江西某铜矿弃渣场下游农田土壤重金属分布特征研究

程 睿

(深圳市如茵生态环境建设有限公司，广东 深圳 518057)

土壤不仅是供应人类食物的重要生产资料，也是所有生物赖以生存生活的物质基础。而农田土壤安全将直接影响农业生产安全和农田生态系统安全。改革开放以来，随着我国工农业经济的快速发展，我国农田土壤重金属污染问题日趋严重，农产品安全受到严重挑战。重金属作为土壤中具有潜在危害的重要污染物，已经引起全球普遍关注[1-3]，这主要是因为重金属对土壤环境的危害具有持久性、地球化学循环性和生态风险性[4]。农田土壤重金属污染主要来源于工业“三废”排放、污水灌溉、大气沉降、化肥农药过量使用等[5,6]。而矿区土壤重金属污染则主要是通过矿山开采、运输、选矿、冶炼等生产活动中的“三废”排放释放到矿区周边土壤中[7,8]。江西作为我国的矿产资源大省，也是重要的商品粮生产基地。然而，粗放型的矿产资源开采模式造成了一系列的环境污染问题，尤其是矿区周边农田土壤的重金属污染问题[9]。

近年来，学者们针对矿区周边土壤的重金属分布特征开展了大量研究。李忠义等[1]对铅锌矿区农田土壤中Cd、Zn、Pb、Cu 4种重金属有效态空间分布进行了研究，指出研究区域均受到不同程度的污染，而且水田污染较旱地严重。聂锦霞等[10]对西华山钨矿区17个菜地土壤重金属分布特征和健康风险进行了评价，结果表明16个菜地土壤受到严重的重金属污染，其中Cd污染最严重，而Cr的非致癌风险最为严重，远超美国环保署作出的健康限值。李玉梅等[11]对包头某铜厂周边4个方向不同水平距离及深度处的土壤Cu、Cd、Pb、Zn、Mn、Cr 6种重金属分布特征进行了分析，结果表明，各重金属含量分布主要取决于取样点距铜厂的水平距离和土层深度，各重金属含量均随土层深度增加而减小。陆金等[12]对铜陵狮子山矿区采矿区、选矿区、堆矿区、尾矿区及周边菜园5种土地类型的重金属污染特征进行了研究，结果表明，Cu、Pb、Zn和Cd的平均质量分数均超过铜陵市土壤背景值，且不同片区土壤中重金属全量差异较大，而且重金属元素之间存在正相关性。张晗等[13]对大宝山矿区农田土壤重金属污染特征进行了研究，结果表明，污灌区Cd、Pb、Cu、Zn 4种重金属含量是自然修复区和清水灌溉区的1.75～10.51倍，而且两两之间呈显著正相关。陶美霞等[14]对上饶市某铜矿废弃地土壤Cu、Cd、Cr、Pb、Zn 5种重金属污染特征进行了研究，结果表明，土壤中Cu和Cd污染最严重，远超国家土壤环境二级标准，Zn、Pb和Cr质量分数都超过江西省土壤背景值，分析认为重金属污染具有同源性。

目前，专门针对铜矿弃渣场下游污染农田的土壤重金属垂直空间分布特征研究较少。本研究以江西某铜矿弃渣场拦渣坝下游，长期遭受含废矿渣的渗滤水污染的农田(原为水田)土壤为研究对象，对农田土壤中的重金属全量的垂直空间分布特征进行了研究，对其与土壤有机质、pH、土层深度的相关性进行了分析，以期为农田土壤修复提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域位于江西某露采铜矿弃渣场拦渣坝下游的农田，包括东部14号坝(E14)、2号坝(E2)和西部13号坝(W13)下游共3块区域，原均为可耕作的水田，面积为10 hm2左右。由于常年遭受上游弃渣场红褐色酸性渗滤水并夹杂的废矿渣冲刷、沉积，造成事实上的严重“污水灌溉”，尤其是雨季长时间积聚酸性“废水”呈“湿地”或“水田”状。目前下游1 km范围内的农田由于遭受严重的重金属污染，已停止所有农业生产活动十多年。

