雪雞坪-春都斑巖性銅礦區(qū)土壤重金屬污染評價及植物優(yōu)選

沈夢偉, 陳文德, 李 植, 何政偉

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 成都 610059; 2.成都理工大學(xué) 生地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059)

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雪雞坪-春都斑巖性銅礦區(qū)土壤重金屬污染評價及植物優(yōu)選

沈夢偉1, 陳文德1, 李 植1, 何政偉2

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 成都 610059; 2.成都理工大學(xué) 生地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059)

根據(jù)對香格里拉縣雪雞坪—春都斑巖性銅礦區(qū)主體礦區(qū)的25個樣地的土壤和植物葉片檢測結(jié)果，運(yùn)用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評價，并運(yùn)用富集系數(shù)篩選優(yōu)良修復(fù)植物，為今后雪雞坪—春都礦區(qū)土壤改良和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。評價結(jié)果表明，礦區(qū)土壤中重金屬的污染程度由高到底依次為：Pb>As>Cu>Hg>Cr>Zn>Cd，單個重金屬元素的潛在生態(tài)危害風(fēng)險程度，由強(qiáng)到弱依次為：Hg(98.7)>Pb(28.2)>As(21.1)>Cd(16.6)>Cu(14.6)>Cr(2.1)>Zn(1.0)，綜合來看，礦區(qū)土壤污染主要受Pb，Cu，Hg和As這4種元素影響為主。依據(jù)礦區(qū)6種典型植物對重金屬的富集能力，建議礦區(qū)選擇銅錘玉帶草為先鋒植物，以銅錘玉帶草、杜鵑、云南松、高山櫟4種植物組成的群落作為修復(fù)礦區(qū)土壤的先鋒植物群落。

土壤; 重金屬; 地積累指數(shù); 潛在生態(tài)危害指數(shù); 植物優(yōu)選; 雪雞坪—春都礦區(qū)

香格里拉位于云南省西北部，是云南、四川、西藏、青海四省區(qū)交界處，地處世界遺產(chǎn)“三江并流”的中心地帶，青藏高原的南緣，橫斷山的北緣。其特殊的地理位置造就了特殊的環(huán)境，是我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)之一。但同時該地區(qū)又是我國有色金屬礦的重點(diǎn)開采區(qū)域，礦山開采使原來深埋于地下的礦石暴露于地表，導(dǎo)致其內(nèi)部重金屬元素向地表釋放成為可能，從而可能打破原有的生態(tài)平衡，這種人為采礦活動加劇惡化了此地區(qū)的生態(tài)環(huán)境[1]。因此，對該地區(qū)生物多樣性的保護(hù)以及生態(tài)安全的關(guān)注對全國甚至全球都有重要的意義。近年來，礦區(qū)生態(tài)的恢復(fù)已成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，尤其是在礦區(qū)的土壤重金屬污染方面的研究越來越深入，且成果頗豐，并取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。土壤是礦山開采和選冶中最直接的吸納體，使重金屬元素向土壤中富集，這些重金屬元素具有持久性、毒性、滯后性以及隱蔽性等特點(diǎn)[2-3]。通過食物鏈或者水體很容易進(jìn)入人體中，進(jìn)而對人類的身體健康造成一定的危害[4-6]。現(xiàn)今，國內(nèi)外學(xué)者的研究內(nèi)容主要集中在恢復(fù)土壤的理化性質(zhì)、土壤的礦物學(xué)特性、通過生物技術(shù)恢復(fù)土壤性能以及土壤重金屬污染對農(nóng)作物的影響等[7-11]，但是對高原礦區(qū)土壤重金屬污染及其通過植被修復(fù)土壤的研究尚少。

本文以西南三江斑巖性銅礦為例，對區(qū)域內(nèi)典型礦床進(jìn)行土壤樣品的采集，研究重金屬元素對土壤的污染程度及其積累特征，運(yùn)用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)對礦區(qū)污染狀況進(jìn)行評價。通過對土壤重金屬污染進(jìn)行評價后，運(yùn)用植物富集系數(shù)，選出作為今后礦區(qū)土壤修復(fù)的先鋒植物，為今后礦區(qū)特別是高原礦山的土壤治理以及植被恢復(fù)等研究提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

