湖南某鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

孫建德

(1.湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100;2.有色金屬工業(yè)環(huán)境保護(hù)行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410100)

土壤是人類賴以生存的自然環(huán)境，隨著工業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染形勢日益嚴(yán)峻，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，然而在采選冶過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣和固體廢棄物將導(dǎo)致礦區(qū)土壤重金屬污染、土地退化、地下水污染等，直接危及人體健康和礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1～3］。湖南資興市東江湖是湖南省最優(yōu)質(zhì)的飲用水源之一。但是東江湖庫區(qū)金、鎢、鉛、鋅、銀、砷等有色金屬礦產(chǎn)資源豐富，上世紀(jì)50年代以來，各有色金屬礦陸續(xù)開始開采，逐漸形成了東坪金礦區(qū)、清江鉛鋅礦區(qū)、滁口鎢礦區(qū)等六大采礦區(qū)。遺留下來的大量尾砂、廢石、廢渣未得到妥善處理，隨著生態(tài)破壞和水土流失，污染土壤中的重金屬隨著雨水不斷流入東江湖，東江湖水環(huán)境面臨著日趨嚴(yán)重的污染威脅。各礦區(qū)污染面積共計(jì)1813公頃，洞口最多時(shí)達(dá)600多個(gè)，小冶煉多達(dá)140多家，現(xiàn)存廢石尾砂廢渣總量達(dá)220萬t之多。東江湖周邊廢棄的鉛鋅、鎢和金等有色金屬礦區(qū)對東江湖水質(zhì)造成嚴(yán)重的潛在威脅。本研究以清江鉛鋅礦區(qū)為典型有色金屬礦區(qū)，采用野外調(diào)查的方法，研究了土壤受到重金屬污染的情況，采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)對土壤中重金屬As、Pb、Cd、Zn、Cu、Ni的污染程度及潛在生態(tài)危害程度進(jìn)行量化，旨在為當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傥廴局卫砗蜕鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省郴州市某廢棄礦區(qū)，地處北緯25°45'39.29″～25°46'1.13″，東經(jīng)113°17'17.76″～13°17'36.07″，總面積133 333 m2以上。地形以山地和丘陵為主，土壤主要為黃色粘土;屬亞熱帶溫濕氣候，雨量充沛，氣候溫和。年平均氣溫17.1℃，年平均降水量1 538.3 mm。

1.2 樣品采集與處理

選取果園、林地、住宅區(qū)、耕地及工業(yè)用地五個(gè)代表性功能區(qū)，對應(yīng)編號(hào)分別為1～5，各采樣區(qū)分別取14、12、31、20、17個(gè)代表性表層土樣，共計(jì)94個(gè)。在各采樣區(qū)根據(jù)具體情況布設(shè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)由梅花布點(diǎn)法采集5個(gè)5～20 cm表層土壤混合而成，四分法取足量樣品裝入塑料袋，于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，剔除動(dòng)植物殘?bào)w和石塊，磨碎，過100目篩。參照GB/T 22105.2－2008測定土壤中砷含量;參照GB/T 17141－1997測定土壤中鉛、鎘的含量;參照GB/T 17138－1997測定土壤鋅、銅的含量;參照GB/ T 17139－1997測定土壤中鎳含量。

例行分析中實(shí)行夾帶3個(gè)土壤國標(biāo)樣的質(zhì)量控制，質(zhì)控樣測定均值和偏差都在規(guī)定要求范圍內(nèi)，平行樣測定含量相對偏差均在10%以內(nèi)。

1.3 潛在生態(tài)危害評價(jià)方法

本研究采用瑞典Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法［4］對土壤重金屬污染進(jìn)行評價(jià)。該方法不僅考慮土壤重金屬含量，而且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與毒理學(xué)聯(lián)系在一起，定量地劃分出重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。其計(jì)算公式如下:

單個(gè)金屬污染系數(shù):

土壤中重金屬綜合污染程度:

某單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù):

土壤多種重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù):

表1 重金屬污染潛在生態(tài)危害指標(biāo)與分級(jí)關(guān)系

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬元素含量組成特征

由于土壤重金屬污染的非均勻性，采用最小值、最大值、平均值3個(gè)指標(biāo)對研究區(qū)94個(gè)土壤樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各重金屬含量特征見表2。土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值。本研究以三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為對照值，判定研究區(qū)土壤是否污染。

表2 土壤重金屬含量

從表2可以看出，4種重金屬都超過了國家土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)限值。各功能區(qū)重金屬分布情況如下:As含量高低順序?yàn)?采樣區(qū)1＞采樣區(qū)5＞采樣區(qū)2＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)4＞對照區(qū)，即果園＞工業(yè)用地＞林地＞住宅區(qū)＞耕地＞對照區(qū);Pb含量高低順序?yàn)?采樣區(qū)1＞采樣區(qū)2＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)5＞采樣區(qū)4＞對照區(qū)，即果園＞林地＞住宅區(qū)＞工業(yè)用地＞耕地＞對照區(qū);Cd含量高低順序?yàn)?采樣區(qū)5＞采樣區(qū)2＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)1＞采樣區(qū)2＞對照區(qū)，即工業(yè)用地＞耕地＞住宅區(qū)＞果園＞林地＞對照區(qū);Zn含量高低順序?yàn)?采樣區(qū)4＞采樣區(qū)1＞采樣區(qū)5＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)2＞對照區(qū)，即耕地＞果園＞工業(yè)用地＞住宅區(qū)＞林地＞對照區(qū)。由此可見，不同元素在不同功能區(qū)的空間分布不一致，其中，采樣區(qū)1果園對研究區(qū)As、Pb、Zn的高含量貢獻(xiàn)較大，采樣區(qū)5工業(yè)用地對研究區(qū)As、Cd、Zn的高含量貢獻(xiàn)較大，采樣區(qū)2林地對研究區(qū)As的高含量貢獻(xiàn)較大。

