銅陵林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬含量及污染評(píng)價(jià)

銅陵林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬含量及污染評(píng)價(jià)陳莉薇;徐曉春;黃界穎;梁建鋒【摘要】AccordingtotheanalyticalresultsofthereclaimedsoilinLinchongtailingreservoirofTon-gling,AnhuiProvince,thepollutionassessmentoftheheavymetalelementsofCu,As,ZnandPbinthereclaimedsoiliscarriedoutbyusingthemethodsofindexofgeoaccumulationandpotentialecologicalriskindex.Thestudyistoprovideascientificbasisforfuturepollutioncontrolandlandreclamation.TheresultshowsthatthepollutionofCuisveryseriousinthereclaimedsoil,whilethepollutionofAs,ZnandPbisinalowerdegree.Itisclearthatthepollutionassessmentresultsoftheheav-ymetalelementsbythetwomethodshaveabitdifference,implyingthatthetwomethodshavedifferentprioritiesinthepollutionassessmentoftheheavymetalelements.However,theyarebothreasonableinthesystematicalassessmentofthepollutionofheavymetalelements.%文章根據(jù)安徽銅陵林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤的采樣檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中Cu、As、Zn和Pb4種重金屬元素的污染狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為土壤改良和植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).評(píng)價(jià)結(jié)果表明，復(fù)墾土壤中Cu的污染極其嚴(yán)重,As、Zn、Pb的污染較輕.2種方法的對(duì)比和分析表明,地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)于重金屬元素的污染評(píng)價(jià)結(jié)果稍有不同,源自2種污染評(píng)價(jià)方法各有側(cè)重點(diǎn)，對(duì)重金屬污染的系統(tǒng)評(píng)價(jià)各具合理性.【期刊名稱】《合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年(卷)，期】2011(034)010【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P1540-1544)【關(guān)鍵詞】尾礦庫(kù);復(fù)墾土壤;重金屬元素;地積累指數(shù);潛在生態(tài)危害指數(shù)【作者】陳莉薇;徐曉春;黃界穎;梁建鋒【作者單位】合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009清海大學(xué)化工學(xué)院清海西寧810016;合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009;合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009;安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽合肥230036;合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】X825;X822.50引言安徽省銅陵市是我國(guó)銅、鐵、硫、金的重要生產(chǎn)基地。在礦產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量尾礦堆積在尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)是環(huán)境體系中重金屬污染的重要來(lái)源。許多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于尾礦庫(kù)土壤復(fù)墾及植被重建方面的研究［1-5］，但對(duì)于尾礦庫(kù)復(fù)墾后土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與方法的研究還很少。