任鴻飛， 楊家林， 馬彤禎

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450000； 2.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450000)

目前，我省正處于中原經(jīng)濟區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵時期，省委、省政府強調(diào)大力推進生態(tài)河南建設(shè)，促進經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。加強省內(nèi)尾礦庫區(qū)重金屬污染情況普查與治理工作，降低污染土壤對下游水源、土源的二次污染，提高環(huán)境承載力，契合我省生態(tài)建設(shè)的發(fā)展實際。

1 樣品采集

本次選擇嵩縣牛頭溝金礦尾礦庫作為研究對象，通過收集分析典型礦區(qū)尾礦庫的自然地理背景、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、礦產(chǎn)資源及其開發(fā)狀況、礦業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境的影響、礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理等資料，并對尾礦庫實地踏勘，初步查明了尾礦庫周邊地質(zhì)情況及尾礦庫現(xiàn)狀：該尾礦庫三面環(huán)山，下游為農(nóng)田，尾礦庫閉坑后表層土壤逐漸干燥，形成山谷型小沙漠，尤其到了冬春季節(jié)，風(fēng)起尾礦彌漫，給周圍環(huán)境帶來了極其惡劣的影響。引起這一系列問題的主要原因就是由于土壤重金屬污染嚴重，因此在嵩縣牛頭溝金礦尾礦庫進行了現(xiàn)場取樣分析。為了保證尾礦庫土壤取樣點的代表性，利用網(wǎng)格法采集尾礦庫土壤樣品9組用于相關(guān)特征污染物識別與分析，采樣點示意圖如圖1所示。

圖1 尾礦庫現(xiàn)場采樣點示意圖

除此之外，為了進一步研究土壤重金屬的遷移特點，另外采集了尾礦庫周圍生長的5種植物，用于植物體內(nèi)重金屬含量的檢測，以確定重金屬在植物體內(nèi)的富集情況，綜合土壤和植物中重金屬含量確定尾礦庫的主要污染物，為開展治理工作提供依據(jù)。

2 特征污染物的篩選

所謂特征污染物是指項目排放的污染物中除常規(guī)污染物以外能夠反映某種行業(yè)所排放污染物中有代表的部分，主要指項目實施后可能導(dǎo)致潛在污染或?qū)χ苓叚h(huán)境保護目標產(chǎn)生影響的特有污染物。該類污染物能夠顯示此行業(yè)的污染程度，一般可以從量上理解成排放較多的污染物的特有污染物。其所指在同一行業(yè)中由于生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品有所不同也是可以不同的，如制藥行業(yè)中COD、BOD、乙醇、丙酮等，再如汽車尾氣特征污染物為碳氫化合物、NOx等。

《尾礦庫環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》中特征污染物的定義為：尾礦成分和尾礦水成分中，能夠反映對周邊環(huán)境影響特征的典型污染物。因此對于對尾礦庫來說，重金屬即為該區(qū)域的特征污染物。根據(jù)所查閱金尾礦相關(guān)資料，結(jié)合牛頭溝尾礦庫的地質(zhì)特征，對所采集尾礦庫土壤進行以下幾種重金屬的檢測，不同采樣點土壤中重金屬的含量如表1所示。

表1 不同采樣點土壤中重金屬含量

從表1分析數(shù)據(jù)可以看出，以土壤中重金屬含量分析，本次研究區(qū)域牛頭溝尾礦庫存在的特征污染物以Hg、As、Cr、Ni、Cu、Cd、Pb和Mn等重金屬為主，各類重金屬離子在土壤中的分布含量差異較大，需要結(jié)合國家相關(guān)標準，篩選確定首要污染物的種類。

2.1 根據(jù)重金屬超標率篩選

根據(jù)所檢測的土壤重金屬含量，可以看出并非所有重金屬含量均超過相關(guān)國家標準及毗鄰地區(qū)背景值，因此需要篩選出適宜和典型的重金屬種類，即選出該區(qū)域的特征重金屬，進行重點研究和分析。本項目通過對檢測數(shù)據(jù)與國家二級標準對比得出各個采樣點重金屬的超標率和超標倍數(shù)，并以此為據(jù)篩選出所檢測數(shù)據(jù)中的重金屬特征污染物。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標準，各類重金屬的超標率如表2、圖2所示。

表2 尾砂重金屬含量及污染超標率

圖2 土壤中重金屬超標率

由表2和圖2數(shù)據(jù)可看出，所檢測的幾種重金屬中，As、Cd、Pb均有所超標，其中土壤中As含量超標率為33.33%，Cd、Pb超標率達到100%，因此可初步選定該三類重金屬作為尾礦庫的特征重金屬污染物。

