2011年第32卷第2期中北大学学报(自然科学版)Vol.32　No.2　2011(总第136期)JOURNALOFNORTHUNIVERSITYOFCHINA(NATURALSCIENCEEDITION)(.136)文章编号:1673-3193(2011)02-0189-06

油区土壤重金属污染状况及相关性分析

陈丽华,雒晓芳,哈斯其美格

1,2

1

1

(1.西北民族大学实验中心,甘肃兰州730030;2.兰州大学西部环境与气候变化研究院,甘肃兰州730000)摘　要:　选取陇东油区的不同开发期内受石油污染和未污染的土壤样品137个,测试Cd,Cr,Cu,Ni,Zn,Pb这6种重金属的含量及其土壤基本理化性质.采用描述性统计分析与相关分析法分析油田土壤重金属污染及其相关性.研究结果表明:该区土壤除Cd之外,其余重金属含量均在国家二级标准范围内,整个区域表现为典型的Cd污染,主要来源为农药化肥;石油在开采过程中不同程度地对油区土壤造成重金属污染,其中Cd受到的影响最大(增幅1/4).土壤中Cd,Cr和Ni三种重金属元素呈极显著相关关系,而Cd和Pb之间关系紧密,Cr和Cu,Pb和Zn的关系亦较紧密.关键词:　土壤重金属;污染状况;相关分析;油田

中图分类号:　X53　　　文献标识码:A　　　　doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2011.02.015

PolluteSituationandCorrelationAnalysisof

SoilHeavyMetalsinOilField

CHENLi-hua1,2,LUOXiao-fang1,HASIQimei-ge1

(1.ExperimentCenter,NorthwestUniversityforNationality,Lanzhou730030,China;

2.KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystems,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:The137soilsampleswerecollectedindifferentperiodofpollutionbyoilandnopollutioninLongdongoilfield.ThecontentsofCd,Cr,Cu,Ni,Zn,Pbandthebasicphysicalchemicalpropertiesofsoilwasmonitored.Descriptivestatisticalanalysisandcorrelationanalysiswereusedtoanalyzethepollutionandcorrelationofsoilheavymetalspollutioninoilfield.Resultshowsthat,theheavymetalscontentinsoilofthisarea,exceptforCd,isinrangeof2ndstandardofstate,thewholeareaisatypicalcadmiumpollution,mainsourceisagriculturefertilizer;Oilintheminingprocessmaypollutesoilofoilfieldindifferentdegrees,Cdismostlyaffectedamongsoilheavymetals(growthrate1/4).Cd,CrandNiinsoilarethreeheavymetalsinaverysignificantcorrelation,CdandPbareinsignificantcorrelation,CrandCu,PbandZnhavecloserelationshipstoo.

Keywords:soilheavymetals;pollutesituation;correlationanalysis;oilfield

油田中原油本身含有的金属,开采过程中产生的落地油、含油废水等都将不可避免地造成土壤、水源的重金属污染.陇东油区在近40年的开发历史中,带动了当地经济、社会的发展,但也带来了一系列的环境问题,如土壤污染、水资源污染.因此,关于油区土壤环境质量的研究以及污染评价备受人们的关注.国内外研究表明:随着近年来城市的工业化进程,土壤中重金属呈现出了一定的积聚趋势,有机质、粉粒、粘粒含量与As,Cr,Cu,Ni,Zn重金属元素均呈极显著或显著的正相关,对这几种重金属在土壤中的积累有一定的作用[1];土壤中Pb的来源可能与道路交通有关[2].在不同尺度下,土壤重金属测定结果

收稿日期:2010-03-06

　基金项目:中国石油长庆油田分公司基金资助项目(09AQ-KF-003)

,.

190

中北大学学报(自然科学版)2011年第2期

的各个统计指标之间有较大的差别,存在明显的空间分布差异[3].有关石油化工园区周边农田土壤重金属的研究虽有报道[4-5],但针对油田土壤的研究尚未见报道.本文根据陇东油区土壤重金属的含量来分析石油开采对其的影响及相关性,并评价该区的污染程度,以期对当地的石油污染治理提供科学依据.