國(guó)際上有關(guān)沉積物中重金屬污染評(píng)價(jià)研究的先進(jìn)方法主要有地積累指數(shù)法(IndexofGeoac-cumulation)、潛在生態(tài)危害指數(shù)法(PotentialEcologicalRiskIndex)、污染負(fù)荷指數(shù)法(PollutionLoadIndex)、回歸過(guò)量分析法(RegressionExcessiveAnalysis)等［6-10］。本文以安徽銅陵林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤作為研究對(duì)象，應(yīng)用地積累指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行重金屬污染評(píng)價(jià)，為進(jìn)一步了解復(fù)墾后的土壤環(huán)境質(zhì)量、更好地開(kāi)發(fā)利用復(fù)墾土壤提供科學(xué)依據(jù)。1研究區(qū)域概況目前，銅陵礦集區(qū)不同類型礦床礦石采選冶煉后產(chǎn)生的尾礦砂分別堆放在大小39個(gè)尾礦庫(kù)中，其中包括五公里、響水沖、相思谷、楊山?jīng)_和林沖等12個(gè)大型尾礦庫(kù)。林沖尾礦庫(kù)位于銅陵市東部的鳳凰山地區(qū)，屬于山谷型尾礦庫(kù)，占地總面積16650m2，匯水面積0.95km2，庫(kù)容1.2x106m3。該尾礦庫(kù)于1970年6月開(kāi)始正式服役，到1980年底達(dá)到設(shè)計(jì)庫(kù)容停止使用，庫(kù)內(nèi)共堆存尾礦190.0x104t。入庫(kù)的尾礦砂的容重大約為1.4t/m3，平均粒度在0.019mm左右。尾礦庫(kù)封閉后，鳳凰山銅礦進(jìn)行了部分尾礦重選工作。林沖尾礦庫(kù)中的尾礦堆存已超過(guò)30a,受地表風(fēng)化影響強(qiáng)烈。目前，尾礦庫(kù)內(nèi)已無(wú)積水，地表尾砂呈黃褐色，大部分已固結(jié)成小的土塊，并被土地覆蓋；剖面自上而下顏色逐漸變深，粒度變細(xì)，黃褐色與灰色層狀結(jié)構(gòu)交互出現(xiàn)；地下50cm以下的尾礦砂呈深灰色，并有空隙水；繼續(xù)向下，顏色呈深灰色，變化不明顯，空隙水為中偏堿性。附近農(nóng)民在庫(kù)內(nèi)及四周坡地上種植了油菜、丹皮等經(jīng)濟(jì)作物，生長(zhǎng)狀況良好，庫(kù)區(qū)已經(jīng)基本被植被所覆蓋。尾礦庫(kù)下游流域有農(nóng)田及耕地?cái)?shù)萬(wàn)公頃，人口約500人，建筑設(shè)施主要是隸屬于礦山的預(yù)制廠、瓦工庫(kù)、木工庫(kù)、水泵房等，也有公路、鐵路穿過(guò)下游壩口。此區(qū)域?yàn)殂~陵市環(huán)境保護(hù)部門選定的自然保護(hù)區(qū)。2樣品采集與分析2.1樣品采集考慮到尾礦庫(kù)內(nèi)地勢(shì)高低不均、不同地點(diǎn)尾礦堆存條件的差異以及存在土壤擾動(dòng)層等因素，在尾礦庫(kù)的西北部、中部、東南部選擇3個(gè)采樣點(diǎn)垂直于地表采樣，3個(gè)采樣點(diǎn)之間間隔約300m，如圖1所示，在每個(gè)點(diǎn)位上分別距離地表20、40、50cm深度上各取一個(gè)樣品，并分別編號(hào)為：1-1,1-2,1-3;2-1,2-2,2-3;3-1,3-2,3-3o圖1林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤采樣點(diǎn)位置示意圖2.2樣品分析將尾礦樣品裝入潔凈的布袋中，放入烘箱恒溫40°C烘干后取出，剔除樣品中的雜物，用研缽研至150目。樣品委托安徽省地質(zhì)測(cè)試中心分析Cu、Pb、Zn、As4種重金屬元素的含量。其中，Cu、Pb、Zn的含量采用原子吸收法測(cè)定，As的含量采用硫酸-硝酸消解、二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法測(cè)定。分析結(jié)果見(jiàn)表1所列。表1復(fù)墾土壤的重金屬元素質(zhì)量比分析mg/kg樣品編號(hào)CuPbZnAs1-162234.214266.41-266445.828741.51-353525.746714.52-152758.649034.82-251350.331754.72-347432.740243.93-153024.5349114.93-256941.834952.63-371636.132475.23評(píng)價(jià)方法與計(jì)算3.1地積累指數(shù)法地積累指數(shù)又稱Muller指數(shù)（Igeo），是20世紀(jì)60年代晚期在歐洲發(fā)展起來(lái)的廣泛用于研究沉積物及其他物質(zhì)中重金屬污染程度的定量指標(biāo)，這種評(píng)價(jià)方法也可用來(lái)評(píng)價(jià)土壤中重金屬的污染程度及其分級(jí)情況［11-12］。其表達(dá)式為：其中，3n為元素n在沉積物中的質(zhì)量比；Bn為沉積物中該元素的地球化學(xué)背景值；k為考慮各地巖石差異可能會(huì)引起背景值的變動(dòng)而取的系數(shù)（在實(shí)際應(yīng)用中一般取1.5），用來(lái)表征沉積特征、巖石地質(zhì)及其他影響。