Pb/Zn尾矿对农田污染的影响研究

袁继委 徐威力 徐方曦 陈方圆

1.浙江省台州生态环境监测中心 浙江 台州 318000

2.台州市生态环境局临海分局 浙江 临海 317000

尾矿指排放的矿浆经自然脱水后形成的固体矿业废料。目前我国的尾矿堆存量已达207亿t,且持续增长[1]。植被覆盖的缺乏导致尾矿区经常遭受严重的水蚀和风蚀,从而导致周边的农田与水体受到重金属污染源[1]。尾矿植物修复和污染影响评价是当前尾矿污染研究两个主要方面。但是当前评估体系较为单一,对尾矿污染生态修复的综合评价相对较少。需要结合污染修复效果、生物恢复和健康风险等综合的评价体系对生态修复进行评价。

黄岩铅锌矿床储量高,产生的尾矿多。大量尾矿堆积使降雨和坡面溪流携带重金属,对下坡面农田等造成潜在污染影响。本研究选择黄岩铅锌矿尾矿及其下游农田为研究区域,对植物修复效果、下游农田污染情况、土壤动物变化特征进行评价。对已有尾矿污染修复措施的效果进行评估,建立完整的评估体系,为该地区尾矿污染的预防和治理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域和采样点分布

黄岩铅锌矿位于台州长潭水库水源饮用地的汇水区内(28.36°N,120.55°E)。该区域属亚热带季风气候,年平均气温16.8°C,降雨量1320 mm。目前尾矿堆积地区域分为未修复区域和修复区域(图1),修复区域中已人工种植植物五节芒(Miscanthus floridulus)进行修复,并在尾矿堆积地最下端修筑堤坝防止污染下游农田和水体。本研究选择尾矿堆积地以及下坡面的农田为研究对象。

从尾矿矿坝到山体坡面最下端的黄岩溪(图1),分别选择高程163、146、124、112和95 m的五个层面为5个采样区域(I、II、III、IV和V),每个采样区域随机选取三块独立的农田,总共15块农田作为研究对象。同时,在尾矿堆积地选择五节芒修复和未修复区域对植物修复效果进行研究。

1.2 样品采集与分析

在尾矿五节芒修复区与未修复区分别随机选取5个取样点。每个取样点随机取土壤三份,充分混合后带回实验室风干过筛。采用中国科学院南京土壤研究所(1978)的方法测定土壤p H、全氮、全磷和电导率。土壤消化后用电感耦合等离子体发射光谱质谱(ICP-MS)测定Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在尾矿修复区的5个土壤取样点附近,随机挖取三株五节芒。在农田5个采样区域的15块农田中,随机挖取每个区域均有分布的簇生泉卷耳、猪殃殃、一年蓬、直立婆婆纳和日本早熟禾,每种挖3株。所有植物地上植株和根分开,带回实验室烘干、混合、磨碎并消化后用ICP-MS测定植物中重金属Cu、Cd、Pb和Zn的含量。

在5个区域共15块农田中,各随机选择3个采样点采集土壤,充分混合后带回实验室灯烤收集土壤动物并进行镜检分类,记录种类和数量。土壤动物的分类鉴定主要参考《中国土壤动物检索图鉴》和《中国土壤动物》。

1.3 数据分析

1.3.1 土壤污染影响评价

采用潜在生态危害系数法进行土壤污染影响评价[2],土壤中第i种重金属的潜在生态危害系数和多种重金属的潜在生态危害指数RI计算公式分别为:

式中:Cif为第i种重金属的污染指数;Ci为土壤中第i种重金属的实测浓度;Cin为土壤中第i种重金属的参比值,重金属Cu、Cd、Pb和Zn背景值分别采用浙江温黄地区土壤背景值:10、0.05、0.2和20 mg·kg-1[3];Tir为第i种重金属的毒性系数,Cu、Cd、Pb和Zn的生物毒性系数分别为:5、1、5和30。