1　材料与方法

1.1　研究区及土壤概述

研究区域选定在西北黄土高原地区的“陇东”油区,地貌特征属黄土塬地区,主要由塬面、梁峁坡面、沟谷组成,坡度在5°～25°之间.最大的董志塬面积910km,其次有早胜塬、孟坝塬等,平均侵蚀亩数6670t/km2.该区干旱少雨,地下水埋藏深,生态环境较为脆弱,对环境污染较为敏感.土壤类型以黄绵土为主,土壤中石英的含量百分比最大,范围在37%～57%之间;其次为钠长石、钾长石.从整体粒级含量来看,砂粒含量平均在50%以上,含量最多,通透性强,固体颗粒对原油的吸附性小;粘粒含量平均不到10%,含量最少,比表面积大,养分含量高,保肥保水能力强,但通透性差,对石油截留力强;而粉粒含量介于砂粒和粘粒之间,平均在40%.土壤pH值在7.22～9.79之间,均值为8.40,偏碱性;电导率在62.19～163.08s/cm之间,平均值为92.19s/cm.降水主要集中在7～9月份,年均降雨480～660mm,地面年平均蒸发量520mm;冬季多西北风,夏季多东南风;年均气温7～10℃;总体呈干旱、温和、光照充足的特点.

陇东油区是中石油股份长庆油田分公司的三大主力油区之一,是长庆油田公司第二采油厂,始建于1971年,是中国石油长庆油田分公司下属的一个以原油生产为主、兼有项目管理和技术研究职能的大型石油生产企业.工作区域5×104km2,横跨陇东的庆城、华池、环县、镇原、合水、宁县、西峰六县一区,目前共管理着马岭、华池、城壕、樊家川、南梁、西峰等11个油田、66个开发区块.全厂正常生产油井约3846口,日产油约8000t.1.2　样品采集与分析方法1.2.1　样品采集

经过实地考察调研,选取华庆、马岭和西峰油区的不同石油开发期内受石油污染的土壤样点进行对比研究.为观察野外油污土壤未受干扰条件下的特征,本次试验选取的油井均为远离公路与人类活动区的,野外采集的土壤样品分别位于马岭油田的南10-14#油井(1980开井);华庆油田的剖18-5#,18-73#,18-8#油井(1998年开井),和西峰油田的西32-32#,33-32#,33-33#,33-34#油井(2007年开井).三地油井开井时间分属于不同年代,且分属于陇东油区主要的三大油田,兼具有时间和空间上的代表意义.其中:西峰23个样品,马岭26个样品,华庆14个样品.另外选取西峰、马岭未污染的两个土壤剖面样品作对比,得到背景样74个.采样过程中,采取钻杆取样的方式,分别按土壤深度钻取表土0～5cm,5～10cm,10～20cm,20～50cm,50～80cm,80～100cm土样,取出后立即装入样品袋内用胶带密封好,以防止土壤中各种成分的散失,并按地层的上下顺序贴好标签,准确作好采样记录,将取回的土壤样品送回试验室后进行土壤重金属指标的检测.1.2.2　分析方法

将采回的土壤样品置于阴凉通风处自然风干,剔除样品中的有机残渣、植物根系及可见侵入体,用球磨机磨碎过0.150mm(100目)尼龙筛.土壤样品的常规理化性状分析方法参照《样品分析测试技术规定》(国家环境保护总局,2006年[6]).

金属元素的测定采用盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸全分解的方法,以彻底破坏土壤的矿物晶格,使试样中的待测元素全部进入试液.Pd,Cd的测定用石墨炉原子吸收分光光度法,Cu,Ni,Cr,Zn的测定用火焰原子吸收分光光度法,具体测定条件和步骤参见《样品分析测试技术规定》(国家环境保护总局,2006年[2

(总第136期)油区土壤重金属污染状况及相关性分析(陈丽华等)

191

1.3　土壤污染评价方法

本文土壤污染评价以《国家土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准值为参考标准,如表1所示.　　土壤污染评价方法采用单因子指数法,其计算公式为

Pi=Ci/Si,(1)式中:P为土壤中污染物i的环境质量指数;C为污染物i的

i

i

表1　土壤环境质量评价标准Tab.1　Criteriaevaluationofsoil　　environmentalquality(mg kg-1)

国家二级标准

重金属

pH<6.56.5<pH<7.5

CuNiCdPbCrZn

50400.3250150200

100500.3300200250

pH>7.5100600.6350250300

实测值,mg kg;Si为污染物i的评价标准,mg kg.

