西南地區(qū)某礦產(chǎn)集采區(qū)土壤重金屬遷移規(guī)律及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

史帥航 白甲林 余 洋

（1.中國航空器材集團(tuán)有限公司,北京 101312;2.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院,北京 100101;3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081;4.自然資源部礦山生態(tài)效應(yīng)與系統(tǒng)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;5.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083）

礦產(chǎn)資源是人類生存、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ),其在勘察、開采、選冶過程中不可避免地會引發(fā)區(qū)域性生態(tài)擾動、景觀損毀以及地質(zhì)破壞[1-8]。其中,作為礦山生態(tài)修復(fù)與環(huán)境治理難以攻克的技術(shù)問題之一,礦區(qū)土壤重金屬超標(biāo)一直備受國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[9-19]。近年來,隨著“山水林田湖草是生命共同體”等生態(tài)文明建設(shè)理念的不斷完善,系統(tǒng)全面地開展礦山生態(tài)修復(fù)與環(huán)境治理日趨成為業(yè)內(nèi)共識[20-27]。本研究以西南地區(qū)某礦產(chǎn)集采區(qū)典型礦區(qū)為例,通過對礦區(qū)及其周邊流域內(nèi)土壤樣品進(jìn)行采集測試,合理簡述相關(guān)土壤重金屬遷移規(guī)律,系統(tǒng)評價(jià)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),嘗試實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)及其周邊土壤重金屬超標(biāo)追根溯源,以期為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)修復(fù)、生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)有效參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省西南邊緣的橫斷山脈東段,屬于高山峽谷氣候,年內(nèi)干濕季節(jié)分明,降雨集中。礦產(chǎn)資源開發(fā)產(chǎn)生的尾礦堆、廢渣堆充斥著區(qū)內(nèi)溝道,加之受地形高差影響,廢渣隨地表水體發(fā)生遷移,極易誘發(fā)下游土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)?；谏鲜鲇懻?本次研究重點(diǎn)選取礦產(chǎn)集采區(qū)內(nèi)Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅲ號磷礦區(qū)和Ⅳ號磷礦區(qū)進(jìn)行土壤樣品采集,其中,Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)位于X河支溝內(nèi),Ⅲ號磷礦區(qū)、Ⅳ號磷礦區(qū)位于Y河支溝內(nèi),均為長江上游金沙江水系。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

樣品采集:根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況,沿X河支溝和Y河支溝、從上游至下游均勻布設(shè)采樣點(diǎn)位。其中,Ⅰ號鉛鋅礦采集土壤樣品8個,Ⅱ號鉛鋅礦采集土壤樣品9個,Ⅲ號磷礦采集土壤樣品13個,Ⅳ號磷礦采集土壤樣品9個,如圖1所示。另外,在礦產(chǎn)集采區(qū)西北部設(shè)置研究比對樣品（CK）。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distributions of study area and sampling sites

在土壤樣品測試方面,由四川省某工程技術(shù)測試中心按照有關(guān)技術(shù)規(guī)程[28-29]開展測試,根據(jù)測試報(bào)告遴選出相關(guān)指標(biāo)作為研究的數(shù)據(jù)來源;在綜合評價(jià)方面,采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬狀況評價(jià);采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦區(qū)土壤重金屬含量分析

采用描述性統(tǒng)計(jì)分析法分別對各礦區(qū)土壤樣品重金屬含量進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),4個礦區(qū)土壤樣品中鉛、鋅、鎘和砷等重金屬含量均存在較大差異,離散程度大（如表1所示）。其中,Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)土壤樣品重金屬含量變異系數(shù)偏大,可能源于土壤樣品布設(shè)點(diǎn)位較為分散。

表1 礦區(qū)土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1 Statistical analyses of heavy metal content in soil of mining area

