某大型工业企业周边土壤磁化率与重金属污染评价

某大型工业企业周边土壤磁化率与重金属污染评价

采用传统环境分析方法进行分析周期长，对样品进行破坏，容易对环境造成二次污染。因此，在使用中往往受到限制。由于大多数污染材料含有磁性材料，磁性材料与重要金属元素和其他污染物密切相关，因此磁性测量方法可以迅速应用于环境评价的研究。在过去的20年里，环境磁学的发展，尤其是与铁相关的金属矿磁学在不同环境下的迁移规律的研究，这种方法被应用于河流、河口海岸和工业设施周围的环境监测。环境磁学方法是切割和测量过程简单、快速、经济、不破坏样品和污染，已成为世界环境评估、评价和研究的重要方法[7、8、9、10、11、12、13]。然而，以往的研究工作主要集中在对污染物来源和空间分布的综合分析上，对污染物的污染研究相对薄弱。本研究采用磁学方法，通过对兰州某钢周围土壤样品进行采集和测量，结合自然地理因素，了解钢周围土壤污染的时空分布特征和来源，在此基础上，提出了评价土壤侵蚀程度的新评价参数。1上风向样品点样品采自兰州市东北约20km某钢厂周围的山坡及残留黄土梁峁顶部(图1),样品采深20cm.表层灰黑色土状沉积物一般厚2cm,其中0~1cm为深灰黑色,1~2cm为灰黑色,向下至20cm颜色逐渐变浅直至土黄色,野外观察该黄土为全新世黄土.采样用连续刻槽取样法,自上而下以0.2~1cm不等间距采集样品,其中在0~0.5cm之间,每0.2cm一个样;在0.5~2cm之间,每0.5cm一个样;在2~20cm之间,每1cm一个样,样品用聚乙烯封口袋密封.由于该区低空常年盛行东风,夏季以东南风为主,因此钢厂东侧上风向地区采样密度较小,钢厂西侧下风向地区采样密度较大.上风向采样点为A1,A2;下风向采样点为A5,A6,A7,A8,A9,A10;公路沿线采样点为A3,A4,A11,共采集样品253个.样品在实验室中自然风干,在玛瑙研钵中轻轻磨细后装在2cm×2cm×2cm的聚乙烯样品盒中,称重后用BartingtonMS2磁化率仪分别测量得到样品的高、低频磁化率值,质量校正后获得样品的质量磁化率,并计算了样品的质量频率磁化率值.同时,为了明确表土磁化率升高与重金属元素之间的关系,选取11个采样点表土样品和磁化率值变化最大的A9剖面所有样品共计33个,称取4g左右,用1∶2(浓HCl与水的体积比)的HCl和浓HNO3消解,采用ICP-AES仪器测定了重金属元素Zn、Cu、Pb、Fe和Mn的含量.2结果与讨论2.1磁化率的变化由图2可见,所有样品的高、低频磁化率值变化趋势一致,在5~20cm深度,磁化率基本不变平均值为25.1×10-8m3/kg(低频),代表了本地磁化率背景值.在2~5cm深度,磁化率逐渐升高,2cm处磁化率值是5cm处的1.45倍,说明在深度2~5cm随着深度增大,磁性矿物有逐渐向下迁移的趋势.而在0~2cm深度,磁化率值骤然增大,在表层达到最大,平均达93.8×10-8m3/kg,是5cm深度以下样品磁化率值的3.5倍;该段土壤为灰黑色,与其下(深度5cm以下)棕黄色-土黄色土壤层颜色迥然不同,这种磁化率值和颜色的显著差异说明磁性矿物主要集中在2cm以上的土壤中.一般地,频率磁化率值可以大致反映样品中超顺磁性颗粒的多少,频率磁化率值高,说明其中的超顺磁性颗粒多.由图2可见,样品的频率磁化率值从下向上在8cm深度处开始逐渐降低,5~8cm深度逐渐升高,在0~2cm处突然降低到全剖面最小值,表明在2cm以上超顺磁性颗粒减少,粗颗粒增加,这与在其他钢厂周边污染土壤中观测到的结果一致;另外,从图2还可以看出,表层土壤的磁化率与频率磁化率呈负相关关系,这与土壤自然发育过程中的磁化率与频率磁化率呈正相关的关系相反说明表层土壤磁化率升高不是成土作用的结果,而是由临近的钢厂在生产过程中排放的工业废物造成的.2.2倍每个采样点最表层样品的低频质量磁化率值最高,变化范围为(44~598)×10-8m3/kg,平均为235×10-8m3/kg;使用Arcgis软件对磁化率值大小进行了描绘(磁化率大小用采点的大小来表示),可见磁化率值以A9点为中心向外递减(图1).由图3可以看出,在钢厂炼钢炉下风向样品的磁化率值较高,是5cm以下样品(本地磁化率背景值)的13.2倍;而在上风向则低,如A1样点仅为44×10-8m3/kg,不到5cm以下样品的2倍,表明钢厂下风向采样区污染较上风向采样区严重.从磁化率值与钢厂炼钢炉的相对位置上看,在下风向位置,距离炼钢炉2km以内表土样品的质量磁化率值最高,是2km以外样品值的2倍以上,表明污染最严重区在下风向2km以内.