吕梁市某焦化厂及其周边农田土壤重金属污染状况评价_高燕.docx

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1、 论文题目：吕梁市某焦化厂及其周边农田土壤重金属污染状况评价 专 业：自然地理学 土壤是一种重要的自然资源。随着土壤污染呈现出的日益严重的问题，了解和认 识土壤中污染元素在 各类环境中的行为，具有一定的科学意义。山西省是一个煤炭大 省，炼焦是山西煤炭行业增值与再加工的重要手段，同时也是污染周边土壤最重要的 隐患之一。因此，研究煤炭焦化厂周边土壤的质量状况及其空间变异规律，对当地土 壤的开发利用与污染治理，乃至全山西省的可持续发展，均有一定参考与指导意义。 但前人的研究主要集中在焦化厂有机污染物的研究，关于对焦化厂及周边农田土壤环 境质量和重金属污染的研究尚不多见，因此，本文以吕梁市某焦化厂及其

2、周边农田土 壤为研究对象，经过野外调查、样品采集和实验分析，对焦化厂厂区及其周边农田土 壤样品中理化性质（有效磷、速效钾、全氮、有机质、 pH和含水量）和重金属 （ Zn、 Cd、 Cu、 Mn、 Hg、As)含量进行检测分析，并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污 染指数、地累积污染指数法和潜在生态危害指数对其进行重金属污染评价，进一步研 究土壤中重金属含量的各种影响因素。得到如下结论： 土壤中 _&、 .(、舫、 1和 &3 含量分别有 31.25%、 1110%、 100%、 12.5%、 100%和87. 5%的样品超过了山西土壤背景值，但均未超过国家土壤二级标准，土壤 样品中 Hg和

3、Cd 含量远远高于山西土壤背 景值，积累程度较高；焦化厂区内的土壤重 金属含量高于厂区外土壤；各重金属含量的变异系数均在中度变异范围内；各种金属 元素之间的相关性复杂，重金属污染源不一致，可能以复合交错污染为主。 焦化厂周边东南方向土壤样品重金属含量均大于东北和正西方向，说明重金属的 富集程度受常年主导风向西北风的影响较大。 土壤理化性质数据说明焦化厂区内和厂区外的土壤肥力比较适中，但厂区外的有 机含量和土壤肥力均高于厂区内，各理化性质之间的相关性显著。有机质含量与各重 金属元素的相关性不显著，有效磷与 Cd、 Cu、 Mn呈显著负相关。 硕 士 生 ：高 燕 指导教师：张永清 签名 签名：

4、P 请 摘要 单因子污染指数法评价结果表明，以国家土壤二级标准为参比值，焦化厂研宄区 土壤属于清洁水平，未污染；以山西背景值为参比值，六种重金属元素都有不同程度 的污染， Hg、 Cd的污染尤为严重。内梅罗污染指数评价结果表明，以国家土壤二级标 准为参比值，焦化厂研宄区土壤属于清洁土壤；以山西背景值为参比值，研宄区土壤 达到中度污染水平；地累积污染指数法评价结果表明，除 Mn外，其他五种重金属元素 都有超过山西土壤背景值的土壤样品， Hg、 Cd的污染级别较高；潜在生态危害指数法 评价结果表明，以国家二级为标准时土壤壤重金属潜在生态风险危害程度均较小，尚 未造成污染；以山西背景值为评价标准时，

5、 Cd、 Hg生态危害程度相对比较高，其中部 分样品的风险程度达到极强。 【关键词】焦化厂；土壤；重金属；污染评价 【论文类型】基础 Thesis: Pollution and Assessment on Soil Heavy Metals of a Coking Plant Site and the Surrounding Farmland in LvLiang Profession: Physical Geography Soil is an important natural resources,which is related to the humans survival and de

6、velopment.Due to the soil pollution is more and more serious9learning and understanding the behavior of the different elements in soil environment has a very important scientific significance.Shanxi province own abundant coal resources,coking is an important means for value-added and reprocessing of

7、 coal industry in Shanxi.However,it is also a hidden trouble to the surrounding soil pollution.Therefore9exploring the quality situation and its spatial variation law of the surrounding soil has the certain reference and guidance significance for exploit and utilize the 丨 ocal soil,and even for the