基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果對礦區(qū)土壤樣品重金屬含量作進(jìn)一步分析。分析認(rèn)為:一方面,在礦產(chǎn)資源開采、洗選、冶煉過程中,大量粉塵通過大氣干濕沉降直接進(jìn)入土壤;另一方面,堆積于地表的原礦石、尾礦等經(jīng)淋溶、風(fēng)化等自然作用將重金屬等物質(zhì)帶入土壤,從而引發(fā)礦區(qū)土壤重金屬含量超標(biāo)[30-46]。

3.2 礦區(qū)土壤重金屬遷移規(guī)律

3.2.1 Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)

由圖2可知,Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)土壤樣品各重金屬含量均大于對照樣品;從X河支流上游至下游,土壤樣品重金屬鉛、鋅、鎘含量呈現(xiàn)雙峰變化趨勢、砷含量呈現(xiàn)單峰變化趨勢。其中,在Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)廢渣堆下游（T02、T03）和某礦業(yè)洗選廠下游（T07）處鉛、鋅、鎘含量較高,T07處砷含量最高。分析認(rèn)為:礦產(chǎn)資源開采、洗選活動與礦區(qū)土壤樣品重金屬含量超標(biāo)可能存在正相關(guān);礦區(qū)土壤樣品各重金屬含量變化趨勢相似,說明土壤樣品中重金屬鉛、鋅、鎘超標(biāo)與砷超標(biāo)可能存在相關(guān)性[33-34]。

圖2 X河Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬含量Fig.2 Variations in soil heavy metal contents in Pb-Zn Mining Ⅰ of X River

3.2.2 Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)

由圖3可知,Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)土壤樣品各重金屬含量大于對照樣本比例超過88%;從X河支流上游至下游,土壤樣品鉛、鋅、鎘、砷含量呈現(xiàn)不規(guī)則的波浪形變化趨勢。其中,礦區(qū)固體廢棄物堆附近土壤樣品（T14、T16、T17）重金屬含量相對較高,河流交匯處（T13、T15）重金屬含量相對較低。分析認(rèn)為:礦產(chǎn)資源開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物可能存在重金屬含量超標(biāo);河流交匯處水量增大可能會稀釋河流底泥中的重金屬含量。

圖3 X河Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬含量Fig.3 Variations in soil heavy metal contents in Pb-Zn Mining Ⅱ of River X

3.2.3 Ⅲ號磷礦區(qū)

由圖4可知,Ⅲ號磷礦區(qū)土壤樣品各重金屬含量大于對照樣本比例超過69%;從Y河Ⅲ號磷礦區(qū)支溝上游至下游,土壤樣品各重金屬含量呈現(xiàn)不規(guī)律的波浪形變化趨勢。其中,采礦活動產(chǎn)生的尾礦、固體廢棄物堆附近（T24）鉛、鋅含量相對較高,選礦活動產(chǎn)生的廢渣附近（T18、T20）鎘、砷含量相對較高。分析認(rèn)為:采礦活動、選礦活動產(chǎn)生的固體廢棄物中不同類型重金屬含量可能存在差異。

圖4 Y河Ⅲ號磷礦區(qū)土壤重金屬含量Fig.4 Variations in soil heavy metal contents in P Mining Ⅲ of River Y

3.2.4 Ⅳ號磷礦區(qū)

由圖5可知,Ⅳ號磷礦區(qū)土壤樣品各重金屬含量大于對照樣本比例超過55%;Y河Ⅳ號磷礦區(qū)支溝上游至下游,土壤樣品鉛、鋅、鎘含量呈現(xiàn)不規(guī)律的波浪形變化趨勢,砷含量呈現(xiàn)單峰變化趨勢。其中,開采活動產(chǎn)生的固體廢棄物堆附近（T36）重金屬含量相對較高。分析認(rèn)為:開采活動產(chǎn)生的固體廢棄物可能存在重金屬含量超標(biāo)。

