肃北蒙古自治县条湖沟矿区土壤重金属污染特征研究.pdf

收稿日期:2023-03-27;修订日期:2023-04-26作者简介:陆红霞(1985),女,讲师,硕士,主要从事环境工程专业教学与科研工作。基金项目:酒泉市科技支撑计划项目(2022A-08)。第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月江 西 科 学JIANGXI SCIENCEVol.41 No.4Aug.2023 doi:10.13990/j.issn1001-3679.2023.04.026肃北蒙古自治县条湖沟矿区土壤重金属污染特征研究陆 红 霞(酒泉职业技术学院,735000,甘肃,酒泉)摘要:为了解肃北蒙古自治县条湖沟矿区土壤重金属污染状况,对区域内典型的金矿区、湿地进行土壤采样。利用单因子指数法、改进内梅罗综合污染指数和潜在生态危害污染指数法评价,测定 80 个表层土壤样品中Hg、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr、As 的含量及其污染状况。结果表明,评价区 Pb、Cd 含量明显高出当地土壤背景值,Pb含量部分电位高出背景值 80100 倍,Cu、Cr 含量部分点位也超出背景值。土壤重金属污染的主要原因是该地区曾长期使用混汞法和氰化物法进行提金,且非法无序采矿。关键词:肃北矿区;土壤;重金属污染;特征研究中图分类号:X753 文献标识码:A 文章编号:1001-3679(2023)04-759-05Study on Heavy Metal Pollution Characteristics of Soil in Tiaohugou Mining Area of Subei Mongolia Autonomous CountyLU Hongxia(Jiuquan Vocational Technical College,735000,Jiuquan,Gansu,PRC)Abstract:In order to understand the soil heavy metal pollution status in Tiaohugou mining area of Subei Mongolian Autonomous County,soil sampling was carried out in typical gold mining areas and wetlands in the area.The contents of Hg,Pb,Cu,Cd,Zn,Cr and As in 80 surface soil samples were determined by using the single-factor index method,the improved Nemero comprehensive pol-lution index and potential ecological hazard pollution index method were used to determine the con-tent and pollution status of Hg,Pb,Cu,Cd,Zn,Cr and As.The results showed that the Pb and Cd contents in the evaluation area were significantly higher than the local soil background values,the Pb content potential was 80100 times higher than the background value,and the Cu and Cr content points also exceeded the background values.The main cause of soil heavy metal pollution is the long-term use of mercury and cyanide for gold extraction in the area,as well as illegal and dis-orderly mining.Key words:Subei mining area;soil;heavy metal pollution;characteristic researchs0 引言酒泉市肃北蒙古族自治县是甘肃省重要的矿产资源基地,也是重要的畜牧业基地,县境内蕴藏着丰富的矿产资源。