废弃电子垃圾消解影响区农田土壤重金属含量空间分布特征

废弃电子垃圾消解影响区农田土壤重金属含量空间分布特征

信息技术行业的发展不仅使人们能够享受生活，而且还带来了新的环境问题。——电子垃圾。电子垃圾具有资源再生性和潜在环境污染性的双重特点。它不仅具有金、铜、铝、银等多种贵金属以及塑料的回收利用的价值,还含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等大量有害物质。如果回收利用处置不当或者任意丢弃,则将成为重要的环境污染源而危害生态和人体健康及生命安全。农田重金属污染在环境中难以降解并具有持久性,可通过食物链在动植物体内积累,从而对生物和人体健康构成威胁。长江三角洲某典型区拥有中国最大废旧金属回收产业,并具有完整的工业产业链。链的起端是源于20世纪70年代末的废旧拆解业,终端为电机、轴承等制造行业,中间的链接点是废旧金属的交易市场。废旧拆解物资来源以进口物资为主,主要包括废旧电机、电线电缆、五金电器、箱壳和机械零件等。长期以来,这些物资采用传统的手工作坊式生产,造成大量金属溶解化学材料直接或通过污灌进入农田土壤。农田土壤的重金属污染成为该地区所面临的主要问题。已有的研究根据近似沿某条线采集的50个左右表层土壤样品分析得出,研究区表层土壤以Cu、Pb、Zn和Cd为代表的重金属污染严重。另有以自然村为研究尺度采集16个水稻田土壤表层样品对其土壤重金属含量进行调查,发现其中Cu、Pb两种重金属含量较高且存在一定污染。前人的工作均以研究区局部土壤作为对象开展研究,但还没揭示整个废弃电子拆解影响区土壤Cu、Pb、Zn和Cd的污染特征。鉴于此,本文拟以该废弃电子垃圾拆解影响区农田土壤作为研究对象,应用地统计学分析和GIS空间表征相结合的方法对表层土壤重金属元素Cu、Pb、Zn和Cd含量的空间分布特征进行分析和表征,旨在阐明该区农田土壤重金属元素的空间分布规律和污染现状,为该区土壤环境质量评价和土壤污染修复提供科学依据。1研究领域的总结1.1对土壤改良的适应研究区位于浙江省中部沿海,属中亚热带季风气候,温暖湿润,雨量充沛,四季分明,全区地形西高东低,由西向东南倾斜,呈狭长形,全区总面积27.4km2。该区位于温黄平原东南侧,区内河道纵横,湖塘密布。因成陆时间和耕作历史不同,导致土壤脱盐脱钙程度不同,土壤类型复杂多样,形成了不同土系。当地农业以种植水稻为主,也有蔬菜和葡萄等经济作物种植。当地支柱产业为由废旧拆解所衍生出的工业产业链,民企用于生产的80%的原材料,来自拆解业。废旧金属经过拆解者的分割组合,分类出售,如薄板、矽钢片等,大的做家用电器的冲压件,小的做垫圈;厚的做小农具和小商品中的合页,薄的做轴承密封圈等,利用率达到90%以上。但是剩下的近10%的拆解废料,有的堆积于田间地头,有的直接倾倒到河岸,还有的露天燃烧。拆解业始于改革开放初期,开始散户拆解,拆解散户最多时达近万家。1999年后,陆续有企业搬迁到新建立的16hm2和1hm2的拆解园区内,但是园区内企业仍旧向当地的灌溉河网排泄废水,形成大片的污水灌溉农田。1.2研究区的概况废旧电子垃圾拆解产业的特点是原料和产品均依靠公路网输入和输出,拆解的过程中需要水的冲洗。采样现场发现,研究区有2个拆解园区,其具体位置如图1所示,东边的拆解园区占地面积较大,共16hm2,西边拆解园区占地较小为1hm2。根据资料,西边的园区建立要早于东部园区。研究区的主要道路(见图1)是东北-西南走向的国道、省道及与其连接的东西走向的联系各个自然村的柏油、水泥路。河流的分布、走向与道路的基本一致,具体见图1。研究区的工业比较齐全,但以拆解企业为主。拆解企业主要分布在两个园区内,农村村落里也有零散的拆解地点,但规模不大。此外,在研究区的西南部有电镀厂的存在。2学习方法2.1样品采集和采样位置考虑到土地利用类型和污染源分布,兼顾均匀性和易实施性,共布设197个样点,采样深度为0～20cm。采样位置如图1所示,水稻田样品110个、葡萄园样品26个、菜地样品25个、甘蔗地样品18个和其他农用土壤样品18个。每个采样点的经纬度均用GPS精确定位,样点周围的环境均有详细的记载。2.2pb和cd全量、cd全量和石墨炉分光光度法土壤重金属Cu、Zn、Pb、Cd全量采用王水—高氯酸消煮,Cu、Zn和Pb全量采用原子吸收分光光度法测定,而Cd全量用石墨炉原子吸收分光光度法(VarianSpectrAA220FS)测定。