拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤污染評(píng)價(jià)

楊 濤，旦 增，郭佳晨，周文武，許 飛，倪海風(fēng)

(西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

1 引言

我國(guó)是世界第三大礦業(yè)國(guó)，礦山開采利用取得很大成就，同時(shí)也造成了許多環(huán)境問題。礦渣是原礦經(jīng)過冶煉而產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其資源化利用和安全處置受到廣泛關(guān)注[1, 2]。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2020年我國(guó)工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量已經(jīng)超過30億t/年，年均增長(zhǎng)率在7%左右[3～5]。尾礦產(chǎn)量大約是工業(yè)廢棄物總量的80%左右，總儲(chǔ)量超過600億t。目前，國(guó)內(nèi)外尾礦的主要類型為鐵、銅、金，3者的總堆存量占總尾礦量的83%左右，3種尾礦的年產(chǎn)量分別為：鐵尾礦：約8.39億t；銅尾礦：約2億t；金尾礦：約1.5億t[6～9](圖1)。

圖1 2009～2019年尾礦產(chǎn)量及利用量

西藏地處我國(guó)西南邊陲，不僅是我國(guó)重要的安全屏障、生態(tài)屏障和戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備地，還因地質(zhì)特殊，自然資源豐富，使得西藏的成礦條件極佳。青藏高原素來有“世界屋脊”之稱，其環(huán)境問題更是備受關(guān)注。工業(yè)化時(shí)代的到來，礦產(chǎn)資源開采成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中流砥柱[10]。此外，因?yàn)榈V產(chǎn)開采工藝的不成熟，資源不能有效利用，造成資源大量浪費(fèi)[10, 11]。礦石中除了可利用的資源外，還有許多對(duì)環(huán)境有害的成分，如果不能有效處理將會(huì)造成很嚴(yán)重的環(huán)境問題(表1)。西藏的礦產(chǎn)資源非常豐富[10, 11]，尤其以銅、鉛、鋅礦為代表。2016年，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，西藏已發(fā)現(xiàn)的礦種有102種，有資源儲(chǔ)量的礦有41種，礦產(chǎn)地近3000處，礦產(chǎn)資源的潛在價(jià)值達(dá)到了驚人的6505億元左右[12]。

在尾礦池和礦場(chǎng)周邊，重金屬元素濃度顯著高于土壤背景值，尾礦中重金屬離子直接或間接的以各種方式進(jìn)入水中或土壤中進(jìn)而產(chǎn)生一系列環(huán)境問題[13]。因此，尾礦庫的建立成為處理尾礦關(guān)鍵步驟，同時(shí)，它也是礦產(chǎn)資源開采和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展不可或缺的一部分[14]。喬雯等[15]通過研究某礦區(qū)土壤重金屬分布及來源發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染元素主要為Pb、Zn、Cd，多種重金屬之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，有同源或伴生關(guān)系。顧會(huì)等[16]通過對(duì)貴州省典型鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染特征及來源解析發(fā)現(xiàn)，Pb、Zn、Mn、Cd在尾礦堆積區(qū)含量較高，土壤重金屬受礦業(yè)活動(dòng)、工農(nóng)業(yè)活動(dòng)、自然來源的共同影響，其中礦業(yè)活動(dòng)是影響區(qū)域土壤質(zhì)量的主要因素。王興富[17]等通過對(duì)貴州某廢棄礦區(qū)周邊土壤研究發(fā)現(xiàn)，采礦活動(dòng)及相關(guān)作業(yè)是土壤重金屬污染的重要原因之一。綜上，均說明礦業(yè)活動(dòng)對(duì)周邊土壤重金屬有重要影響，為調(diào)查拉薩某銅鉛鋅尾礦庫尾礦對(duì)周邊土壤是否產(chǎn)生影響，本文以拉薩市某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤作為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際情況，在尾礦庫周邊設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)，分別測(cè)定Cu、Pb、Zn、Cr、Mn等5個(gè)重金屬濃度值，進(jìn)一步分析其污染問題，并研究尾礦庫的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。旨在確定尾礦中重金屬對(duì)周邊環(huán)境影響，為拉薩市尾礦處理、環(huán)境防治提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)環(huán)境的保護(hù)治理具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

