西南某礦區(qū)土壤重金屬污染分布特征與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

鄭涵文，伍榮軍，寧甲練，苑宇杭，張 輝

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541000）

礦業(yè)活動(dòng)的進(jìn)行可能導(dǎo)致礦區(qū)周圍土壤重金屬污染[1-5]，雨水沖淋和地表徑流的作用會(huì)加快尾礦中高濃度重金屬進(jìn)入土壤中，造成土壤污染，礦山酸性廢水可能會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)周圍土壤結(jié)，抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)甚至造成農(nóng)作物大面積死亡，植物的富集作用會(huì)導(dǎo)致重金屬在食物鏈中累積，危害人體健康。

對(duì)礦區(qū)周圍土壤重金屬污染分布特征進(jìn)行調(diào)查和來(lái)源分析迫在眉睫。通過(guò)研究西南某礦區(qū)附近農(nóng)用地土壤重金屬的污染分布特征及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，旨在為廣西礦區(qū)周圍土壤重金屬污染防治、修復(fù)和治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

廣西某縣位于亞熱帶山地氣候區(qū)，年平均氣溫為16.9℃，年均降雨量1497mm，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，從20世紀(jì)七八十年代開(kāi)始大肆進(jìn)行礦業(yè)活動(dòng)，所涉及產(chǎn)業(yè)包括鉛鋅礦和其他有色金屬礦的采選和冶煉。研究區(qū)域位于廣西某礦區(qū)周圍，地處107°38′～107°41′E、24°53′～24°50′N，地形較為復(fù)雜，場(chǎng)地周圍有數(shù)量不等尾礦堆積，場(chǎng)地中部為車河鎮(zhèn)某礦區(qū)，場(chǎng)地西北部存在大面積水源，如圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位示意圖

1.2 樣品采集與測(cè)試

研究區(qū)域內(nèi)共采集表層土壤（0cm～20cm）樣品59個(gè)（圖1），水田樣本25個(gè)，旱地樣本34個(gè)，以礦業(yè)活動(dòng)區(qū)中心點(diǎn)為中心，建立坐標(biāo)系，在正東、正西、正北、西南、東南、西北、東北七個(gè)方向采集樣本，其中正南方向貼近場(chǎng)地邊界，未設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)目分別為：4、4、3、2、27、12、6，所采樣本均處于礦區(qū)影響范圍內(nèi)農(nóng)田。

土壤樣品采用多點(diǎn)混合法采取，取耕作層土壤約1kg，混合后用四分法取1kg，網(wǎng)格大小為200×200m，采樣過(guò)程中避免與金屬工具相接觸，并用GPS確定樣點(diǎn)地理位置，保存在聚乙烯塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品風(fēng)干后，去除碎石與植物殘?bào)w等雜物，四分法取適量，研磨過(guò)100目尼龍篩，備用。

選用對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定Sb、Cd、Zn、As、Pb五種重金屬含量。所有樣品均設(shè)置三個(gè)平行樣，平行樣的相對(duì)誤差小于10%，同時(shí)進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。選10%的樣品做重復(fù)測(cè)試，相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理方法

采用ArcGIS進(jìn)行反距離加權(quán)插值和空間分析；運(yùn)用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，相關(guān)性分析采用Spearman相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，p＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

分別從土壤中重金屬含量相對(duì)地質(zhì)背景的污染程度，重金屬的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)與毒理方面出發(fā)，運(yùn)用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法選用的毒性響應(yīng)系數(shù)，根據(jù)瑞典科學(xué)家HaKanson制定的標(biāo)準(zhǔn)化重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)參考值，重金屬Sb的毒性響應(yīng)系數(shù)參照美國(guó)2006版飲用水標(biāo)準(zhǔn)和健康建議提出的參考值，南丹縣土壤重金屬元素背景值及毒性響應(yīng)系數(shù)，見(jiàn)表1。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，可反映出土壤中重金屬對(duì)環(huán)境的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。

式中，為污染物i的實(shí)測(cè)濃度，為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為某單一重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因素，為某重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，反映重金屬的毒性強(qiáng)度，RI為多種重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素，表2為潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)表。

表1 農(nóng)用地土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 綜合環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)表

