謝金亮 趙慶圓,2

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.中國(guó)恩菲項(xiàng)目執(zhí)行長(zhǎng)沙中心， 湖南 長(zhǎng)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(gè)問題[1-2]。采礦和金屬冶煉是土壤重金屬污染的一個(gè)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(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)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(duì)其污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)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(píng)價(jià)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(duì)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(shí)采礦遺留的廢石堆場(chǎng)也存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。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(kù)。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(cè)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(shí)間為2017年10月15—24日，為了使采集的監(jiān)測(cè)樣品具有好的代表性，避免一切主觀因素，使組成總體的個(gè)體有同樣的機(jī)會(huì)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(shí)，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(gè)。本項(xiàng)目共采集了104個(gè)點(diǎn)位388個(gè)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(zhǎng)1.5 m、寬0.8 m、深2.2 m。探坑采用人工開挖，開挖時(shí)，表土和底層土分兩側(cè)堆放，采樣剖面向陽(yáng)，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(gè)別土壤采樣點(diǎn)遇基巖或地下水，采樣層厚度不足時(shí)，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(shí)先用木鏟刮去探坑開挖時(shí)與金屬器具接觸的部分再用木鏟采樣；對(duì)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(cè)。樣品采集完成后，經(jīng)分類、整理和包裝，于當(dāng)?shù)貢簳r(shí)保存或即時(shí)發(fā)往具有CMA認(rèn)證的檢測(cè)單位，重金屬污染土壤檢測(cè)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(cè)分析方法由檢測(cè)單位按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行[13]。

1.3 評(píng)價(jià)方法

以標(biāo)準(zhǔn)[14]中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，采用環(huán)境質(zhì)量指數(shù)法對(duì)鉛鋅礦區(qū)的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，所采用的指數(shù)評(píng)價(jià)模型為單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)[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(píng)價(jià)方法，對(duì)于農(nóng)田土壤、地表水和地下水都采用該方法評(píng)價(jià)[16]，其公式見式(1)、(2)、(3)，評(píng)價(jià)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(cè)值，mg/kg；

Si——二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg。

當(dāng)pH≤7.0時(shí)，

(2)

當(dāng)pH>7.0時(shí)，

(3)

式中：pHj——j點(diǎn)的pH實(shí)測(cè)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(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)外重金屬污染普遍采用的一種綜合性評(píng)價(jià)方法[17-18]。該方法能更加全面地反映不同重金屬因子對(duì)土壤和農(nóng)作物污染的作用，計(jì)算公式見式(4)，評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.3 土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目調(diào)查對(duì)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(jí)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(cè)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(jí)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(cè)結(jié)果分析

土壤背景值采樣點(diǎn)有6個(gè)，檢測(cè)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(chǎng)地土壤背景As、Hg含量較高，超過土壤二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)位較多。

2.2 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果分析

對(duì)土壤樣品污染指數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)級(jí)，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(gè)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(cè)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(cè)結(jié)果 mg/kg

注：“ND”表示未檢出

表5 污染物含量對(duì)比表 mg/kg

表6 土壤樣品中重金屬單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)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(duì)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(jí)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(shì)。但同時(shí)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(shí)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(píng)價(jià)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(duì)礦區(qū)附近a、b、c、d四個(gè)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(píng)價(jià)，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(gè)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(kù)內(nèi)的尾礦、各廢石場(chǎng)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(gè)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(duì)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(jí)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(gè)土壤樣品受到輕微污染，Cr的27個(gè)超標(biāo)樣品均為輕微污染，Ni超標(biāo)點(diǎn)位均分布在長(zhǎng)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(duì)所有樣品進(jìn)行內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)，受污染土壤樣品數(shù)71個(gè)，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(gè)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(gè)村屯中均是表層污染最重，且以重污染和中度污染為主。