墨竹工卡縣隸屬于西藏自治區(qū)拉薩市，位于西藏自治區(qū)中部，拉薩東部，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)91°43′～91°50′，北緯29°37′～29°43′，總面積5620 km2，截至2020年11月份，常住人口為49511人。下轄1個(gè)鎮(zhèn)7個(gè)鄉(xiāng)：工卡鎮(zhèn)、扎雪鄉(xiāng)、門巴鄉(xiāng)、扎西崗鄉(xiāng)、日多鄉(xiāng)、尼瑪江熱鄉(xiāng)、甲瑪鄉(xiāng)和唐加鄉(xiāng)。東邊與林芝市工布江達(dá)縣相鄰，南鄰山南市桑日縣，西鄰達(dá)孜區(qū)和林周縣，北鄰那曲市嘉黎縣。墨竹工卡縣屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，空氣稀薄，高寒干燥，風(fēng)力冬季和春季比夏季和秋季強(qiáng)，年溫差小而晝夜溫差大。年平均氣溫大約5.1～9 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在6月份，可達(dá)30℃左右；最低氣溫出現(xiàn)在1月份，大約-16～23 ℃。年日照時(shí)數(shù)2813.5 h，全年降水集中在6～9月份，年降水量約515.9 mm。 墨竹工卡縣內(nèi)主要包含金、銻、鉻、銀、銅等礦產(chǎn)資源。除了礦產(chǎn)資源外，還有許多珍稀的野生動(dòng)植物。如：黑頸鶴、斑頭雁、蟲草、雪蓮花、貝母、紅景天等。墨竹工卡縣的森林覆蓋率只有35.94%，天然林和人工林地合計(jì)203949.889畝。

2.2 樣品采集及處理

2.2.1 樣品采集

樣品在2021年9月4日采集，采集當(dāng)天天氣晴朗，溫度18 ℃，濕度50%，尾礦庫海拔4400 m，經(jīng)緯度分別為：91.053、30.015。采樣點(diǎn)具體分布圖如圖2。

圖2 土壤樣點(diǎn)分布

2.2.2 樣品預(yù)處理

樣品采集回實(shí)驗(yàn)室后，首先將土壤樣品中的植物、石頭等雜物全部清理；后經(jīng)過一周時(shí)間待樣品風(fēng)干后，用瑪瑙研缽研磨均勻、過325目篩，封存與密封袋保中，用于后續(xù)檢測(cè)。

2.3 樣品分析測(cè)定

2.3.1 主要試劑

Mn、Pb、Zn、Cu、Cr、Cd等重金屬元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，硝酸(分析純)、硫酸(分析純)、氫氟酸(分析純)，醋酸，氫氧化鈉，去離子水。

2.3.2 樣品分析測(cè)定

土壤樣品中的重金屬含量分析步驟：①利用高通量微波消解儀消解土壤;②利用趕酸器將消解樣品中酸趕出;③將樣品配制為待測(cè)液;④應(yīng)用火焰原子吸收光譜儀檢測(cè)待測(cè)元素。

2.4 污染評(píng)價(jià)

本文主要采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和地累積指數(shù)法進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法：

(1)

式(1)中：P是采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)；max(Pi)為采樣點(diǎn)重金屬污染物單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值，Pi為單因子指數(shù)平均值。

該方法能夠全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀，是土壤污染評(píng)價(jià)中最為常用的方法之一，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)

地累積指數(shù)法：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(2)

式(2)中：Cn是元素n在樣品中的濃度；Bn為背景濃度；k為修正指數(shù)，一般為1.5。地累積指數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 地累積指數(shù)Igeo分類標(biāo)準(zhǔn)

2.5 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究使用瑞典科學(xué)家Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)研究區(qū)土壤及淋溶液進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

表3 潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)范圍及潛在生態(tài)危害指數(shù)范圍

3 結(jié)果分析

3.1 土壤重金屬總量分布

拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊表層土壤中重金屬含量的測(cè)試結(jié)果如表4。與西藏自治區(qū)土壤背景元素值相比，Cu、Pb、Zn 3種重金屬元素平均含量值均超過當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸岛浚謩e是背景值的2.78、6.35、1.56倍，這與馬杰等[18]的研究結(jié)果相似；其中10個(gè)樣點(diǎn)的Cu含量均超過了背景值，Pb僅有一個(gè)樣點(diǎn)沒有超過背景值，Zn有6個(gè)樣點(diǎn)的含量超過了背景值。 Cr含量平均值與當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸岛肯嗨疲琈n的含量小于當(dāng)?shù)氐耐寥辣尘爸?，這說明該尾礦庫的尾礦堆積對(duì)周邊土壤的重金屬含量影響較明顯，尤其是Pb，其次是Cu、Zn。變異系數(shù)主要反映人為活動(dòng)對(duì)土壤重金屬的影響，變異系數(shù)小于0.15為弱變異，介于0.15～0.36之間為中度變異，大于0.36為強(qiáng)變異，變異系數(shù)越大，人為影響越明顯[19, 20]。對(duì)比變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，Cu、Pb、Zn的變異系數(shù)均大于0.36，即Cu、Pb、Zn均為強(qiáng)變異，Cr、Mn的變異系數(shù)均介于0.15～0.36之間為中等變異。相比之下，Pb的離散程度最高，即該元素受到外界因素干擾最大(表4)。

