引用本文
潘永敏, 徐玉琳, 华明, 廖启林, 倪俊, 高立, 周钢军. 镇江谏壁热电厂煤灰库对周边土壤硒的环境影响[J]. 物探与化探, 2017,41(1): 177-182.
PAN Yong-Min, XU Yu-Lin, HUA Ming, LIAO Qi-Lin, NI Jun, GAO Li, ZHOU Gang-Jun. The effects of coal ash storage of Zhenjiang Jianbi Power Plant on the selenium concentration of the surrounding soil environment[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(1): 177-182.  
Doi:10.11720/wtyht.2017.1.28
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镇江谏壁热电厂煤灰库对周边土壤硒的环境影响
潘永敏1, 徐玉琳1, 华明1, 廖启林1, 倪俊2, 高立1, 周钢军1
1.江苏省地质调查研究院 国土资源部地裂缝地质灾害重点试验室,江苏 南京 210018
2.镇江市国土资源局,江苏 镇江 212028

作者简介: 潘永敏(1961-),男,高级工程师,主要从事生态地球化学研究工作。Email:panyongminok@126.com

收稿日期: 2016-03-07
基金: 江苏省地质勘查基金项目“镇江城市地质资源与环境”(苏财建[2011]425号)
摘要

镇江谏壁热电厂始建于1959年,是华东电网的主力电厂之一,已创下发电量连续26年超100亿kW/h的非凡业绩,产生了大量的粉煤灰。选取龙山煤灰库和贞观山煤灰库作为研究对象,对煤灰库区的粉煤灰、地表水及其周边水系沉积物、岩石、土壤、水稻籽实等不同类型样品进行分析,发现表层土壤受粉煤灰影响存在Se富集,按照谭见安的划分标准,足Se和富Se土壤分别占总面积的32.96%和43.08%;Se不足和Se缺乏土壤分别占总面积的7.86%和6.76%%;Se过剩土壤占总面积的9.34%,主要分布在煤灰库下游附近,最大值达14.7×10-6。调查表明,离煤灰库较远的农田Se主要来自高Se含量灌溉水,离煤灰库较近的农田除受高Se含量灌溉水影响外,同时还受到随水迁移的粉煤灰沉积物的叠加影响。根据Se与重金属元素聚类树状图判断,土壤在输入Se的同时亦输入了一定量的Cd、Hg和Pb,从输入量看Hg>Cd>Pb。总体上,表层土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni 、Pb和Zn等重金属元素含量多小于相应的土壤环境质量一级标准(自然背景值),浓度未达到污染水平,只有Cd和Hg的最大值接近农田土壤二级标准。受土壤环境影响,区内存在富Se大米,且大米中As、Cd、Cr、Hg、Pb等重金属元素的含量没有出现超标现象,表明该地区具备生产富Se大米的潜力。建议在该区域利用不同水源进行灌溉,从而调整土壤中Se含量,即对土壤Se缺乏区域灌溉高Se含量水,使富Se土壤区域扩大,对已存在Se过剩的土壤引用一般水源灌溉,使之范围缩小,含量降低。通过该项研究得出一个结论:粉煤灰中含有较高的Se,而有害重金属含量甚少,因此可提取Se或将粉煤灰直接添加到肥料中制成富Se肥。

关键词: 粉煤灰; 土壤; 水稻; 硒; 重金属; 环境评价; 镇江谏壁
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)01-0177-06
The effects of coal ash storage of Zhenjiang Jianbi Power Plant on the selenium concentration of the surrounding soil environment
PAN Yong-Min1, XU Yu-Lin1, HUA Ming1, LIAO Qi-Lin1, NI Jun2, GAO Li1, ZHOU Gang-Jun1
1. Geological Survey of Jiangsu Province,Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources, Nanjing 210018, China
2. Zhenjiang Land and Resources Administration, Zhenjiang 212028, China
Abstract

