Pb/Zn尾礦對農田污染的影響研究

袁繼委 徐威力 徐方曦 陳方圓

1.浙江省臺州生態環境監測中心 浙江 臺州 318000

2.臺州市生態環境局臨海分局 浙江 臨海 317000

尾礦指排放的礦漿經自然脫水后形成的固體礦業廢料。目前我國的尾礦堆存量已達207億t,且持續增長[1]。植被覆蓋的缺乏導致尾礦區經常遭受嚴重的水蝕和風蝕,從而導致周邊的農田與水體受到重金屬污染源[1]。尾礦植物修復和污染影響評價是當前尾礦污染研究兩個主要方面。但是當前評估體系較為單一,對尾礦污染生態修復的綜合評價相對較少。需要結合污染修復效果、生物恢復和健康風險等綜合的評價體系對生態修復進行評價。

黃巖鉛鋅礦床儲量高,產生的尾礦多。大量尾礦堆積使降雨和坡面溪流攜帶重金屬,對下坡面農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田為研究區域,對植物修復效果、下游農田污染情況、土壤動物變化特征進行評價。對已有尾礦污染修復措施的效果進行評估,建立完整的評估體系,為該地區尾礦污染的預防和治理提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域和采樣點分布

黃巖鉛鋅礦位于臺州長潭水庫水源飲用地的匯水區內(28.36°N,120.55°E)。該區域屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.8°C,降雨量1320 mm。目前尾礦堆積地區域分為未修復區域和修復區域(圖1),修復區域中已人工種植植物五節芒(Miscanthus floridulus)進行修復,并在尾礦堆積地最下端修筑堤壩防止污染下游農田和水體。本研究選擇尾礦堆積地以及下坡面的農田為研究對象。

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的五個層面為5個采樣區域(I、II、III、IV和V),每個采樣區域隨機選取三塊獨立的農田,總共15塊農田作為研究對象。同時,在尾礦堆積地選擇五節芒修復和未修復區域對植物修復效果進行研究。

1.2 樣品采集與分析

在尾礦五節芒修復區與未修復區分別隨機選取5個取樣點。每個取樣點隨機取土壤三份,充分混合后帶回實驗室風干過篩。采用中國科學院南京土壤研究所(1978)的方法測定土壤p H、全氮、全磷和電導率。土壤消化后用電感耦合等離子體發射光譜質譜(ICP-MS)測定Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在尾礦修復區的5個土壤取樣點附近,隨機挖取三株五節芒。在農田5個采樣區域的15塊農田中,隨機挖取每個區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,帶回實驗室烘干、混合、磨碎并消化后用ICP-MS測定植物中重金屬Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在5個區域共15塊農田中,各隨機選擇3個采樣點采集土壤,充分混合后帶回實驗室燈烤收集土壤動物并進行鏡檢分類,記錄種類和數量。土壤動物的分類鑒定主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》和《中國土壤動物》。

1.3 數據分析

1.3.1 土壤污染影響評價

采用潛在生態危害系數法進行土壤污染影響評價[2],土壤中第i種重金屬的潛在生態危害系數和多種重金屬的潛在生態危害指數RI計算公式分別為:

式中:Cif為第i種重金屬的污染指數;Ci為土壤中第i種重金屬的實測濃度;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,Cu、Cd、Pb和Zn的生物毒性系數分別為:5、1、5和30。

1.3.2 數據統計分析

采用單因素方差分析(ANOVA)對五個采樣區域間土壤理化性質和重金屬含量的差異進行分析。采用配對T-檢驗對植物修復和未修復區域土壤理化性質和重金屬含量差異進行分析。以上數據分析采用SPSS 20.0統計軟件。采用CANOCO 4.5對土壤動物數量與土壤理化性質和重金屬含量之間的關系進行分析,將土壤動物數量定義為反應變量,土壤理化性質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,建立若干個新的線性組合,并以方差貢獻率最大的兩個線性組合得分為軸作二元回歸圖。

2 結果與分析

2.1 尾礦植物修復效果評估

五節芒修復顯著提高了尾礦土壤的全氮含量,尾礦酸性同時得到一定的改善。五節芒修復增加了尾礦土壤中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芒對重金屬具有一定的富集能力。

2.2 不同采樣區域農田土壤污染評價

不同采樣區域土壤重金屬測定結果顯示,隨著與尾礦距離的增加,土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的含量呈現顯著下降的趨勢(表1),土壤p H值、電導率、全氮和全磷含量并沒有呈現明顯的變化規律。重金屬單一污染因子評價結果顯示,Cu、Cd、Pb和Zn的單一污染指數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在五個采樣區域均屬于輕度生態危害,Cd含量在IV和V區屬于輕度生態危害,在I,II和III區屬于中度到強度生態危害。土壤重金屬綜合污染指數也隨著與尾礦距離的增加呈現顯著下降的趨勢(F=172.97,P＜0.001)。I區和多數II區采樣點綜合污染屬于中度生態危害(150≤RI＜300),III、IV和V區的土壤綜合污染屬于輕度生態危害(RI＜300)。

圖1 不同采樣區域重金屬的單一污染指數

表1 不同采樣區域土壤理化性質和重金屬含量

藍線代表中等生態危害;橘黃線代表強生態危害;紅線代表很強生態危害.

2.3 不同采樣區域土壤動物污染影響評價

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

圖3 采樣點土壤動物數量與土壤理化性質和重金屬含量的關系

3 討論與結論

利用速生型、大生物量的耐性植物對污染環境中的重金屬進行固定,能有效防止重金屬向周邊環境擴散,減少重金屬向地下水的淋溶和滲透,適合大規模的礦業廢棄地恢復[4]。五節芒修復是一種典型的植物固定技術,對黃巖鉛鋅礦植物修復效果研究發現,對重金屬進行有效固定,可能是五節芒修復區域土壤重金屬含量增加的主要原因。同時,五節芒修復提高了尾礦土壤N素營養,降低了尾礦土壤酸度,滿足演替后期植物生長的土壤環境。因此,黃巖尾礦五節芒植物修復起到了減少尾礦重金屬對下游農田污染的作用,同時,植物修復進入了自然的良性循環。

農田土壤重金屬污染隨著與尾礦距離的增加呈現顯著減少的趨勢,這與土壤的過濾作用和重金屬隨雨水流動過程中逐漸截留沉淀有關[5]。農田土壤生態危害評價結果顯示,Cu、Pb和Zn在所有采樣區域均屬于輕度生態危害。但是,Cd在離尾礦近的區域(I和II區)達到了中度甚至強度生態危害。這可能與黃巖鉛鋅尾礦中Cd含量相對較高,且Cd的可移動性較強有關。

土壤動物數量研究結果表明,研究區域農田土壤動物數量與土壤中Cu、Cd、Pb和Zn含量呈現顯著的負相關。重金屬能夠降低土壤動物酶活性、改變分子結構,能夠在群落水平上降低土壤動物群落的多樣性[6],因此導致負相關性的產生?；诒狙芯拷Y果,對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物數量的污染等級,以方便對該區域土壤污染狀況進行快速檢測。