2.2 根據(jù)植物體BCF篩選

除了重金屬的超標率以外，植物體內(nèi)的重金屬含量及富集程度也可以作為判斷特征污染物的指標之一。重金屬富集系數(shù)(BCF)又稱生物濃縮系數(shù)、生物濃縮率、生物積累率、生物積累倍數(shù)、生物吸收系數(shù)等。植物從沉積物中吸收、富集的重金屬，可以用富集系數(shù)來反映植物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強弱。重金屬富集系數(shù)是指植物某一部位的元素含量與土壤中相應(yīng)元素含量之比，它在一定程度上反映著沉積物，植物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度，說明重金屬在植物體內(nèi)的富集情況。5種植物體內(nèi)重金屬含量及BCF如表3和圖3所示。

表3 植物體重金屬含量

圖3 各類植物對重金屬的富集指數(shù)

由圖3可以看出，5種植物對Cd、Cu、Hg的富集程度高于其他幾類重金屬，表明這幾類重金屬在植物體內(nèi)更易遷移。此外，富集程度越高，表明該類重金屬更易被植物體吸收，更易從土壤中去除。另一方面，Pb、As等重金屬的富集系數(shù)相對較低，表明該類重金屬在土壤中的存在較為穩(wěn)定，不易被植物體吸收，容易留存在土壤中不斷遷移富集，造成更為嚴重的污染，更應(yīng)引起相關(guān)重視。

綜合上述研究結(jié)果，可以得出：本次研究的尾礦庫的Cd、Hg、Cu等三類重金屬，在植物體內(nèi)富集遷移容易，易于通過栽種植物等方式降低其在土壤中的含量；Pb、As等兩類重金屬在土壤中較長時間存在，容易造成污染物富集，污染影響范圍廣，需要采取相應(yīng)的措施予以治理。

2.3 根據(jù)污染因子的權(quán)重值Wi篩選

各種污染物對環(huán)境及人體的危害程度有很大差別。一般的，某種污染因子的危害性與該污染因子的相關(guān)標準基本上呈反比例的內(nèi)在關(guān)系。所以對參評重金屬的國家二級土壤標準進行大小排列，則數(shù)值最大的那項指標含量超標對土壤的影響能力相對最小，數(shù)值最小的那項指標的含量超標對土壤的影響能力相對最大。

首先將各種參評的重金屬的土壤標準si由小到大的順序排列s1、s2、……、sn，并將其最大值smax與si比較，并令ri表示第i種重金屬的相關(guān)性比值，則：

ri=smax/si

式中：si——各種污染因子對應(yīng)的標準值；smax——各污染因子標準值的最大值；Wi——各種污染因子的權(quán)重值。

本項目中各類重金屬的權(quán)重值如圖4所示，從圖中可以看出權(quán)重大小順位為：Cd>Hg>As>Pb>Ni>Cu>Cr。說明Cd、Hg、As、Pb的危害性相較于其他重金屬更高，故而在各種重金屬污染物中更具有代表性。

圖4 各類重金屬的權(quán)重值

2.4 根據(jù)Wi/BCF篩選

由上面的相關(guān)分析可以得到，重金屬所占的權(quán)重越高，則對于土壤的危害性更大，而植物富集系越大，則表明該類重金屬更易被植物體所吸收，更易從土壤中分離。因此將兩種指標相結(jié)合，以Wi/BCF的值來綜合篩選特征重金屬的種類，Wi/BCF越大則表明該類重金屬的危害更大，并以此為依據(jù)選出特征污染物。

首先根據(jù)各類植物的BCF計算出Wi/BCF，然后取平均值，各類重金屬的Wi/BCF如圖5所示。從圖中可以看出，各類重金屬的Wi/BCF的順位如下：Cd>Hg>As>Pb>Ni>Cr>Cu。由此可以得出，Cd、Hg、As、Pb四種重金屬對于土壤的危害程度更大，因此可以作為特征污染物的備選因子。

圖5 各類重金屬的Wi/BCF值

2.5 綜合篩選

通過對重金屬超標率、BCF、Wi、Wi/BCF等因素的綜合篩選，可以得出Cd、Pb、As三種重金屬可以選作該地區(qū)的特征污染物。此外，土壤中Hg的含量雖未超過相關(guān)標準，但由于其危害較大，也應(yīng) 引起對其的相關(guān)重視；土壤中的Mn雖然沒有相關(guān)的國家標準，但也超過了河南省的背景值，且植物體對Mn的富集程度也不高，故而也應(yīng)加強對其的治理。

3 土壤污染修復(fù)措施

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的核心介質(zhì)，是人類賴以生存的重要自然資源之一，土壤安全關(guān)系到人類自身的健康。尾礦庫中的重金屬通過遷移、富集作用，逐漸形成了危害生態(tài)系統(tǒng)及人類健康的土壤污染，亟待修復(fù)治理。針對尾礦庫土壤的重金屬污染調(diào)查得出的結(jié)論，針對性地開展修復(fù)工作，主要可以從以下幾個方面展開。

