廣西某鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染狀況分析與評價

謝金亮 趙慶圓,2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.中國恩菲項(xiàng)目執(zhí)行長沙中心， 湖南 長沙 410012)

0 前言

近年來隨著采礦和冶煉業(yè)的不斷發(fā)展，礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境特別是土壤環(huán)境中重金屬的污染已成為環(huán)境污染較突出的一個問題[1-2]。采礦和金屬冶煉是土壤重金屬污染的一個重要來源，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾礦、廢水、冶煉煙塵及污水灌溉對周圍土壤產(chǎn)生嚴(yán)重影響，土壤重金屬污染具有潛在的生態(tài)危害,已成為影響生態(tài)系統(tǒng)的重要污染源[3-4]。重金屬在土壤中的積累，不僅直接影響土壤理化性狀、降低土壤生物活性、阻礙養(yǎng)分有效供給，而且可通過植物富集吸收后經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，從而直接或間接地威脅人類安全和健康[5-6]。目前我國受重金屬不同程度污染的農(nóng)田面積達(dá)6.06×109m2，礦山開發(fā)與冶煉引起的環(huán)境問題越來越受到人們的重視，其中鉛鋅礦山開采冶煉引發(fā)的環(huán)境污染問題尤為嚴(yán)重，礦區(qū)和冶煉區(qū)土壤重金屬污染成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[7-9]。此外，國內(nèi)外學(xué)者對礦區(qū)和冶煉區(qū)土壤重金屬的形態(tài)生物可利用性及有效性也進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Pb、Zn和Cd容易遷移，易被生物體利用,有較大潛在生態(tài)危害[10-12]。

本研究以廣西某鉛鋅礦礦區(qū)周邊受到重金屬污染的農(nóng)田土壤為對象，調(diào)查研究該區(qū)附近農(nóng)田土壤中重金屬的污染特征并對其污染狀況進(jìn)行評價，以期對礦區(qū)周邊地區(qū)受到重金屬污染的農(nóng)田土壤的安全利用和生態(tài)修復(fù)以及該礦區(qū)后期的開發(fā)利用提供科學(xué)性參考依據(jù)。

1 土壤重金屬污染狀況的評價方法

1.1 研究區(qū)工程概況

研究區(qū)原鉛鋅礦生產(chǎn)期間，對采選礦產(chǎn)生的廢水、廢礦石、尾礦未進(jìn)行有效處理，使礦區(qū)及周邊的水、土壤環(huán)境受到重金屬污染，影響到附近村莊居民的身體健康，同時采礦遺留的廢石堆場也存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。鉛鋅礦礦區(qū)發(fā)育的地表溪流最終通過地下巖溶管道匯入下游某水庫。然后，這些水體作為農(nóng)田灌溉用水，成為污染物遷移最主要的載體，從而使得灌溉的農(nóng)田逐漸受到污染，前期有關(guān)調(diào)查已經(jīng)在農(nóng)田土壤中檢測到重金屬污染物。

1.2 樣品采集方法

1.2.1 網(wǎng)格布點(diǎn)

樣品采集時間為2017年10月15—24日，為了使采集的監(jiān)測樣品具有好的代表性，避免一切主觀因素，使組成總體的個體有同樣的機(jī)會被選入樣品，本項(xiàng)目采用網(wǎng)格布點(diǎn)法確定土壤調(diào)查采樣點(diǎn)，網(wǎng)格間距為100 m。在具體放點(diǎn)時，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)緯度，使采樣點(diǎn)避開河流、居民房屋及道路等區(qū)域，這樣采集的樣品更具有代表性。另外，為了了解調(diào)查區(qū)域農(nóng)田土壤與周邊區(qū)域農(nóng)田土壤環(huán)境狀況的差異，在調(diào)查區(qū)域外圍1.0～2.0 km內(nèi)，布設(shè)了農(nóng)田表層土壤背景采樣點(diǎn)6個。本項(xiàng)目共采集了104個點(diǎn)位388個樣品，農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)分布如圖1和圖2所示，土壤背景采樣點(diǎn)分布如圖3所示。

圖1 A區(qū)(a村莊)農(nóng)田土壤布點(diǎn)

圖2 B區(qū)(b、c、d村莊)農(nóng)田土壤布點(diǎn)

圖3 土壤背景點(diǎn)布點(diǎn)