地積累指數(shù)規(guī)定了相應(yīng)的污染級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2所列。表2地積累指數(shù)（Igeo）分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)污染程度5<Igeo<106Igeo極嚴(yán)重4<Igeo<55強(qiáng)一極嚴(yán)重3<Igeo<44強(qiáng)2<Igeo<33中等一強(qiáng)1<Igeo<22中等0<Igeo<11輕度一中等Igeo<00無(wú)在重金屬污染評(píng)價(jià)過(guò)程中，除必須考慮人為污染因素、環(huán)境地球化學(xué)背景值外，還應(yīng)考慮由于自然成巖作用可能弓I起的背景值變動(dòng)因素。與其他重金屬污染評(píng)價(jià)方法相比，地累積指數(shù)法注意到了這種變動(dòng)因素，彌補(bǔ)了其他評(píng)價(jià)方法的不足，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確［13-15］。土壤元素背景值是指土壤在自然成土過(guò)程中所形成的固有地球化學(xué)組成和含量，是判斷土壤中化學(xué)物質(zhì)的行為與環(huán)境質(zhì)量的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于土壤的形成、發(fā)育受氣候、生物、母質(zhì)、地形和時(shí)間等因素的影響，土壤元素背景值也會(huì)反映出土壤自身結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成的不均勻性。由于人類活動(dòng)和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的影響，絕對(duì)不受污染的土壤已很難找到，因而這種概念的〃背景值”無(wú)論在時(shí)間上和空間上均具有相對(duì)的含義［16］。本文著重于研究尾礦庫(kù)對(duì)復(fù)墾土壤的污染程度及其潛在危害，故選取安徽銅陵土壤元素背景值分別為：Cu46.04mg/kg,Pb47.25mg/kg,Zn137.60mg/kg,As25.00mg/kg［17］。應(yīng)用地積累指數(shù)的公式對(duì)林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬元素含量進(jìn)行計(jì)算，可得Cu、Pb、Zn、As4種重金屬元素的地積累指數(shù)及其污染分級(jí)，見(jiàn)表3所列。表3林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬元素的地積累指數(shù)與分級(jí)CuPbZnAs樣品編號(hào)Igeo級(jí)別UIgeo級(jí)別UIgeo級(jí)別UIgeo級(jí)別U1-13.174-1.050-0.5400.8211-23.274-0.6300.4810.1511-32.953-1.4601.182-1.3702-12.933-0.2701.252-0.1102-22.893-0.4900.6210.5412-32.783-1.1200.9610.2313-12.943-1.5300.7611.6223-23.044-0.7600.7610.4913-33.374-0.9700.6511.0013.2潛在生態(tài)危害指數(shù)法潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法是瑞典學(xué)者Hakanson于1980年建立的一套應(yīng)用沉積學(xué)原理評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)危害的方法［18］，該方法作為國(guó)際上土壤（沉積物）中重金屬研究的先進(jìn)方法之一[19-20],不僅反映了某一特定環(huán)境中各種污染物的影響，也反映了多種污染物的綜合影響，并以定量的方法劃分出潛在危害程度，是目前應(yīng)用很廣的一種方法[21-24]。單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)Ei=Ti（3i/30）,其中，3i、30、Ti分別為第i種重金屬的監(jiān)測(cè)質(zhì)量比、參比值和毒性系數(shù)。某區(qū)域多個(gè)重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI為各個(gè)金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)的代數(shù)疊加。Hakanson根據(jù)〃元素豐度原則”來(lái)區(qū)分各種污染物，由于重金屬的沉積作用及對(duì)固體的親合作用，毒性和稀有性之間存在著一種比例關(guān)系。毒性高的金屬應(yīng)比毒性低的金屬對(duì)RI值有較大貢獻(xiàn)。由此Hakanson提出了重金屬元素的“沉積學(xué)毒性系數(shù)”，其順序?yàn)椋篫n=l<Cr=Ni=2<Cu=Pb=5<As=10<Cd=30<Hg=40[25]。