Built in 1959, the Zhenjiang Jianbi Power Plant is one of the main power plants in the power grid of East China. Its total power generation has hit over 100 billion kWh in the past twenty-six years. Nevertheless, a significant amount of coal ash has also been generated. To investigate the environmental effects of coal ash, the authors selected Longshan Ash Mountain and Zhenguan Ash Mountain as the study objects. Testing the samples of coal ash, surface water and its surrounding sediments, rocks, soil, and rice seed around the coal ash mountain areas, the authors have found that the topsoil in the study area is rich in selenium (Se) due to the influence of coal ash. According to the classification criteria set by Tan Jianan, 32.96% of the soil contains a medium level of Se, 43.08% is rich in Se, 7.86% is low in Se concentration, 6.76% is very low in Se concentration, and 9.34% contains excessive Se. The soil with excessive Se is mainly located around the downstream coal ash area, with a maximum amount of 14.7×10-6. It is found that the richness of Se in the farmland far away from coal ash areas mainly stems from high Se concentration in the irrigation water, while the richness of Se in the farmland close to coal ash areas is attributed not only to irrigation but also to the sediments of coal ash brought by the water flow. The dendrogram analysis of Se and heavy metals shows that the region affected by Se is also affected by Cd, Hg and Pb. The richness of these heavy metals is ranked as Hg > Cd > Pb. The topsoil is generally not contaminated by As, Cd, Cr, Cu, Hg, Hi, Pb, Zn and other heavy metals because the concentration of these heavy metals is less than the natural amount. Only the concentration of Cd and Hg is close to the maximum of the second degree in the national farmland standard. Affected by soil environment, the study area has Se-rich rice, whose concentration of As, Cd, Cr, Hg, Pb and other heavy metals does not exceed the food contamination standard. Based on these findings, the authors suggest using different irrigation sources in the study area. Specifically, we should use Se-rich water to irrigate the Se-insufficient soil so as to expand the area with Se-rich soil, and use the average water to irrigate the Se-excessive soil so as to reduce Se concentration. The results of the study also imply that coal ash is rich in Se and contains very little harmful heavy metals. Therefore, it may be profitable to extract Se from coal ash and produce Se-rich fertilizers.

Keyword: coal ash; soil; rice; selenium; heavy metal; environmental evaluation; Zhenjiang Jianbi
0 引言

长期以来, 硒(Se)一直被作为有毒元素加以研究。20世纪70年代初, 世界卫生组织肯定了Se的功效, 认为Se是人体和动物必需的微量元素, 其丰缺与人和动物的健康有着密切关系[1]。研究证明, 土壤和植物中过量的Se会导致人和动物中毒, 患“ 碱性病” 和“ 盲珊症” 等慢性中毒症[2]。土壤和植物中Se含量过低会引起人和动物发生白肌病、克山病、大骨节病等多种缺Se病。只有在适当的微克剂量下Se才是人和动物必需的营养元素, 并且对人和动物有一定的健康功能[3]。我国处于地球低Se带, 全国72%的国土存在不同程度缺Se现象[4]。近年来富Se农产品受到追捧, 提高了富Se农产品的附加值, 而植物中的Se含量绝大多数与土壤中的Se息息相关。2012年江苏省地质调查研究院和镇江市国土资源局开展了1∶ 5万镇江城市地质调查研究工作, 笔者以本次1∶ 5万镇江城市地质调查土壤环境地球化学调查数据为基础, 结合江苏省1∶ 25万多目标区域地球化学调查数据, 对镇江谏壁热电厂煤灰库周边土壤中的Se进行了深入研究, 以期为合理利用粉煤灰, 开发富Se特色农产品提供理论依据。

1 研究区概况

谏壁发电厂位于江苏省镇江市东郊15 km处的谏壁镇, 是我国自行设计、自行安装、自行完善的高温高压凝汽式火力发电厂。该发电厂从1959年开始筹建, 至1987年最后一台机组投产, 现拥有12台燃煤发电机组, 总装机容量达240万kW, 已创下发电量连续26年超100亿kW/h的非凡业绩。在成绩背后同时也产生了大量的粉煤灰。为了解决煤灰堆放空间, 电厂从20世纪80年代起征用龙山水库和贞观山水库作为煤灰堆放场。煤灰堆放场位于电厂东南约7 km, 两煤灰堆放场相距4 km。评价区地貌有山地、岗地和平原, 山地植被以林地为主, 间有几座采石宕口, 岗地和平原以农田和村庄为主。区内基本无工业厂矿, 这给研究煤灰库对周边环境影响的唯一性提供了条件。