1.3.2 数据统计分析

采用单因素方差分析(ANOVA)对五个采样区域间土壤理化性质和重金属含量的差异进行分析。采用配对T-检验对植物修复和未修复区域土壤理化性质和重金属含量差异进行分析。以上数据分析采用SPSS 20.0统计软件。采用CANOCO 4.5对土壤动物数量与土壤理化性质和重金属含量之间的关系进行分析,将土壤动物数量定义为反应变量,土壤理化性质和重金属含量分别定义为解释变量,首先以回归分析方法将所有解释变量降维,建立若干个新的线性组合,并以方差贡献率最大的两个线性组合得分为轴作二元回归图。

2 结果与分析

2.1 尾矿植物修复效果评估

五节芒修复显著提高了尾矿土壤的全氮含量,尾矿酸性同时得到一定的改善。五节芒修复增加了尾矿土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的含量,其中Cd的含量显著增加。地上和地下部分重金属含量表明五节芒对重金属具有一定的富集能力。

2.2 不同采样区域农田土壤污染评价

不同采样区域土壤重金属测定结果显示,随着与尾矿距离的增加,土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的含量呈现显著下降的趋势(表1),土壤p H值、电导率、全氮和全磷含量并没有呈现明显的变化规律。重金属单一污染因子评价结果显示,Cu、Cd、Pb和Zn的单一污染指数随着与尾矿距离的增加显著下降(图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在五个采样区域均属于轻度生态危害,Cd含量在IV和V区属于轻度生态危害,在I,II和III区属于中度到强度生态危害。土壤重金属综合污染指数也随着与尾矿距离的增加呈现显著下降的趋势(F=172.97,P＜0.001)。I区和多数II区采样点综合污染属于中度生态危害(150≤RI＜300),III、IV和V区的土壤综合污染属于轻度生态危害(RI＜300)。

图1 不同采样区域重金属的单一污染指数

表1 不同采样区域土壤理化性质和重金属含量

蓝线代表中等生态危害;橘黄线代表强生态危害;红线代表很强生态危害.

2.3 不同采样区域土壤动物污染影响评价

采用冗余分析的方法考察各采样点土壤动物数量与土壤理化性质和重金属含量的关系(图3),土壤动物数量与Cu(P=0.012)、Cd(P=0.001)、Pb(P＜0.001)和Zn(P＜0.001)含量呈显著负相关。与p H值呈显著正相关(P=0.004),与电导率呈显著负相关(P＜0.001)。但是,土壤动物数量与全氮和全磷并没有呈现显著的相关性。土壤动物数量随着与尾矿距离的增加呈现显著增加的趋势(F=10.37,P=0.001)。

图3 采样点土壤动物数量与土壤理化性质和重金属含量的关系

3 讨论与结论

利用速生型、大生物量的耐性植物对污染环境中的重金属进行固定,能有效防止重金属向周边环境扩散,减少重金属向地下水的淋溶和渗透,适合大规模的矿业废弃地恢复[4]。五节芒修复是一种典型的植物固定技术,对黄岩铅锌矿植物修复效果研究发现,对重金属进行有效固定,可能是五节芒修复区域土壤重金属含量增加的主要原因。同时,五节芒修复提高了尾矿土壤N素营养,降低了尾矿土壤酸度,满足演替后期植物生长的土壤环境。因此,黄岩尾矿五节芒植物修复起到了减少尾矿重金属对下游农田污染的作用,同时,植物修复进入了自然的良性循环。

农田土壤重金属污染随着与尾矿距离的增加呈现显著减少的趋势,这与土壤的过滤作用和重金属随雨水流动过程中逐渐截留沉淀有关[5]。农田土壤生态危害评价结果显示,Cu、Pb和Zn在所有采样区域均属于轻度生态危害。但是,Cd在离尾矿近的区域(I和II区)达到了中度甚至强度生态危害。这可能与黄岩铅锌尾矿中Cd含量相对较高,且Cd的可移动性较强有关。

土壤动物数量研究结果表明,研究区域农田土壤动物数量与土壤中Cu、Cd、Pb和Zn含量呈现显著的负相关。重金属能够降低土壤动物酶活性、改变分子结构,能够在群落水平上降低土壤动物群落的多样性[6],因此导致负相关性的产生。基于本研究结果,对黄岩铅锌尾矿下游土壤重金属污染同样可以建立基于土壤动物数量的污染等级,以方便对该区域土壤污染状况进行快速检测。