根據(jù)Ei和RI大小，參照沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)、生態(tài)危害指數(shù)和污染程度的關(guān)系，將沉積物的潛在生態(tài)危害狀況進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表4所列。以安徽省土壤元素背景值為參比值，應(yīng)用潛在生態(tài)危害指數(shù)的公式對(duì)林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬含量進(jìn)行計(jì)算可得Cu、Pb、Zn、As4種重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)Ei及綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI,見(jiàn)表5所列。表4重金屬潛在生態(tài)危害程度分級(jí)EiRI輕度40~80150~300中度80~160300~600強(qiáng)度160~320>600很強(qiáng)>320潛在生態(tài)危害程度<40<150極度表5復(fù)墾土壤重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)Ei樣品編號(hào)RICuPbZnAs1-167.553.621.0326.5698.761-272.114.852.0916.6095.641-358.102.723.395.8070.022-157.236.203.5613.9280.912-255.715.322.3021.8885.222-351.483.462.9217.5675.423-157.562.592.5445.96108.653-261.794.422.5421.0489.793-377.763.822.3530.08114.014分析與討論由表3地積累指數(shù)的計(jì)算可知，林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬污染程度從高到低依次為Cu>Zn>As>Pb。其中，Cu的地積累指數(shù)最高，屬于中等一強(qiáng)污染；其次是Zn和As，屬于輕度一中等污染；而Pb的地積累指數(shù)很小，沒(méi)有產(chǎn)生污染。由此可知，Cu、Zn和As是土壤中主要的污染因子，應(yīng)在復(fù)墾土壤利用過(guò)程中充分考慮其在土壤-植物體系中的富集與遷移；尤其是As,雖然其污染程度較輕，但是由于其毒性及其對(duì)動(dòng)植物、人體的影響較大，故需慎重對(duì)待；而Pb的含量很低，不造成污染。由表5潛在生態(tài)污染指數(shù)的計(jì)算可知，林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤中各重金屬的潛在生態(tài)危害程度從高到低依次為Cu>As>Pb>Zn,從單個(gè)重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)來(lái)看，土壤重金屬污染以Cu為主，As次之，而Pb和Zn的污染程度很輕;從綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)來(lái)看，復(fù)墾土壤處于中度生態(tài)危害狀態(tài)。各元素在2種評(píng)價(jià)方法中的污染等級(jí)見(jiàn)表6所列。表6各元素在2種評(píng)價(jià)方法中的污染等級(jí)CuPbZnAs地積累指數(shù)法中等一強(qiáng)無(wú)輕度一中等輕度一中等評(píng)價(jià)方法潛在生態(tài)危害指數(shù)法中度輕度輕度輕度由表6可知，應(yīng)用2種方法對(duì)林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤中重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)所得到的結(jié)果基本一致。地積累指數(shù)法能夠直觀給出重金屬的污染級(jí)別，明確體現(xiàn)出重金屬的富集程度，但其側(cè)重單一金屬，未引入生物有效性和相對(duì)貢獻(xiàn)比例及地理空間差異；而潛在生態(tài)危害指數(shù)法則彌補(bǔ)了上述不足，可綜合反映出多種重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，但其毒性響應(yīng)系數(shù)帶有主觀性［25］。在重金屬污染評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)方法的選擇以及背景值（或稱為參照值）的選取尤為重要，直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果。文獻(xiàn)［17］曾以單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)此復(fù)墾土壤的重金屬污染狀況，得到的結(jié)果與本研究的結(jié)果存在較大的差異，其評(píng)價(jià)結(jié)果為復(fù)墾土壤質(zhì)量屬于5級(jí)重污染。