8、sustainable development of the whole Shanxi province. Previous research mainly focuses on the organic coking plant pollutant$;however,the research is still rare about the coking plant, the quality of surrounding soil environment and the heavy metal pollution.ln this paper,we mainly researched the co

9、king plant and its surrounding soil in Lvliang ， through field investigation,sample collection and data analysis， detecting the physical and chemical properties(P,K,N,organic matter pH and water content)of Master: Gao Yan Instructor: Zhang Yongqing Signature: G? 如 If州 Abstract surrounding soil and t

10、he content of heavy metals (Zn、 Cd、 Cu、 Mn、 Hg、As) ,and also using the single factor pollution index method, Nemerow comprehensive pollution index method,Igeo pollution index method and potential ecological harm index method evaluate the heavy metals pollution,further research the various factors af

11、fecting the content of heavy metals in the soil.The conclusion as follows: The percent of Zn、 Cd、 Cu、 Mn、 Hg、 and As of surface soil in site was 31.25%、 100%、 100%、 12.5%、 100% and 87.5%,which content in the soil over the background values in Shanxi Province,but did not exceed national soil secondar

12、y standard;Hg and Cd content in soil is much higher than the soil background values in Shanxi,have a high degree accumulation;the heavy metal content in the coking plant is higher than the outside;Most of the variation coefficient within the moderate scope; all kinds of metal elements have a complex

13、 relationship,heavy metal pollution have different source, the compound cross contamination is the main factor. The heavy metals content in southeast soil samples are greater than the northeast and west direction;it means that the accumulation of heavy metals is strongly influenced by the wind direc

14、tion,most of the northwest wind. The data of physical and chemical properties of soil,show that the soil fertility of in-site and out-site are moderate,but the organic content and soil fertility of outside are higher than the inside,the relationship between the physical and chemical properties are s

15、ignificantly.There have no significant correlation between the heavy metal elements and organic matter content;there have a negative correlation between P and Cd,Cu,Mn element content. According to the single-factor pollution index method,refer tothe national soil secondary standard,coking plant of

16、soil in the study area belongs to clean level,no pollution;refer to the Shanxi background,six heavy metal elements have different degrees of pollution,especially Hg and Cd.According to the Nemerow comprehensive pollution index method,refer to the national soil secondary standard,coking plant of soil

17、 in the study area belongs to clean level,no pollution;refer to the Shanxi background,coking plant of soil in the study area belongs to moderate pollution.According to the Igeo pollution index method,expect Mn,the content of other five heavy metal elements exceed than the soil background values in s

18、hanxi,especially Hg and Cd.According to the potential ecological harm index method,refer to the national soil secondary standard, the harmful level of potential ecological risk of heavy metals are smaller,not cause pollution;refer to the Shanxi background values, ecological damage of Cd and Hg is re

19、latively high,the risk level of some samples reach the extremely strong. 【 Key Words 】 coking plant ; soil； heavy metals； pollution assessment 【 Type of Thesis】 basic research 目录 目录 1 引言 . 1 1.1研宄的目的和意义 . 1 1.1.1 土壤质量评价的研宄意义 . 1 1. 1. 2 土壤理化性质与重金属相关性的研宄意义 . 1 1. 1. 3 土壤重金属污染及其评价的研宄意义 . 2 1.2国内外研宄进展

20、. 2 1. 2. 1 土壤环境质量研宄进展 . 2 1. 2. 2 土壤理化性质与重金属相关性的研宄进展 . 3 1. 2. 3 土壤重金属污染的研究进展 . 3 1. 2. 4 土壤重金属污染潜在生态风险评估研宄进展 . 4 1.3主要研究内容 . 5 1.4技术路线 . 5 2 研究区概况 . 7 2. 1地理环境概况 . 7 2.2社会经济环境概况 . 7 3 研究方法 . 9 3.1样品采集和前期处理 . 9 3. 1. 1采样点的布设 . 9 3. 1.2 土壤样品的前期处理 . 9 3.2样品实验测定 . 9 3.2. 1 土壤理化性质测定 . 9 3. 2. 2 土壤重金属含量

