Pb/Zn尾礦對(duì)農(nóng)田污染的影響研究

袁繼委 徐威力 徐方曦 陳方圓

1.浙江省臺(tái)州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 浙江 臺(tái)州 318000

2.臺(tái)州市生態(tài)環(huán)境局臨海分局 浙江 臨海 317000

尾礦指排放的礦漿經(jīng)自然脫水后形成的固體礦業(yè)廢料。目前我國(guó)的尾礦堆存量已達(dá)207億t,且持續(xù)增長(zhǎng)[1]。植被覆蓋的缺乏導(dǎo)致尾礦區(qū)經(jīng)常遭受嚴(yán)重的水蝕和風(fēng)蝕,從而導(dǎo)致周邊的農(nóng)田與水體受到重金屬污染源[1]。尾礦植物修復(fù)和污染影響評(píng)價(jià)是當(dāng)前尾礦污染研究?jī)蓚€(gè)主要方面。但是當(dāng)前評(píng)估體系較為單一,對(duì)尾礦污染生態(tài)修復(fù)的綜合評(píng)價(jià)相對(duì)較少。需要結(jié)合污染修復(fù)效果、生物恢復(fù)和健康風(fēng)險(xiǎn)等綜合的評(píng)價(jià)體系對(duì)生態(tài)修復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

黃巖鉛鋅礦床儲(chǔ)量高,產(chǎn)生的尾礦多。大量尾礦堆積使降雨和坡面溪流攜帶重金屬,對(duì)下坡面農(nóng)田等造成潛在污染影響。本研究選擇黃巖鉛鋅礦尾礦及其下游農(nóng)田為研究區(qū)域,對(duì)植物修復(fù)效果、下游農(nóng)田污染情況、土壤動(dòng)物變化特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)已有尾礦污染修復(fù)措施的效果進(jìn)行評(píng)估,建立完整的評(píng)估體系,為該地區(qū)尾礦污染的預(yù)防和治理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和采樣點(diǎn)分布

黃巖鉛鋅礦位于臺(tái)州長(zhǎng)潭水庫(kù)水源飲用地的匯水區(qū)內(nèi)(28.36°N,120.55°E)。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫16.8°C,降雨量1320 mm。目前尾礦堆積地區(qū)域分為未修復(fù)區(qū)域和修復(fù)區(qū)域(圖1),修復(fù)區(qū)域中已人工種植植物五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)進(jìn)行修復(fù),并在尾礦堆積地最下端修筑堤壩防止污染下游農(nóng)田和水體。本研究選擇尾礦堆積地以及下坡面的農(nóng)田為研究對(duì)象。

從尾礦礦壩到山體坡面最下端的黃巖溪(圖1),分別選擇高程163、146、124、112和95 m的五個(gè)層面為5個(gè)采樣區(qū)域(I、II、III、IV和V),每個(gè)采樣區(qū)域隨機(jī)選取三塊獨(dú)立的農(nóng)田,總共15塊農(nóng)田作為研究對(duì)象。同時(shí),在尾礦堆積地選擇五節(jié)芒修復(fù)和未修復(fù)區(qū)域?qū)χ参镄迯?fù)效果進(jìn)行研究。

1.2 樣品采集與分析

在尾礦五節(jié)芒修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)分別隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)。每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)取土壤三份,充分混合后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干過篩。采用中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所(1978)的方法測(cè)定土壤p H、全氮、全磷和電導(dǎo)率。土壤消化后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在尾礦修復(fù)區(qū)的5個(gè)土壤取樣點(diǎn)附近,隨機(jī)挖取三株五節(jié)芒。在農(nóng)田5個(gè)采樣區(qū)域的15塊農(nóng)田中,隨機(jī)挖取每個(gè)區(qū)域均有分布的簇生泉卷耳、豬殃殃、一年蓬、直立婆婆納和日本早熟禾,每種挖3株。所有植物地上植株和根分開,帶回實(shí)驗(yàn)室烘干、混合、磨碎并消化后用ICP-MS測(cè)定植物中重金屬Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在5個(gè)區(qū)域共15塊農(nóng)田中,各隨機(jī)選擇3個(gè)采樣點(diǎn)采集土壤,充分混合后帶回實(shí)驗(yàn)室燈烤收集土壤動(dòng)物并進(jìn)行鏡檢分類,記錄種類和數(shù)量。土壤動(dòng)物的分類鑒定主要參考《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》和《中國(guó)土壤動(dòng)物》。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 土壤污染影響評(píng)價(jià)

采用潛在生態(tài)危害系數(shù)法進(jìn)行土壤污染影響評(píng)價(jià)[2],土壤中第i種重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)和多種重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)RI計(jì)算公式分別為:

式中:Cif為第i種重金屬的污染指數(shù);Ci為土壤中第i種重金屬的實(shí)測(cè)濃度;Cin為土壤中第i種重金屬的參比值,重金屬Cu、Cd、Pb和Zn背景值分別采用浙江溫黃地區(qū)土壤背景值:10、0.05、0.2和20 mg·kg-1[3];Tir為第i種重金屬的毒性系數(shù),Cu、Cd、Pb和Zn的生物毒性系數(shù)分別為:5、1、5和30。

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)五個(gè)采樣區(qū)域間土壤理化性質(zhì)和重金屬含量的差異進(jìn)行分析。采用配對(duì)T-檢驗(yàn)對(duì)植物修復(fù)和未修復(fù)區(qū)域土壤理化性質(zhì)和重金屬含量差異進(jìn)行分析。以上數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件。采用CANOCO 4.5對(duì)土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)和重金屬含量之間的關(guān)系進(jìn)行分析,將土壤動(dòng)物數(shù)量定義為反應(yīng)變量,土壤理化性質(zhì)和重金屬含量分別定義為解釋變量,首先以回歸分析方法將所有解釋變量降維,建立若干個(gè)新的線性組合,并以方差貢獻(xiàn)率最大的兩個(gè)線性組合得分為軸作二元回歸圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾礦植物修復(fù)效果評(píng)估

