謝金亮 趙慶圓,2

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.中國恩菲項目執(zhí)行長沙中心， 湖南 長沙 410012)

0 前言

近年來隨著采礦和冶煉業(yè)的不斷發(fā)展，礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境特別是土壤環(huán)境中重金屬的污染已成為環(huán)境污染較突出的一個問題[1-2]。采礦和金屬冶煉是土壤重金屬污染的一個重要來源，其生產過程中產生的尾礦、廢水、冶煉煙塵及污水灌溉對周圍土壤產生嚴重影響，土壤重金屬污染具有潛在的生態(tài)危害,已成為影響生態(tài)系統(tǒng)的重要污染源[3-4]。重金屬在土壤中的積累，不僅直接影響土壤理化性狀、降低土壤生物活性、阻礙養(yǎng)分有效供給，而且可通過植物富集吸收后經食物鏈進入人體，從而直接或間接地威脅人類安全和健康[5-6]。目前我國受重金屬不同程度污染的農田面積達6.06×109m2，礦山開發(fā)與冶煉引起的環(huán)境問題越來越受到人們的重視，其中鉛鋅礦山開采冶煉引發(fā)的環(huán)境污染問題尤為嚴重，礦區(qū)和冶煉區(qū)土壤重金屬污染成為當前研究熱點[7-9]。此外，國內外學者對礦區(qū)和冶煉區(qū)土壤重金屬的形態(tài)生物可利用性及有效性也進行了研究，結果表明，Pb、Zn和Cd容易遷移，易被生物體利用,有較大潛在生態(tài)危害[10-12]。

本研究以廣西某鉛鋅礦礦區(qū)周邊受到重金屬污染的農田土壤為對象，調查研究該區(qū)附近農田土壤中重金屬的污染特征并對其污染狀況進行評價，以期對礦區(qū)周邊地區(qū)受到重金屬污染的農田土壤的安全利用和生態(tài)修復以及該礦區(qū)后期的開發(fā)利用提供科學性參考依據(jù)。

1 土壤重金屬污染狀況的評價方法

1.1 研究區(qū)工程概況

研究區(qū)原鉛鋅礦生產期間，對采選礦產生的廢水、廢礦石、尾礦未進行有效處理，使礦區(qū)及周邊的水、土壤環(huán)境受到重金屬污染，影響到附近村莊居民的身體健康，同時采礦遺留的廢石堆場也存在地質災害風險。鉛鋅礦礦區(qū)發(fā)育的地表溪流最終通過地下巖溶管道匯入下游某水庫。然后，這些水體作為農田灌溉用水，成為污染物遷移最主要的載體，從而使得灌溉的農田逐漸受到污染，前期有關調查已經在農田土壤中檢測到重金屬污染物。

1.2 樣品采集方法

1.2.1 網格布點

樣品采集時間為2017年10月15—24日，為了使采集的監(jiān)測樣品具有好的代表性，避免一切主觀因素，使組成總體的個體有同樣的機會被選入樣品，本項目采用網格布點法確定土壤調查采樣點，網格間距為100 m。在具體放點時，可根據(jù)實際情況適當調整網格點的經緯度，使采樣點避開河流、居民房屋及道路等區(qū)域，這樣采集的樣品更具有代表性。另外，為了了解調查區(qū)域農田土壤與周邊區(qū)域農田土壤環(huán)境狀況的差異，在調查區(qū)域外圍1.0～2.0 km內，布設了農田表層土壤背景采樣點6個。本項目共采集了104個點位388個樣品，農田土壤采樣點分布如圖1和圖2所示，土壤背景采樣點分布如圖3所示。

圖1 A區(qū)(a村莊)農田土壤布點

圖2 B區(qū)(b、c、d村莊)農田土壤布點

圖3 土壤背景點布點

1.2.2 采集剖面樣

本項目污染農田土壤主要采集剖面樣，剖面樣采樣探坑的規(guī)格為長1.5 m、寬0.8 m、深2.2 m。探坑采用人工開挖，開挖時，表土和底層土分兩側堆放，采樣剖面向陽，便于觀察。表層采樣0～20 cm，第二層采樣20～70 cm，第三層采樣70～120 cm，第四層采樣120～170 cm，第五層采樣170～220 cm。若個別土壤采樣點遇基巖或地下水，采樣層厚度不足時，按實際情況取樣。采樣次序自下而上，先采剖面底層樣品，再采中層樣品，最后采上層樣品。因為本項目主要關注污染物為重金屬，所以，采樣時先用木鏟刮去探坑開挖時與金屬器具接觸的部分再用木鏟采樣；對于用金屬采樣器采樣的，同樣用木鏟刮去接觸部分。剖面每層樣品采集1 kg左右。