为保证分析结果的可靠性,分析过程中均以国家标准物质土壤标准参考样(GSS系列)作内标。2.3数据统计分析利用的图件资料是研究区土地利用图;图件在Arcinfo软件环境下矢量化;数据统计分析采用SPSS13.0软件;半方差函数的拟合在GS+中进行、克里格插值图在ArcGIS环境中完成。2.4污染评价方法2.4.1评估方法采用单因子污染指数法和综合因子污染指数法进行评价,具体参照文献。2.4.2污染程度分级参照文献的分级标准,以国家土壤环境质量标准二级质量标准值为参照,将其污染程度分级为:若以Pi表示污染指数,则Pi≤1,无污染(清洁);1<Pi≤2,轻度污染;2<Pi≤3,中度污染;Pi>3,重度污染。3结果与讨论3.1重金属污染程度的评价通常情况下,当偏度系数处在-1～1之间,样本符合正态分布。由表1的偏度系数可知,土壤重金属元素Cu和Pb经对数转化后服从正态分布,而Zn和Cd的偏度系数虽然不在[-1,1]之间,但最大仅为1.392,可以近似看作正态分布。从变异系数看,除Pb的变异系数在0.1～0.5之间属中等程度变异外,其余重金属元素的变异系数均大于0.5,属强变异程度,Cd的变异系数高达2.00。说明该研究区的土壤重金属Cu、Pb、Zn和Cd的含量受人为扰动较为明显,与前人在该地区的研究结果相吻合。4种重金属的空间变异顺序为:Cd>Cu>Zn>Pb。研究区土壤样品中重金属平均含量分别为Cu118mgkg-1、Pb47.9mgkg-1、Zn169mgkg-1、Cd1.21mgkg-1,均高于当地的自然背景值(Cu33.8mgkg-1、Pb34.2mgkg-1、Zn106mgkg-1、Cd0.159mgkg-1)。其中,土壤中Cu、Pb、Zn和Cd分别有92.9%、85.8%、90.4%和61.4%的样品个数超过当地的自然背景值。尤其是Cd,已经高于国家土壤环境的三级标准(1.0mgkg-1),说明研究区局部地点Cd污染极为严重。为了更清楚地揭示研究区农田土壤环境的现状,以《国家土壤环境质量标准》的二级标准的最低值(Cu50mgkg-1、Pb250mgkg-1、Zn200mgkg-1、Cd0.30mgkg-1)作为评价标准,利用单因子指数法和综合因子指数法对Cu、Pb、Zn和Cd等4种土壤重金属的污染程度进行了评估。两种评价的结果表明,4种重金属的污染程度顺序为Cd>Cu>Zn>Pb。Cu和Cd属于重度污染,Zn属于中度污染,而Pb则处于清洁状态。3.2小尺度土壤重金属的区块基比从表2可以看出,农田土壤中4种重金属Cu、Pb、Zn和Cd均可用球状模型进行预测(其决定系数分别为:0.72、0.82、0.98和0.96)。块金常数通常表示由于试验误差和小于试验采样尺度所引起的变异。如果块金常数较大。表示较小尺度上的某些过程影响不容忽视。本研究中,4种重金属的块金值均小于0.30。说明它们受小尺度过程的影响更大。土壤中Cu、Zn和Cd的块基比(C0/(C0+C1)均小于25%,说明这3种重金属元素呈空间强相关。而土壤Pb的块基比介于25%至75%之间为中等程度空间相关。加之4种重金属的有效变程均小于100m,说明4种重金属的空间分布均主要受随机因素(如污染等人为活动)的影响。3.3两个拆分园区及其周边的cd、n的复合污染用克里格插值法得出4种重金属在土壤中的空间分布见图2。土壤中Cu的高浓度区主要集中在1600亩(1亩=666.7m2)拆解园区中的污水灌溉区内。土壤中Pb的高浓度区集中在100亩的拆解园区内。而Zn则集中在电镀厂所在的东南部分,Cd在两个拆解园区的附近浓度均较高,尤其以面积较大的拆解园区的污水灌溉区超标面积最大。图2还可以看出,在两个拆解园区及各拆解企业的周边均存在Cu、Pb和Cd的复合污染。此结果与邵学新等发现在电子类企业周边存在多元素的复合污染的结论相一致。另一方面,在研究区的西南部,则有以电镀厂为主的多种企业,存在Cu、Pb和Zn的复合污染。研究区土壤Cd的污染最为严重,是研究区应该引起足够重视的。当然,土壤Cd的污染不仅是长江三角洲地区[12,13,14,15,16,17],而且是全国其他地区土壤所面临的问题。所以,对存在污染源的区域开展土壤污染研究时有必要重视Cd的污染。4研究区废旧电子平台污水灌溉农田土壤重金属污染情况1)研究区农田土壤重金属Cu、P