雪雞坪—春都礦區(qū)位于香格里拉城東25 km處，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°50′15″，北緯28°02′，區(qū)內(nèi)海拔都在3 000～4 000 m的山區(qū)。其年均氣溫為6.3℃，夏季最高氣溫為25.6℃，冬季最低氣溫為-20.1℃，年降水量為618.4 mm，年日照時數(shù)為2 180.3 h左右，霜期為244 d。土壤主要是以寒溫性氣候類型的土壤為主，包括暗棕壤、漂灰土和高山草甸土。所調(diào)查區(qū)域的25個樣地中共常見的植物有35種，多數(shù)物種的區(qū)系性質(zhì)屬于暖溫帶，少數(shù)屬于寒溫帶。其中，蕨類植物2科2屬2種，裸子植物1科1屬3種，被子植物13科27屬30種。35種植物中以菊科(Compositae)最多，有5種，占到總數(shù)的14.3%；其次是禾本科(Gramineae)和薔薇科(Rosaceae)均為是4種，占到11.4%；杜鵑花科(Ericaceae)、百合科(Liliaceae)和松科(Pinaceae)均為3種、毛茛科(Ranunculaceae)有2種。為研究區(qū)植物群落種類，主要有冷杉林(Abiesfabri)、杜鵑林(Rhododendronsimsii)、高山櫟+冷杉林(Quercussemicarpifolia+Abiesfabri)、高山櫟林(Quercussemicarpifolia)、杜鵑+高山櫟林(Rhododendronsimsii+Quercussemicarpifolia)、云南松林(Pinusyunnanensis)。礦區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬松潘至甘孜褶皺系的西南邊緣，區(qū)內(nèi)出露地層有第四系以及上三疊統(tǒng)下部層位。礦區(qū)構(gòu)造可視為單斜，區(qū)內(nèi)顯示以斷裂為主。巖漿巖十分發(fā)育，其分布受地層、構(gòu)造制約。巖性以中—基性火山巖為主，有較多的淺層—超淺層中—中酸性侵入體分布。在空間上受各級構(gòu)造控制，而構(gòu)成香格里拉東部構(gòu)造—巖漿巖帶。

1.2樣品采集與分析測定

1.2.1樣品采集根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況，采用蛇型采樣法，主要是在主體礦區(qū)上進(jìn)行采樣，樣地概況見表1。樣點(diǎn)大小為10 m×10 m，每個樣點(diǎn)之間的距離大概為100 m，放射狀采集0—20 cm表層土壤4～5個，去除雜草、礫石等雜物，按四分法縮分后組合成1件樣品裝入布袋中，重量不低于1.5 kg，共采集25個樣品。

樣品晾干后，用木槌敲打使土壤恢復(fù)至自然粒級，然后用20目尼龍篩篩分，用四分法取出重量不低于300 g的樣品，裝入聚乙烯塑料瓶。采樣點(diǎn)均利用GPS定位。植物樣品主要是采取是樣地中優(yōu)勢種的葉片，共采集25個植物樣品。

1.2.2樣品分析樣品測試的元素有Hg，As，Cu，Zn，Cd，Pb、和Cr，由西南冶金地質(zhì)勘察局分析完成，其中Cu，Zn采用火焰原子吸收分光光度法[12]；Cd，Pb采用萃取火焰原子吸收分光光度法[13]；As采用二乙基二硫氨基甲酸銀分光光度法[14]；Hg 采用原子吸收[15]；Cr采用火焰原子吸收分光光度法[16]。

1.2.3評價方法本文采用地積累指數(shù)法(geo-accumulation index)[17]和潛在生態(tài)危害指數(shù)法(the potential ecological risk index)[18]。地積累指數(shù)法能夠直觀的看出各重金屬的污染級別以及富集程度，但是其注重單一的金屬元素，沒有考慮生物的有效性和每種重金屬元素對污染的貢獻(xiàn)比例以及地理空間差異。潛在生態(tài)危害指數(shù)法正好彌補(bǔ)了地積累指數(shù)的某些方面的不足，綜合以上兩種方法，可以比較客觀的反映土壤重金屬污染狀況[19]。

地積累指數(shù)法是由德國科學(xué)家Muller首先提出的，又稱Muller指數(shù)法。本文運(yùn)用地積累指數(shù)法對雪雞坪—春都礦區(qū)土壤中重金屬污染進(jìn)行評價。其公式為：

式中:Cn——元素n在在土壤中的實(shí)測含量；Bn——元素i的地球化學(xué)背景值；Igeo——地積累指數(shù)，一般分為7個等級(0～6級)，表示污染程度由弱到強(qiáng)，具體見表2。