圖5 Y河Ⅳ號磷礦區(qū)土壤重金屬含量隨流域上游至下游變化規(guī)律Fig.5 Variations in soil heavy metal contents in P Mining Ⅳ of River Y

3.3 礦區(qū)土壤樣品重金屬含量評價(jià)

因各礦區(qū)礦產(chǎn)資源類型、開采時間以及礦石洗選工藝不同,導(dǎo)致4個礦區(qū)土壤各重金屬單因子污染指數(shù)和礦區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)存在明顯差異,如表2所示。

表2 礦區(qū)土壤樣品重金屬污染評價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of soil heavy metal pollution in mining area

對比發(fā)現(xiàn),鉛鋅礦區(qū)土壤樣品鉛、鋅、鎘單因子污染指數(shù)均高于磷礦區(qū),表明鉛鋅礦區(qū)土壤樣品以鉛、鋅、鎘含量超標(biāo)為主;磷礦區(qū)土壤樣品砷單因子污染指數(shù)總體高于鉛鋅礦區(qū),表明磷礦區(qū)土壤樣品以砷含量超標(biāo)為主。

3.4 礦區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

因各礦區(qū)土壤樣品中重金屬濃度不同,導(dǎo)致4個礦區(qū)土壤各重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、礦區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)存在明顯差異,由表3所示。

表3 礦區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析Table 3 Potential ecological risk analysis of heavy metals in soil of mining area

對比發(fā)現(xiàn),鉛鋅礦區(qū)土壤鉛、鋅、鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均大于磷礦區(qū),磷礦區(qū)土壤砷的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高于鉛鋅礦區(qū),表明鉛鋅礦區(qū)土壤鉛、鋅、鎘的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大于磷礦區(qū),土壤砷的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)則呈現(xiàn)磷礦區(qū)大于鉛鋅礦區(qū)。

4 結(jié) 論

通過分析西南地區(qū)某礦產(chǎn)集采區(qū)4個礦區(qū)土壤樣品重金屬含量及其隨流域遷移規(guī)律,分析研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),得出以下結(jié)論:礦產(chǎn)集采區(qū)中鉛鋅礦區(qū)、磷礦區(qū)土壤樣品重金屬超標(biāo)類型不同;研究區(qū)土壤樣品重金屬含量從上游到下游的遷移規(guī)律變化,可能與礦產(chǎn)資源開采方式、洗選方式、礦區(qū)固體廢棄物分布、地表徑流強(qiáng)度等因素存在相關(guān)性;研究區(qū)土壤樣品重金屬含量超標(biāo)排序依次為Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅲ號磷礦區(qū)、Ⅳ號磷礦區(qū)、Ⅱ號鉛鋅礦區(qū);研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)排序依次為Ⅰ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅱ號鉛鋅礦區(qū)、Ⅲ號磷礦區(qū)和Ⅳ號磷礦區(qū)。

基于上述研究與討論,建議進(jìn)一步加強(qiáng)長江上游金沙江流域內(nèi)礦產(chǎn)資源開發(fā)引起土壤重金屬含量變化的相關(guān)研究,重點(diǎn)關(guān)注不同類型礦產(chǎn)資源開發(fā)對土壤重金屬含量擾動的作用機(jī)理,有效厘清礦產(chǎn)資源開發(fā)方式、洗選工藝對土壤重金屬含量影響的核心環(huán)節(jié),深入挖掘礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)土壤重金屬含量變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián),持續(xù)探索礦產(chǎn)集采區(qū)土壤重金屬遷移規(guī)律的演化特征,不斷提升長江上中游重要流域礦產(chǎn)資源開發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)水平,繼而為科學(xué)推進(jìn)礦產(chǎn)資源集采區(qū)“綠色礦山”建設(shè)、礦山生態(tài)保護(hù)修復(fù)等相關(guān)工作提供更加有效的數(shù)據(jù)來源、科學(xué)的理論支撐、詳實(shí)的研究素材。