西南地区某矿产集采区土壤重金属迁移规律及生态风险评价

史帅航 白甲林 余 洋

（1.中国航空器材集团有限公司,北京 101312;2.中化地质矿山总局地质研究院,北京 100101;3.中国地质环境监测院,北京 100081;4.自然资源部矿山生态效应与系统修复重点实验室,北京 100081;5.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院,北京 100083）

矿产资源是人类生存、经济建设与社会发展不可或缺的物质基础,其在勘察、开采、选冶过程中不可避免地会引发区域性生态扰动、景观损毁以及地质破坏[1-8]。其中,作为矿山生态修复与环境治理难以攻克的技术问题之一,矿区土壤重金属超标一直备受国内外专家学者的广泛关注[9-19]。近年来,随着“山水林田湖草是生命共同体”等生态文明建设理念的不断完善,系统全面地开展矿山生态修复与环境治理日趋成为业内共识[20-27]。本研究以西南地区某矿产集采区典型矿区为例,通过对矿区及其周边流域内土壤样品进行采集测试,合理简述相关土壤重金属迁移规律,系统评价潜在生态风险,尝试实现对矿区及其周边土壤重金属超标追根溯源,以期为当地生态保护修复、生态环境治理提供科学有效参考。

1 研究区概况

研究区位于四川省西南边缘的横断山脉东段,属于高山峡谷气候,年内干湿季节分明,降雨集中。矿产资源开发产生的尾矿堆、废渣堆充斥着区内沟道,加之受地形高差影响,废渣随地表水体发生迁移,极易诱发下游土壤重金属生态风险。基于上述讨论,本次研究重点选取矿产集采区内Ⅰ号铅锌矿区、Ⅱ号铅锌矿区、Ⅲ号磷矿区和Ⅳ号磷矿区进行土壤样品采集,其中,Ⅰ号铅锌矿区、Ⅱ号铅锌矿区位于X河支沟内,Ⅲ号磷矿区、Ⅳ号磷矿区位于Y河支沟内,均为长江上游金沙江水系。

2 数据来源与研究方法

样品采集:根据野外调查结果和现场实际情况,沿X河支沟和Y河支沟、从上游至下游均匀布设采样点位。其中,Ⅰ号铅锌矿采集土壤样品8个,Ⅱ号铅锌矿采集土壤样品9个,Ⅲ号磷矿采集土壤样品13个,Ⅳ号磷矿采集土壤样品9个,如图1所示。另外,在矿产集采区西北部设置研究比对样品（CK）。

图1 研究区及采样点分布Fig.1 Distributions of study area and sampling sites

在土壤样品测试方面,由四川省某工程技术测试中心按照有关技术规程[28-29]开展测试,根据测试报告遴选出相关指标作为研究的数据来源;在综合评价方面,采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行土壤重金属状况评价;采用潜在生态危害指数法进行土壤重金属潜在生态风险评价。

3 结果与分析

3.1 矿区土壤重金属含量分析

采用描述性统计分析法分别对各矿区土壤样品重金属含量进行分析。统计发现,4个矿区土壤样品中铅、锌、镉和砷等重金属含量均存在较大差异,离散程度大（如表1所示）。其中,Ⅰ号铅锌矿区土壤样品重金属含量变异系数偏大,可能源于土壤样品布设点位较为分散。

表1 矿区土壤重金属含量统计分析结果Table 1 Statistical analyses of heavy metal content in soil of mining area

基于统计结果对矿区土壤样品重金属含量作进一步分析。分析认为:一方面,在矿产资源开采、洗选、冶炼过程中,大量粉尘通过大气干湿沉降直接进入土壤;另一方面,堆积于地表的原矿石、尾矿等经淋溶、风化等自然作用将重金属等物质带入土壤,从而引发矿区土壤重金属含量超标[30-46]。

3.2 矿区土壤重金属迁移规律

3.2.1 Ⅰ号铅锌矿区

由图2可知,Ⅰ号铅锌矿区土壤样品各重金属含量均大于对照样品;从X河支流上游至下游,土壤样品重金属铅、锌、镉含量呈现双峰变化趋势、砷含量呈现单峰变化趋势。其中,在Ⅰ号铅锌矿区废渣堆下游（T02、T03）和某矿业洗选厂下游（T07）处铅、锌、镉含量较高,T07处砷含量最高。分析认为:矿产资源开采、洗选活动与矿区土壤样品重金属含量超标可能存在正相关;矿区土壤样品各重金属含量变化趋势相似,说明土壤样品中重金属铅、锌、镉超标与砷超标可能存在相关性[33-34]。

图2 X河Ⅰ号铅锌矿区土壤重金属含量Fig.2 Variations in soil heavy metal contents in Pb-Zn Mining Ⅰ of X River

