俞樂航

摘 要：2016年7月到8月筆者對北極斯瓦爾巴德群島進行了為期18d的實地考察，考察期間對朗伊爾賓4個廢礦區(qū)周邊土壤環(huán)境中重金屬污染狀況、空間分布和遷移規(guī)律以及部分北極植物對重金屬的富集規(guī)律進行了研究。通過廢礦區(qū)等間隔多點采樣以及對土壤和植物中重金屬元素的測定分析，認為煤礦開采對北極朗伊爾賓4個礦區(qū)的土壤均造成了不同程度的重金屬污染，其中Cd、Pb、Zn的污染程度最大。同時對植物研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)苔蘚、發(fā)草、珠芽蓼、蠅子草、山蓼、北極罌粟等對Cd、Pb、Ni、Zn、As具有不同的吸收富集能力，但均未達到超富集植物類型，其中苔蘚和發(fā)草對重金屬存在較強吸收富集，表明其耐毒性較強，在極區(qū)重金屬污染修復(fù)中存在巨大潛力。廢礦區(qū)內(nèi)Cd在所有植物中屬于強富集，其次是Pb、Zn、Ni元素，As富集最弱。由于Cd等的高毒性，土壤修復(fù)工作不容小覷。

關(guān)鍵詞：北極 斯瓦爾巴德群島 土壤 重金屬 遷移 植物 富集

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0121-03

1 研究背景及意義

隨著工業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)中污染物的排放，我們生活的土地污染程度和范圍在逐漸擴大，即使是在常年冰川覆蓋人類活動較少的極地也不例外[1-13]。北極是高緯極寒區(qū)，其土壤污染物很可能受當?shù)毓I(yè)環(huán)境和人類生活的影響而發(fā)生變化[1-4，6-13]，同時北極又是地球上受污染程度最小的區(qū)域之一，受外界干擾較少，其數(shù)據(jù)具有很高的研究價值。

2 研究對象與方法

2.1 樣品采集

以朗伊爾賓城為重點采樣地點在周邊選取了4個主要采樣位置，采集了一些土壤樣品，將4個樣點分別記為A、B、C、D考察點。分別以每個廢礦區(qū)為圓心，按照一定方向拉制導(dǎo)線，在距離礦區(qū)0m，50m，100m，150m，200m的采樣點，用潔凈的竹制小鏟挖取5～20cm深的表層土壤樣，每袋約100g，同時在采樣點一定范圍內(nèi)采集蠅子草、北極罌粟、發(fā)草、山蓼、珠芽蓼、苔蘚等植物及其根部土壤樣品，樣品現(xiàn)場采集后置于聚乙烯袋中密封冷藏保存作為研究對象。

2.2 實驗方法

（1）土壤樣品分析方法：將新鮮的土壤樣品去掉植物殘體及石塊后過100目篩，準確稱取0.0050g土壤樣品，用HF-HCiO4-HNO3法在電熱板上進行消解，消解后測定鉛（Pb）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、砷（As）元素。

（2）植物樣品分析方法：用蒸餾水將植物的莖、葉沖洗干凈，去除粘附在植物樣品上的泥土和污物，用潔凈紗布擦干表面水分。在105℃下殺青30min后，再在68℃條件下烘干至恒重，將樣品用瑪瑙研缽粉碎，過100目篩后放入干燥器中備用，后續(xù)測定方法同土壤樣品。

2.3 實驗分析

2.3.1 土壤污染評價方法

以斯瓦爾巴的群島本土土壤背景值為評價標準，評價方法采用單因子指數(shù)法。計算公式如下：

Pi=Ci/Si

Pi代表土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Ci代表污染物i的實測濃度，Si代表當?shù)丨h(huán)境中i的背景值。

分級標準：Pi<1清潔；1≤Pi<2輕度污染；2≤Pi<3中度污染；Pi≥3重污染。

2.3.2 植物對土壤中重金屬富集評價方法

生物吸收系數(shù)（Biological Acsorption Coefficient，BAC）

BAC=Msample/Mbaseline

其中，Msample為化學(xué)元素在植物中的濃度，Mbaseline為土壤中元素的含量。一般認為BAC在0.01～0.1之間表示對此元素表現(xiàn)為弱吸收，在0.1～1之間表現(xiàn)為中度吸收，在1～10之間為強吸收。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同礦區(qū)重金屬污染評價

由表1可知，除A礦區(qū)的As和C礦區(qū)的Ni外，5種重金屬元素在4個礦區(qū)均存在不同程度的污染，其中Cd、Pb、Zn污染程度較為明顯，尤以Cd污染最為嚴重，在A、B、D礦區(qū)達到嚴重污染。這與袁林喜等[2]、王小飛[3]以及張恒學(xué)[4]的研究結(jié)果一致，即煤礦開采會造成Cd的嚴重富集和污染。Zn在D礦區(qū)也達到了重度污染；Pb在A、C、D礦區(qū)達中度污染；As和Ni污染較小，僅在個別礦區(qū)達到輕度污染。在這4個礦區(qū)中D礦區(qū)污染最重。

