衡阳水口山铅锌矿区土壤重金属污染特征

衡阳水口山铅锌矿区土壤重金属污染特征

采矿和精炼使一定深度的矿基暴露在地表环境中。致使矿物的化学组成和物理状态发生改变,增加了重金属向环境释放的机会,同时,由于硫化物氧化产酸,改变了水体pH值或酸化程度,增加无机盐成分和水硬度,铅锌矿的开采和选冶造成的环境污染尤为严重,常常将其中重金属等有毒元素释放到环境中,它们在自然环境中过度积累,会导致河流底泥以及地表水和地下水甚至空气污染;由于重金属不能被土壤微生物降解,它们在土壤和植物体内不断积累,并通过生物链最终积累在人体中,严重危害人体健康,影响整个生态系统。因此,矿山开采引起的环境问题己引起有关部门越来越多的关注,已成为环境地球化学的一个重要研究领域,其中重金属污染引发的环境问题尤为重要。水口山矿区位于湖南省衡阳市(常宁市松柏镇),沿湘江南岸东西向分布,是一个多产的铅锌采矿带,是我国主要的铅锌生产基地之一。该矿区具有一百多年的开采历史,长期的铅、锌及铜矿等的开采和冶炼活动严重污染了当地环境,对湘江流域也造成了相当程度的污染,目前,一些学者对湘江湖南段的重金属污染进行了健康风险和生态风险方面的评价研究[8,9,10,11,12,13,14],但是,有关水口山矿区及其周围土壤中重金属污染分布特征及其生态危害的研究较少。本实验研究了水口山铅锌矿区及其周围表层土壤(A层)和土壤母质(C层)中主要重金属(Pb、Zn、Cu、Cd、As、Hg)的污染特征及污染程度,旨在对矿区金属矿床的开采对其周围土壤环境的影响进行评估,研究结果有助于全面了解铅锌矿区及周围区域土壤重金属污染的程度及其危害,可为矿区土壤重金属污染防治与治理提供科学依据。1材料和方法1.1模矿资源和地貌土壤样品2011年1月采集于衡阳水口山铅锌矿区及其周围约50km2的区域内。水口山铅锌矿区沿湘江南岸东西向分布,大规模矿产开采及冶炼活动主要集中在该区。研究区域以水口山矿区为中心,涉及冶炼厂、矿山区、尾沙坝以及农田等区域,采样点区域地貌类型以岗丘为主,土壤以水稻土、红壤土和黄壤土为主。农田基本废弃成荒地,岗地和丘陵上植被主要为灌木、草本。该区域属亚热带季风温润气候区,常年平均气温17.9℃,最热为7~8月,平均最高气温34.7℃;最冷为1~2月,平均最低气温-0.5℃。1.2采样地土壤植被采集本研究共采集了冶炼厂、康家湾采选地、尾沙坝、矿区农田共33个采样点的土壤样品。每个采样点分别采集A层(0~20cm)和C层(20~60cm)土壤样品,且每个采样点设置3个重复。采样地土壤植被类型主要为灌木和草本等天然植被,采集后将样品装入聚乙烯袋中密封。样品经105℃烘干,捣碎研磨,过100目筛,然后保存于封口袋中,置于干燥器中备用。1.3pb、cd、cu、zn、ale-hg含量测定样品采用混合酸消解法:HCl-HNO3-HClO4。用火焰原子吸收光谱法测定Pb、Cd、Cu、Zn的含量,原子荧光光谱法测定As、Hg的含量。整个分析过程所用试剂均为优级纯,实验用水均为去离子水,分析过程中采用平行双样,以国家标准样品控制测定质量。1.4样品测定和评价为了能够定量反映铅锌矿区土壤中各种重金属污染程度,选用单因子污染指数法和N.L.Nemerow综合污染指数法等方法进行评价。1)单因子污染指数法。计算公式如下:式中:Pi为样品中污染物i单因子污染指数,具体反应某污染物超标倍数和程度;Ci为样品中污染物i实测值,mg/kg;Si为污染物i的评价标准,mg/kg。当Pi≤1时,表示样品未受污染;Pi>1时,表示样品已被污染。Pi的值越大,说明样品受污染越严重。2)内梅罗综合污染指数法。计算公式如下:式中:Pj为第j种用途的内梅罗综合污染指数;Fave为Ci/Sij比值加和之后的平均值,Fmax为Ci/Sij比值中最大的一项;Ci为第i种污染因子的实测浓度;Sij为第i种污染因子j种用途的标准值或背景值。内梅罗污染指数反映了各污染物对土壤的作用,同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响,可按内梅罗污染指数,划定污染等级。内梅罗指数土壤污染评价标准见表1。1.5处理数据各种数据用Excel统计,采用SPSS软件进行方差分析、多重比较以及相关性分析。