南方某鉛鋅礦礦區(qū)周邊農(nóng)用地土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

＊廖經(jīng)慧李化偉 滕飛 駱檢蘭

（湖南省地球物理地球化學(xué)調(diào)查所 湖南 410114）

鉛鋅礦是我國(guó)重要的礦產(chǎn)資源，鉛鋅礦采選及冶煉過程中的礦坑涌水、選礦廢水、尾礦廢渣等處理不當(dāng)會(huì)引起礦區(qū)周邊土壤中的Pb、Cd、Zn、As等多種重金屬復(fù)合污染問題。

湖南省是農(nóng)業(yè)大省，同時(shí)也是著名的“有色金屬”之鄉(xiāng)，受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)的影響，重金屬污染問題突出。根據(jù)近年來開展的全省農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量調(diào)查結(jié)果了解，湖南省被污染的耕地面積高達(dá)71.52hm2、占全省耕地總面積的23.7%[1]。

本文選擇了湖南省桂陽縣某鉛鋅礦礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)其重金屬污染水平，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確保全面把控研究區(qū)農(nóng)田的污染狀況，為該區(qū)后續(xù)的修復(fù)治理及重金屬污染管控提供參考。

1.材料與方法

（1）研究區(qū)概況。以湘南某鉛鋅礦區(qū)為研究對(duì)象，總體地勢(shì)西南高、東北低，中部高、東西兩側(cè)低。區(qū)內(nèi)地層巖性主要為石炭系灰?guī)r，水系不發(fā)育，無大型河流，水源主要大氣降水，土壤類型以石灰土、紅壤、水稻土為主。礦區(qū)開采歷史悠久，老窿民采在礦區(qū)內(nèi)星羅密布，開采深度超百米，近年資源整合后現(xiàn)有采礦企業(yè)3家，選礦企業(yè)3家，使用中尾礦庫4個(gè)。

（2）樣品采集與分析測(cè)試。根據(jù)對(duì)礦區(qū)污染源現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，選擇可能受礦區(qū)污染的基本農(nóng)田，采集0～20cm耕作層土壤樣品，土壤樣品采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，采樣網(wǎng)格不大于500m×500m，共采集農(nóng)田土壤樣品16件。其中Cd、Pb、Cu、Zn、Ni、Tl的含量采用《全國(guó)土壤污染狀況詳查土壤樣品分析測(cè)試方法技術(shù)規(guī)定》電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）進(jìn)行測(cè)定；As、Hg的含量采用《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定微波消解/原子熒光法》（HJ 680-2013）進(jìn)行測(cè)定。每批樣品監(jiān)測(cè)平行樣比例不少于10%，平行樣的結(jié)果誤差控制在10%以內(nèi)，同時(shí)采樣標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制。

（3）評(píng)價(jià)方法。本文選用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法對(duì)研究區(qū)農(nóng)田土壤的重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。單因子指數(shù)法中標(biāo)準(zhǔn)值采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）中水田風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其中Tl無篩選值，標(biāo)準(zhǔn)值參考研究區(qū)所在構(gòu)造單元華南褶皺系鉈背景值。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，Cd、Pb、Zn、As、Hg、Cu、Ni的毒性影響系數(shù)[2]分別為35、5、1、10、40、5、5，鉈和砷具有相似的毒性特征，因此鉈的毒性響應(yīng)系數(shù)參考砷的毒性響應(yīng)系數(shù)取10[3]。污染評(píng)價(jià)與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土壤重金屬污染等級(jí)劃分及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]

2.結(jié)果與分析

(1)土壤重金屬含量

研究區(qū)農(nóng)田土壤的重金屬含量的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，結(jié)果顯示：土壤pH值范圍為5.04～8.40，主要呈弱堿性。Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cu、Ni的含量全部超過背景值[5]，Tl超背景值比例為87.5%。全部點(diǎn)位的Cd、Pb和大部分點(diǎn)位的As、Zn、Cu超出了農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，其中62.5%的鎘和31.3%的Pb、As還超出了風(fēng)險(xiǎn)管控制，該地區(qū)重金屬污染較為嚴(yán)重，已不適宜作為農(nóng)用地繼續(xù)使用。由變異系數(shù)可知，Pb、Zn的大于100%，屬于強(qiáng)變異，As、Tl、Cu、Cd、Hg、Ni變異系數(shù)均超過20%，屬于中等變異[6]，說明8種重金屬元素均受到不同程度人為活動(dòng)的干擾。