其中:Pi≤1表示土壤未受污染;Pi>1表示土壤已受污染;Pi越大,污染程度越严重.1.4　数据处理

经过分析数据的异常值检测,陇东油田的137个样品重金属检测值均为有效数据.对土壤pH值的统计检验发现,

-1-1

土壤样品偏碱性(pH>7).原始数据均服从正态或对数正态分布.数据的统计分析和相关分析均采用SPSS18.0软件完成.

2　结果及分析

2.1　土壤重金属的污染评价结果

按照该区土壤功能把《国家土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准值作为二级标准,计算了研究区137个样点各层土壤各种重金属的单因子污染指数值,结果如表2所示.该区土壤除Cd之外,其余的重金属含量均在国家二级标准范围之内,整个区域表现为典型的Cd污染,污染程度严重.由于研究区油井多位于黄土塬耕地区,土壤中Cd一般是施用农药和化肥等农业活动的标识元素,Cd超标严重也是因为油井边土壤原来为农耕地转变而来所致.而其他元素含量均低于二级标准,说明该区土壤未受工业污染的影响,属于单一性农业化肥污染.

表2　陇东黄土重金属元素含量统计结果

Tab.2　StatisticalresultofheavymetalscontentinloessinLongdongarea

Pb

平均/( g g-1)

深剖面XF-0

标准差Pi污染评价平均/( g g-1)

深剖面ML-0

标准差Pi污染评价平均/( g g

标准差

Pi

污染评价平均/( g g

马岭油区

标准差Pi污染评价平均/(

华庆油区

g g-1)Pi污染评价标准差

-1)-1

[7-8]

Cd2.530.184.22受污1.940.353.23受污3.210.105.35受污3.070.155.12受污3.070.345.12受污

Cr62.168.220.25未污63.118.230.25未污77.134.200.31未污64.072.320.26未污64.072.690.26未污

Cu21.871.250.22未污21.21.210.21未污23.680.740.24未污22.121.070.22未污22.121.850.22未污

Ni27.362.550.46未污27.192.310.45未污30.681.410.51未污28.291.190.47未污28.291.670.47未污

Zn113.2425.450.38未污113.0825.170.38未污114.0228.050.38未污121.1432.170.40未污121.1412.420.40未污

57.251.570.16未污57.831.680.17未污

)

西峰油区

58.801.460.17未污58.821.390.17未污58.821.670.17未污

192

2.2　土壤重金属含量的描述性统计

中北大学学报(自然科学版)2011年第2期

陇东黄土塬区重金属分区(剖面)统计结果如表3所示.在0～100cm深度范围内,三个地方黄土土壤的机械组成主要为砂粒组成和粉粒组成,各重金属元素的多寡主要与黄土的碎屑矿物组成和各元素进入矿物晶格的能力有关[9].在陇东黄土剖面中,Zn的含量最高,其次为Cr,Pb,Ni,Cu,最低的为Cd.其中:Pb,Cd含量变化范围不大,而其他重金属含量变化范围较大.

从西峰、马岭和华庆的典型剖面值可以看出,这三个地区的土壤重金属含量在纵向剖面上分布不一:西峰剖面的Pb,Cd,Cr,Cu,Ni含量变化不大,其值比较集中,而Zn的含量在80～100cm突然上升到158.95 g g-1,增幅62.2%;马岭剖面Pb,Cd,Cu的含量变化范围不大,而Cr,Ni,Zn在50～80cm下降幅度较大;华庆剖面Pb,Cu,Ni的变化范围不大,而Cd在50～100cm下降迅速.

表3　典型黄土剖面不同深度重金属含量

　　　　　　Tab.3　Heavymetalscontentindifferentdepthoftypicalloesssection　　　　　　( g g-1)样品标识XF-0XF-1XF-2XF-3XF-4XF-5XF-6XF-7ML-0ML-1ML-2ML-3ML-4ML-5HQ-0HQ-1HQ-2HQ-3HQ-4HQ-5HQ-6

深度/cm

00～55～1010～2020～4040～6060～8080～1000～55～1010～2020～5050～8080～100

00～55～1010～2020～5050～8080～100

Pb58.6758.1860.8556.158.1159.8459.9758.6459.0560.2059.5458.4656.2559.4456.6259.5555.4956.7255.8256.6654.07

Cd3.213.313.383.093.263.223.113.123.003.253.193.162.932.903.012.893.002.842.702.302.16

