衡陽水口山鉛鋅礦區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀的分析

李 貴，童方平，劉振華

衡陽水口山鉛鋅礦區(qū)重金屬污染現(xiàn)狀的分析

李 貴，童方平，劉振華

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以衡陽水口山鉛鋅礦區(qū)及其周圍地區(qū)為研究對象，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法分析了自然土壤(A層、C層)樣品中不同重金屬( Pb、Zn、As、Cu、Cd、Hg)的污染特征和污染程度。結(jié)果表明：受鉛鋅選礦和冶煉活動(dòng)的影響， 研究區(qū)土壤明顯受到重金屬的污染，尤其是在嚴(yán)重污染區(qū)域，土壤中 Pb、Cd、Cu、Zn、As、Hg含量最高分別達(dá)2691.88、28.91、376.91、135.91、1309.00、2.78 mg / kg。研究區(qū)4個(gè)地點(diǎn)中，Cd的單因子污染指數(shù)均大于其它5個(gè)指標(biāo)，其綜合污染指數(shù)大小順序?yàn)槲采硥危镜V區(qū)農(nóng)田＞冶煉廠＞康家灣采選地；其中冶煉廠和康家灣采選地中Cd的單因子污染指數(shù)最大，高達(dá)273.78，Cu最小，也達(dá)到7.83，兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為：Cd＞ Hg ＞Pb ＞As ＞ Zn＞Cu；尾砂壩和農(nóng)田中Cd的單因子污染指數(shù)最大，達(dá)到93.03，Zn最小，為1.14，兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為：Cd＞ Pb＞ As ＞ Cu＞ Hg ＞ Zn。研究區(qū)土壤中重金屬綜合污染已相當(dāng)嚴(yán)重，4個(gè)地點(diǎn)綜合污染級別均超過最大污染級別4，其中存在著嚴(yán)重的Cd、Pb、Hg和輕度的Zn、As復(fù)合污染。

鉛鋅礦區(qū)；重金屬；內(nèi)梅羅污染指數(shù)；污染評價(jià)

礦山的開采和冶煉，將地下一定深度的礦物暴露于地表環(huán)境。致使礦物的化學(xué)組成和物理狀態(tài)發(fā)生改變，增加了重金屬向環(huán)境釋放的機(jī)會(huì)，同時(shí)，由于硫化物氧化產(chǎn)酸，改變了水體pH值或酸化程度，增加無機(jī)鹽成分和水硬度，鉛鋅礦的開采和選冶造成的環(huán)境污染尤為嚴(yán)重，常常將其中重金屬等有毒元素釋放到環(huán)境中，它們在自然環(huán)境中過度積累，會(huì)導(dǎo)致河流底泥以及地表水和地下水甚至空氣污染；由于重金屬不能被土壤微生物降解，它們在土壤和植物體內(nèi)不斷積累，并通過生物鏈最終積累在人體中，嚴(yán)重危害人體健康，影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。因此，礦山開采引起的環(huán)境問題己引起有關(guān)部門越來越多的關(guān)注[1-7]，已成為環(huán)境地球化學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，其中重金屬污染引發(fā)的環(huán)境問題尤為重要。

水口山礦區(qū)位于湖南省衡陽市（常寧市松柏鎮(zhèn)），沿湘江南岸東西向分布，是一個(gè)多產(chǎn)的鉛鋅采礦帶，是我國主要的鉛鋅生產(chǎn)基地之一。該礦區(qū)具有一百多年的開采歷史，長期的鉛、鋅及銅礦等的開采和冶煉活動(dòng)嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，對湘江流域也造成了相當(dāng)程度的污染，目前，一些學(xué)者對湘江湖南段的重金屬污染進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方面的評價(jià)研究[8-14]，但是，有關(guān)水口山礦區(qū)及其周圍土壤中重金屬污染分布特征及其生態(tài)危害的研究較少。本實(shí)驗(yàn)研究了水口山鉛鋅礦區(qū)及其周圍表層土壤(A層)和土壤母質(zhì)（C層）中主要重金屬 (Pb、Zn、Cu、Cd、As、Hg)的污染特征及污染程度，旨在對礦區(qū)金屬礦床的開采對其周圍土壤環(huán)境的影響進(jìn)行評估，研究結(jié)果有助于全面了解鉛鋅礦區(qū)及周圍區(qū)域土壤重金屬污染的程度及其危害，可為礦區(qū)土壤重金屬污染防治與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地基本概況