1.2.2 采集剖面樣

本項(xiàng)目污染農(nóng)田土壤主要采集剖面樣，剖面樣采樣探坑的規(guī)格為長1.5 m、寬0.8 m、深2.2 m。探坑采用人工開挖，開挖時，表土和底層土分兩側(cè)堆放，采樣剖面向陽，便于觀察。表層采樣0～20 cm，第二層采樣20～70 cm，第三層采樣70～120 cm，第四層采樣120～170 cm，第五層采樣170～220 cm。若個別土壤采樣點(diǎn)遇基巖或地下水，采樣層厚度不足時，按實(shí)際情況取樣。采樣次序自下而上，先采剖面底層樣品，再采中層樣品，最后采上層樣品。因?yàn)楸卷?xiàng)目主要關(guān)注污染物為重金屬，所以，采樣時先用木鏟刮去探坑開挖時與金屬器具接觸的部分再用木鏟采樣；對于用金屬采樣器采樣的，同樣用木鏟刮去接觸部分。剖面每層樣品采集1 kg左右。

采樣完成后，所有樣品盡快轉(zhuǎn)移到低溫保溫箱內(nèi)并送專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行保存和檢測。樣品采集完成后，經(jīng)分類、整理和包裝，于當(dāng)?shù)貢簳r保存或即時發(fā)往具有CMA認(rèn)證的檢測單位，重金屬污染土壤檢測樣品包括pH、Pb、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni等9項(xiàng)指標(biāo)，各項(xiàng)目監(jiān)測分析方法由檢測單位按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行[13]。

1.3 評價方法

以標(biāo)準(zhǔn)[14]中的二級標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，采用環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法對鉛鋅礦區(qū)的土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，所采用的指數(shù)評價模型為單因子污染指數(shù)評價和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價[15]。

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是一種傳統(tǒng)的重金屬污染評價方法，對于農(nóng)田土壤、地表水和地下水都采用該方法評價[16]，其公式見式(1)、(2)、(3)，評價結(jié)果見表1。

Pi=ci/Si

(1)

式中：Pi——樣品中重金屬的單項(xiàng)污染指數(shù)；

ci——樣品中重金屬的實(shí)測值，mg/kg；

Si——二級標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg。

當(dāng)pH≤7.0時，

(2)

當(dāng)pH>7.0時，

(3)

式中：pHj——j點(diǎn)的pH實(shí)測值；

pHsd——水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中pH值的下限值；

pHsu——水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中pH值的上限值。

表1 土壤單因子污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是目前國內(nèi)外重金屬污染普遍采用的一種綜合性評價方法[17-18]。該方法能更加全面地反映不同重金屬因子對土壤和農(nóng)作物污染的作用，計(jì)算公式見式(4)，評價結(jié)果見表2。

(4)

式中：PN——綜合污染指數(shù)；

Pmax——單項(xiàng)污染指數(shù)最大值；

Pave——單項(xiàng)污染指數(shù)Pi的平均指數(shù)。

表2 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 土壤評價標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目調(diào)查對象為農(nóng)田，故按標(biāo)準(zhǔn)[14]中Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)(可允許范圍內(nèi)最大值)執(zhí)行，其標(biāo)準(zhǔn)見表3。因檢測土壤樣品的pH值平均值為7.04，因此采用pH在6.5～7.5內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn) mg/kg

2 結(jié)果與分析

2.1 項(xiàng)目區(qū)土壤背景值及重金屬含量檢測結(jié)果分析

土壤背景值采樣點(diǎn)有6個，檢測結(jié)果見表4，項(xiàng)目區(qū)土壤重金屬含量見表5。由表4可知，本項(xiàng)目場地土壤背景As、Hg含量較高，超過土壤二級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位較多。

2.2 單因子評價結(jié)果分析

對土壤樣品污染指數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評級，結(jié)果見表6。由表6可知，調(diào)查區(qū)土壤中Cu、Ni和Cr只有個別點(diǎn)位超標(biāo)，且濃度較低，表明Cu、Ni和Cr在調(diào)查區(qū)無明顯污染；Zn、Hg的污染濃度和范圍較大，在調(diào)查區(qū)存在明顯污染，但根據(jù)背景采樣點(diǎn)的檢測結(jié)果可知，其背景值也較高；Cd、As和Pb的在調(diào)查土樣中存在一定數(shù)量的超標(biāo)點(diǎn)位，表明調(diào)查區(qū)存在Zn、Cd、As、Hg和Pb的污染。

表4 土壤背景值采樣點(diǎn)檢測結(jié)果 mg/kg

注：“ND”表示未檢出

表5 污染物含量對比表 mg/kg

表6 土壤樣品中重金屬單因子污染指數(shù)評價統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果分析

采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法來表征各采樣點(diǎn)位的綜合污染情況，數(shù)值越大說明該點(diǎn)位污染越嚴(yán)重[19]，結(jié)果見表7。土壤重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel 2016進(jìn)行分析，通過ArcGIS10.5中的反距離加權(quán)插值法(冪參數(shù)設(shè)置為2)對調(diào)查區(qū)域內(nèi)(面積為1 443畝)超標(biāo)污染物的空間分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并在投影坐標(biāo)系WGS1984 World Mercator下計(jì)算不同污染等級的占地面積[20-21]，如圖4所示。