表1　樣點(diǎn)概況

表2　地積累指數(shù)與污染程度關(guān)系

潛在生態(tài)危害指數(shù)法是由Hakanson首先提出，此方法既考慮了土壤中的重金屬含量，又將重金屬的生態(tài)效益，環(huán)境效益以及其毒性理論結(jié)合起來綜合考慮[20]。在其結(jié)果中，不僅劃分出重金屬的潛在危害程度，同時也體現(xiàn)了生物的有效性和相對貢獻(xiàn)及地理空間差異等特點(diǎn)，是綜合反映重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的指標(biāo)。潛在生態(tài)危害指數(shù)計(jì)算方法如下：

表3　潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)與污染程度關(guān)系

1.2.5數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理及分析運(yùn)用Excel 2010，SPSS 21.0，制圖運(yùn)用ArcGIS 9.3。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤重金屬賦存特征

根據(jù)檢測結(jié)果，分別計(jì)算出土壤中7種重金屬元素的含量總平均值和變異系數(shù)(表4)。

由表4可知，礦區(qū)土壤中重金屬元素Hg，As，Cu，Zn，Pb，Cr的平均含量分別超過背景值2.47，2.21，2.91，1.01，5.63，1.11倍，尤其是Hg，As，Cu和Pb超出背景值含量較多，這四種元素在礦區(qū)土壤中呈現(xiàn)出富集態(tài)勢。Cd元素分布不均勻，平均值沒有超過背景值，但是部分樣點(diǎn)仍高于背景值，甚至超過2倍。

本研究區(qū)銅礦已經(jīng)開采了十多年，人為干擾較為嚴(yán)重。除了Zn與Cr之外，其余重金屬元素變異系數(shù)都超過了50%，Cu的變幅最大為188%，其次是Hg為153%，Pb為79%，Cd為75%，As為55%。由此可見，Cr，Cu，Hg，Cd，As等元素在采礦過程對其干擾較為嚴(yán)重或其污染程度較高。

表4　樣品重金屬含量　mg/kg

2.2重金屬元素間關(guān)聯(lián)性

通過對礦區(qū)重金屬元素含量的相關(guān)性分析，來推測重金屬的污染來源是否具有同源性[22]。表5為研究區(qū)土壤中重金屬含量的相關(guān)系數(shù)。可以看出，研究區(qū)內(nèi)各重金屬元素存在著一定的相關(guān)性，說明各重金屬元素污染具有一定的同源性，其最有可能與礦區(qū)采礦活動有關(guān)。其中Pb與Hg相關(guān)關(guān)系達(dá)到0.605，Cr與Cu的相關(guān)關(guān)系為0.864，Zn與Cd相關(guān)關(guān)系為0.842。說明該區(qū)域土壤中Pb與Hg，Cr與Cu，Zn與Cd的關(guān)系最為密切，相互影響的程度也最高。

2.3土壤重金屬污染評價

雪雞坪—春都礦區(qū)土壤中重金屬元素的地積累指數(shù)法評價結(jié)果見圖1?？梢钥闯觯寥乐兄亟饘俚奈廴境潭扔筛叩降滓来螢椋篜b>As>Cu>Hg>Cr>Zn>Cd。

Pb的污染程度最為嚴(yán)重，大部分樣地處于偏中度污染和中度污染，部分樣點(diǎn)為偏重污染。As基本處于輕度污染級別，但也有個別樣點(diǎn)達(dá)到了偏中度污染。Cu樣點(diǎn)之間的差異較大，個別樣點(diǎn)的超過3倍離群值，達(dá)到了重度污染級別，但其基本處于輕度污染級別。Hg，Zn和Cr元素大多處于清潔狀態(tài)，但是也有少數(shù)樣點(diǎn)達(dá)到了中度污染甚至偏重污染，特別是Hg其中分別有2個樣點(diǎn)的地積累指數(shù)值超過離群值3倍和1個樣點(diǎn)超過離群值1.5倍，最大值達(dá)到了偏重污染程度。Cd元素完全處于清潔狀態(tài)。通過地積累指數(shù)評價法來看，雪雞坪—春都礦區(qū)的土壤中已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的重金屬污染，特別是Pb的污染，應(yīng)該引起當(dāng)?shù)卣闹匾暋?/p>

表5　重金屬元素含量間的相關(guān)關(guān)系(n=25)