表2 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

①單因子指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)法。研究區(qū)水田土壤的重金屬單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果見表3，Cd、Pb、Zn、As的均值大于5，污染程度為重度污染。Cd、Pb的污染率占比達(dá)100%；存在重度污染水平的有Cd、Pb、As、Zn、和Tl，重度污染占比分別為62.5%、31.25%、37.5%、37.5%和18.75%；Hg、Ni都處于清潔水平。研究區(qū)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍為2.83～42.4，點(diǎn)位污染率達(dá)100%，其中重污染占比87.5%，中度污染占比12.5%。可見，研究區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬污染嚴(yán)重。

②地累積指數(shù)法。8種重金屬的地累積指數(shù)均值為Cd＞Pb＞Zn＞As＞Tl＞Cu＞Hg＞Ni，其中Cd、Pb為重度污染、Zn、As為中度污染、Tl、Cu、Hg為輕度污染，Ni清潔無污染。8種元素不同污染程度的占比情況見圖2，其中Cd、Pb、Zn、As的污染比例為100%，且Cd、Pb、Zn存在極重污染程度的情況，由此可見Cd、Pb、Zn、As含量的累計(jì)較為明顯，需重點(diǎn)關(guān)注。地累積指數(shù)與單因子指數(shù)分析得到的污染規(guī)律相似。

圖1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

圖2 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

③潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。8種重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，其均值大小為Cd＞Pb＞As＞Hg＞Tl＞Zn＞Cu＞，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）為532～6540，均值為2178，整體處于極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。圖3結(jié)果顯示Cd存在極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位占比為100%，另外部分點(diǎn)位的Pb、As也存在極強(qiáng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Ni、Cu、Zn、Tl以輕微潛在生態(tài)危害為主，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為極強(qiáng)程度的點(diǎn)位占比56.3%，綜上可知，研究區(qū)水田重金屬污染引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)極強(qiáng)，Cd、Pb、Zn為主要污染。

圖3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)圖

(3)土壤重金屬相關(guān)性分析

土壤中的元素不會(huì)獨(dú)立存在，而是存在一定的相關(guān)性，表4為研究區(qū)周邊農(nóng)田土壤中重金屬含量Spearman相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果，結(jié)果顯示Pb、Zn、Cd、As、Cu、Tl這6種元素之間有顯著相關(guān)性，說明其環(huán)境來源相似，可能受到鉛鋅礦采選活動(dòng)的影響。

注：**表示元素在P＜0.01級(jí)別上顯著相關(guān)；*表示元素在P＜0.05級(jí)別上顯著相關(guān)

表4 研究區(qū)農(nóng)田土壤重金屬元素之間的相關(guān)性

3.結(jié)論

（1）研究區(qū)水田土壤中重金屬Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cu、Ni含量全部超過湖南省“十一五”土壤重金屬背景值，Cd、Pb全部超過我國(guó)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，部分點(diǎn)位的Cd、Pb、As甚至超出我國(guó)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控制值，該鉛鋅礦區(qū)周邊水田土壤重金屬含量超標(biāo)嚴(yán)重，已不適合作為農(nóng)用地繼續(xù)使用。（2）各采樣點(diǎn)位內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)范圍為2.83～42.4，重度污染點(diǎn)位占比達(dá)87.5%；地累積指數(shù)結(jié)果顯示Cd、Pb、Zn、As的污染比例為100%，累計(jì)較為明顯，且Cd、Pb、Zn存在極重污染程度的情況。（3）針對(duì)研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)象，建議可進(jìn)一步開展垂向深度擴(kuò)散情況的研究，并采取源頭管控與修復(fù)治理的方法進(jìn)行整治，一方面強(qiáng)化礦山企業(yè)環(huán)境管理工作，廢氣、廢水達(dá)標(biāo)排放，固廢合理堆存處置；另一方面結(jié)合研究區(qū)污染狀況及現(xiàn)有先進(jìn)的土壤修復(fù)技術(shù)，選取合理的土壤重金屬修復(fù)治理方法。