衡陽(yáng)水口山鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染特征

采礦和精煉使一定深度的礦基暴露在地表環(huán)境中。致使礦物的化學(xué)組成和物理狀態(tài)發(fā)生改變,增加了重金屬向環(huán)境釋放的機(jī)會(huì),同時(shí),由于硫化物氧化產(chǎn)酸,改變了水體pH值或酸化程度,增加無(wú)機(jī)鹽成分和水硬度,鉛鋅礦的開(kāi)采和選冶造成的環(huán)境污染尤為嚴(yán)重,常常將其中重金屬等有毒元素釋放到環(huán)境中,它們?cè)谧匀画h(huán)境中過(guò)度積累,會(huì)導(dǎo)致河流底泥以及地表水和地下水甚至空氣污染;由于重金屬不能被土壤微生物降解,它們?cè)谕寥篮椭参矬w內(nèi)不斷積累,并通過(guò)生物鏈最終積累在人體中,嚴(yán)重危害人體健康,影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。因此,礦山開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題己引起有關(guān)部門(mén)越來(lái)越多的關(guān)注,已成為環(huán)境地球化學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,其中重金屬污染引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題尤為重要。水口山礦區(qū)位于湖南省衡陽(yáng)市(常寧市松柏鎮(zhèn)),沿湘江南岸東西向分布,是一個(gè)多產(chǎn)的鉛鋅采礦帶,是我國(guó)主要的鉛鋅生產(chǎn)基地之一。該礦區(qū)具有一百多年的開(kāi)采歷史,長(zhǎng)期的鉛、鋅及銅礦等的開(kāi)采和冶煉活動(dòng)嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)丨h(huán)境,對(duì)湘江流域也造成了相當(dāng)程度的污染,目前,一些學(xué)者對(duì)湘江湖南段的重金屬污染進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的評(píng)價(jià)研究[8,9,10,11,12,13,14],但是,有關(guān)水口山礦區(qū)及其周?chē)寥乐兄亟饘傥廴痉植继卣骷捌渖鷳B(tài)危害的研究較少。本實(shí)驗(yàn)研究了水口山鉛鋅礦區(qū)及其周?chē)韺油寥?A層)和土壤母質(zhì)(C層)中主要重金屬(Pb、Zn、Cu、Cd、As、Hg)的污染特征及污染程度,旨在對(duì)礦區(qū)金屬礦床的開(kāi)采對(duì)其周?chē)寥拉h(huán)境的影響進(jìn)行評(píng)估,研究結(jié)果有助于全面了解鉛鋅礦區(qū)及周?chē)鷧^(qū)域土壤重金屬污染的程度及其危害,可為礦區(qū)土壤重金屬污染防治與治理提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1模礦資源和地貌土壤樣品2011年1月采集于衡陽(yáng)水口山鉛鋅礦區(qū)及其周?chē)s50km2的區(qū)域內(nèi)。水口山鉛鋅礦區(qū)沿湘江南岸東西向分布,大規(guī)模礦產(chǎn)開(kāi)采及冶煉活動(dòng)主要集中在該區(qū)。研究區(qū)域以水口山礦區(qū)為中心,涉及冶煉廠、礦山區(qū)、尾沙壩以及農(nóng)田等區(qū)域,采樣點(diǎn)區(qū)域地貌類(lèi)型以崗丘為主,土壤以水稻土、紅壤土和黃壤土為主。農(nóng)田基本廢棄成荒地,崗地和丘陵上植被主要為灌木、草本。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)溫潤(rùn)氣候區(qū),常年平均氣溫17.9℃,最熱為7~8月,平均最高氣溫34.7℃;最冷為1~2月,平均最低氣溫-0.5℃。1.2采樣地土壤植被采集本研究共采集了冶煉廠、康家灣采選地、尾沙壩、礦區(qū)農(nóng)田共33個(gè)采樣點(diǎn)的土壤樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集A層(0~20cm)和C層(20~60cm)土壤樣品,且每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。采樣地土壤植被類(lèi)型主要為灌木和草本等天然植被,采集后將樣品裝入聚乙烯袋中密封。樣品經(jīng)105℃烘干,搗碎研磨,過(guò)100目篩,然后保存于封口袋中,置于干燥器中備用。1.3pb、cd、cu、zn、ale-hg含量測(cè)定樣品采用混合酸消解法:HCl-HNO3-HClO4。用火焰原子吸收光譜法測(cè)定Pb、Cd、Cu、Zn的含量,原子熒光光譜法測(cè)定As、Hg的含量。整個(gè)分析過(guò)程所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水,分析過(guò)程中采用平行雙樣,以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品控制測(cè)定質(zhì)量。1.4樣品測(cè)定和評(píng)價(jià)為了能夠定量反映鉛鋅礦區(qū)土壤中各種重金屬污染程度,選用單因子污染指數(shù)法和N.L.Nemerow綜合污染指數(shù)法等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。1)單因子污染指數(shù)法。計(jì)算公式如下:式中:Pi為樣品中污染物i單因子污染指數(shù),具體反應(yīng)某污染物超標(biāo)倍數(shù)和程度;Ci為樣品中污染物i實(shí)測(cè)值,mg/kg;Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),mg/kg。當(dāng)Pi≤1時(shí),表示樣品未受污染;Pi>1時(shí),表示樣品已被污染。Pi的值越大,說(shuō)明樣品受污染越嚴(yán)重。2)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。計(jì)算公式如下:式中:Pj為第j種用途的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);Fave為Ci/Sij比值加和之后的平均值,Fmax為Ci/Sij比值中最大的一項(xiàng);Ci為第i種污染因子的實(shí)測(cè)濃度;Sij為第i種污染因子j種用途的標(biāo)準(zhǔn)值或背景值。