采樣完成后，所有樣品盡快轉移到低溫保溫箱內并送專業(yè)實驗室進行保存和檢測。樣品采集完成后，經分類、整理和包裝，于當?shù)貢簳r保存或即時發(fā)往具有CMA認證的檢測單位，重金屬污染土壤檢測樣品包括pH、Pb、As、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni等9項指標，各項目監(jiān)測分析方法由檢測單位按相關標準技術規(guī)范進行[13]。

1.3 評價方法

以標準[14]中的二級標準為基準，采用環(huán)境質量指數(shù)法對鉛鋅礦區(qū)的土壤質量進行評價，所采用的指數(shù)評價模型為單因子污染指數(shù)評價和內梅羅綜合污染指數(shù)評價[15]。

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是一種傳統(tǒng)的重金屬污染評價方法，對于農田土壤、地表水和地下水都采用該方法評價[16]，其公式見式(1)、(2)、(3)，評價結果見表1。

Pi=ci/Si

(1)

式中：Pi——樣品中重金屬的單項污染指數(shù)；

ci——樣品中重金屬的實測值，mg/kg；

Si——二級標準，mg/kg。

當pH≤7.0時，

(2)

當pH>7.0時，

(3)

式中：pHj——j點的pH實測值；

pHsd——水質標準中pH值的下限值；

pHsu——水質標準中pH值的上限值。

表1 土壤單因子污染指數(shù)評價標準

1.3.2 內梅羅綜合指數(shù)法

內梅羅綜合污染指數(shù)法是目前國內外重金屬污染普遍采用的一種綜合性評價方法[17-18]。該方法能更加全面地反映不同重金屬因子對土壤和農作物污染的作用，計算公式見式(4)，評價結果見表2。

(4)

式中：PN——綜合污染指數(shù)；

Pmax——單項污染指數(shù)最大值；

Pave——單項污染指數(shù)Pi的平均指數(shù)。

表2 土壤內梅羅污染指數(shù)評價標準

1.3.3 土壤評價標準

本項目調查對象為農田，故按標準[14]中Ⅱ類土壤環(huán)境質量二級標準(可允許范圍內最大值)執(zhí)行，其標準見表3。因檢測土壤樣品的pH值平均值為7.04，因此采用pH在6.5～7.5內的標準值。

表3 土壤環(huán)境質量二級標準 mg/kg

2 結果與分析

2.1 項目區(qū)土壤背景值及重金屬含量檢測結果分析

土壤背景值采樣點有6個，檢測結果見表4，項目區(qū)土壤重金屬含量見表5。由表4可知，本項目場地土壤背景As、Hg含量較高，超過土壤二級質量標準的點位較多。

2.2 單因子評價結果分析

對土壤樣品污染指數(shù)結果進行統(tǒng)計評級，結果見表6。由表6可知，調查區(qū)土壤中Cu、Ni和Cr只有個別點位超標，且濃度較低，表明Cu、Ni和Cr在調查區(qū)無明顯污染；Zn、Hg的污染濃度和范圍較大，在調查區(qū)存在明顯污染，但根據(jù)背景采樣點的檢測結果可知，其背景值也較高；Cd、As和Pb的在調查土樣中存在一定數(shù)量的超標點位，表明調查區(qū)存在Zn、Cd、As、Hg和Pb的污染。

表4 土壤背景值采樣點檢測結果 mg/kg

注：“ND”表示未檢出

表5 污染物含量對比表 mg/kg

表6 土壤樣品中重金屬單因子污染指數(shù)評價統(tǒng)計結果

2.3 內梅羅指數(shù)評價結果分析

采用內梅羅綜合指數(shù)法來表征各采樣點位的綜合污染情況，數(shù)值越大說明該點位污染越嚴重[19]，結果見表7。土壤重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2016進行分析，通過ArcGIS10.5中的反距離加權插值法(冪參數(shù)設置為2)對調查區(qū)域內(面積為1 443畝)超標污染物的空間分布特征進行數(shù)值模擬分析，并在投影坐標系WGS1984 World Mercator下計算不同污染等級的占地面積[20-21]，如圖4所示。