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬分布特征

通過(guò)對(duì)礦區(qū)周圍農(nóng)田進(jìn)行采樣，5種重金屬（Sb、Cd、Zn、As、Pb）平均含量及變異系數(shù)（表3）表明，其中Sb、Cd、Zn、As、Pb五種重金屬平均含量超過(guò)當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘俦尘爸?，超過(guò)倍數(shù)分別為7.57、6.81、4.31、2.61、1.65。研究區(qū)域變異系數(shù)從大到小排列順序?yàn)椋篈s、Sb、Pb、Cd、Zn均大于0.1說(shuō)明研究區(qū)域受人為因素的影響很強(qiáng)。

表3 研究區(qū)表層土壤重金屬含量特征

2.2 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

表4為研究區(qū)域內(nèi)不同方向土壤重金屬RI值。研究區(qū)域土壤綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI為539.33，呈很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，不同方向重金屬環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)大小順序?yàn)?：RI北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI東南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI東北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI東（385.81）。正北、正西兩個(gè)方向呈很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，其余方向呈強(qiáng)烈生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

2.3 農(nóng)田土壤重金屬來(lái)源分析

礦業(yè)活動(dòng)是礦區(qū)周圍土壤重金屬污染的主要來(lái)源。本研究中采用主成分分析，對(duì)重金屬污染來(lái)源進(jìn)行判斷。

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)，土壤重金屬As、Cd、Zn、Sb、Pb進(jìn)行KMO檢驗(yàn)，結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)土壤重金屬的KMO值為0.571，大于0.5可進(jìn)行主成分分析，前三種主成分特征值累積為90.227%。

研究區(qū)域內(nèi)污染重金屬主要分為三類。第一類重金屬包括Cd、Zn荷載分別為0.971和0.918，重金屬Cd、Zn超標(biāo)率分別為100%和98.31%，屬于面源型污染，研究區(qū)域是傳統(tǒng)的礦業(yè)活動(dòng)區(qū)，存在數(shù)量眾多的鋅礦冶煉企業(yè)，研究表明Cd、Zn礦常以伴生形式存在，對(duì)Zn礦進(jìn)行利用的同時(shí)，重金屬Cd和Zn會(huì)隨礦業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生粉塵，在礦區(qū)周圍土壤中進(jìn)行積累。

第二類重金屬主要為Sb，荷載為0.95，重金屬Sb濃度較高區(qū)域主要集中在場(chǎng)地正西、正北、西南、西北四個(gè)方向，環(huán)繞河谷地區(qū)，重金屬Sb在土壤中的沉積，可能來(lái)自于水體中Sb向土壤中遷移，其中重金屬Pb在一、二主成分中均有存在，荷載分別為0.581和0.572，說(shuō)明礦業(yè)活動(dòng)和水體中重金屬遷移，均對(duì)重金屬Pb在土壤中累積有影響。

表4 土壤重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

第三主成分為重金屬As，荷載為0.959，高濃度區(qū)域主要集中在正西和西南兩個(gè)方向，場(chǎng)地中堆積著體量不等的尾礦，礦砂隨地表徑流和雨水沖刷進(jìn)入土壤，造成重金屬As累積。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)域內(nèi)礦區(qū)土壤重金屬Cr、Mn、Hg，呈現(xiàn)無(wú)污染或基本清潔狀態(tài)。研究區(qū)域內(nèi)Sb、As、Zn、Pb、Cd五種礦區(qū)土壤重金屬含量均超過(guò)當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘俦尘爸怠?/p>

（2）研究區(qū)域整體呈很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，不同方向重金屬環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)大小順序?yàn)椋篟I北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI東南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI東北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI東（385.81）。重金屬Cd、Sb為主要潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)污染物，潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為369.41、117.23。

（3）研究區(qū)域內(nèi)，土壤重金屬Cd、Zn的來(lái)源和礦業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生“三廢”相關(guān)，土壤重金屬Sb的污染與水體中重金屬遷移有關(guān)，重金屬As的污染與尾礦庫(kù)中礦砂在土壤中沉積有關(guān)，重金屬Pb除受礦業(yè)“三廢”影響外，與水體中重金屬遷移也有關(guān)。