2 样品采集及分析

表层土壤样以农田为主, 农田采样密度为4个点/km2, 煤灰库附近依据地形及灰库排水径流情况加密采样, 山地采样密度为1~2个点/km2, 采样深度为0~20 cm, 共采集土壤样品167个。由于龙山煤灰库西北部现已是建设用地, 地表原貌已遭破坏, 因此没有采样。在本区还采集了2个土壤柱样品, 8个煤灰库样品和2个水质样品, 另外在贞观山煤灰库下游冲沟中采集水系沉积物样品1个。土壤样品放入布袋中保存, 经自然风干后过20目筛剔除其中的动植物残体、石子等杂质, 装入纸质样袋, 送实验室进一步加工后分析。水样用2 000 mL聚乙烯塑料瓶存放, 塑料瓶先用稀盐酸清洗, 然后用蒸馏水冲洗, 取样时再用清水洗三遍, 最后用样瓶直接在煤灰库中取水、密封冷藏(0~4 ℃), 24 h内送检。用剪刀采集水稻稻穗, 装入网兜中, 样品原始质量不少于600 g, 经晾晒、阴干后进行脱粒去壳, 用方格法和四分法缩分, 取得约250 g样品, 装入纸质样袋, 送实验室进一步加工后分析。

采样点位置用GPS定点。样品测定工作由国土资源部南京矿产资源监督检测中心完成, 其中Se采用原子荧光光度计测定。为保证分析结果的可靠性, 样品分析过程中加入国家土壤标准样(GBW系列XX号标样)和密码样进行质量控制, 以每个土壤标准样的推荐值作参考, 计算测量值与推荐值的对数偏差(△ lgC, C为每个GBW标准样12次实测值的平均值), 作为检验各分析方法的准确度。经过统计分析, 测试数据的质量参数、精密度、准确度、检出限、报出率都符合《多目标区域地球化学调查规范(1∶ 250000)》(DD2005-01)及《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005-03)的要求。

3 研究区Se分布特征
3.1 土壤中Se分布特征

统计分析表明(表1), 全区土壤样品Se含量均值高出镇江背景值17倍, 说明区内存在土壤Se富集现象。Se变异系数为1.72, 说明Se含量在该区空间变异性大、分布极不均匀, Se最大值(14.70× 10-6)与最小值(0.09× 10-6)之差相差较大, 也说明了这一点。

按照谭见安[5]的划分标准(表2), 研究区Se含量属于足Se和富Se状态的土壤分别占总土壤面积的32.96%和43.08%; Se不足和Se缺乏分别占总面积的7.86%和6.76%; Se过剩占9.34%(图1)。

表1 热电厂煤灰库土壤硒参数统计
表2 热电厂煤灰库土壤硒丰缺划分界限值

图1 热电厂煤灰库土壤Se分布特征及采样点位

3.2 土壤Se高异常分析

为了查明研究区内土壤Se异常的原因, 在异常区内采集了粉煤灰、地表水、水系沉积物、岩石等不同类型样品, 采集的样品数及分析结果见表3。

表3 热电厂煤灰库不同类型样品硒含量统计

3.2.1 粉煤灰Se含量特征

据有关文献记载, 我国煤炭Se含量在0.46× 10-6~10.65× 10-6, 均值为4.27× 1 0-66。为了弄清粉煤灰中Se含量情况, 在龙山煤灰库和贞观山煤灰库共采集了8个粉煤灰样品, 经分析Se含量值在2.80× 10-6~7.77× 10-6, 说明电厂不同批次煤炭Se含量亦存在较大差异。粉煤灰样品Se的平均含量为4.35× 10-6, 高出全省表层土壤Se平均值21倍, 说明这一地区土壤Se富集可能与粉煤灰有关。

3.2.2 地表水Se含量特征

为了查明粉煤灰中Se对周边土壤影响的途径, 分别在龙山灰库和贞观山灰库各采集了一个地表水样, 其中龙山煤灰库水样Se含量为0.085 mg/L, 贞观山煤灰库水样Se含量为0.043 mg/L, 平均值为0.064 mg/L, 高于农田灌溉水质标准(GB5084-2005)[7]上限值0.02 mg/L。两个煤灰库高程约在40 m, 高于下游20多米, 极易造成高Se水流入河道, 灌溉农田。分析图1中Se含量分布特征可知, Se过剩土壤大多分布在煤灰库下游河道附近, 并随着与煤灰库距离的加大, 土壤Se含量逐渐降低。这是由于受水流影响, 粉煤灰沉积物随水迁移, 并随着迁移距离的加大, 浓度逐渐降低。由此可见, 离煤灰库较近的土壤除受高Se水影响外, 同时还受到随水迁移的粉煤灰沉积物的叠加影响。