21、量测定 . 9 3. 3数据处理和分析方法 . 9 3. 4 土壤环境质量评价方法 . 10 3.5实验仪器与试剂 . 12 3. 5. 1实验仪器 . 12 3. 5. 2实验试剂 . 12 4焦化厂及周边农田土壤重金属和理化性质含量特征 . 13 4. 1 土壤重金属含量特征与分析 . 13 4. 1. 1 土壤重金属元素含量特征值 . 13 4. 1. 2 土壤重金属元素之间相关性分析 . 15 4. 1. 3焦化厂周边不同方向土壤重金属含量差异特征 . 16 4. 2 土壤理化性质含量特征结果与分析 . 18 4. 2. 1 土壤理化性质数值统计 . 18 4. 2. 2 土壤理化性质

22、之间的相关性 . 20 4. 3 土壤理化性质与重金属含量之间的相关性 . 21 5焦化厂及周边农田土壤重金属污染评价结果 . 23 5. 1单因子污染指数法评价结果 . 23 5.2内梅罗综合污染指数法评价结果 . 25 5. 3地累积指数法评价结果 . 26 5. 4潜在生态危害评价结果 . 28 6讨论 . 31 6. 1关于焦化厂及周边农田土壤重金属和理化性质含量特征 . 31 6. 1. 1关于土壤重金属含量特征以及各元素之间的相关性分析 . 31 6. 1. 2关于土壤在焦化厂不同方位重金属含量特征 . 31 6. 1. 3关于土壤各理化性质含量特征以及之间的相关性分析 . 32

23、6. 1. 4关于土壤重金属与理化性质相关性分析 . 32 6. 2关于土壤重金属污染评价结果 . 32 6. 2. 1单因子与内梅罗综合污染评价结果 . 32 6. 2. 2地累积污染指数法与潜在生态风险指数法评价结果 . 33 7结论与展望 . 35 7. 1研宄结论 . 35 7.2 展望 . 35 Mi i 射 . 37 参考文献 . 39 附录 . 43 1 引言 1.1 研究的目的和意义 1.1.1 土壤质量评价的研究意义 土壤是自然界中人类和动植物生存非常宝贵的自然资源，是地球表面植物生长的疏松表层， 也是自然环境的重要组成部分。换言之，土壤是生命生长和立足的重要场所，是人类生存

24、和发展、 工作和生活的重要场所。然而，由于人类在进化和发展的历程中，过度的利用土壤资源，包括农 业生产活动中化肥、农药的过度使用，造成土壤中污染物质的不断积累，从而导致严重的土壤污 染。同时，不合理的开采资源、废弃物的违规处置等对土壤造成不同程度的定量和定性的变化， 也会对土壤造成侵蚀和污染。土壤污染的过程就是污染物质直接或间接进入土壤后，土壤对污染 物质进行吸附、过滤、沉淀到最后到生物吸收的过程。这样使污染物质在土壤中不断沉积， 其污 染物质的含量达到一定程度时，土壤质量降低，最后造成土壤污染 1。因此，要提高土壤质量和 使用价值，保护环境和土壤资源就必须系统全面的进行土壤质量评价。 土壤质

25、量是土壤支撑农作物生产所需的重要因素。土壤环境质量、土壤肥力质量和土壤健康 质量是土壤质量的组成部分。对土壤肥力质量和土壤环境质量的研究，是今后土壤开发利用的重 要依据，也是对土壤质量评估的重要指标 M。土壤环境质量评价是按照一定的标准、原则和方法对 土壤中各物理化学元素含量的高低进行检测与分析，从而对土壤环境质量的高低做出定量和定性 的评定 3。 随着全球经济的快速发展，世界经济一体化进程的加快，进一步促进了我国工业化的发展步 伐。我国历来是资源大国，特别是作为煤炭大省的山西，煤炭焦化产业的发展也是非常迅猛。炼 焦是山西煤炭行业增值与在加工的重要手段，同时也是污染周边土壤最重要的隐患之一。资

26、料显 示，炼焦有可能周边土壤中的多环芳烃等有机污染物及重金属含量，进而通过食物链直接影响人 体健康 4。因此，研宄煤炭焦化厂及其周边农田土壤的环境质量状况和其潜在的生态风险，对当地 土地的开发利用与污染治理有一定的参考和指导意义。 1. 1.2 土壤理化性质 与重金属相关性的研究意义 在众多研究重金属污染以及其影响因素的文章中，大多情况下重金属的积累行为是源自于重 金属元素自身的物理性质和化学行为及其所在环境中土壤的物理化学性质，另外一部分是取决于 重金属的污染源 5。一般来讲，工业区的重金属在其土壤中含量比当地的背景值高一些，并与距 离污染源的远近和当地的主导风向等相关 6。 土壤的酸碱度

