓度属于地表水Ⅳ~Ⅴ类标准,中游河段Pb质量浓度属于Ⅲ类或Ⅳ类标准。

  2.2.2耕地土壤污染程度对径流中重金属迁移量的影响

  由表4可知,沘江流域上游河段污染土壤的径流水中As迁移量为0.0302~0.1479mg/m2,其平均值为0.0778mg/m2,中游和下游河段污染土壤的径流水中均未检测到As;上游和中游河段污染土壤的径流水中Zn迁移量分别为0.2547~0.9399mg/m2、0.1268~1.0568mg/m2,平均值分别为0.5413mg/m2和0.5422mg/m2,下游污染土壤的径流水中未发现有Zn;上游、中游、下游河段污染土壤的径流水中Cd迁移量分别为0.7098~3.1537mg/m2、0.2958~0.9924mg/m2、0.1111~0.2529mg/m2,平均值分别为1.5492mg/m2、0.6260mg/m2和0.1679mg/m2;上游、中游河段污染土壤的径流水中Pb迁移量分别为0.8245~2.7362mg/m2和0.2607~2.2257mg/m2,平均值分别为1.5990mg/m2和0.7543mg/m2,下游污染土壤的径流水中未发现有Pb。

  2.3降雨强度和坡度对径流水样中重金属的影响

  2.3.1降雨强度和坡度对径流水样中重金属质量浓度的影响

  不同降雨强度和坡度对沘江流域污染土壤径流水中重金属质量浓度影响见图3。由图3可知,当降雨强度为30mm/h时,不同坡度下污染土壤径流水中As质量浓度为0.0025~0.0049mg/L,Zn质量浓度为0.0211~0.0361mg/L,Cd质量浓度为0.0588~0.1322mg/L,Pb质量浓度为0.0683~0.1007mg/L,其中不同坡度流失水样中As、Zn、Cd和Pb质量浓度从大到小均表现为25°、15°、5°。经方差分析可知,坡度为25°的径流水中As和Cd质量浓度显著高于其他两个水平,而坡度为5°和15°时As和Cd质量浓度差异不明显。不同坡度间污染土壤径流水中的Zn质量浓度达到显著性差异。坡度为15°和25°的径流水中Pb质量浓度显著高于坡度为5°时Pb质量浓度,而坡度为15°和25°时Pb质量浓度差异不明显。当降雨强度增加到60mm/h,不同坡度下污染土壤径流水中As质量浓度为0.0046~0.0062mg/L,Zn质量浓度为0.0271~0.0394mg/L,Cd质量浓度为0.0951~0.1410mg/L,Pb质量浓度为0.0794~0.1147mg/L,不同坡度流失水样中As、Zn、Cd和Pb质量浓度从大到小同样表现为25°、15°、5°。其原因为坡度能改变土壤承雨面积、径流流速和降雨入渗时间,进而对重金属流失造成影响。经方差分析可知,不同坡度下污染土壤径流水中的Zn和Pb质量浓度均达到显著性差异。坡度为25°的径流水中As质量浓度显著高于其他两个水平,而坡度为5°和15°时As质量浓度差异不明显。坡度为15°和25°的径流水中Cd质量浓度显著高于坡度为5°时Cd质量浓度,而坡度为15°和25°时Cd质量浓度差异不明显。

  3讨论

  3.1沘江流域耕地土壤重金属累积特征

  矿山开采过程中会产生大量的废水、矿渣、废石、尾矿等,大部分未经任何处理直接露天堆放,进而成为周边农田土壤中的重金属污染的主要来源[2]。本文研究发现,沘江流域上游、中游、下游河段耕地土壤重金属As质量比均值分别为47.69mg/kg、25.47mg/kg和17.23mg/kg,Zn质量比均值分别为966.51mg/kg、662.88mg/kg和273.96mg/kg,Cd质量比均值分别为9.62mg/kg、4.28mg/kg、2.91mg/kg,Pb质量比均值分别为1845.37mg/kg、1215.77mg/kg、691.54mg/kg。各重金属质量比平均值由大到小为上游河段、中游河段、下游河段,表明距离矿区越近,土壤中重金属累积量越大,距离矿区越远,土壤中重金属累积量越小。根据土壤环境质量《农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)中对各重金属元素污染风险筛选值和管控值的要求对沘江流域耕地土壤重金属含量进行评价发现,流域内中风险组As、Zn、Pb和Cd的超标率分别为7.69%~85.71%、7.69%~100%、23.08%~46.67%和38.46%~60%,高风险组Pb和Cd的超标率分别为53.33%~71.43%和40%~100%,Cd和Pb的高度富集与较高的地质背景有关,但受矿业活动的影响更大。因此,应该根据沘江流域耕地土壤重金属累积分布特点做相应的调整,严格控制上游地区河谷中选厂、冶炼厂等矿业厂区污水直接排入河道,需增建污水处理厂和小型等级堤坝以拦截尾矿和废渣,并对沘江流域的水土进行定期检测等。