改革开放以来,在加快县域矿产资源勘查和开发的同时,矿山采矿、选矿等过程也产生了大量露天堆放的废石、尾矿等废弃物。由于重金属通过风化、降雨的淋洗或酸化等作用,重金属离子向周边土壤扩散并向地下迁移,造成相邻区域土壤与地下水受到严重的重金属污染1。但肃北县针对开矿造成的污染治理,尤其是针对历史遗留砂金矿所造成的土壤污染治理少有涉及。肃北县的砂金矿开采久远。自 20 世纪初开始,一直到 21 世纪七八十年代断续有砂金开采活动。2007 年,肃北县政府出台了关于进一步加强盐池湾砂金禁采工作的决定,组织相关部门对肃北县砂金开采进行肃清,砂金开采行为才得以彻底停止。2020 年,肃北县人民政府引进第三方公司在肃北县党城湾镇马场村条湖一带进行土壤改良、牧草种植等生态农业生产经营活动。由于土壤重金属污染对植物生长及产品质量有直接影响2,因此,本项目对矿区土壤重金属污染进行研究,了解土壤中重金属含量和污染程度评价,对矿区污染治理具有重要的现实意义。1 材料与方法1.1 研究区域及土体地质特征条湖沟位于肃北蒙古族自治县县城东南约25 km 处,行政区划隶属于肃北县党城湾镇马场村。调查区属于祁连山区党河南山高山降水荒漠地区,海拔高程2 6002 800 m,受季风影响小,是典型的内陆高寒荒漠草甸气候,区域地下水主要补给来源为大气降水、冰雪融水、河流渗漏补给及上游地下侧向径流补给,地下水接受补给后,总体自高处向低处运移,运移方向与地形总体坡向一致,大部分以泉和平面流的形式最终汇入地表河流。调查区地貌为微切割剥蚀中低山与洪积山间倾斜河沟,矿体大部分处于当地最低侵蚀基面下的河床内,地势较为平坦,土壤垂直结构带和水平结构带规律明显,主要分布的土壤类型有:灰棕漠土、高山草原土、亚高山草原土、高山寒漠土、风沙土、盐化草甸土、耕灌灰棕漠土及耕灌草甸土等。矿区天然植被较为完整,以矮生冰草、蒿草、细叶马蔺为主,基本类型包括荒漠草原和典型内陆高寒草原,土壤盐碱度强,土地利用现状为其他草地。本文选取采矿点、渣堆及湿地土壤为主要研究对象。调查区内土体按成因类型和土体结构可分为一般土及特殊土两类,其中,一般土主要是冲洪积粉土、砂砾卵石双层土体、含碎石粘性土等;特殊土主要为风积马兰黄土。调查区各类土分布及地质特征见表 1。表 1 矿区土体地质特征分析土体类型工程地质条件分析一般土粉土、砂砾卵石双层土体分布于沟谷中,由冲洪积砂砾卵石、砂碎石、块石组成的多层土体,分布于山间盆地、沟谷下部。成分主要为砂岩、变质砂岩、花岗岩、片麻岩。一般砂占20%35%,砾卵石占45%70%,部分层段含有粉土或淤泥。粒径一般为 2080,最大达 500。颗粒大小不均,呈次圆状一次棱角状。天然孔隙比一般大于 1.0,为松散状。承载力 350450 KPa。含碎石粘性土分布于高中山梁及部分缓坡地带,为残积的腐植质土层,厚度一般小于 1 m,疏松,软塑,承载力 150180 KPa。特殊土黄土主要分布于矿区宽缓山梁,质地均一,具大孔隙,垂向节理发育,具弱一中等湿陷性,地裁力 90110 Kp。1.2 样品采集与处理2022 年 11 月在研究区域(东经:95 研究区域(东经:90110 Kp 大,北纬:39 纬:区域(东经:90110 Kp 大)内,利用 GPS 定位技术,采集金矿区、湿地等表层土壤样品(020 cm)80 个。按照标准进行预处理后,送实验室进行成分分析。土样采集运用“之”字形取样方法,在采集过程中,详细记录了采样地点、坐标,并对土壤类型和土地利用类型进行了初步辨识,对采样点周边环境行了简单地描述。同时为了确保土样采集对比数据的可比性,每个采样点的取土深度、土壤量及土壤不同层面所取样比例均相同。1.3 样品测试与数据分析采集的土壤样品,经剔除杂质、自然风干、过筛等预处理后,用酸消解定容,然后取上清液进行成分分析。其中,Hg、As 运用原子荧光法测定,Pb、Cu、Zn、Cr、Ni 使用双向观测等离子体发射光谱仪测定,而 Cd 采用电感耦合等离子体质谱仪067江 西 科 学2023 年第 41 卷测定。