土壤樣品 2011年1月采集于衡陽水口山鉛鋅礦區(qū)及其周圍約50 km2的區(qū)域內(nèi)。水口山鉛鋅礦區(qū)沿湘江南岸東西向分布，大規(guī)模礦產(chǎn)開采及冶煉活動(dòng)主要集中在該區(qū)。研究區(qū)域以水口山礦區(qū)為中心，涉及冶煉廠、礦山區(qū)、尾沙壩以及農(nóng)田等區(qū)域，采樣點(diǎn)區(qū)域地貌類型以崗丘為主，土壤以水稻土、紅壤土和黃壤土為主。農(nóng)田基本廢棄成荒地，崗地和丘陵上植被主要為灌木、草本。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)溫潤氣候區(qū)，常年平均氣溫17.9 ℃，最熱為7～8月，平均最高氣溫34.7 ℃;最冷為 1～2月，平均最低氣溫-0.5 ℃。

1.2 樣品采集及處理

本研究共采集了冶煉廠、康家灣采選地、尾沙壩、礦區(qū)農(nóng)田共33個(gè)采樣點(diǎn)的土壤樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集A層(0～20 cm)和C層(20～60 cm)土壤樣品，且每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。采樣地土壤植被類型主要為灌木和草本等天然植被，采集后將樣品裝入聚乙烯袋中密封。樣品經(jīng)105 ℃烘干，搗碎研磨，過100目篩，然后保存于封口袋中，置于干燥器中備用。

1.3 分析方法

樣品采用混合酸消解法：HCl-HNO3-HClO4。用火焰原子吸收光譜法測定Pb、Cd、Cu、Zn的含量，原子熒光光譜法測定As、Hg的含量。整個(gè)分析過程所用試劑均為優(yōu)級純，實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水，分析過程中采用平行雙樣，以國家標(biāo)準(zhǔn)樣品控制測定質(zhì)量。

1.4 評價(jià)方法

為了能夠定量反映鉛鋅礦區(qū)土壤中各種重金屬污染程度，選用單因子污染指數(shù)法和N．L．Nemerow綜合污染指數(shù)法等方法進(jìn)行評價(jià)。

1) 單因子污染指數(shù)法[4-5]。計(jì)算公式如下：

式中：Pi為樣品中污染物i單因子污染指數(shù)，具體反應(yīng)某污染物超標(biāo)倍數(shù)和程度；Ci為樣品中污染物i實(shí)測值，mg/kg；Si為污染物i的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/kg。

當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示樣品未受污染；Pi＞1時(shí)，表示樣品已被污染。Pi的值越大，說明樣品受污染越嚴(yán)重。

2) 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[6]。計(jì)算公式如下：

式中：Pj為第j種用途的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Fave為Ci/Sij比值加和之后的平均值，F(xiàn)max為Ci/Sij比值中最大的一項(xiàng)；Ci為第i種污染因子的實(shí)測濃度；Sij為第i種污染因子j種用途的標(biāo)準(zhǔn)值或背景值。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)反映了各污染物對土壤的作用，同時(shí)突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可按內(nèi)梅羅污染指數(shù)，劃定污染等級。內(nèi)梅羅指數(shù)土壤污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

各種數(shù)據(jù)用Excel統(tǒng)計(jì)，采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析、多重比較以及相關(guān)性分析。

表1 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria of soil Nemerow pollution index

2 結(jié)果與分析

2.1 礦區(qū)土壤重金屬污染空間分布特征

由研究區(qū)不同土層厚度土壤重金屬含量（表2）分析可知：4個(gè)采樣點(diǎn)的0～20 cm土層 Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20～60 cm土層的含量。冶煉廠的Zn、Hg含量大于其它3個(gè)地點(diǎn)，其中Zn含量達(dá)到129.15 mg/kg，Hg含量達(dá)到1.51 mg/kg ；尾砂壩Cd、Cu含量大于其它3個(gè)地點(diǎn)，其中Cd含量高達(dá)22.08 mg/kg，Cu含量達(dá)到328.43 mg/kg ；礦區(qū)農(nóng)田的Pb、As 含量大于其它三地點(diǎn)，Pb含量高達(dá)1956.50 mg/kg，As 含量達(dá)到836.91 mg/kg 。