由表7可知，重金屬污染在表層土壤中污染最嚴(yán)重，隨著深度的增加重金屬濃度有所降低，重金屬污染超標(biāo)點(diǎn)位比例由0～0.20 m土壤層的87.85%隨土壤層深度逐漸降低，這表明隨著土壤深度的增加，土壤污染有變輕的趨勢。但同時也注意到表層以下土壤超標(biāo)率變化不大，即使在深層土壤中，重金屬超標(biāo)點(diǎn)位比例依然很高，其可能有背景值較高的貢獻(xiàn)，但同時也說明調(diào)查區(qū)重金屬污染情況不容樂觀。

表7 土壤樣品分層內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

圖4 不同采樣層內(nèi)梅羅指數(shù)分布

2.4 根據(jù)采樣區(qū)域進(jìn)行分析

對礦區(qū)附近a、b、c、d四個村屯的農(nóng)田土壤樣品進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)以及內(nèi)梅羅指數(shù)評價，結(jié)果見表8。

表8 各調(diào)查區(qū)土壤受污染程度統(tǒng)計(jì) %

從表8的調(diào)查結(jié)果來看，a村所采集土壤樣品中受污染土壤樣品數(shù)占總樣品數(shù)的59.7%，其中中度及重度污染樣品數(shù)占總樣品數(shù)的20.8%；b村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為94.1%，中度及重度污染所占比例為40.5%；c村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為75.3%，中度及重度污染所占比例為16.6%；d村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為94.0%，中度及重度污染所占比例為76.4%；由此可見重金屬在各調(diào)查區(qū)域均存在著較為嚴(yán)重的的污染情況，其中b村和d村受污染范圍和程度最大，其次為a村和c村兩個調(diào)查區(qū)域。

3 結(jié)論

根據(jù)前期搜集資料以及調(diào)查結(jié)果可知，原鉛鋅礦開礦產(chǎn)生的廢石、尾礦庫內(nèi)的尾礦、各廢石場和含重金屬的礦井涌水是鉛鋅礦礦區(qū)農(nóng)田的污染源。在降水、地表水徑流和地下水溶淋、沖刷等作用下，重金屬經(jīng)水力作用遷移到下游，經(jīng)農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，造成礦區(qū)附近a、b、c、d四個村屯的農(nóng)田受到重金屬污染。本調(diào)查采用100 m×100 m網(wǎng)格布點(diǎn)法，對調(diào)查區(qū)域內(nèi)1 433畝重金屬污染農(nóng)田進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查與分析，得出以下結(jié)論：

1)調(diào)查范圍內(nèi)，Zn、Hg、As和Cd超過土壤二級標(biāo)準(zhǔn)值的樣品數(shù)較多，占總樣品數(shù)比例分別為61.90%、69.28%、33.49%和11.55%，污染較嚴(yán)重。Pb、Cr、Ni、Cu超標(biāo)率較低，占比分別為6.92%、6.24%、11.78%和0.46%。其中Cu僅有2個土壤樣品受到輕微污染，Cr的27個超標(biāo)樣品均為輕微污染，Ni超標(biāo)點(diǎn)位均分布在長屯。土壤背景值調(diào)查，As、Hg的含量較高。

2)表層0～0.20 m土壤采樣層中，污染嚴(yán)重，受污染土壤樣品占比為87.85%，主要污染物為Zn、Hg、As和Cd，重污染和中度污染樣品數(shù)占比高。0.20～0.70 m土壤采樣層中，Cu元素不超標(biāo)，其中污染物Hg、Zn、As和Ni的含量最高，對所有樣品進(jìn)行內(nèi)梅羅指數(shù)評價，受污染土壤樣品數(shù)71個，占總樣品數(shù)的66.36%。

3)調(diào)查區(qū)域內(nèi)，在0～2.20 m垂直向上表層污染最嚴(yán)重，其余各分層的污染程度均比表層低，污染程度變化不明顯，其污染樣品也以輕度污染為主。調(diào)查范圍內(nèi)，Zn、Pb、Cd含量在垂向上由表層至深層，超標(biāo)率逐漸減小，Hg、As、Cr等含量在垂向上無明顯變化，其中Cd主要是0～0.20 m土壤采樣層超標(biāo)。

4)調(diào)查區(qū)域內(nèi)各個村屯農(nóng)田土壤中均存在著較為嚴(yán)重的的污染情況，b、d村污染程度和范圍最大，受污染土壤樣品占比均在94%以上，其次c村為75.3%，a村為59.7%。各個村屯中均是表層污染最重，且以重污染和中度污染為主。