江西某鈾礦區(qū)土壤中Cr污染評價

張淑梅，　劉平輝,2，　魏長帥

(1.東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌　330013；2.東華理工大學省部共建核資源與環(huán)境國家重點實驗室培育基地，江西 南昌　330013)

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江西某鈾礦區(qū)土壤中Cr污染評價

張淑梅1，劉平輝1,2，魏長帥1

(1.東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌330013；2.東華理工大學省部共建核資源與環(huán)境國家重點實驗室培育基地，江西 南昌330013)

利用等離子體質(zhì)譜儀測定鈾礦區(qū)133個土壤樣品中重金屬Cr的含量，重點對鈾礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量及其空間分布特征進行研究。結果表明，整個礦區(qū)土壤重金屬Cr的含量為10.04～93.9 mg/kg，平均值為51.44 mg/kg。各區(qū)域土壤重金屬含量大小分別是尾礦壩下游>在采礦區(qū)>整個礦區(qū)>含礦未采區(qū)>尾礦壩。運用單因子污染指數(shù)評價法進行評價，表明在整個礦區(qū)一半以上的區(qū)域都屬于輕度污染，正在采礦區(qū)四分之三的區(qū)域都屬于輕度污染，尾礦壩下游也有輕度污染，尾礦壩和含礦未采區(qū)均無污染。

鈾礦區(qū)； 土壤； 重金屬Cr； 含量； 污染評價

張淑梅，劉平輝，魏長帥.2016.江西某鈾礦區(qū)土壤中Cr污染評價[J].東華理工大學學報：自然科學版，39(2)：174-177.

Zhang Shu-mei, Liu Ping-hui, Wei Chang-shuai. 2016. Cr contents and its pollution evaluation in soil of a uranium mine[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(2)：174-177.

隨著工業(yè)的發(fā)展、經(jīng)濟的增長，對礦產(chǎn)的開采也越來越多,而礦床的開采產(chǎn)生的環(huán)境污染以及采后留下的尾礦、廢棄地對生態(tài)環(huán)境都帶來了許多問題。礦區(qū)的開采是礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的主要人為因素(夏漢平等，2002；楊勝香等，2006；De Kimple et al.，2000)。鈾礦山在開采的過程中都會產(chǎn)生酸性礦山廢水，其中含有大量的Cr離子(汪勇等，2013)，Cr是一種重金屬元素，在自然界的單質(zhì)鉻和二價鉻毒性很小或無毒，三價鉻毒性較強，六價鉻毒性最強(章海霞等，2012；IARC，1990)。

該鈾礦區(qū)是我國主要的鈾礦開采區(qū)，且伴生一些其他金屬可供綜合利用，目前有關研究區(qū)的研究大多集中在地層、構造和礦床成因等方面(張萬良等，2001；王蕾等，2008；張樹明等，2012；姚宏鑫等，2013)。研究區(qū)位于我國華東低山丘陵地區(qū)，地形崎嶇，濕熱多雨，地表水系發(fā)育。人口密集，水稻種植面積大。經(jīng)過數(shù)十年的開采，礦區(qū)數(shù)量眾多，鈾礦山開采所產(chǎn)生的廢水、廢渣一般都是直接排放或露天堆放，其中所含的重金屬污染物很容易隨雨水、地下水遷移進入礦區(qū)周邊的土壤，土壤中的重金屬被植物所吸收，并最終通過食物鏈進入人體，危害人體生命健康(魏長帥等，2014)。本文針對該礦區(qū)土壤中Cr的含量及其分布特征進行了研究，為礦區(qū)重金屬污染評價和礦區(qū)的治理提供依據(jù)。

1　材料和方法

1.1樣品采集

采樣點位于礦區(qū)附近、尾礦壩、尾礦壩下游和含礦未采區(qū)，采用五點混合取樣法取樣，每個樣品以一個樣點為中心，在半徑5 m內(nèi)取五個樣品。取樣深度為5～20 cm。用GPS定位中心點坐標作為取樣點位置，裝袋，編號，并詳細記錄采樣時間和位置及土壤特征，共采集土壤樣品133個。

1.2分析方法

1.2.1預處理方法

將樣品自然風干，均勻混合后碾磨，通過60目篩子裝袋貼上標簽編號，干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2儀器和試劑

儀器：ELEMENT XR高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜分析儀、X-Series II電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific)，所有器皿均用20%硝酸浸泡，用高純水沖洗備用。本儀器Cr的測定限為0.608 μg·g-1。試劑：各單元素標準溶液均購自國家標準物質(zhì)中心，電子(MOS)級HNO3。

1.2.3儀器工作條件

經(jīng)優(yōu)化后的ICP-MS工作條件為：冷卻空氣流量(15.0 L·min-1)；輔助氣流量(0.86 L·min-1)；載氣流量(1.012 L·min-1)；功率(1 400 W)。