27、pH 值是影响重金属元素含量大小的关键因子之一。在一般情况下 ，一 些重金 属 Zn、Cd、 Cu 等的氢氧化物溶液中的重金属浓度离子的溶解度受土壤 PH 的控制 5。土壤有机质 是土 壤肥力评价的重要指标，有机质含量的高低直接影响农作物的生长发育和含量的高低 W。 在 农业活动中，施用有机肥料，适当的增加土壤中的有机质含量，可以在一定程度上控制土壤中的 一些重金属元素的含量，从而达到相对缓和土壤重金属污染的目的。在土壤环境质量的研究中， 对土壤样品理化性质与重金属含量的研究和分析是必不可少的，进而对土样中理化性质和重金属 的相关关系进行深入研究和定量性的分析，这样对研究某区域的土壤环境质量有

28、重要的意义。 1. 1. 3 土壤重金属污染及其评价的研究意义 由于人类工业、农业生产活动的持续加剧，使重金属在土壤环境中的含量持续增加，导致土 壤环境质量下降，农业生产环境持续恶化的现象 7水稻土 赤红壤， As 元素除与粘粒和有机质含量有相关关系， 与阳离子交换量和 pH 的相关关系也比较显著 27。何腾兵等在研究 土壤理化性质和组分的主要影 响因子中指出，土壤成土性质的差异与土壤理化性质的差异密切相关，在其研究区域内，土壤各 类重金属的含量差异主要是由于当地土壤成土母质的差异性所致，土壤理化性质的差异性成为次 要因素 28。廖敏等的研究中指出，随着 pH 的变化，镉在水土系统中的吸附量和

29、吸附能力也随之 变化， pH 升高其吸附能力增强若降低吸附能力减弱 29。章梦吟等对土壤中重金属Pb 的吸附动力 学行为的研究中，得出土壤中各理化性质综合作用导致了土壤对重金属 Pb 的吸附，酸碱度 pH 值的影响相对较大 3 。本文在实验中同 样重点研究 pH 和有机质的变化对重金属含量大小的影响。 1.2. 3 土壤重金属污染的研究进展 20 世纪 60 年代，由于重金属镉和汞污染在日本引起的 “ 水悟病 ” 和 “ 骨痛病 ” 被证实，与 此同时全球范围内重金属污染现象已经愈演愈烈，越来越受到国内外学者的研究与分析。 20 世 纪 70 年代，英国对部分大城市的土壤、空气灰尘与粉尘中的重

30、金属元素含量进行了采集、测验、 分析研究后，发现重工业区工业 “ 三废 ” 排放量大的区域重金属含量较大，并且重金属污染严重 区域与汽车尾气的排放也密切相关 。在土耳其工业区的土壤环境质量研究中，结果显示土壤重 金属元素的含量明显超标，工业区的土壤环境质量受工业废弃物的排放而受到严重污染 :iBilos 等人研究认为：城市中的污染源较多，导致大量的重金属元素直接或间接的进入大气和土壤，城 市中的植物和土壤受重金属污染相比乡村郊区更为严重 33。 Dudka 等人研究表明 ， 受到重金属污 染后的土壤生产的农产品，会使污染物通过食物进入人体，特别是对免疫力低下的老人和儿童的 影响比较大，说明重金

31、属污染对人类的身体健康有一定的影响 34。 近年来，国内学者对土壤重金属含量的污染状况、影响因素以及污染评价方法等做出了一定 的研宄成果。刘勇等在对汾河太原段沿岸土壤中重金属 Hg 和 Cr 的研究中得出这两种重金属的污 染较严重，其主要的污染途径有工矿业 “ 三废 ” 的排放，化肥、农药以及污灌对周边农田的污染， 还有交通运输队土壤的污染 ss。 吴桂萍等研究了武汉市工业区土壤污染状况中，该工业用地的主 要重金属的污染物质是Co,污染相对严重 3W。王从陆等对矿区农田土壤用主成分综合模型对重 金属污染进行评价，利用变量聚类分析法，有效的辨别农田土壤中重金属的主要成 分，用综合主 成分分析法确