  3.2不同污染程度土壤重金属径流迁移特征

  土壤污染程度是影响土壤重金属随地表径流迁移的重要因素之一[8]。研究表明[2],土壤中镉污染水平与释放进入溶液中的镉浓度呈极显著正相关,且土壤中镉含量每增加1mg/kg,淹水平衡后水体中镉质量浓度平均增加0.006~0.007mg/L。本文研究发现,沘江流域污染土壤的地表径流中出现不同程度重金属污染,沘江流域上游污染土壤的径流中检测有As、Zn、Cd和Pb,中游污染土壤的径流中检测有Zn、Cd和Pb,而在下游污染土壤的径流中只检测到Cd。分析结果表明,流域内污染程度较重的是Cd和Pb,达到地表水Ⅳ-劣Ⅴ类标准,而As和Zn质量浓度均未超过Ⅰ类水质标准。其原因在于矿业活动的远近造成沘江流域不同河段耕地土壤中重金属污染状况不同、污染程度不同。兰坪铅锌矿开发集中在上游河段,河谷中选厂、冶炼厂等矿业厂区分布密集,导致上游土壤中重金属累积量大,当降雨发生时,重金属极易通过径流进入到水体环境,给周边地区的地表水、地下水及土壤环境带来极其严重的污染,因此应该加强对矿区污染源的治理,防止矿区污染物扩散。

  3.3不同降雨强度和坡度对耕地土壤重金属迁移的影响

  降雨条件是影响土壤重金属随地表径流迁移的重要因素[9],降雨强度的大小对土壤侵蚀影响很大,进而对地表径流中重金属的质量浓度造成影响[21]。坡度是影响土壤重金属随地表径流迁移的重要地形因子[22],坡度可以通过影响流速和入渗时间来影响坡面表土的径流携沙能力、颗粒起动和侵蚀方式,进而对坡面流速造成影响[23]。本文研究发现,随着降雨强度的增加,沘江流域污染土壤径流水中As、Zn、Cd、Pb质量浓度和迁移量呈增加趋势,其原因为降雨强度越大,对土壤的冲刷能力越强,携带重金属越多。此外,随着坡度的增加,沘江流域污染土壤径流水中As、Zn、Cd、Pb质量浓度和迁移量也呈增加趋势,因随着坡度的增加,雨水对地表的冲刷能力增强,进而土表大量的重金属进入到水体中,致使径流中重金属的总质量浓度和迁移量增加。陶权等[23]通过室内模拟试验,发现空白土壤和污染土壤径流中Cu、Pb和Zn总质量浓度随着降雨强度的增加而增加。王继宇[10]室内模拟试验显示Cd、Cu、Ni和Zn的累积流失量随雨强的增大、地面坡度的增高而显著增加,本文所得结论与其基本一致。因此,在暴雨易发期间,特别是有一定坡度的耕地地区,应提高植被覆盖率,缓解降雨对耕地的冲刷作用,同时采用合理的耕作制度,以减少土壤侵蚀。

  4结论

  1)沘江两岸耕地土壤中As、Zn、Pb和Cd质量比超过污染筛选值的百分比分别为1.67%~205%、3.56%~1215.56%、62.67%~3488.92%和323.33%~8843.33%,Pb和Cd质量比超管控值的百分比分别为1.97%~515.24%和8%~794.33%,表明沘江两岸耕地土壤中存在重金属污染。

  2)流域不同河段耕地土壤中重金属As、Zn、Cd、Pb平均累积量从大到小表现为上游、中游、下游,即距离矿区越近,土壤中重金属累积量越大,距离矿区越远,土壤中重金属累积量越小。

  3)沘江流域上游污染土壤径流水中的重金属浓度较高,出现有不同程度的As、Zn、Cd和Pb污染;中游河段污染土壤的径流水中检测有Zn、Cd和Pb污染;下游污染土壤的径流中只检测到有Cd。根据《地表水环境质量标准》对沘江流域土壤径流水中重金属污染程度评价发现,As和Zn质量浓度均未超过Ⅰ类水质标准,而Cd和Pb质量浓度在地表水Ⅳ-劣Ⅴ类之间波动。

  4)随着坡度和降雨强度的增加,供试土壤地表径流中As、Zn、Cd、Pb质量浓度和迁移量均呈增加趋势。——论文作者:刘娟1,2,张乃明2,3,于泓2,3,林建2,3

文章名称:沘江两岸耕地土壤重金属径流迁移模拟研究

文章地址:http://www.sciqk.com/lwfw/nylw/12025.html

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