2.2 礦區(qū)土壤重金屬含量水平

從研究區(qū)四地點(diǎn)土壤中6個(gè)重金屬元素的含量變化及方差分析(表3、表4)看出：4地點(diǎn)土壤中重金屬含量存在顯著性差異，其中Cd、Pb、As含量差異則達(dá)到極顯著性水平；四地點(diǎn)中，重金屬元素含量相對較低的是康家灣采選地，其中Pb含量大小順序?yàn)椋旱V區(qū)農(nóng)田＞尾沙壩＞冶煉廠＞康家灣采選地，Cd、Cu、As含量大小順序?yàn)椋何采硥危镜V區(qū)農(nóng)田＞冶煉廠＞康家灣采選地，Zn、Hg含量大小順序?yàn)椋阂睙拸S＞礦區(qū)農(nóng)田＞尾沙壩＞康家灣采選地。

表2 4地點(diǎn)不同厚度土層土壤重金屬的含量Table 2 Contents of four sites soil heavy metals at different soil thickness layer

表3 4地點(diǎn)土壤重金屬含量的變化?Table 3 Changes of heavy metals content at four sites in soil

2.3 礦區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)

利用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計(jì)算得四個(gè)采樣地土壤中重金屬的單因子污染指數(shù)Pi、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P綜見表5。

從表5中各采樣地重金屬的單因子污染指數(shù)看，冶煉廠的除Cu單因子污染指數(shù)小于1，其余5個(gè)指標(biāo)As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1；康家灣采選地礦山區(qū)的Cu、As 、Zn單因子污染指數(shù)基本小于1，但都接近1，而其余Cd、Hg、Pb均大于1；尾砂壩和農(nóng)田的Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1。

綜合污染指數(shù)P綜的結(jié)果(表5)表明，4個(gè)地點(diǎn)土壤33個(gè)采樣點(diǎn)中有28個(gè)采樣點(diǎn)重金屬綜合污染級別100%超過最大污染級別4。4地點(diǎn)中，Cd的單因子污染指數(shù)均大于其它5個(gè)指標(biāo)，其綜合污染指數(shù)大小順序?yàn)槲采硥危镜V區(qū)農(nóng)田＞冶煉廠＞康家灣采選地；其中冶煉廠和

康家灣采選地中Cd的單因子污染指數(shù)最大，Cu最小，兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為：Cd＞Hg＞Pb＞As＞Zn＞Cu；尾砂壩和礦區(qū)農(nóng)田中 Cd的單因子污染指數(shù)最大，Zn最小，兩地點(diǎn)單因子污染指數(shù)大小順序均為：Cd＞ Pb＞As＞Cu＞Hg＞Zn。

表4 4地點(diǎn)土壤重金屬含量方差分析Table 4 Variance analysis of four sites soil heavy metal contents

表5 水口山鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬的單因子污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)Table 5 Single factor and integrated pollution index of soil heavy metals in Shuikoushan Pb-Zn mining and smelting area

3 結(jié)論與討論

冶煉廠、康家灣采選地、尾砂壩、礦區(qū)農(nóng)田4個(gè)地點(diǎn)土壤中As、Pb、Hg、Cd、Zn、Cu含量有顯著性差異，其中Cd、Pb、As含量差異則達(dá)到極顯著性水平。4個(gè)采樣點(diǎn)的0～20 cm土層 Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20～60 cm土層同類元素的含量，這說明重金屬在土壤中主要累積在表層土，向深層土遷移的速率比較緩慢，這與其他學(xué)者研究結(jié)論一致[15]，這是因?yàn)橥寥乐械闹亟饘傥廴疚镉捎跓o機(jī)及有機(jī)膠體對陽離子的吸附、代換、絡(luò)合及生物作用的結(jié)果，導(dǎo)致大部分被固定在耕作層中。

根據(jù)土壤采樣的技術(shù)規(guī)程，以內(nèi)梅羅污染指數(shù)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，冶煉廠的除Cu單因子污染指數(shù)小于1，其余5個(gè)指標(biāo)As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1；康家灣采選地的Cu、As 、Zn單因子污染指數(shù)基本小于1，但都接近1，而其余Cd、Hg、Pb均大于1；冶煉廠、康家灣采選地的重金屬污染大小順序一樣：Cd＞Hg＞Pb＞As＞Zn＞Cu。尾砂壩和礦區(qū)農(nóng)田的 Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb單因子污染指數(shù)均大于1，兩者重金屬污染的大小順序是：Cd＞Pb＞As＞Cu＞Hg＞Zn。