內(nèi)梅羅污染指數(shù)反映了各污染物對(duì)土壤的作用,同時(shí)突出了高濃度污染物對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響,可按內(nèi)梅羅污染指數(shù),劃定污染等級(jí)。內(nèi)梅羅指數(shù)土壤污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。1.5處理數(shù)據(jù)各種數(shù)據(jù)用Excel統(tǒng)計(jì),采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析、多重比較以及相關(guān)性分析。2結(jié)果與分析2.1尾砂壩cu、zn、hg、cu含量由研究區(qū)不同土層厚度土壤重金屬含量(表2)分析可知:4個(gè)采樣點(diǎn)的0~20cm土層Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20~60cm土層的含量。冶煉廠的Zn、Hg含量大于其它3個(gè)地點(diǎn),其中Zn含量達(dá)到129.15mg/kg,Hg含量達(dá)到1.51mg/kg;尾砂壩Cd、Cu含量大于其它3個(gè)地點(diǎn),其中Cd含量高達(dá)22.08mg/kg,Cu含量達(dá)到328.43mg/kg;礦區(qū)農(nóng)田的Pb、As含量大于其它三地點(diǎn),Pb含量高達(dá)1956.50mg/kg,As含量達(dá)到836.91mg/kg。2.2cd、pb、as含量差異從研究區(qū)四地點(diǎn)土壤中6個(gè)重金屬元素的含量變化及方差分析(表3、表4)看出:4地點(diǎn)土壤中重金屬含量存在顯著性差異,其中Cd、Pb、As含量差異則達(dá)到極顯著性水平;四地點(diǎn)中,重金屬元素含量相對(duì)較低的是康家灣采選地,其中Pb含量大小順序?yàn)?礦區(qū)農(nóng)田>尾沙壩>冶煉廠>康家灣采選地,Cd、Cu、As含量大小順序?yàn)?尾沙壩>礦區(qū)農(nóng)田>冶煉廠>康家灣采選地,Zn、Hg含量大小順序?yàn)?冶煉廠>礦區(qū)農(nóng)田>尾沙壩>康家灣采選地。2.3重金屬綜合污染指數(shù)利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算得四個(gè)采樣地土壤中重金屬的單因子污染指數(shù)Pi、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜見(jiàn)表5。從表5中各采樣地重金屬的單因子污染指數(shù)看,冶煉廠的除Cu單因子污染指數(shù)小于1,其余5個(gè)指標(biāo)As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1;康家灣采選地礦山區(qū)的Cu、As、Zn單因子污染指數(shù)基本小于1,但都接近1,而其余Cd、Hg、Pb均大于1;尾砂壩和農(nóng)田的Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1。綜合污染指數(shù)P綜的結(jié)果(表5)表明,4個(gè)地點(diǎn)土壤33個(gè)采樣點(diǎn)中有28個(gè)采樣點(diǎn)重金屬綜合污染級(jí)別100%超過(guò)最大污染級(jí)別4。4地點(diǎn)中,Cd的單因子污染指數(shù)均大于其它5個(gè)指標(biāo),其綜合污染指數(shù)大小順序?yàn)槲采硥?gt;礦區(qū)農(nóng)田>冶煉廠>康家灣采選地;其中冶煉廠和康家灣采選地中Cd的單因子污染指數(shù)最大,Cu最小,兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為:Cd>Hg>Pb>As>Zn>Cu;尾砂壩和礦區(qū)農(nóng)田中Cd的單因子污染指數(shù)最大,Zn最小,兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為:Cd>Pb>As>Cu>Hg>Zn。3農(nóng)田重金屬污染程度冶煉廠、康家灣采選地、尾砂壩、礦區(qū)農(nóng)田4個(gè)地點(diǎn)土壤中As、Pb、Hg、Cd、Zn、Cu含量有顯著性差異,其中Cd、Pb、As含量差異則達(dá)到極顯著性水平。4個(gè)采樣點(diǎn)的0~20cm土層Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20~60cm土層同類(lèi)元素的含量,這說(shuō)明重金屬在土壤中主要累積在表層土,向深層土遷移的速率比較緩慢,這與其他學(xué)者研究結(jié)論一致,這是因?yàn)橥寥乐械闹亟饘傥廴疚镉捎跓o(wú)機(jī)及有機(jī)膠體對(duì)陽(yáng)離子的吸附、代換、絡(luò)合及生物作用的結(jié)果,導(dǎo)致大部分被固定在耕作層中。根據(jù)土壤采樣的技術(shù)規(guī)程,以內(nèi)梅羅污染指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),冶煉廠的除Cu單因子污染指數(shù)小于1,其余5個(gè)指標(biāo)As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1;康家灣采選地的Cu、As、Zn單因子污染指數(shù)基本小于1,但都接近1,而其余Cd、Hg、Pb均大于1;冶煉廠、康家灣采選地的重金屬污染大小順序一樣:Cd>Hg>Pb>A>Zn>Cu。尾砂壩和礦區(qū)農(nóng)田的Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1,兩者重金屬污染的大小順序是:Cd>Pb>As>Cu>Hg>Zn。依據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)各地點(diǎn)土壤中Cd污染最為嚴(yán)重,且存在著嚴(yán)重的Cd、Pb、Hg和輕度的Zn、As復(fù)合污染,這種復(fù)合污染成為研究區(qū)很多樹(shù)種生長(zhǎng)發(fā)育和生存的限制因子,從而導(dǎo)致尾砂壩寸草不生的狀況,使得礦區(qū)植被呈現(xiàn)喬木稀少,多以灌木、草本為主的格局,在以后的礦區(qū)植被恢復(fù)應(yīng)用中,必須選擇耐多種重金屬的樹(shù)種,以達(dá)到