1.2 样品采集

于2016年9～10月采集土壤样品，在每个地块均选择拦渣坝下游500 m处作为采样点，并间隔10 m布设3个采样地作为重复，并按照0～5、5～10、10～20、20～30 cm对每个土壤剖面分层采样。每个地块共采集12个土壤样品，3个地块总计36个土壤样品。每个采样点用土壤采集器采集约1 kg新鲜土样，用自封袋密封后带回实验室分析。

1.3 样品处理与分析

将样品自然风干、磨碎，过100目筛后低温保存备用。重金属全量化验分析方法采用GB 15618[15]，土壤有机质测定采用GB 9834中重铬酸钾容量法[16]，土壤pH测定采用NY/T 1377中电位法[17]。

1.4 数据处理

利用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面重金属全量、pH、有机质的统计特征描述

对3个地块土壤剖面重金属全量、pH、有机质质量分数的测定结果见表1。变异系数反映了pH、有机质和重金属全量在土层间的平均变异程度，其中E14地块土层间pH、有机质质量分数和重金属全量变异系数大小依次为Cu>Pb>Cd>As>Sb>有机质>pH；E2地块土层间pH、有机质质量分数和重金属全量变异系数大小依次为Cu>Pb>Cd>As>有机质>Sb>pH；W13地块土层间pH、有机质质量分数和重金属全量变异系数大小依次为Pb>Cu>As>Sb>Cd>有机质>pH。由表1可知，3个地块中Cu、Pb的土层间变异系数均大于0.5，说明Cu、Pb在土层间均呈现波动幅度较大、连续性变化差、垂直空间变异较大的特点。

如表1所示，当3个地块作为一个采样总体时，除pH、有机质的变异程度相比单个地块略有增减外，Cu、Cd、Pb的土层间变异系数分别达到1.228、1.311、0.709，相比单个地块的土层间变异程度明显增大，而Pb、As的变异程度相较E14、E2地块也有所增大。这说明在采样总体中，重金属全量的垂直空间变异不仅来自土层间的差异，而且来自地块间的差异，即采样总体中重金属全量的垂直空间变异程度既受土层间因素影响，也受地块间因素的影响。

表1 土壤剖面重金属、pH、有机质的测定结果

2.2 土壤重金属、pH、有机质的垂直分布

由图1显示，3个地块的土壤pH值均随土壤深度增加而增大，但不同土层间的pH值没有显著性差异(P>0.05)。初步分析认为，这主要是因为研究区农田土壤长期受到来自上游弃渣场的酸性废水冲刷，尤其是雨季时上游废水来量增加，在土壤表层积聚形成饱和浸润状态，加之采样时间正是雨后不久，土壤尚处于湿润状态。

图1 不同深度土层的pH变化(mean±SD，n=4)

从图2可以看出，3个地块不同深度土壤的有机质质量分数、重金属全量分布规律均呈现5～10 cm>0～5 cm>10～20 cm>20～30 cm的特点，而且5～10、0～5 cm土壤的重金属全量也明显高于10～20 cm和20～30 cm，表明重金属在垂直空间上呈现一定的表聚效应，即重金属主要分布在表层0～10 cm的土层中。这与王凡路等[18]的研究结果相似。姚高扬等[19]研究发现，某铀尾矿区周边农田土壤中放射性核素在垂直空间主要分布在表层土壤中，并随土壤深度增加而递减。聂锦霞等[10]研究西华山钨矿区菜地重金属分布特征也发现表层土壤的重金属全量最高。李玉梅等[11]在研究包头某铜厂周边4个方向不同水平距离及深度处的土壤重金属分布特征中发现不同水平距离的样品中，各重金属含量均随土层深度增加而减小。一般认为，表层土壤中有机质、腐殖质、氢氧化物质量分数和微生物活性较高，对重金属均具有一定的吸附、螯合作用[20-23]。