在样品消解测试过程中,随批做空白实验,利用国家标准和平行样进行质量控制,并将偏差控制在规定范围以内(5%)。利用 Excel2003 软件包进行数据统计与分析,采用 Google 在线制图平台系统进行地图制图。1.4 土壤污染评价1.4.1 改进内梅罗综合污染指数内梅罗污染指数因其只考虑单因子污染指数的平均值和最大值,而忽略了污染物的毒性、种类、数量等对综合评价结果的影响,可能会导致评价结果无法准确地反映环境污染的真实情况。因此,已有研究参考 Hankanson 毒性响应系数,重新建立污染物权重,并对传统内梅罗综合污染指数进行改进和修正,使综合评价结果能够更加客观地反映环境质量,体现土壤污染对人体健康和生产生活的影响3-5。1)构建污染因子权重 Wi。对于土壤重金属污染物而言,一般污染物环境质量标准值与其对环境的危害性成反比,标准值越低,污染物对环境的负面影响就越大。因此,首先对重金属元素的评价标准 Si由大到小进行排序,获得最大值 Smax,并将 Smax与 Si进行比较,即:Ri=SmaxSi(1)式中,R i为第 i 种重金属元素的相关性比值,Si为根据需要选取的重金属元素 i 评价标准,单位:mg.kg-1,Smax是各个重金属元素标准值的最大值。第 i 种重金属元素的污染因子权重值Wi=Rini=1Ri(2)2)构建毒性因子权重 Wi。不同的土壤重金属元素对土壤环境的动物、植物、微生物具有不同的影响,其毒性决定了对土壤生态环境的危害程度。因此,引入重金属毒性系数作为评价权重的重要因素,参与重金属污染评价,即:第 i 种重金属元素的毒性因子权重值Wi=Tini=1Ti(3)3)确定综合权重 Wi。Wi=Wi+Wi2(4)基于综合权重计算结果,选取综合权重值最大的单项污染指数 Pimax替代原公式中的 Pimax,对内梅罗综合指数法进行改进,即:P=Pmaxi2+P2ave2。1.4.2 潜在生态危害污染指数法6 1980 年瑞典著名科学家 Hakanson 提出了生态危害污染指数法7。近年来在我国水域和土壤的生态危害分析中常用到此方法。计算公式为:RI=mi=1Eir(5)Eir=TirCif(6)Cif=CiCin(7)式中,RI 表示综合潜在生态危害指数;Tir 表示重金属 i 的毒性响应系数;Eir表示重金属 i 的潜在生态危害指数;Ci表示重金属i 的实测浓度;Cin表示重金属 i 的国标的参比值。本研究以甘肃省土壤环境背景值作为参比值,获得土壤环境背景值及毒性系数见表 2。表 2 土壤环境背景值及毒性系数重金属元素背景值/mg毒性系数Hg0.03940Pb22.505Cu 24.605Cd0.1530Zn72.801Cr101.802Ni33.405As 13.4010潜在生态危害污染指数法分级见表 3。表 3 潜在生态危害污染指数法分级单因子危害指数综合危害指数污染分级Eir 80RI 300轻微污染80 Eir 160300 RI 600中度污染160 Eir 320 600 RI 1200重污染320 Eir1 200 RI极重污染167第 4 期 陆红霞:肃北蒙古自治县条湖沟矿区土壤重金属污染特征研究由表 3 可知,潜在生态危害指数法综合考虑了多种重金属对生态环境的潜在影响,可清晰地显示各重金属含量以及多种元素的生物毒性对潜在生态危害污染的贡献率。但缺点是重金属毒性响应系数以及计算过程中权重都具有主观确定性。2 结果与讨论2.1 研究区土壤重金属含量分析在 15 个采样点中,Hg、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr、Ni、As 的测定统计结果如表 4。采样点土壤中超出土壤背景值的有:Hg、Cd、Cu、Cr 3 种元素,其中 Hg超标倍数达到 10100 倍,是整个矿区污染情况最为严重的重金属元素,峰值出现在研究区北端,超出研究区背景值约 138 倍;Cd 的峰值同样出现在研究区北部地区,但该点位的 Cu、Cr 含量并未高出背景值。这可能与当地曾广泛使用混汞法和氰化物法进行提金有关,且大多数尾矿砂随机堆放,造成区域土壤均受到污染。