1.2.4分析方法

準確稱取0.5 g(精確至0.000 2 g)試樣與50 mL聚四氟乙烯坩堝中，用水濕潤后加入5 mL鹽酸，于通風廚的電熱板上低溫加熱，使樣品初步分解，當蒸發(fā)至3 mL左右時，取下稍冷，然后加入5 mL硝酸，2 mL氫氟酸，2 mL高氯酸，加蓋后于電熱板上中溫加熱1 h左右，然后開蓋，繼續(xù)加熱除硅。當加熱至冒白煙時，加蓋，使黑色有機碳化物充分分解。待坩堝上的黑色有機物消失后，開蓋驅(qū)趕白眼并蒸發(fā)至內(nèi)容物呈粘稠狀。視消解情況，可再加入2 mL硝酸，2 mL氫氟酸，2 mL高氯酸，重復上述消解過程。當白煙基本冒盡且內(nèi)容物呈粘稠狀時，取下稍冷，用水沖洗坩堝蓋和內(nèi)壁，并加入1%硝酸溶液溫熱溶解殘渣。然后將溶液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，加入3 mL磷酸氫二銨溶液，冷卻后定容搖勻備測后在ICP-MS上采用在線內(nèi)標(Rh)法進行測量，得出各樣品的測定結果。

1.2.5評價方法

單因子污染指數(shù)法(范拴喜等，2010；王立君等，2012)是以土壤元素背景值為評價標準，來評價重金屬元素的累積污染程度，表達式為：

Pi=Ci/Si，

其中Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度(mg/kg)；Si為i種重金屬的評價標準(mg/kg)。一般Pi≤1為未污染，Pi>1為已污染，1≤Pi<2為輕度污染，2≤Pi<3為中度污染，Pi>3為重度污染，Pi越大受到的污染越嚴重。

2　結果與分析

2.1鈾礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量分析

各區(qū)域土壤中重金屬Cr的含量結果見表1。整個鈾礦區(qū)133個土壤樣品中Cr含量范圍為10.04～93.9 mg/kg，其中最高值是最低值的9.4倍，平均含量是51.44 mg/kg，與江西省土壤背景值相近(徐昌旭等，2006)，小于國家土壤背景值(魏復盛等，1991)，中值是56 mg/kg。標準差是23.5，變異系數(shù)是0.46，說明整個鈾礦區(qū)的Cr元素含量差異程度比較大，受外界影響較大(孫超等，2009)。上述133個土壤樣品中，超過江西省土壤背景值的有77個，占樣品總數(shù)的57.89%；超過國家土壤背景值的有55個，占樣品總數(shù)的41.35%。說明在該鈾礦區(qū)，超過一半?yún)^(qū)域的土壤已經(jīng)有Cr的富集。

表1　各區(qū)域土壤中重金屬Cr的含量特征

在采礦區(qū)96個土壤樣品中，Cr含量的最小值是17.2 mg/kg，最大值是88.3 mg/kg，最大值是最小值的5.13倍，平均含量為60.05 mg/kg，是江西省土壤背景值的1.23倍，中值是56.6 mg/kg。上述96個土壤樣品中，超過江西省土壤背景值有74個，占總樣品數(shù)的77%；超過國家土壤背景值的有50個，占總的樣品數(shù)52.08%，表明正在采礦區(qū)中大部分地區(qū)土壤的Cr含量超標。

含礦未開采區(qū)31個土壤樣品中Cr的含量相對較小，最小值是10.04 mg/kg，最大值是32.2 mg/kg，平均含量是20.57 mg/kg，遠小于江西省土壤背景值和國家土壤背景值，中值是20.7 mg/kg。上述31個樣品均未超過江西省土壤背景值和國家土壤背景值。表明含礦未開采區(qū)土壤的Cr含量未超標。

尾礦壩中2個土壤樣品含量都較低，平均值為18.7 mg/kg，都遠遠小于江西省土壤背景值和國家土壤背景值。而尾礦壩下游200～1 000 m稻田5個土壤樣品的值分別是75.5 mg/kg，82.83 mg/kg，84.46 mg/kg，85.3 mg/kg，93.9 mg/kg，最小值是75.5 mg/kg，最大值是93.9 mg/kg，最大值是最小值的1.24倍，平均值是84.39 mg/kg，分別是江西省土壤背景值的1.76倍和國家土壤背景值的1.38倍，是尾礦壩樣品平均值的4倍。根據(jù)分析可能是尾礦壩土壤中重金屬Cr隨著地表水徑流進入尾礦壩下游區(qū)域，使得尾礦壩下游區(qū)域受Cr污染較嚴重。

2.2各區(qū)域土壤重金屬Cr污染評價

以江西土壤背景值為標準，用單因子污染指數(shù)評價法評價礦區(qū)各區(qū)域土壤污染程度得出：整個礦區(qū)57.89%的樣品屬于輕度污染，正在開采區(qū)77.08%的樣品屬于輕度污染，尾礦壩下游所有樣品均有輕度污染，含礦未采區(qū)和尾礦壩均沒有污染。