注：**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

注：**為超過1.5倍離群值，*為超過3倍離群值。

圖1地積累指數(shù)法評價結(jié)果Wisker-box圖

從表6中可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤中單個重金屬元素的潛在危害指數(shù)的平均值來看，由強(qiáng)到弱依次為：Hg(98.7)>Pb(28.2)>As(21.1)>Cd(16.6)>Cu(14.6)>Cr(2.1)>Zn(1.0)，其中Hg的潛在危害達(dá)到了偏重程度，其余元素都為輕度危害級別。依據(jù)風(fēng)險程度分級，Hg元素潛在危害程度最高，其中有2個樣點(diǎn)達(dá)到了極重，占到總數(shù)的8%；重度1個，占總數(shù)4%；偏重2個，占總數(shù)8%；中度12個，占總數(shù)的48%，輕度8個，占總數(shù)的32%。Pb的潛在危害程度僅次于Hg，有18個為輕度，6個達(dá)到中度危害和1個偏重危害級別，輕度危害級別以上的占到總數(shù)的28%。As有2個樣點(diǎn)達(dá)到了中度危害，Cu有1個樣點(diǎn)達(dá)到了偏重危害，其余都為輕度級別。以Hg和Cu的潛在危害指數(shù)值來看，其樣點(diǎn)之間差異較大，這也同時印證了圖1所示的Hg和Cu中幾個樣點(diǎn)的地積累指數(shù)值超過了離群值的1.5倍和3倍。說明通過結(jié)合使用這兩種方法，既相互補(bǔ)充又相互印證。

表6　重金屬值及潛在生態(tài)風(fēng)險分級樣點(diǎn)數(shù)(n=25)

注：n為樣點(diǎn)總數(shù)。

根據(jù)各樣點(diǎn)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)值來看(圖2)，樣點(diǎn)1—6，22—25的值波動較大，且數(shù)值較高，4號樣點(diǎn)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險達(dá)到了重度風(fēng)險級別，2號和23號樣地達(dá)到了偏重風(fēng)險級別。7～21號樣地的值較為平穩(wěn)，大多處于輕度或中度風(fēng)險級別。根據(jù)所有樣點(diǎn)的綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的平均值來看，其處于輕度風(fēng)險級別。

2.4修復(fù)植物的篩選

根據(jù)國內(nèi)外專家對土壤重金屬污染植物修復(fù)的研究[23-26]，本文運(yùn)用生物富集系數(shù)(Bioaccumulation Factor，BAF)作為篩選優(yōu)良植物的重要參數(shù)。，其能較好的反映植物對土壤中重金屬元素的富集作用。篩選植物時，應(yīng)選擇適宜當(dāng)?shù)厣L，生長速度較快的，不易進(jìn)入食物鏈的，且富集系數(shù)大于0.5的植物。根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況，選取礦區(qū)6種較為典型的植物進(jìn)行篩選，分別是杜鵑、冷杉、云南松、落葉松、高山櫟以及銅錘玉帶草(Pratianummularia)。計(jì)算公式：

BAFi=Bi/Ni

式中:BAFi——植物對某種元素的富集系數(shù)；Li——植物體內(nèi)重金屬元素的含量；Ni——土壤中重金屬元素的含量。

圖2各樣點(diǎn)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

從表7中可以看出，這6種植物對Zn的富集能力都較強(qiáng)，杜鵑和銅錘玉帶草的富集系數(shù)均高于0.5，分別達(dá)到了0.536，0.565，云南松的富集系數(shù)接近于0.5，其余的也都超過了0.4。這些植物對Cr元素的富集能力較弱，其富集系數(shù)均遠(yuǎn)小于0.5，對Cu元素富集能力較強(qiáng)的只有銅錘玉帶草，富集系數(shù)達(dá)到了0.576，對Cd元素富集能力較強(qiáng)的為高山櫟和落葉松，銅錘玉帶草的富集系數(shù)為1.091，高山櫟的富集系數(shù)接近于0.5。綜合來看，銅錘玉帶草對重金屬的富集能力較強(qiáng)，可作為土壤修復(fù)的先鋒植物。結(jié)合礦區(qū)存在幾種重金屬的復(fù)合污染來看，本人認(rèn)為，建議今后礦區(qū)在土壤修復(fù)時選取銅錘玉帶草、杜鵑、云南松、高山櫟這4種植物組成的群落作為修復(fù)礦區(qū)土壤的先鋒植物。

表7　植物中重金屬富集系數(shù)

注：n為樣品數(shù)量。

3　結(jié) 論

(1) 礦區(qū)土壤中，重金屬元素Hg，As，Cu，Zn，Pb，Cr的總平均值均超過了云南省土壤元素背景值，其中Pb最為嚴(yán)重，超過背景值5.63倍。Hg，As，Cu，Cd，Pb的變異系數(shù)分別為153%，55%，188%，75%，79%，這5種重金屬元素的變異系數(shù)均超過50%，因此，開礦對環(huán)境的影響不容忽視。