內(nèi)梅羅指數(shù)法以環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為參照值，屬于環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估范疇，其描述的環(huán)境質(zhì)量是非連續(xù)的，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是建立在二值邏輯基礎(chǔ)上的，同時(shí)用于計(jì)算的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)未進(jìn)行修正，難以代表研究區(qū)的背景值，故使用這種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)難以反映污染的質(zhì)變特征，對(duì)污染程度的界定有其不足之處［26］。因本研究區(qū)屬于礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)地帶，人為活動(dòng)是土壤中重金屬累積和污染的主要因素，所以地積累指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)更適合用于此區(qū)域污染程度的判定。應(yīng)用地積累指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)進(jìn)行重金屬污染程度評(píng)價(jià)時(shí)，地區(qū)表層土壤元素背景值的使用最為廣泛，但也有學(xué)者使用工業(yè)化前全球沉積物重金屬平均背景值［27,28］、最高背景值［29］或中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［17,30］。使用的背景值不同，同一地區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果也有所不同。以本研究區(qū)為例，若以中國(guó)安徽土壤元素背景值Cu20.40mg/kg、Pb26.60mg/kg、Zn62.00mg/kg、As9.00mg/kg［31］進(jìn)行評(píng)價(jià)，則地積累指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Cu屬于強(qiáng)一極嚴(yán)重污染，As和Zn屬于中等污染，Pb沒(méi)有產(chǎn)生污染；單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果重金屬污染以Cu為主，As次之，而Pb和Zn的污染程度很輕。本文著重于研究尾礦庫(kù)對(duì)安徽省銅陵地區(qū)復(fù)墾土壤的污染程度及其潛在危害，且銅陵自古以來(lái)就有采礦活動(dòng)，土壤背景值的人為影響很大，故選取安徽銅陵土壤元素背景值進(jìn)行評(píng)價(jià)。5結(jié)論2種評(píng)價(jià)法研究表明，林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤中Cu的污染極其嚴(yán)重，As、Zn、Pb的污染較輕。應(yīng)用2種評(píng)價(jià)方法得到重金屬污染程度的順序有差別，主要體現(xiàn)在As、Pb和Zn的污染順序不同。這是因?yàn)闈撛谏鷳B(tài)危害指數(shù)法引入了重金屬對(duì)生物的毒性系數(shù)，As的毒性系數(shù)較大，而Zn的毒性系數(shù)比Pb小。這也說(shuō)明有些污染物雖然污染程度高，但其自身的性質(zhì)使得其潛在風(fēng)險(xiǎn)程度降低。從環(huán)境學(xué)意義而言，重金屬污染主要表現(xiàn)在對(duì)生態(tài)環(huán)境、生物生長(zhǎng)等方面的負(fù)面影響，不同的重金屬性質(zhì)有所不同，毒性各異。潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法引入重金屬毒性系數(shù)，具有實(shí)際意義。但由于土壤體系中存在多種重金屬的復(fù)合污染，故應(yīng)進(jìn)一步考慮各重金屬之間毒性加權(quán)或拮抗作用而造成的評(píng)價(jià)失真。地積累指數(shù)評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)在于它將土壤重金屬的污染等級(jí)細(xì)化，為分析和研究林沖尾礦庫(kù)復(fù)墾土壤重金屬的污染狀況以及選擇最佳的修復(fù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)；而潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)法綜合反映出多種重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響，為進(jìn)一步研究復(fù)墾土壤的修復(fù)提供了依據(jù)。[參考文獻(xiàn)][1]劉付程，孫慶業(yè)，顧也萍.銅陵銅礦尾礦的不良特性對(duì)植被重建的影響與治理對(duì)策[J].資源保護(hù)，1999,15(3):147-149.[2]王友保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