3.2.2 Ⅱ号铅锌矿区

由图3可知,Ⅱ号铅锌矿区土壤样品各重金属含量大于对照样本比例超过88%;从X河支流上游至下游,土壤样品铅、锌、镉、砷含量呈现不规则的波浪形变化趋势。其中,矿区固体废弃物堆附近土壤样品（T14、T16、T17）重金属含量相对较高,河流交汇处（T13、T15）重金属含量相对较低。分析认为:矿产资源开采过程中产生的固体废弃物可能存在重金属含量超标;河流交汇处水量增大可能会稀释河流底泥中的重金属含量。

图3 X河Ⅱ号铅锌矿区土壤重金属含量Fig.3 Variations in soil heavy metal contents in Pb-Zn Mining Ⅱ of River X

3.2.3 Ⅲ号磷矿区

由图4可知,Ⅲ号磷矿区土壤样品各重金属含量大于对照样本比例超过69%;从Y河Ⅲ号磷矿区支沟上游至下游,土壤样品各重金属含量呈现不规律的波浪形变化趋势。其中,采矿活动产生的尾矿、固体废弃物堆附近（T24）铅、锌含量相对较高,选矿活动产生的废渣附近（T18、T20）镉、砷含量相对较高。分析认为:采矿活动、选矿活动产生的固体废弃物中不同类型重金属含量可能存在差异。

图4 Y河Ⅲ号磷矿区土壤重金属含量Fig.4 Variations in soil heavy metal contents in P Mining Ⅲ of River Y

3.2.4 Ⅳ号磷矿区

由图5可知,Ⅳ号磷矿区土壤样品各重金属含量大于对照样本比例超过55%;Y河Ⅳ号磷矿区支沟上游至下游,土壤样品铅、锌、镉含量呈现不规律的波浪形变化趋势,砷含量呈现单峰变化趋势。其中,开采活动产生的固体废弃物堆附近（T36）重金属含量相对较高。分析认为:开采活动产生的固体废弃物可能存在重金属含量超标。

图5 Y河Ⅳ号磷矿区土壤重金属含量随流域上游至下游变化规律Fig.5 Variations in soil heavy metal contents in P Mining Ⅳ of River Y

3.3 矿区土壤样品重金属含量评价

因各矿区矿产资源类型、开采时间以及矿石洗选工艺不同,导致4个矿区土壤各重金属单因子污染指数和矿区内梅罗综合污染指数存在明显差异,如表2所示。

表2 矿区土壤样品重金属污染评价结果Table 2 Evaluation results of soil heavy metal pollution in mining area

对比发现,铅锌矿区土壤样品铅、锌、镉单因子污染指数均高于磷矿区,表明铅锌矿区土壤样品以铅、锌、镉含量超标为主;磷矿区土壤样品砷单因子污染指数总体高于铅锌矿区,表明磷矿区土壤样品以砷含量超标为主。

3.4 矿区土壤重金属潜在生态风险分析

因各矿区土壤样品中重金属浓度不同,导致4个矿区土壤各重金属潜在生态风险指数、矿区生态风险综合指数存在明显差异,由表3所示。

表3 矿区土壤重金属潜在生态风险分析Table 3 Potential ecological risk analysis of heavy metals in soil of mining area

对比发现,铅锌矿区土壤铅、锌、镉的潜在生态风险指数均大于磷矿区,磷矿区土壤砷的潜在生态风险指数高于铅锌矿区,表明铅锌矿区土壤铅、锌、镉的潜在生态风险大于磷矿区,土壤砷的潜在生态风险则呈现磷矿区大于铅锌矿区。

4 结 论

通过分析西南地区某矿产集采区4个矿区土壤样品重金属含量及其随流域迁移规律,分析研究区内土壤重金属潜在生态风险,得出以下结论:矿产集采区中铅锌矿区、磷矿区土壤样品重金属超标类型不同;研究区土壤样品重金属含量从上游到下游的迁移规律变化,可能与矿产资源开采方式、洗选方式、矿区固体废弃物分布、地表径流强度等因素存在相关性;研究区土壤样品重金属含量超标排序依次为Ⅰ号铅锌矿区、Ⅲ号磷矿区、Ⅳ号磷矿区、Ⅱ号铅锌矿区;研究区生态风险排序依次为Ⅰ号铅锌矿区、Ⅱ号铅锌矿区、Ⅲ号磷矿区和Ⅳ号磷矿区。

基于上述研究与讨论,建议进一步加强长江上游金沙江流域内矿产资源开发引起土壤重金属含量变化的相关研究,重点关注不同类型矿产资源开发对土壤重金属含量扰动的作用机理,有效厘清矿产资源开发方式、洗选工艺对土壤重金属含量影响的核心环节,深入挖掘矿产资源集中开采区土壤重金属含量变化的内在关联,持续探索矿产集采区土壤重金属迁移规律的演化特征,不断提升长江上中游重要流域矿产资源开发生态风险评价水平,继而为科学推进矿产资源集采区“绿色矿山”建设、矿山生态保护修复等相关工作提供更加有效的数据来源、科学的理论支撑、详实的研究素材。