(2) 雪雞坪—春都礦區(qū)土壤重金屬污染存在一定的同源性，可能與礦區(qū)采礦有著密切的聯(lián)系。該區(qū)域土壤中Pb與Hg，Cr與Cu，Zn與Cd的關(guān)系最為緊密，其相互影響的程度也較高。

(3) 土壤中重金屬的污染程度由高到底依次為：Pb>As>Cu>Hg>Cr>Zn>Cd。其中Pb的污染程度最為嚴(yán)重，大部分樣地處于偏中度污染和中度污染，部分樣點(diǎn)為偏重污染。Hg和Cu的地積累指數(shù)值差異較大，個別樣點(diǎn)的污染較為嚴(yán)重。

(4) 礦區(qū)內(nèi)土壤中單個重金屬元素的潛在危害指數(shù)的平均值來看，由強(qiáng)到弱依次為：Hg(98.(7)>Pb(28.(2)>As(21.(1)>Cd(16.(6)>Cu(14.(6)>Cr(2.(1)>Zn(1.0)，其中Hg的潛在風(fēng)險程度最高，達(dá)到了偏重程度。從樣點(diǎn)的綜合潛在風(fēng)險指數(shù)值來看，樣點(diǎn)之間的差異較大，部分樣點(diǎn)達(dá)到了偏重和重度風(fēng)險級別。

(5) 綜合分析，礦區(qū)土壤污染主要受Pb，Cu，Hg和As這4種元素影響為主。其污染原因可能主要是由頻繁的礦山開采造成的。在今后的礦區(qū)土壤重金屬污染治理方面應(yīng)首先考慮遏制Pb，Cu，Hg和As這4種重金屬元素的污染，其次要加強(qiáng)控制與這4種重金屬元素相關(guān)性較強(qiáng)的元素。在進(jìn)行對礦區(qū)植被修復(fù)時，需要選擇對Pb，Cu，Hg和As的綜合耐性能力較強(qiáng)和避性較小的植物品種。但在未找到適合的植物時，根據(jù)礦區(qū)6種典型植物的對土壤的重金屬富集能力來看，應(yīng)首先選擇銅錘玉帶草為先鋒植物，以銅錘玉帶草、杜鵑、云南松、高山櫟這4種植物組成的群落為修復(fù)土壤的先鋒群落。為了避免重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體中。建議今后礦區(qū)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展林業(yè)，待改善之后可以考慮發(fā)展農(nóng)牧業(yè)。

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Evaluation of Heavy Metal Pollution of Soil and Plant Optimal Screening in Xuejiping-Chundu Porphyry Cooper Mine

SHEN Mengwei1, CHEN Wende1, LI Zhi1, HE Zhengwei2

(1.College of Tourism and Urban Rural Planning, Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China; 2.CollegeofEarthScience,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

We tested the soil and plant leaves taken from 25 sample plots in the main mine of Xuejiping-Chundu porphyry cooper mine deposit, Shangri-La County. Then we used the geo-accumulation index and the potential ecological risk index to evaluate the heavy metal pollution of soil and used bioaccumulation factor to screen the fine plants. The results could be used as the basis of soil improvement and remediation in the future. The rank(from high to low) of the heavy metals in soils is Pb>As>Cu>Hg>Cr>Zn>Cd. The rank(from strong to weak) of single metal element risk of potential ecological harm degree is Hg(98.7)>Pb(28.2)>As(21.1)>Cd(16.6)>Cu(14.6)>Cr(2.1)>Zn(1.0). In general, the soil was mainly polluted by Pb, Cu, Hg, and As. According to the mining area of 6 kinds of typical plants for heavy metal accumulation capability，we advised to choosePratianummulariaas the pioneer plant and the plant community withRhododendronsimsii，Pinusyunnanensis，Quercussemicarpifoliaas the remediation pioneer plant community of polluted mine soil.

soil; heavy metal; geo-accumulation index; potential ecological risk index; plant optimization; Xuejiping-Chundu mine

2014-08-18

2014-09-28

西南三江成礦帶中南段斑巖型銅礦遙感找礦模型研究與靶區(qū)優(yōu)選(12120113095400);四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0068);四川省科技支撐計(jì)劃(2014SZ0068);成都理工大學(xué)骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃

沈夢偉(1990—),男,江蘇蘇州人,在讀碩士,主要研究方向:生態(tài)環(huán)境與景觀修復(fù)。E-mail:349563897@qq.com

陳文德(1975—),男,四川巴中人,博士后,副教授,主要研究方向:環(huán)境生態(tài)。E-mail:chenwende@cdut.cn

X53

A

1005-3409(2015)04-0214-07