表4 尾礦庫周邊土壤重金屬含量

3.2 重金屬污染評(píng)價(jià)

3.2.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。由內(nèi)梅羅綜合指數(shù)平均值得，土壤主要受到Pb、Mn污染，其中Pb污染偏中度污染，Mn污染偏輕度污染；Cr與Cu較安全，Zn主要處于警戒值范圍；由內(nèi)梅羅綜合指數(shù)最大值得，尾礦庫周邊主要受到Pb、Mn污染，Cr、Cu安全，Zn介于警戒值之間。對(duì)比各重金屬的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)最大值和最小值發(fā)現(xiàn)，Pb的極差值最大，Mn的極差值其次，兩者的值均大于1.0，說明所有樣點(diǎn)均受到Pb、Mn污染。

表5 尾礦庫周邊土壤重金屬內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)

3.2.2 地累積污染指數(shù)法

地累積污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果如表6。從采樣點(diǎn)地累積污染指數(shù)平均值來看，土壤主要受Pb、Cu污染，其中Pb污染為中度污染，Cu污染為無污染-中度污染，而Cr、Mn、Zn不受污染；從地累積污染指數(shù)最大值來看，尾礦庫周邊主要受到Cu、Pb、Zn污染，Pb污染的污染程度甚至達(dá)到了極度污染，而Cr與Mn不受污染。湯波等[21]對(duì)陜西寧強(qiáng)燕子礬鉛鋅尾礦庫周邊土壤重金屬污染的研究也表明，周邊土壤受Pb、Cu污染，研究結(jié)果與之有相似之處(表6)。

表6 尾礦庫周邊土壤重金屬的累積污染指數(shù)評(píng)價(jià)

3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

Cu、Pb、Zn、Cr 4個(gè)重金屬元素的毒性效應(yīng)系數(shù)分別為：5、5、1、2。各元素及采樣點(diǎn)的潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)變化范圍及均值變化如表7，以西藏自治區(qū)土壤背景值為參比值，評(píng)價(jià)拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，Cu、Pb、Zn、Cr的潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)范圍分別為：4.04～28.41、4.41～151.78、0.26～2.96、1.22～3.74。以上4種重金屬中，Cu、Zn、Mn3種重金屬的潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)均小于30，為輕度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；而Pb的潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)極差較大，其中大部分樣點(diǎn)的潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)均小于40，在1T、6T點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)單項(xiàng)系數(shù)分別為：61.59、151.78，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為較強(qiáng)、很強(qiáng)。從潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)的平均值發(fā)現(xiàn)，Pb的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為輕度-中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而Zn、Cu、Cr為輕度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究區(qū)土壤中Pb為主要生態(tài)危害元素，對(duì)土壤有明顯的污染(表7)。

表7 尾礦庫周邊土壤重金屬潛在生態(tài)單項(xiàng)系數(shù)評(píng)價(jià)

由表8可知，尾礦庫周邊樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小為：6>1>2>7>5>8>3=4>9>10，其中1號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于[110,220)之間，存在中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而其余8個(gè)點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)均小與110，存在輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合樣點(diǎn)分布圖知，距離尾礦庫越近，樣點(diǎn)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高。

表8 尾礦庫周邊樣點(diǎn)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

(1)尾礦庫周邊土壤中重金屬Cu、Pb、Zn含量超標(biāo)且積累，以Pb的超標(biāo)率最高，尾礦庫周邊土壤中重金屬的含量大小為：Pb>Zn>Mn>Cu>Cr。

(2)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法結(jié)果表明，尾礦庫周邊主要受Pb、Mn污染，其中Pb為中度污染，Mn偏輕度污染。

(3)地累積指數(shù)法結(jié)果表明，尾礦庫周邊土壤主要受到Cu、Pb污染，其中Pb污染甚至達(dá)到極度污染，Cu污染主要為中度污染。

(4)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法結(jié)果表明，尾礦庫周邊土壤中Pb為中度風(fēng)險(xiǎn)，Cr、Cu、Zn為輕度風(fēng)險(xiǎn)。1號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)為存在中度潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，距離尾礦庫越近，重金屬的污染越嚴(yán)重，存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高。