Cr78.1277.1780.2478.579.4479.6176.8067.1665.9764.9263.8363.5759.8766.2457.7058.0757.5659.7457.8961.4452.67

Cu22.9924.0224.423.2623.7823.1824.9522.8521.9322.8323.3122.8920.6921.0520.5520.8621.0521.0921.1419.7725.48

Ni32.1331.2031.9732.3429.3730.2029.5528.7027.9228.1229.1727.5426.8430.1424.0024.0422.6923.9624.9424.5320.01

Zn

100.73106.86101.0194.5495.9695.18156.34161.5690.83108.99166.64109.1795.14156.0598.91112.1890.0687.14110.1095.0277.49

2.3　石油开采对土壤重金属含量的影响

对比西峰、马岭油区受污染与未污染黄土样中重金属的含量,其结果如图1所示.在所取土壤样中,

图1　受污染与未受污染土样重金属含量比较

.and

(总第136期)油区土壤重金属污染状况及相关性分析(陈丽华等)

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受污染样中Pb,Cr,Cu,Ni,Zn,Cd的含量均比未受石油污染样的含量大,且两地区所受影响趋势一致.西峰地区增幅普遍显著,Cr,Cu,Ni,Cd受石油开采均有8%的涨幅,其中Cd和Cr的涨幅近1/4;马岭地区Cd的含量受石油的影响超过西峰,达到58%的增长,其次为Zn(7%),其余均<5%.具体增幅如表4所示.

表4　受污染土样重金属含量增幅

　　　　　　　　　　　Tab.4　Growthofheavymetalscontentinpollutedsoil　　　　　　　( g g-1)

Pb

XF/%ML/%

2.701.72

Cd26.9858.33

Cr24.081.52

Cu8.274.32

Ni12.144.04

Zn0.697.12

2.4　土壤重金属的相关性分析

经过SPSS相关分析,P值<0.01为极显著相关,0.01<P<0.05为显著相关,P>0.05为不相关.陇东土壤重金属元素含量的相关系数结果如表5所示.Pb与Cd,Ni呈极显著的相关关系,与Cr,Zn显著相关;Cd和Cr,Ni呈极显著相关;Cr与Ni极显著相关,与Cu显著相关.可见,Cd,Cr和Ni三种重金属元素呈极显著的相关关系,而Cd和Pb之间关系紧密,Cr和Cu,Pb和Zn的关系亦较紧密,说明Cd,Cr和Ni有相同的来源.而土壤中Ni主要为地质来源,故Cr,Cu,Ni基本上反映了土壤母质及其风化产物而累积的重金属;Cd一般可作为施用农药和化肥等农业活动的标识元素[7-8],也可能由工业“三废”排放所导致[11],在陇东采油区主要反映为农业化肥污染;Zn含量与土壤有机质、pH有关,土壤Cu与Pb,Zn呈直线相关,表现出了相互依存的关系[12].这些相关性与陇东油区土壤污染状况和土壤类型基本一致.

表5　陇东土壤重金属相关系数

Tab.5　CorrelationcoefficientofheavymetalsinsoilinLongdong

PearsonPbCdCrCuNiZn

Pb1.000.67*0.55*0.240.64*0.51*

**

[10]

Cd1.000.68*0.300.76*0.27

**

CrCuNiZn

1.000.54*0.89*0.12

*

1.000.390.13

1.000.35

1.00

　注:**表示极显著相关;*表示显著相关

3　结　论

1)在陇东油区,石油在开采过程中会不同程度地对油区土壤造成污染,其中:Cd受到的影响最大(增幅1/4),黄土剖面中Zn的含量最高,其次为Cr,Pb,Ni,Cu,最低的为Cd.Pb,Cd含量变化范围不大,而其他重金属含量变化范围较大.其原因与不同元素在土壤中的本底含量,石油开采时间,土壤样品的不同深度等有关.

2)该区土壤除Cd之外,其余重金属含量均在国家二级标准范围之内,整个区域表现为典型的Cd污染,主要来源为农业化肥.

3)土壤中Cd,Cr和Ni三种重金属元素呈极显著的相关关系,而Cd和Pb之间关系紧密,Cr和Cu,Pb和Zn的关系亦较紧密,这些相关性与陇东油区土壤污染状况和土壤类型基本一致.参考文献:

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