本研究中，土壤有机质质量分数和重金属全量总体随土壤深度增加而明显递减，但5～10 cm土层中有机质质量分数和重金属全量(W13地块中As除外)均高于0～5 cm土层。这与姚高扬等[19]的研究结论基本一致但略有差异。结合现场情况分析，本研究中的农田土壤表层因酸性废水长期冲刷沉积而含有较多的矿渣沉积物，农田土壤中的重金属除来自上游弃渣场的酸性废水外，也来自表层的少量矿渣沉积物。尽管表层少量沉积物中本身含有重金属，但有机质质量分数低，而且土壤表层长期裸露冲刷后有机质更易流失，而5～10 cm的土层主要是农田原表土层，有机质质量分数较多，也以红壤粘土为主。因此，分析认为，当重金属向下迁移时，以红壤粘土为主且有机质含量较多的5～10 cm处的原表土层与0～5 cm的沉积物与表土混合层相比对重金属可能具有更强的吸附能力。W13地块中As质量分数在0～5 cm土层中要高于5～10 cm土层，即不同于该地块其它重金属全量的变化，也不同于其它地块中As质量分数的变化，表示W13地块的As来源与该地块其它重金属元素可能不尽相同，或迁移特征与其它地块也可能不尽相同，有待进一步考证。

图2 不同深度土层的重金属全量与有机质质量分数(mean±SD，n=4)

2.3 重金属全量、pH、有机质质量分数及土层深度间相关性分析

造成土壤污染的重金属之间具有相关性，说明重金属间具有同源关系或是复合污染特征[24-27]。表2分析结果表明，Cu与Pb、Cd之间，Sb与As之间均呈极显著相关，Pb与Cd、As之间呈显著相关，说明土壤中的Cu、Pb、Cd、Sb、As具有相似的来源，即主要来自上游弃渣场渗滤废水污染。

表2 土壤重金属全量、pH、有机质及土层深度间的相关系数

由表2可以看出，除Cu、Cd与pH之间相关性不显著外，Pb、As与pH值之间呈极显著负相关，Sb与pH值之间呈显著负相关，说明pH值越小，土壤Pb、As、Sb全量越大，其中As与pH值的负相关系数达到-0.717。土壤pH值能够直接影响重金属有效态质量分数[28-29]，当pH<6.5时，重金属更易呈水溶态或可交换态，且pH值越低有效态质量分数越高[30-31]，而土壤有效态重金属的质量分数与重金属全量之间呈极显著相关[32-34]。

从表2还可以看出，Cu、Pb、As与有机质质量分数之间呈极显著相关，Sb与有机质质量分数之间呈显著相关，Cd与有机质质量分数之间相关性不显著，说明有机质质量分数越高，Cu、Pb、As、Sb全量也越高，其中As、Pb与有机质的相关系数分别达到0.687、0.678。有机质可通过静电吸附、螯合等作用影响重金属的移动性，但其影响因重金属种类不同而不同[35]。

此外，土层深度也是影响重金属垂直分布的重要因素之一。由表2可知，Cu、Pb、Sb、As全量与土层深度之间均呈极显著负相关，说明重金属元素更易在土壤表层富集，随着土层加深重金属全量就越低，其中Pb与土层深度的相关系数达到-0.793。Cd全量与土层深度相关性不显著。

3 研究结论

变异系数分析表明，重金属全量在土壤垂直空间的变异不仅来自土层间的差异，而且来自地块间的差异，即重金属全量在垂直空间的变异程度既受土层间因素影响，也受地块间因素的影响。

垂直空间分布特征分析表明，3个地块的土壤pH值均随土壤深度增加而增大；重金属垂直空间分布呈现一定的表聚效应，主要分布在0～10 cm的表层土壤中，尤以红壤粘土为主且有机质含量较多的5～10 cm处的原表土层分布最多。

相关性分析表明，土壤重金属之间具有一定的正相关性，其中Cu与Pb、Cd之间，Sb与As之间均呈极显著正相关，Pb与Cd、As之间呈显著正相关，说明土壤中的Cu、Pb、Cd、Sb、As来源相似；Cu、Pb、As与有机质质量分数之间呈极显著正相关，Sb与有机质质量分数之间呈显著正相关；而Pb、As与pH之间则呈极显著负相关，Sb与pH之间呈显著负相关；Cu、Pb、Sb、As与土层深度之间也呈极显著负相关。