3.2.3 水系沉积物Se含量特征

水是Se迁移和沉淀的主要介质。在贞观山煤灰库下游冲沟采集的沉积物样品中, Se含量高达20.00× 10-6。这是因为沉积物中的有机质含量较高, 易吸附和固定Se, 并随着沉积— 运移— 沉积循环累积, 从而使Se达到较高值。

3.2.4 基岩Se含量特征

在不同地段采石宕口和基岩出露区采集了6个岩石样品, 其中5个为灰岩, Se含量在0.09× 10-6~0.16× 10-6, 1个为千枚状泥岩, 含量略高, 为0.21× 10-6。6个样品均值为0.14× 10-6, 说明成土母质对土壤Se的贡献较小。

3.2.5 土壤Se含量垂向变化特征

为了解剖土壤Se含量在垂向上的分布特征, 在富Se区采集了两个土壤柱剖面, Se含量垂直变化特征见图2。从图中可以看出, 2个土壤柱表层Se含量虽然差异较大, 但总体变化趋势都是由表层向深层迅速降低, 在40 cm以下趋于稳定。1号柱位于贞观山煤灰库下游0.5 km, 该土壤柱0~10 cm Se含量为11.70× 10-6, 70 cm以下土壤Se含量为0.24× 10-6, 表层土壤高于深层土壤49倍, 表明该地段表层土壤Se受煤灰库影响而富集强烈。2号柱样位于贞观山煤灰库下游2 km, 该土壤柱0~10 cm Se含量为6.12× 10-6, 60 cm以下土壤Se含量为0.15× 10-6, 表层土壤高于深层土壤41倍, 表明该地段表层土壤Se同样富集较强。从2个土壤柱距离煤灰库远近看, 距离煤灰库近则Se含量高, 远则含量低, 这进一步反映研究区土壤Se富集与土壤母质层关系不大, 而与粉煤灰相关性显著。

图2 热电厂煤灰库土壤Se垂向分布

4 煤灰库对周边土壤重金属元素的影响
4.1 重金属元素含量特征

通过对煤灰库周边土壤Se富集区的62个表层土壤样品As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni 、Pb和Zn等重金属元素统计分析(表4), 8项重金属的均值都小于土壤环境质量标准的自然背景值, 说明该区域遭受人为污染较小, 仅Cd、Cr、Cu、Hg、Ni的最大值有超出其自然背景值现象, 但超出值较小, 都在土壤环境质量标准[8]二级范围内, 适用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤要求。与镇江地区背景值(镇江地区239个土壤深层样的平均值)相比, 8项重金属元素中只有Cd、Hg和Pb的均值有超出背景值现象, 说明煤灰库周边土壤除Se受到煤灰库的强烈影响外, Cd、Hg和Pb亦受到了一定影响。从变异系数看, Hg的变异系数略高, 接近0.5, 说明存在局部富集现象。

表4 热电厂煤灰库表层土壤重金属元素含量参数统计
4.2 重金属元素与Se相关性分析

同一区域土壤重金属的来源可以是单一的, 也可能是多种的, 研究土壤重金属之间的相关性可以推测出重金属来源是否相同, 如果重金属含量有显著的相关性, 说明元素之间具有相同来源的可能性大, 反之则表示来源不同。聚类树状图是相关分析中常用的一种方法, 它可以形象地反映元素间的远近程度, 有效地揭示元素间的联系。为了保证结果的准确性, 先对数据进行标准化, 以使数据具有相同的权重, 再运用相关系数法得到聚类树状图。从图2可以看出, Cd、Hg、pb和Se为一类; Cu、Zn、Cr、Ni和As为另一类。根据相似的地球化学特征或物质来源的元素具有较好的相关性, 可以推断出第1类元素Hg、Pb与Cd有一定的正相关, 而Cd与Se亦存在正相关性, Se与粉煤灰有关, 因此研究区内土壤Cd、Hg、Pb和Se除受成土母质作用外, 相同的人为源输入也对其产生了一定影响, 部分区域土壤在遭到Se输入的同时亦输入了一定量的Cd、Hg和Pb, 从平均值与背景值比值看, 其输入量为Hg> Cd> Pb (表4)。第2类元素Cu、Zn、Cr、Ni和As相关, 其中Cu和Zn、Cr和Ni化学性质相似, 因此关系密切, 而As的含量总体较低, 变异系数较低, 说明分布均匀, 可以推断As、Cu、Zn、Cr、Ni主要来源于成土母质。