3.1 地貌重整

由于尾礦庫的土壤受到嚴重的重金屬污染，土壤貧瘠，地表剝蝕嚴重，在進行土壤復(fù)墾前，針對尾礦庫區(qū)域內(nèi)的地貌特征，應(yīng)首先使用大型機械對尾礦庫附近礦渣進行平整處理，初步翻耕以降低各個區(qū)域重金屬污染物分布的差異性，平整場地，以便于后續(xù)修復(fù)階段植被的大規(guī)模種植及后期修復(fù)管理工作的開展。

3.2 土壤基質(zhì)改良

土壤基質(zhì)的改良目的是改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤重金屬毒性和含量分布，增加土壤中的養(yǎng)分等，從而使得植物能夠正常生長。目前土壤基質(zhì)改良的方式主要有三類，即物理改良、化學(xué)改良和有機廢棄物改良。

結(jié)合本次研究區(qū)域的特點，建議采取上述三種方式相結(jié)合的改良方式，即首先進行覆土，取新鮮土源與礦區(qū)污染土壤進行翻耕，實現(xiàn)主客土壤的充分混合，分散重金屬的分布。同時加入石灰等化學(xué)改良劑，對土壤的酸堿性進行調(diào)整，并通過土壤酸堿度的改變，影響某些特征重金屬的遷移。最后在土壤翻耕過程中，輔以家畜糞便、農(nóng)作物秸稈、谷殼等生物有機肥深耕，改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤中有機質(zhì)含量，涵養(yǎng)水源，便于其他植物在尾礦庫土壤上進行生長，為開展植物修復(fù)工作奠定基礎(chǔ)。

3.3 植物篩選與種植

考慮到植被修復(fù)階段，受重金屬污染的尾礦庫土壤貧瘠，養(yǎng)分流失嚴重，生物鏈結(jié)構(gòu)破壞嚴重的缺點，單一的植物難以抗拒極端高污染土壤的影響，不易成活。采用灌木、喬木、草三類植被套種的方式，逐漸在尾礦庫上形成局部生態(tài)圈，可以增強種植植被的成活率，促進生態(tài)修復(fù)的效果，大幅度縮短生態(tài)修復(fù)的周期，加速重金屬污染土壤的利用效率。根據(jù)對項目研究區(qū)域的實際情況的考察，結(jié)合本地區(qū)現(xiàn)有植物生長狀態(tài)，我們給出了適合本尾礦庫種植植被生態(tài)修復(fù)的備選植物如下：

針對土壤中Pb、Cd、As超標的現(xiàn)狀，可以種植蜈蚣草、商陸、土荊芥、大葉井邊草、水蓼等植物，對土壤中的重金屬進行固定、富集，使重金屬逐漸隨植物吸收到土壤上部，降低污染程度。樹木以吸收Pb、As效果明顯的夾竹桃、旱柳等為主，與上述草類植物協(xié)同，促進土壤中重金屬含量的降低，降低受污染土壤的裸露面積，大幅度減弱因污染土壤隨風(fēng)飄散造成的污染源擴大，提高污染土壤生態(tài)治理的效果。增加地表植被覆蓋，涵養(yǎng)水源，減少礦區(qū)水土流失。

4 結(jié)論

通過研究人員深入尾礦庫區(qū)實地調(diào)研、取樣分析，綜合重金屬污染物分布特征與遷移、富集規(guī)律，結(jié)合土壤修復(fù)治理的相關(guān)理論基礎(chǔ)，取得的結(jié)論如下。

(1)通過對尾礦庫土壤多點位取樣分析，與污染物含量的相應(yīng)國家標準進行比較，確定了本次研究目標區(qū)域內(nèi)，含量超標的典型污染物為Pb、Cd、As、Hg、Mn，明確了土壤中的首要污染物，為土壤修復(fù)治理奠定了基礎(chǔ)，有的放矢，便于后期針對性的開展重金屬污染治理工作。

(2)針對上述特征污染物在土壤中的分布富集規(guī)律，結(jié)合土壤基質(zhì)修復(fù)的基本原理，建議采用物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和有機質(zhì)修復(fù)相結(jié)合的土壤修復(fù)方式，縮短受污染土壤修復(fù)周期，逐漸提高土壤肥效和生物承載力，降低重金屬對土壤微觀結(jié)構(gòu)和微生物群落的傷害，增強土壤涵養(yǎng)水源、蓄積養(yǎng)分的作用，為植物修復(fù)提供條件。

(3)通過對尾礦庫周邊典型植物取樣分析，確定了植物對重金屬富集、固定、轉(zhuǎn)移的基本情況。結(jié)合修復(fù)植物的生長習(xí)性，確定了以修復(fù)治理后的土壤為基礎(chǔ)，種植蜈蚣草、商陸、土荊芥、大葉井邊草、水蓼等植被和夾竹桃、旱柳樹種，形成區(qū)域內(nèi)的生態(tài)群，借助植物的吸附、富集、遷移作用，逐漸減少土壤中的重金屬含量，減弱尾礦庫重金屬的滲透污染和遷移轉(zhuǎn)化，降低污染影響范圍。