更为重要的是,在距离炼钢炉下风向1.2km范围内,磁化率值逐渐升高,然后快速降低,直至约2km处后缓慢降低,但仍远高于上风向样品的磁化率值.另外,磁化率最大值并没有出现在离炼钢炉最近的样点,这可能是炼钢厂处于东南-西北走向的山谷中,且与盛行风向(东风)交角约为30~45°,对流不易发生,因此导致污染物的最大落地浓度对应的落地距离较大.由图1和图3可见,在远离烟囱与主沟位置的A3、A4和A11点,表土低频质量磁化率值非常接近,变化范围为(130.3~141)×10-8m3/kg,平均为134×10-8m3/kg,明显低于烟囱正下风向A8、A9、A5等采样点的磁化率平均值335.6×10-8m3/kg(图3),但高于该区的背景值,表明也受到了污染,考虑到这几个采点离公路近(图1),不排除公路上行驶的汽车尾气排放物的叠加污染.3新指标的磁化率聚合器因子用于评估土壤污染程度3.1磁化率的分布特征钢厂的冶炼过程会产生大量磁性颗粒污染物.这些颗粒状污染物通过大气沉降或地表渗滤等途径将最终沉积在钢厂周围土壤中,并导致土壤中的磁性矿物和重金属含量升高.实验结果表明:重金属Zn、Cu、Pb、Fe和Mn质量浓度随深度的变化趋势与磁化率变化趋势一致.以Fe为例,在0~2cm深度含量均最高,2~10cm深度逐渐降低,但变化甚小.10cm以下,含量较低且相对稳定,可以代表本地的重金属背景值.值得注意的是,在2~5cm处,Fe含量的变化没有磁化率明显,可能指示磁性矿物主要为磁铁矿(相对其他铁的氧化物,它对磁化率的贡献最高).表土样品重金属水平分布与磁化率水平分布特征相同,均在上风向含量最低,下风向随着离钢厂距离越远含量越低.为了更好地研究金属元素和磁化率之间的关系,对表层样品的金属元素和磁化率进行相关性分析,在0.01的显著水平下,金属元素和磁化率之间呈显著相关关系,与磁化率相关关系分别为0.837(Pb),0.857(Zn),0.783(Cu),0.951(Fe),0.882(Mn),这与倪刘建等所揭示的钢铁公司工业燃煤、冶炼等过程释放的气态污染物、工业粉尘中磁性矿物和重金属元素组合基本一致,反映了表层样品中Cu,Fe,Pb,Mn和Zn与磁性矿物具有类似的来源或地球化学行为,也表明了磁化率可以代替金属含量,指示土壤污染程度.3.2磁化率浓集因子利用重金属含量变化及比值评价土壤污染程度,常用单因子指数评价法和内梅罗综合指数评价法,对本次采样的表土及磁化率最大的A9剖面样品重金属含量按照这两种方法进行现状评价.由表1~表3可知:所有表土样品均受到了不同程度的污染,上风向表土样品,下风向2km以外表土样品及在远离钢厂与主沟位置的表土样品属于轻度污染,A9样点属于重度污染,下风向其他样品属中度污染,并在下风向污染随着离污染源越远污染越轻.受污染最严重的A9样点,表土污染最严重,属重度污染;0.5~10cm深度的样品属于轻度污染,且随着深度的加深污染逐渐减轻;10cm以下的样品没有受到污染.由于各地土壤磁化率背景值不同,因而无法直接利用磁化率值与内梅罗指数对比来判断污染程度,因此,提出磁化率浓集因子(S)的概念,即污染后土壤磁化率值与未污染土壤磁化率背景值的比值:式中:Si为土壤中磁化率i的浓集因子;χi为不同深度磁化率i的实测值;N为磁化率背景值i(本文为5~20cm磁化率平均值25.1×10-8m3/kg).经计算A1~A11点的表层层壤磁化率浓集因子S值分别为1.77,5.03,5.2,5.61,13.81,10.44,9.21,14.87,23.44,7.63,5.2.A9剖面的磁化率浓集因子如表4所示.经对本次研究获得的磁化率浓集因子和内梅罗指数相关关系分析(图4),以重金属内梅罗综合污染指数分级标准为依据,计算获得了磁化率浓集因子污染指数分级值(取整数)其中,未污染土壤磁化率浓集因子的上限值定义为1,即小于等于磁化率背景值的样品未受到污染.则Si≤1属于无污染;1<Si≤10属于轻度污染10<Si≤20属于中度污染;Si>20属于重度污染.根据磁化率浓集因子分级标准评价污染程度得,研究区表层土壤的污染浓集因子均大于1表明表层土壤均存在一定程度污染,下风向且距离钢厂最近的A9属于重度污染,下风向2km内的样点属于中度污染,其余表土样品属轻度污染0~2cm的表层土壤污染程度较高;2~10cm属于污染渗透层,存在明显的由上而下递减的特点10cm以下土壤未受到污染,是土壤背景层,与重金属内梅罗综合污染指数评价结果基本相同.磁化率浓集因子评价法能比较直观的指示土壤在剖面深度和空间上的污染程度,较单因子指数评价法和内梅罗综合污染指数评价法简便快速,对样品没有破坏性且不会对环境造成二次污染,故可作为评价污染程度的一种新型方法.4磁化率浓集因子s评价土壤污染程度4.