32、定样本的综合主成分，进行排序和聚类，可以直观的展示土壤重金属污染物的数据 结构、相互关系和污染程度。郑海龙等在某市边缘活动强烈地带，对土壤重金属的含量进行研究 分析，并用克里格方法，对研宄区的表层土壤重金属污染的空间变异进行了分析，表明研究区内 局部重金属污染是由蔬菜土壤高强度利用及农业化学产品的大量投入所导致的，也不能完全排除 污水灌溉的影响 37。李海光等在对火电厂地周边农田表层土壤和亚表层土壤重金属汞、镉、铅、 铜、镍六种元素含量及其空间变异特征进行研究，结果表明表层土壤表 层样点的重金属含量明显 大于亚表层土壤样点的重金属含量，这种特征表现极为明显的是汞含量，说明该研究区受到外源 污染

33、的影响导致周边农田土壤重金属 Hg 含量的超标 。蔡志洲等对公路两侧的土壤中铅污染进 行了研究，得出距离公路 50 米内的铅含量没有明显的规律从而得出预测铅的积累含量和动容含 量的指标 39。文章中会用到各种评价重金属污染的方法来对研究区土壤的重金属进行评测。 1.2. 4 土壤重金属污染潜在生态风险评估研究进展 近年来，土壤重金属污染问题越来越严峻，其潜在生态风险评价的研究在土壤重金属污染治 理中起到关键的作 用。陈翠翠等对太原市某污灌区农田土壤中重金属汞、镉、和铬含量进行测定 与分析，并且运用 HaKanson 潜在生态风险指数法对这三种重金属的潜在生态风险进行了评估， 结果表明三种重金属

34、元素的综合风险指数均较高，长时间的污水灌溉是导致重金属含量增高的重 要因素，在研究中还表现出剖面土壤的重金属含量的大小与土壤深度呈递减的指数分布关系，有 机质的变化规律与其相同 4 。刘勇等也同样运用潜在生态风险危害指数法对太原市区土壤重金属 进行检测与分析后，得出超标部分区域主要来自交通运输、燃煤释放、农业施肥、污水灌溉等地 区 41。郭平等对长春市区土壤各项重金属指标进行了潜在生态危害评价，不同生活功能区所呈现 的生态危害程度也不同，表现为：公园 郊区耕地 工业区 住宅区 开发区 42。刘晶等指出土 壤潜在生态风险评价是与多种自然科学交叉的边缘科学，运用多种如概念模型法、数学模型法、 植物

35、培养法、形态分析法、指数法等方法，为生态风险评价方法的选择提供更加科学的信息 43。 图 1-1 技术路线图 Fig.4-1 the map of skill method 1.3 主要研究内容 本研宄以吕梁市某焦化厂及其周边农田表层土壤为研宄区，对该区域内采集的土壤样品进行 理化性质 （ 有机质、速效钾、有效磷、全氮、吸湿水、酸碱度 pH 值）和重金属 （ Zn、 Cd、 Cu、 Mn、 Hg、As)含量检测与分析，得出焦化厂区内部与周边农田表层土壤理化性质和重金属含量的 特征值，揭示出这两类特征值在焦化厂区内部和厂区周边农田土壤中的差异，并进一步分析研宄 区土壤中重金属含量和理化性质的相关

36、关系，探宄焦化厂及其厂区周边土壤重金属污染状况以及 其影响因素。同时运用多种土壤环境质量评价方法对焦化厂研宄区的土壤污染程度进行分析，着 重研宄重金属污染物在本区域的分布状况、污染程度。并对本区域的生态环境进行风险评估，改 善该区域的生态环境质量，更好的为该区域的治理方案及对策提供理论依据。 1.4 技术路线 研宄区概况 2 研究区概况 研宄区位于吕梁山脉中段，是吕梁市某焦化厂及厂区周边农田区域。该焦化厂始建于 1992 年， 1993年 10 月 22 孔 75 型改良焦正式投产，占地面积 220 亩。该焦化厂集选煤厂、炼焦厂、 余热电厂一体化的现代炼焦产业。文中的研宄区包括焦化厂主厂区及厂