2.3鈾礦區(qū)土壤中重金屬Cr的分布特征

借助MAPGIS軟件，將所取樣品具體位置標識于鈾礦區(qū)地形地質(zhì)圖和土地利用現(xiàn)狀圖疊加后的圖中，根據(jù)樣品重金屬Cr的含量與尾礦壩、正在開采礦區(qū)、工業(yè)區(qū)、未開采區(qū)分布的關系，深入分析鈾礦區(qū)土壤中重金屬Cr的分布特征。

根據(jù)含量分析結果發(fā)現(xiàn)尾礦壩土壤中Cr含量較低，下游200～1 000 m稻田土壤Cr含量較高，這表明土壤中重金屬不但會污染地表水還可能會通過地表水徑流進入地表水流經(jīng)區(qū)域土壤中(Zipper et al.，1997)。地表水是水循環(huán)重要的組成部分，是飲用水重要的資源之一(鐘佐燊等，2005)，所以尾礦壩中的尾礦水也要經(jīng)過處理檢驗合格后才能排放，這樣才有利于尾礦壩下游的水系的保護和土壤的安全。

正在采礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量大于未開采礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量。正在采礦區(qū)96個樣品平均值為51.6 mg/kg，含礦未開采區(qū)樣品的平均值為21.79 mg/kg，在采礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量是未開采礦區(qū)土壤中重金屬Cr的含量的2倍，而未開采礦區(qū)樣品土壤均無污染，在采礦區(qū)土壤有輕度污染。表明礦床的開采帶來的選礦以及冶煉等礦業(yè)活動會使得礦石中的Cr元素隨風化作用、地表徑流作用、人為運輸?shù)茸饔眠M入礦區(qū)周邊的土壤。人類采礦活動產(chǎn)生的礦石、廢水是礦區(qū)土壤重金屬污染的主要因素(朱志敏等，2007)。

3　結論與討論

(1)整個礦區(qū)土壤中重金屬Cr含量的平均值為51.44 mg/kg，根據(jù)單因子污染指數(shù)評價標準得出133個樣品中57.89%的樣品屬于輕度污染。正在采礦區(qū)土壤重金屬Cr含量的平均值為60.05 mg/kg，96個樣品中77.08%的樣品屬于輕度污染。含礦未采區(qū)土壤中重金屬Cr含量的平均值為22.04 mg/kg，30個樣品均無污染。尾礦壩土壤中重金屬Cr含量的平均值為18.73 mg/kg，2個樣品均無污染。尾礦壩下游土壤中重金屬Cr含量的平均值為84.39 mg/kg，5個樣品均有輕度污染。各區(qū)域土壤Cr的含量大小分別為尾礦壩下游>在采礦區(qū)>整個礦區(qū)>尾礦壩>含礦未采區(qū)。

(2)尾礦壩土壤重金屬Cr含量遠遠小于尾礦壩下游200～1 000 m稻田土壤中重金屬Cr的含量，可能是由于地表徑流將尾礦壩土壤中的重金屬Cr遷移到尾礦壩下游。說明地表徑流可能會使得河流下游土壤重金屬含量也有一定的增加。

(3)在開采礦區(qū)土壤中重金屬Cr含量大于未開采礦區(qū)土壤中重金屬Cr含量。說明礦床的開采會影響礦區(qū)周邊的土壤中重金屬Cr的含量。采礦產(chǎn)生的廢石重金屬含量一般較高，廢石經(jīng)風化氧化等作用更易通過地表徑流進入土壤，造成土壤重金屬污染。所以礦床的開采一定要合理，不要產(chǎn)生過多的廢石，采礦過程產(chǎn)生的廢石要合理堆放，選冶產(chǎn)生的廢水要經(jīng)過處理達標后再排放。

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Cr Contents and its Pollution Evaluation in Soil of a Uranium Mine

ZHANG Shu-mei1,LIU Ping-hui1,2,WEI Chang-shuai1

(1.School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang, JX 330013;2.State Key Laboratory for Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang, JX 330013, China)

ICP-MS was used to determine the contents of heavy metal Cr in the 133 soil samples which was taken form a uranium mine, East China. In focusing on studied the contents and its spatial distribution characteristics of heavy metals Cr in samples. Results show that the concents of Cr in the soil in whole mining area were 10.04～93.9 mg/kg, with a mean of 51.44 mg/kg. The contents of Cr in the soil in regional respectively. were the downstream of tailings dam mining area > whole mining > not mining which had the mining area > tailings dam. Using the single factor pollution index, showed that more than half of the whole mining area were mild contamination, three-quarters of the mining regions were mild contamination, the downstream of tailings dam also had mild contamination, the tailings dam and not mining which had the mining area were non-pollution.

uranium district; soil; heavy metals Cr; pollution assessment

2015-02-19

國家自然科學基金項目( 41261081)；江西省自然科學基金項目(2011ZBAB203009)

張淑梅( 1991—)， 女，碩士研究生，主要從事環(huán)境地球化學的研究。E-mail:zhangshumei0804@163.com通訊作者：劉平輝(1969 —)，教授，碩士生導師，從事環(huán)境地球化學、土壤地理學及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究。

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.02.011

X144

A

1674-3504(2016)02-0174-04