五節(jié)芒修復(fù)顯著提高了尾礦土壤的全氮含量,尾礦酸性同時(shí)得到一定的改善。五節(jié)芒修復(fù)增加了尾礦土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的含量,其中Cd的含量顯著增加。地上和地下部分重金屬含量表明五節(jié)芒對(duì)重金屬具有一定的富集能力。

2.2 不同采樣區(qū)域農(nóng)田土壤污染評(píng)價(jià)

不同采樣區(qū)域土壤重金屬測(cè)定結(jié)果顯示,隨著與尾礦距離的增加,土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的含量呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)(表1),土壤p H值、電導(dǎo)率、全氮和全磷含量并沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。重金屬單一污染因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,Cu、Cd、Pb和Zn的單一污染指數(shù)隨著與尾礦距離的增加顯著下降(圖1;Cu,F=36.75,P＜0.001;Cd,F=140.68,P＜0.001;Pb,F=329.06,P＜0.001;Zn,F=93.82,P＜0.001)。Cu、Pb和Zn在五個(gè)采樣區(qū)域均屬于輕度生態(tài)危害,Cd含量在IV和V區(qū)屬于輕度生態(tài)危害,在I,II和III區(qū)屬于中度到強(qiáng)度生態(tài)危害。土壤重金屬綜合污染指數(shù)也隨著與尾礦距離的增加呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)(F=172.97,P＜0.001)。I區(qū)和多數(shù)II區(qū)采樣點(diǎn)綜合污染屬于中度生態(tài)危害(150≤RI＜300),III、IV和V區(qū)的土壤綜合污染屬于輕度生態(tài)危害(RI＜300)。

圖1 不同采樣區(qū)域重金屬的單一污染指數(shù)

表1 不同采樣區(qū)域土壤理化性質(zhì)和重金屬含量

藍(lán)線代表中等生態(tài)危害;橘黃線代表強(qiáng)生態(tài)危害;紅線代表很強(qiáng)生態(tài)危害.

2.3 不同采樣區(qū)域土壤動(dòng)物污染影響評(píng)價(jià)

采用冗余分析的方法考察各采樣點(diǎn)土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)和重金屬含量的關(guān)系(圖3),土壤動(dòng)物數(shù)量與Cu(P=0.012)、Cd(P=0.001)、Pb(P＜0.001)和Zn(P＜0.001)含量呈顯著負(fù)相關(guān)。與p H值呈顯著正相關(guān)(P=0.004),與電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.001)。但是,土壤動(dòng)物數(shù)量與全氮和全磷并沒有呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性。土壤動(dòng)物數(shù)量隨著與尾礦距離的增加呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)(F=10.37,P=0.001)。

圖3 采樣點(diǎn)土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)和重金屬含量的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

利用速生型、大生物量的耐性植物對(duì)污染環(huán)境中的重金屬進(jìn)行固定,能有效防止重金屬向周邊環(huán)境擴(kuò)散,減少重金屬向地下水的淋溶和滲透,適合大規(guī)模的礦業(yè)廢棄地恢復(fù)[4]。五節(jié)芒修復(fù)是一種典型的植物固定技術(shù),對(duì)黃巖鉛鋅礦植物修復(fù)效果研究發(fā)現(xiàn),對(duì)重金屬進(jìn)行有效固定,可能是五節(jié)芒修復(fù)區(qū)域土壤重金屬含量增加的主要原因。同時(shí),五節(jié)芒修復(fù)提高了尾礦土壤N素營(yíng)養(yǎng),降低了尾礦土壤酸度,滿足演替后期植物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境。因此,黃巖尾礦五節(jié)芒植物修復(fù)起到了減少尾礦重金屬對(duì)下游農(nóng)田污染的作用,同時(shí),植物修復(fù)進(jìn)入了自然的良性循環(huán)。

農(nóng)田土壤重金屬污染隨著與尾礦距離的增加呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì),這與土壤的過濾作用和重金屬隨雨水流動(dòng)過程中逐漸截留沉淀有關(guān)[5]。農(nóng)田土壤生態(tài)危害評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,Cu、Pb和Zn在所有采樣區(qū)域均屬于輕度生態(tài)危害。但是,Cd在離尾礦近的區(qū)域(I和II區(qū))達(dá)到了中度甚至強(qiáng)度生態(tài)危害。這可能與黃巖鉛鋅尾礦中Cd含量相對(duì)較高,且Cd的可移動(dòng)性較強(qiáng)有關(guān)。

土壤動(dòng)物數(shù)量研究結(jié)果表明,研究區(qū)域農(nóng)田土壤動(dòng)物數(shù)量與土壤中Cu、Cd、Pb和Zn含量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。重金屬能夠降低土壤動(dòng)物酶活性、改變分子結(jié)構(gòu),能夠在群落水平上降低土壤動(dòng)物群落的多樣性[6],因此導(dǎo)致負(fù)相關(guān)性的產(chǎn)生。基于本研究結(jié)果,對(duì)黃巖鉛鋅尾礦下游土壤重金屬污染同樣可以建立基于土壤動(dòng)物數(shù)量的污染等級(jí),以方便對(duì)該區(qū)域土壤污染狀況進(jìn)行快速檢測(cè)。