表 4 采样点土壤重金属含量统计表/mgkg-1重金属 最小值 最大值 平均值 标准偏差当地土壤背景值Hg0.145.410.870.039Pb0.0019.385.083.4222.50Cu2.5625.8715.355.6224.60Cd0.007.273.541.800.15Zn6.4262.6037.6113.1272.80Cr0.39 1 002.94 56.81130.05101.80As0.0012.036.912.2013.402.2 改进内梅罗综合污染指数评价利用改进内梅罗综合污染指数评价结果显示(表 5),各种重金属元素的综合污染指数最大的点位同样处在研究区域的靠北端,渣堆所在地,该点 Hg 的值为最大。综合危害指数显示,综合污染指数最高的点与 Pb 最高值点位一致。且均体现在研究区北端,推测与研究区北端靠近公路,便于运输有关。表 5 改进内梅罗综合污染指数法污染物权重列表重金属元素标准值/mgkg-1毒性系数RiWiWiWiHg0.039400.000 3830.000 1450.408 1630.204 154Pb22.5050.221 0220.083 7400.051 0200.067 380Cu24.6050.241 6500.091 5560.051 0200.071 288Cd0.15300.001 4730.000 5580.306 1220.153 340Zn72.8010.715 1280.270 9450.010 2040.140 575Cr101.8021.000 0000.378 8770.020 4080.199 642Ni33.4050.328 0940.124 3070.051 0200.087 664As13.40100.131 6310.049 8720.102 0410.075 9562.3 潜在生态危害污染指数法评价利用潜在生态危害指数法分析结果表明,Pb的污染等级最高,为重度污染,体现在研究区北端的取样点。Zn 的污染等级最低,体现在研究区中部的点位,该点位土壤呈淡黄色。综合污染指数最高的点与 Pb 最高值点位一致。通过以上方法对研究区重金属污染状况评价显示,肃北县条湖沟矿区及周边湿地土壤已受到重金属的污染。由于重金属属于高残留、高污染物质,具有在矿区土壤表层持续蓄积的特性,甚至有可能转化为毒性更大、持久性更强的有机金属化合物,通过畜牧、种植等途径进入食物链,威胁人体健康。因此,必须采取强有力的措施,加大对矿区地质环境治理及生态恢复力度。3 结论本文利用单因子指数法、改进内梅罗综合污染指数和潜在生态危害污染指数法,对肃北县条湖沟矿区土壤中 Hg、Pb、Cu、Cd、Zn、Cr、As 等重金属污染状况进行分析评价,得出如下结论。1)整个研究区域汞的测定值高出当地环境背景值 10100 倍。2)单一元素的污染风险等级 Pb 最高,Zn 最(下转第 780 页)267江 西 科 学2023 年第 41 卷289.20 KRISHNAKUMAR A,JOSE J,KALIRAJ S,et al.Assessment of the impact of flood on groundwater hydrochemistry and its suitability for drinking and irri-gation in the River Periyar Lower Basin,IndiaJ.Environmental Science and Pollution Research,2022,29(19):28267-28306.21 NAYAN N,SALEH Y,HASHIM M,et al.Investiga-ting groundwater quality in the flood prone neighbor-hood area in MalaysiaJ.Indonesian Journal of Ge-ography,2019,51(2):123-130.22 李书鉴.黄土高原地下水水化学特征以及污染评价D.咸阳:西北农林科技大学,2021.23 WHO.Guidelines for drinking-water qualityS.Ge-neva:2011.24 中华人民共和国卫生部.生活饮用水卫生标准S.2022.25 杨丽.环鄱阳湖流域浅层地下水水文地球化学特征研究D.南昌:东华理工大学,2016.26 BASAHI J M,MASOUD M H 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