图3 热电厂煤灰库土壤Se和重金属元素聚类树状图

4.3 水稻籽实中Se和重金属含量分析

4.3.1 水稻籽实中Se含量分析

为了进一步了解研究区内农作物遭受粉煤灰的影响程度, 在农田土壤Se含量大于0.175× 10-6的区域采集了15个水稻籽实样品。从分析结果(表5)得知, 水稻籽实中Se含量的平均值为0.362× 10-6, 其中大于3× 10-6的有3个, 含量分别为0.400× 10-6、0.830× 10-6和4.240× 10-6, 对应根系土Se含量分别为3.76× 10-6、4.63× 10-6、8.46× 10-6, 都为Se过剩土壤。这3个点均距煤灰库下游较近, 受煤灰库影响强烈, 其他10件样品有9件达到富Se(0.04× 10-6~0.30× 10-6)标准(GBT22499-2008)[9], 表明该地区具备生产富Se大米的潜力。

4.3.2 水稻籽实中重金属含量分析

分析稻米中的As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se等的含量, 从统计结果(表5)看, 水稻籽实中没有大于粮食限量值标准的元素, 说明煤灰库对附近农作物中的重金属元素影响甚微。

表5 煤灰库附近水稻籽实重金属元素和Se参数统计
5 结论与建议

通过以上分析, 谏壁热电厂煤灰库周边表层土壤、地表水、水系沉积物已遭到粉煤灰中Se的影响。在煤灰库下游附近已检测到Se含量高达14.7× 10-6的土壤, 高出富Se土壤标准4.9倍; 地表水Se含量达 0.085 mg/L, 高出农田灌溉水质标准(GB5084-2005)上限值4.25倍; 水系沉积物Se含量为20.00× 10-6, 远高于粉煤灰中的Se含量; 说明土壤和水系沉积物可以吸附和固定Se, 经过累积作用, 可使Se达到较高值。从研究区土壤Se含量分布特征可以推断, 离煤灰库较远的农田Se主要来自高含量Se水灌溉, 离煤灰库较近的农田除受灌溉水影响外, 同时还受到随水迁移的粉煤灰沉积物的叠加影响, 因此距离煤灰库越近, 土壤Se含量越高。根据Se与重金属元素聚类树状图判断, 研究区内部分区域土壤在遭到Se输入的同时亦输入了一定量的Cd、Hg和Pb, 与其背景值相比输入量为Hg> Cd> Pb。总体来看, 研究区内表层土壤As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni 、Pb和Zn等重金属元素含量大都小于相应的土壤环境质量一级标准(自然背景值), 浓度未达到污染水平, 但Cd和Hg的最大值已接近农田土壤二级标准, 应引起警惕。

受土壤Se影响, 研究区内存在富Se大米, 大米中As、Cd、Cr、Hg、Pb等重金属元素的含量没有出现超过粮食限量标准现象, 表明该地区具备生产富Se大米的潜力。建议在该区域利用不同水源进行灌溉, 从而调整土壤中Se的含量, 即对土壤Se缺乏区域灌溉高Se含量水, 使富Se土壤区域扩大化, 对已存在的过剩Se土壤引用一般水灌溉, 使之范围缩小, 含量降低。同一种作物不同器官由于代谢的Se含量不同也存在很大差异, 粮食作物中果实部分的Se含量大于茎秆[11], 而蔬菜则是非可食部分Se含量较高[12]。运用作物的不同Se含量特征, 可采用改变种植结构的形式调整农产品的Se含量, 一般生长期较短的蔬菜, 其果实所含Se含量相对较低; 也可以利用Se含量高的粮食作为饲料喂养家禽, 产出富Se禽、蛋, 但这些还须做进一步的实验。

我国是一个缺Se大国, 全国有72%的地区存在不同程度缺Se现象。如何提高缺Se地区的农作物Se含量, 许多科研人员做了大量工作, 例如在农作物叶面喷洒Se可明显提高水稻和油菜中Se含量, 并随喷洒浓度的增加籽粒Se含量也有所增加[13]。通过该项研究可以得出一个结论:粉煤灰中含有较高的Se, 而有害重金属元素含量甚少。因此笔者认为, 在粉煤灰中提取Se或直接将粉煤灰添加到肥料中, 使其成为富Se肥, 从而增加农产品的附加值, 可能是条捷径。当然不同地区的粉煤灰Se含量和有害成分是有差异的, 在实际运用中还需通过检测筛选后才能使用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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