對照區(qū)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，本研究采用國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值作為參考值進(jìn)行評價(jià)分析。

2.2 土壤重金屬污染評價(jià)

土壤重金屬污染評價(jià)結(jié)果見表3。從表3可以看出，各重金屬污染指數(shù)順序?yàn)?Cd＞As＞Zn＞Pb。Cd在研究區(qū)土壤中的富集程度最大，平均污染指數(shù)達(dá)7.69，As次之，平均污染指數(shù)為2.24，Pb和Zn的平均污染指數(shù)分別為1.75和2.04。根據(jù)Hakanson提出的評價(jià)方法，采用來表征土壤中單個(gè)污染物的污染程度:＜1時(shí)為低污染;1≤＜3時(shí)為中污染;3≤＜6時(shí)為較高污染≥6時(shí)為重污染。因此，研究區(qū)土壤中Cd為重污染，而As、Pb、Zn屬于中污染。

表3 研究區(qū)重金屬污染指數(shù)

從各取樣區(qū)的單因子污染指數(shù)均值來看，采樣區(qū)1果園各重金屬影響因子的順序?yàn)?Cd＞Pb＞As＞Zn，Cd、Pb及As屬于較高污染;Zn為中污染。采樣區(qū)2林地各重金屬影響因子的順序?yàn)?Cd＞As＞Pb＞Zn，其中，Cd為較高污染;As、Pb屬于中污染; Zn為低污染水平。采樣區(qū)3住宅區(qū)、采樣區(qū)4耕地、采樣區(qū)5工業(yè)用地區(qū)域各重金屬影響因子的順序?yàn)?Cd＞As＞Zn＞Pb。采樣區(qū)3住宅區(qū)的Cd屬于重污染;As、Pb和Zn屬于中污染。采樣區(qū)4耕地的Cd屬于重污染;As、Zn為中污染，Pb為低污染水平。采樣區(qū)5工業(yè)用地的Cd屬于重污染;As、Pb和Zn屬于中污染。

就各取樣區(qū)的綜合污染指數(shù)而言，各采樣區(qū)的污染程度順序?yàn)?采樣區(qū)1＞采樣區(qū)5＞采樣區(qū)4＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)2，即:果園＞工業(yè)用地＞耕地＞住宅區(qū)＞林地?？紤]As、Pb、Cd和Zn四種污染物的綜合污染指數(shù)，以Cd表征的綜合污染程度為:Cd＜4時(shí)為低污染;4≤Cd＜8時(shí)為中污染;8≤Cd＜16時(shí)為較高污染;Cd≥16時(shí)為重污染。從表中可以看出，采樣區(qū)2林地、采樣區(qū)4耕地和采樣區(qū)5工業(yè)用地的綜合污染指數(shù)大于8小于16，屬于較高污染;采樣區(qū)1果園和采樣區(qū)5工業(yè)用地由于綜合污染指數(shù)大于16，屬于重污染;全部土樣的綜合指數(shù)平均值為13.76，屬于較高污染。

2.3 土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價(jià)

土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果見表4。由表4可知，研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)大于150小于300，總的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度屬于中度的范疇。As、Pb、Zn的潛在生態(tài)危害系數(shù)()均遠(yuǎn)小于40，屬于低生態(tài)危害范疇;Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)()大于160小于320，對生態(tài)環(huán)境存在重度的潛在風(fēng)險(xiǎn)。各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)大小順序?yàn)?Cd＞As＞Pb＞Zn。這與各重金屬的污染影響因子的排序不一致，原因可能是由于各重金屬對生態(tài)系統(tǒng)的毒性強(qiáng)度不同所引起的。此外，除林地外，各功能區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)皆大于150，表明整個(gè)采樣區(qū)域的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度主要在中度及以上。其中，工業(yè)用地的RI值大于300，具有重度的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起高度重視。各采樣區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)大小順序?yàn)?采樣區(qū)5＞采樣區(qū)4＞采樣區(qū)3＞采樣區(qū)1＞采樣區(qū)2，即工業(yè)用地＞耕地＞住宅區(qū)＞果園＞林地。

3 結(jié)論

1.研究區(qū)土壤呈中性偏酸性，對照土樣重金屬含量遠(yuǎn)低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，各重金屬污染指數(shù)順序?yàn)?Cd＞As＞Zn＞Pb。研究區(qū)土壤中Cd為重污染，As、Pb、Zn屬于中污染。果園對研究區(qū)As、Pb、Zn的高含量貢獻(xiàn)較大，工業(yè)用地對研究區(qū)As、Cd、Zn的高含量貢獻(xiàn)較大，林地對研究區(qū)As的高含量貢獻(xiàn)較大。

表4 研究區(qū)重金屬生態(tài)危害指數(shù)

2.研究區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度屬于中度范疇。Cd對生態(tài)環(huán)境存在重度的潛在風(fēng)險(xiǎn)，As、Pb、Zn的單因子生態(tài)危害程度為低度。各重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)大小順序?yàn)?Cd＞As＞Pb＞Zn，與各重金屬的污染程度排序略有不同，原因可能是由于各重金屬對生態(tài)系統(tǒng)的毒性強(qiáng)度不同所引起的。各采樣區(qū)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)大小順序?yàn)?工業(yè)用地＞耕地＞住宅區(qū)＞果園＞林地。

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