3.2 不同礦區(qū)重金屬分布及遷移情況

筆者將每種元素除以它們的土壤背景值進行標準化，然后進行投圖。由圖1可知，A礦區(qū)中，Ni、Pb和Zn元素的分布變化規(guī)律最為明顯，均呈現(xiàn)出隨距礦坑口距離的增加而增加的趨勢；Cd含量隨距礦坑口距離變化不明顯，但在50m處達到最大值，屬于重度污染；As元素呈現(xiàn)出隨距離增加含量降低的趨勢，但是整體較為清潔。由圖2知，在B礦區(qū)中Cd和Ni的變化規(guī)律最明顯，即隨距礦坑口距離的增加含量逐漸降低；Zn呈現(xiàn)出波折下降的趨勢，其余元素變化規(guī)律不明顯。由圖3知，在C礦區(qū)中Cd和Zn的污染主要集中在礦坑口，隨著距離的增加，含量迅速降低；Pb和As變化規(guī)律相似，在距礦坑口100m處富集，然后含量逐漸降低；Ni變化規(guī)律不明顯，整體較為清潔。由圖4可知，在D礦區(qū)中Cd、Zn、Ni和Pb元素在礦坑口含量大于周邊地區(qū)，表現(xiàn)出隨距離增加含量逐漸降低的趨勢，以Cd和Zn最為明顯，As變化規(guī)律不明顯，整體較為清潔。

3.3 植物對重金屬富集規(guī)律

山蓼、北極罌粟、蠅子草、珠芽蓼、發(fā)草、苔蘚等北極植物內(nèi)Cd、Ni、Pb、Zn和As等重金屬元素濃度和富集程度是不同的。Cd在6種植物體內(nèi)的濃度最低，其中發(fā)草、苔蘚和珠芽蓼體內(nèi)含量較高；Ni在發(fā)草和朱芽蓼體內(nèi)含量最高；Pb在苔蘚、發(fā)草和珠芽蓼體內(nèi)含量較高；Zn在6種植物體內(nèi)含量整體較高，其中在苔蘚、山蓼和發(fā)草體內(nèi)含量較高；As在植物體內(nèi)濃度相對較低，其中苔蘚、北極罌粟和蠅子草體內(nèi)濃度較高。總體上6種植物中發(fā)草、苔蘚和朱芽蓼體內(nèi)重金屬濃度高，相對其他植物對重金屬吸收能力強。

朗伊爾賓4個廢礦區(qū)北極植物對不同的重金屬吸收系數(shù)存在差異，即使是對相同的重金屬，采樣地點不同吸收系數(shù)也存在差異。對于Cd元素的吸收系數(shù)所有植物都大于1，屬于強吸收和積累，尤其苔蘚、發(fā)草和珠芽蓼的吸收系數(shù)超過10；對于Ni元素的吸收系數(shù)，這5種植物中只有發(fā)草對Ni的吸收系數(shù)超過1屬于強吸收，其他都小于1大于0.1屬于中度積累；對于Pb元素的吸收系數(shù)：發(fā)草、珠芽蓼、苔蘚和蠅子草的吸收系數(shù)都大于1，屬于強度積累，山蓼屬于中度積累；對于Zn元素的吸收系數(shù)：苔蘚、山蓼、發(fā)草和蠅子草的吸收系數(shù)大于1，屬于強積累，而珠芽蓼屬于中度積累；對于As元素的吸收系數(shù)：所有植物對其吸收系數(shù)都小于1大于0.1屬于中度積累?？傮w上發(fā)草和苔蘚對重金屬的吸收富集能力較強，而珠芽蓼對Pb、As，蠅子草對As以及山蓼對Zn也具有較強的富集能力。5種元素中Cd的吸收系數(shù)最大，其次是Pb和Zn，基本屬于強富集。