由表7可知，重金屬污染在表層土壤中污染最嚴重，隨著深度的增加重金屬濃度有所降低，重金屬污染超標點位比例由0～0.20 m土壤層的87.85%隨土壤層深度逐漸降低，這表明隨著土壤深度的增加，土壤污染有變輕的趨勢。但同時也注意到表層以下土壤超標率變化不大，即使在深層土壤中，重金屬超標點位比例依然很高，其可能有背景值較高的貢獻，但同時也說明調查區(qū)重金屬污染情況不容樂觀。

表7 土壤樣品分層內梅羅指數(shù)評價結果

圖4 不同采樣層內梅羅指數(shù)分布

2.4 根據(jù)采樣區(qū)域進行分析

對礦區(qū)附近a、b、c、d四個村屯的農田土壤樣品進行分析統(tǒng)計以及內梅羅指數(shù)評價，結果見表8。

表8 各調查區(qū)土壤受污染程度統(tǒng)計 %

從表8的調查結果來看，a村所采集土壤樣品中受污染土壤樣品數(shù)占總樣品數(shù)的59.7%，其中中度及重度污染樣品數(shù)占總樣品數(shù)的20.8%；b村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為94.1%，中度及重度污染所占比例為40.5%；c村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為75.3%，中度及重度污染所占比例為16.6%；d村受污染土壤樣品數(shù)所占比例為94.0%，中度及重度污染所占比例為76.4%；由此可見重金屬在各調查區(qū)域均存在著較為嚴重的的污染情況，其中b村和d村受污染范圍和程度最大，其次為a村和c村兩個調查區(qū)域。

3 結論

根據(jù)前期搜集資料以及調查結果可知，原鉛鋅礦開礦產生的廢石、尾礦庫內的尾礦、各廢石場和含重金屬的礦井涌水是鉛鋅礦礦區(qū)農田的污染源。在降水、地表水徑流和地下水溶淋、沖刷等作用下，重金屬經水力作用遷移到下游，經農田灌溉系統(tǒng)，造成礦區(qū)附近a、b、c、d四個村屯的農田受到重金屬污染。本調查采用100 m×100 m網格布點法，對調查區(qū)域內1 433畝重金屬污染農田進行了系統(tǒng)的調查與分析，得出以下結論：

1)調查范圍內，Zn、Hg、As和Cd超過土壤二級標準值的樣品數(shù)較多，占總樣品數(shù)比例分別為61.90%、69.28%、33.49%和11.55%，污染較嚴重。Pb、Cr、Ni、Cu超標率較低，占比分別為6.92%、6.24%、11.78%和0.46%。其中Cu僅有2個土壤樣品受到輕微污染，Cr的27個超標樣品均為輕微污染，Ni超標點位均分布在長屯。土壤背景值調查，As、Hg的含量較高。

2)表層0～0.20 m土壤采樣層中，污染嚴重，受污染土壤樣品占比為87.85%，主要污染物為Zn、Hg、As和Cd，重污染和中度污染樣品數(shù)占比高。0.20～0.70 m土壤采樣層中，Cu元素不超標，其中污染物Hg、Zn、As和Ni的含量最高，對所有樣品進行內梅羅指數(shù)評價，受污染土壤樣品數(shù)71個，占總樣品數(shù)的66.36%。

3)調查區(qū)域內，在0～2.20 m垂直向上表層污染最嚴重，其余各分層的污染程度均比表層低，污染程度變化不明顯，其污染樣品也以輕度污染為主。調查范圍內，Zn、Pb、Cd含量在垂向上由表層至深層，超標率逐漸減小，Hg、As、Cr等含量在垂向上無明顯變化，其中Cd主要是0～0.20 m土壤采樣層超標。

4)調查區(qū)域內各個村屯農田土壤中均存在著較為嚴重的的污染情況，b、d村污染程度和范圍最大，受污染土壤樣品占比均在94%以上，其次c村為75.3%，a村為59.7%。各個村屯中均是表層污染最重，且以重污染和中度污染為主。