37、区外围周边农田土壤。焦 化厂周边地区有部分为农田，主要种植作物有玉米和高粱。 2. 1 地理环境概况 该焦化厂所在县地处晋陕黄土高原东部，地势自东南向西北倾斜除河流河谷区外，海拔均超 过千米，研宄区位于该县西北部的河谷区。县区区域的土壤主要类型有褐土、灰褐土、草甸土和 山地棕壤四大土类，其中灰褐土是该县区境内分布面积最大的一类土壤，该研宄区所在区域的土 壤类型为灰褐土。该县区自然植被覆盖良好，占全县总面积的 62.9%,海拔 1300 米以上的地面， 均为森林、灌木和草丛所覆盖，但因地形条件较复杂，山峰海拔较高，形成较为明显的垂直地带 性植被类型。 厂址位置所处区域属于典型的两山夹一川地形，呈

38、西北东南走向，该区地 处半干旱半湿润季 风气候区，属温带大陆性气候，全年主导风向为西北风，这种地形一定程度上影响污染物的扩散。 2. 2 社会经济环境概况 该研宄区所在县区，共设 7 个乡镇，总人口约 13. 5 万，人口密度为每平方公里 90 人。境内 自然资源比较丰富，工业经济基础较好。但由于当地地形破碎，土壤贫瘠，土地可利用率不高， 对农业生产极为不利，因而农村经济同县城相比较而言较为薄弱。该研宄区厂址所在的地区工业 产业较多，在当地发展较快。并且区毗邻国道、省道，交通便利。 3 研究方法 3. 1 样品采集和前期处理 3.1.1 采样点的布设 依据土壤环境监测技术规范 （ HJ/T16

39、6-2004),在焦化厂内，根据厂内功能分区和厂区内 露出地表的表层土壤的分布，在沿厂区西侧运输道路两旁的绿化带上采集 16 个样点的表层土壤 (0-20cm);该研宄区的自然地理环境受该区地形和主导风向的影响，以焦化厂厂区为中心向正 西、东南及东北方向上，以当地的地形条件为基础，以前后左右相隔 50m 为距离布设样点，共采 集 4 4 个样点的表层土样。采用多点采样混合法，并在采集样品的过程中尽量除去外来土和近期 翻搅过的土层，尽可能的去掉土壤中的杂物、植物根系和碎石等。 3. 1.2 土壤样品的前期处理 将采集到的土壤样品装入准备好塑料袋，并粘贴标签，标注的采样点情况。然后把土壤样品 带回

40、实验室，放置在室内可以通风处使其自然风干，弃去土壤中的根系、木屑等入侵物，混匀后 用四分法切割缩分，用木质器具压碎、碾细。碾磨后分别过 20 目、 60 目、 100 目尼龙筛，将过 目后的土壤密封装袋，贴上相对目数的标签并记录好样品编号，最后将土样样品保存待测。 3. 2 样品实验测定 3. 2. 1 土壤理化性质测定 吸湿水含量的测定一一烘干称重法 11;酸碱度 pH值的测定一一定位法用酸度计测定值 11; 全氮的测定采用凯氏定氮一一半微量滴定法 15;有效磷采用碳酸氢钠浸提一一钼锑抗比色法 11; 速效钾用中性醋酸铵浸提一一火焰光度法 11;有机质含量的测定一一重铬酸钾外加热法 11。

41、3. 2. 2 土壤重金属含量量测定 土壤重金属含量测定：取备用 100 目的土样 0. 5g 放入聚四氟乙烯坩埚，加 15ml 硝酸 （ HN03) 与10ml 高氯酸 （ HCL04),浸泡 12-24 小时之后在电热板上加温加热消煮，过滤定容 100ml 的剂 量。 Cu、Zn、 Cd、 Mn 元素用原子吸收光谱仪火焰法测定不同土壤样品中的含量， Hg和 As 元素用 双道原子荧光光度计测定其在不同土样样品的中的含量 46。 计算方法是 47:重金属含量 （ mg/kg) =C*V*n/M 其中， C 是样品的质量浓度 (mg/L)， V 是测定溶液体积， M 是样品干重， n 是分取倍数。 3. 3数据处理和分析方法 采用 EXCel2003 对实验数据进行异常值检验和分析。并利用 SPSS 对数据进行描述性统计分析