由不同礦區(qū)重金屬污染評價可知，5種重金屬元素在4個礦區(qū)均存在不同程度的污染，而且煤礦開采造成的Cd、Pb、Zn的污染較為嚴重，而Ni和As污染相對較輕。A礦區(qū)地勢較陡，礦區(qū)中Zn、Ni和Pb的含量隨距礦坑口距離的增加而增加，而Cd在50m處富集。該規(guī)律與王小飛[3]在斯瓦爾巴德高海拔煤礦區(qū)所做研究相似，王小飛[3]發(fā)現(xiàn)在高差大的地區(qū)苔蘚等植物中Zn、Ni、Pb、Mn、Cu、Hg、P的富集程度隨海拔的降低而增加，而Cd、S、Se等變化不明顯。分析該規(guī)律可能是在高差大的地區(qū)由于降水和冰川融水的沖刷，重金屬元素由礦區(qū)中心向周圍擴散，而Zn、Ni和Pb等元素的遷移能力較強，所以形成隨距離增加含量逐漸增加的趨勢，而Cd的遷移能力較差僅在50m處富集。故地勢及降水是影響元素遷移的重要因素。在地勢平坦地區(qū)，B礦區(qū)的Ni、C礦區(qū)的Cd、Zn、D礦區(qū)的Cd、Zn、Ni、Pb元素呈現(xiàn)出礦坑口富集，周邊減少的規(guī)律。該變化規(guī)律與袁林喜等[2]，王小飛[3]，張恒學(xué)[4]，Jens Sondergaard等[7]，Louise Askaer等[8]對斯瓦爾巴德煤礦區(qū)的研究規(guī)律類似。這種規(guī)律的形成可能來源于兩個方面：第一，煤礦開采過程中產(chǎn)生的粉塵遷移沉降，在風(fēng)力作用下，使煤礦粉塵在煤礦周圍土壤中被重新分布，通過淋溶滲濾進入到土壤中，增加了對周圍土壤的污染[2-4，7-8，11-13]。第二，煤礦開采產(chǎn)生的煤矸石中含有濃度較高的重金屬，煤矸石堆放過程中在大氣降水的沖刷和淋溶作用下隨著地表徑流進入土壤中[3，7-8]或經(jīng)風(fēng)蝕以揚塵的形式懸浮于大氣中，最終降落于矸石堆周圍的土壤中。因而這些元素在治理中應(yīng)主要關(guān)注礦區(qū)中心附近區(qū)域。其余重金屬元素含量的變化沒有明顯規(guī)律。

在了解研究區(qū)污染狀況的前提下，對廢礦區(qū)部分植物及其根系土壤中重金屬含量的研究顯示，不同植物重金屬濃度和對重金屬的吸收系數(shù)差異較大，據(jù)Baker和Brooks[14]的參考值，鎘達到100mg/kg，鎳、鉛達到1000mg/kg，鋅達到10000mg/kg可認定為超富集植物，與研究區(qū)對比后認為所采集的部分北極植物并不屬于超富集植物。盡管如此，部分植物對重金屬還是顯示出了強吸收能力，比如發(fā)草和苔蘚，這表明它們對重金屬元素毒性存在較強的耐性。此種耐毒性可能與植物分泌物有關(guān)，比如超富集植物在重金屬脅迫下會分泌高親和力大分子蘋果酸、檸檬酸等與重金屬結(jié)合形成絡(luò)合物促進植物對重金屬的吸收。研究區(qū)最為顯著的就是Cd元素的污染，其次是Pb、Zn元素，As元素則整體較為清潔。鎘是一種具有強毒性的重金屬，正常條件下植物體內(nèi)鎘含量一般不超過1mg·kg，與其他重金屬相比具有高毒性特征，對環(huán)境破壞性大，同時鎘進入食物鏈對生物體的毒害具有隱蔽性和累積性，不容小覷。目前對重金屬的污染治理存在多種方法，而植被修復(fù)則被認為是安全、高效和應(yīng)用性最廣的手段。在北極煤礦污染區(qū)可以考慮采用優(yōu)化后的苔蘚或發(fā)草進行土壤重金屬修復(fù)，修復(fù)靶區(qū)根據(jù)重金屬遷移規(guī)律選定。

4 結(jié)論

（1）北極朗伊爾賓4個煤礦區(qū)的開采造成了當?shù)赝寥啦煌潭鹊闹亟饘傥廴?，其中，Cd、Pb和Zn的污染較為嚴重，而Ni和As污染相對較輕。

（2）重金屬元素在北極煤礦附近土壤中的遷移受到降水和海拔的影響。在地形陡峭的山坡地區(qū)（A），重金屬元素含量隨海拔降低而增高，它遷移方式以機械遷移為主。在地勢平坦的地區(qū)（B、C、D），重金屬元素的遷移主要以物理化學(xué)方式遷移，隨距離的增加而以一定比例降低。

（3）研究區(qū)苔蘚、發(fā)草、珠芽蓼、蠅子草、山蓼、北極罌粟等對Cd、Pb、Ni、Zn、As等具有不同的吸收富集能力，但均未達到超富集植物類型，但苔蘚和發(fā)草對這幾種重金屬存在較強吸收富集，表明其具有較強耐毒性，在極區(qū)重金屬污染修復(fù)中存在巨大潛力。

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