依據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)各地點(diǎn)土壤中Cd污染最為嚴(yán)重，且存在著嚴(yán)重的Cd、Pb、Hg和輕度的Zn、As復(fù)合污染，這種復(fù)合污染成為研究區(qū)很多樹種生長發(fā)育和生存的限制因子，從而導(dǎo)致尾砂壩寸草不生的狀況，使得礦區(qū)植被呈現(xiàn)喬木稀少，多以灌木、草本為主的格局，在以后的礦區(qū)植被恢復(fù)應(yīng)用中，必須選擇耐多種重金屬的樹種，以達(dá)到生態(tài)修復(fù)礦區(qū)土壤、快速恢復(fù)植被的目的。

鉛鋅礦床是典型的多種金屬伴生礦床，由于單一采礦目標(biāo)，使得采礦與選冶成了“掠奪式”，這種方式導(dǎo)致除鉛、鋅以外重金屬元素暴露于地表，經(jīng)滲透或地表水作用進(jìn)入礦區(qū)土壤環(huán)境中，不僅造成資源浪費(fèi)，而且造成環(huán)境重會(huì)屬污染。研究結(jié)果表明：調(diào)查的6個(gè)重金屬元素中，Cd、Hg、Pb等對土壤環(huán)境已造成污染，且污染級別已達(dá)到極強(qiáng)污染程度。

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Analysis on pollution of heavy metal in Shuikoushan Pb-Zn mining and smelting area in Hengyang

LI Gui, TONG Fang-ping, LIU Zhen-hua
(Hunan Forestry Academy, Changsha 410004，Hunan，China)

By using single-factor pollution index and Nemerow pollution index method, the pollution degree and pollution characteristics of heavy metal ( Pb, Zn, As, Cu, Cd and Hg) in the national soil samples(A horizon and C horizon ) in Shuikoushan Pb/Zn mining and smelting area and surrounding areas in Hengyang, Hunan. The results show that the soils of the studying area were subject to heavy metal pollution, especially in the serious pollution regions, affected by lead and zinc ore dressing and smelting activities, and the contents of Pb, Cd, Cu, Zn, As and Hg in soils were up to 2691.88, 28.91, 376.91, 135.91, 1309.00, 2.78 mg / kg. The four sites in the study area, the Cd single factor pollution index was greater than the other five indicators, Nemerow pollution index ordered from big to small: Weishaba＞Nongtian＞Yelianchang＞Kangjiawan; the yelianchang and the Kangjiawan’s Cd single factor pollution index were the biggest, up to 273.78, that of Cu were the minimum, being 7.83, the two sites’ single factor pollution index ordered by magnitude:Cd＞ Hg＞ Pb＞ As＞ Zn＞ Cu; Weishaba and Nongtian’s Cd single-factor pollution index were the biggest, up to 93.03 and that of Zn were the smallest, being 1.14, the two sites’ single factor pollution index were in the order: Cd＞ Pb＞ As＞ Cu＞ Hg＞ Zn. The soil heavy metal comprehensive pollution is relatively serious in the four tested mining areas, integrated pollution level of the four sites exceed the maximum contamination 4 level, there were serious degree Cd and Pb, Hg and mild degree of Zn, As combined pollution.

Pb-Zn mining and smelting area; heavy metal; Nemero index; pollution assessment

S719；X53

A

1673-923X (2012)07-0105-05

2012-04-10

湘江流域重金屬面源污染控制項(xiàng)目；國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2009ZX07212-001-05）

李 貴（1980—），女，湖南邵陽人，實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要從事工業(yè)原料林遺傳改良與豐產(chǎn)栽培、礦山植被恢復(fù)及生物技術(shù)的研究；E-mail：loveligui@sohu.com

童方平（1964—），男，湖南桃源人，研究員，博士，主要從事工業(yè)原料遺傳改良與豐產(chǎn)栽培、礦山植被恢復(fù)及石漠化治理的研究；E-mail：tongfangping@sina.com

[本文編校：歐陽欽]