2结果与分析2.1尾砂坝cu、zn、hg、cu含量由研究区不同土层厚度土壤重金属含量(表2)分析可知:4个采样点的0~20cm土层Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20~60cm土层的含量。冶炼厂的Zn、Hg含量大于其它3个地点,其中Zn含量达到129.15mg/kg,Hg含量达到1.51mg/kg;尾砂坝Cd、Cu含量大于其它3个地点,其中Cd含量高达22.08mg/kg,Cu含量达到328.43mg/kg;矿区农田的Pb、As含量大于其它三地点,Pb含量高达1956.50mg/kg,As含量达到836.91mg/kg。2.2cd、pb、as含量差异从研究区四地点土壤中6个重金属元素的含量变化及方差分析(表3、表4)看出:4地点土壤中重金属含量存在显著性差异,其中Cd、Pb、As含量差异则达到极显著性水平;四地点中,重金属元素含量相对较低的是康家湾采选地,其中Pb含量大小顺序为:矿区农田>尾沙坝>冶炼厂>康家湾采选地,Cd、Cu、As含量大小顺序为:尾沙坝>矿区农田>冶炼厂>康家湾采选地,Zn、Hg含量大小顺序为:冶炼厂>矿区农田>尾沙坝>康家湾采选地。2.3重金属综合污染指数利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法计算得四个采样地土壤中重金属的单因子污染指数Pi、内梅罗综合污染指数P综见表5。从表5中各采样地重金属的单因子污染指数看,冶炼厂的除Cu单因子污染指数小于1,其余5个指标As、Cd、Zn、Hg、Pb单因子污染指数均大于1;康家湾采选地矿山区的Cu、As、Zn单因子污染指数基本小于1,但都接近1,而其余Cd、Hg、Pb均大于1;尾砂坝和农田的Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb单因子污染指数均大于1。综合污染指数P综的结果(表5)表明,4个地点土壤33个采样点中有28个采样点重金属综合污染级别100%超过最大污染级别4。4地点中,Cd的单因子污染指数均大于其它5个指标,其综合污染指数大小顺序为尾沙坝>矿区农田>冶炼厂>康家湾采选地;其中冶炼厂和康家湾采选地中Cd的单因子污染指数最大,Cu最小,两地点单因子污染指数大小顺序均为:Cd>Hg>Pb>As>Zn>Cu;尾砂坝和矿区农田中Cd的单因子污染指数最大,Zn最小,两地点单因子污染指数大小顺序均为:Cd>Pb>As>Cu>Hg>Zn。3农田重金属污染程度冶炼厂、康家湾采选地、尾砂坝、矿区农田4个地点土壤中As、Pb、Hg、Cd、Zn、Cu含量有显著性差异,其中Cd、Pb、As含量差异则达到极显著性水平。4个采样点的0~20cm土层Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、As的含量均高于其20~60cm土层同类元素的含量,这说明重金属在土壤中主要累积在表层土,向深层土迁移的速率比较缓慢,这与其他学者研究结论一致,这是因为土壤中的重金属污染物由于无机及有机胶体对阳离子的吸附、代换、络合及生物作用的结果,导致大部分被固定在耕作层中。根据土壤采样的技术规程,以内梅罗污染指数作为评价标准,冶炼厂的除Cu单因子污染指数小于1,其余5个指标As、Cd、Zn、Hg、Pb单因子污染指数均大于1;康家湾采选地的Cu、As、Zn单因子污染指数基本小于1,但都接近1,而其余Cd、Hg、Pb均大于1;冶炼厂、康家湾采选地的重金属污染大小顺序一样:Cd>Hg>Pb>A>Zn>Cu。尾砂坝和矿区农田的Cu、As、Cd、Zn、Hg、Pb单因子污染指数均大于1,两者重金属污染的大小顺序是:Cd>Pb>As>Cu>Hg>Zn。依据内梅罗综合污染指数评价标准,研究区各地点土壤中Cd污染最为严重,且存在着严重的Cd、Pb、Hg和轻度的Zn、As复合污染,这种复合污染成为研究区很多树种生长发育和生存的限制因子,从而导致尾砂坝寸草不生的状况,使得矿区植被呈现乔木稀少,多以灌木、草本为主的格局,在以后的矿区植被恢复应用中,必须选择耐多种重金属的树种,以达到