露天铅锌采矿区周边土壤重金属污染空间分布特征研究

关键词：土壤重金属污染；露天铅锌采矿区；土壤样品取样器；空间分布特征

中图分类号：X53 文献标志码：B

前言

对于铅锌采矿区来说，在开采过程中会不可避免地导致周边土壤中重金属的积累和污染。重金属污染对土壤微生物群落、土壤有机质和微生物活性等起到破坏作用。土壤微生物是土壤生态系统中重要的组成部分。重金属的积累可能导致土壤微生物的死亡或损伤，进而影响土壤生态系统的稳定性和功能。此外，铅锌采矿区的重金属污染也对生态系统的物种多样性和生态平衡产生影响。由于重金属的毒性作用，一些敏感的生物物种可能无法适应重金属污染的环境，从而导致生物多样性的减少和生态链的破坏。这对于生态系统的可持续发展和生态服务功能的维持具有重要意义。

在国内外，关于土壤重金属污染空间分布特征的研究已经取得了一些进展。研究者采用了多种技术方法实施相关研究。其中，常用的技术方法包括地球化学分析、模拟实验、地理信息系统、分形分析、生物传感器、等离子体质谱等。现以以往所取得的研究成果为基础，实施露天铅锌采矿区周边土壤重金属污染空间分布特征研究，分析可以研究土壤中重金属的空间异质性，进一步了解其扩散和迁移特征。生物传感器和等离子体质谱技术可以实时监测土壤中重金属的变化，为环境监测和预警提供科学依据。

1研究区域与研究方法

1.1研究区域概况

露天铅锌采矿区位于中国南方山丘地带，地形复杂，受风向变化和局部气候差异的影响较大。周围分布着多个村庄和农田。该地区土地的形成主要是通过长时间的侵蚀、风化和搬运作用，形成了不同类型的土壤，包括砂岩、页岩和泥岩等成土母质。在矿区周围主要存在黄壤和红壤，土层较薄且肥力较差。

在露天铅锌采矿区，通常采用分层开采的方法，即从地表向下逐层进行开采。主要的采矿工艺包括剥离、挖掘、运输和堆存等环节。然而，在这个过程中，大量的废石和尾矿渣会产生。露天铅锌矿区的尾矿渣可能富含重金属，如铅、锌等。当尾矿渣不加管理地堆放或处理时，其中的重金属可能通过风化、侵蚀、渗漏等途径进入土壤中，造成重金属污染。重金属对环境和生态系统有毒性，高浓度的重金属污染可能对土壤营养状况、植物生长、土壤微生物群落等产生负面影响，并进而影响到生态链的稳定性。

1.2数据来源与样点布设

在研究区域，根据现场踏勘结果和相关资料分析结果，采用了分区布点法实施采样点布设。对于其他疑似污染区域，考虑增设采样点。以获取大量的土壤样本数据，从而了解不同地点和不同深度的土壤重金属污染状况。在土壤垂直方向上，每0～0.5m左右设置1个表层样。为便于统计，此研究取0～6 m样点，共将研究区域划分为三层，分别为0～1m、1～3 m，3～6 m，采集了214个表层样和156个剖面样。具体的采样方法参照了国家相关导则文件。对于土壤平面方向，在八个方向上每隔10米布设一个表层样。

在选取特征污染物实施分析时，选定了Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd这七种露天铅锌采矿区内污染程度较高的土壤特征重金属污染元素。这些元素具有的特性包括：

（1）高毒性：这些元素中的部分（如汞、铅和镉）具有较高的毒性，即使以极低浓度存在于土壤中也会对生态系统和人体健康产生不利影响。

（2）累积性：这些元素在土壤中可以累积，并通过食物链进人生物体内。生物体摄入过量的重金属后，这些元素会积聚在组织中，导致慢性中毒，并可能扩散到整个食物链中。

（3）不可降解：重金属元素是不可降解的有害物质，一旦进入环境就难以消除。重金属元素可以在土壤中长期积累，对土壤质量和生态系统功能造成持久影响。

（4）污染源：这些元素广泛存在于各行业的废水、废气和固体废弃物中，例如采矿、冶炼、工业生产、农药使用等活动。这些活动会释放大量的重金属元素到土壤中，导致土壤重金属污染。

（5）生态系统影响：通过积累和转移作用，土壤中的重金属元素可以对土壤微生物、植物和动物产生毒理效应，破坏生态平衡和生物多样性。

1.3土壤样品采集

对于设置的表层采样点，实施土壤样品采样的具体过程如下：

（1）准备采样工具：准备好必要的采样工具，如挖掘工具、取样器、标签、测量工具等。

（2）采样：在确定的深度范围内，使用取样器实施采样。

（3）记录信息：对每个采样点实施拍照并记录相关信息，如地理位置、土壤类型、挖掘深度等。

（4）样品处理：过100目的尼龙筛。

（5）包装样品：将过筛后的样品装入标有采样点信息的样品袋中，并妥善保存。

对于剖面样采样点，实施土壤样品采样的具体过程如下：

①准备采样工具：准备好必要的采样工具，与表层采样点的采样工具相同。

②挖掘土壤：根据土壤类型和质地，确定挖掘深度和范围。挖掘时要尽量避免破坏土壤结构。

③采样、记录信息、样品处理、包装样品，以上步骤的执行内容与表层采样点相同。

设计一种由钻头、样品收集装置、钻杆、深度指示器、电池和开关构成的土壤样品取样器。具体取样过程为：将钻头插入土壤中，通过手柄控制钻杆旋转，使钻头在土壤中挖掘。当钻头到达所需深度时，操作者可以通过深度指示器观察取样深度。此时，关闭开关，取下钻杆，将样品收集装置拆开，即可获取所需的土壤样品。

1.4主要药品与仪器

在研究中，使用的药品包括超纯水、浓盐酸等，具体见表1。

使用的仪器包括四氟乙烯消解罐、烘箱等，具体型号如下：

（1）四氟乙烯消解罐型号：FEFEV32；

（2）烘箱型号：EP56；

（3）赶酸装置型号：R785；

（4）原子荧光光度计型号：AFS-8220；

（5）电感耦合等离子体发射质谱仪型号：ICPARQ。

1.5重金属检测

在实施重金属检测前，对土壤样品实施消解预处理是必要的步骤。消解预处理可以破坏土壤的复杂结构，释放出其中的重金属元素，以便后续的检测和分析。

土壤样品消解预处理具体步骤如下：

（1）消解试剂选择：选择氢氟酸、盐酸硫酸和硝酸的混合溶液。

（2）消解过程：将过筛的土壤样品放人聚四氟乙烯消解罐中，加入适量的消解试剂，然后置于烘箱中加热至200℃，保持2小时，使土壤样品充分消解。

（3）赶酸：对消解后的土壤样品实施赶酸处理，将样品转移至赶酸装置内，加热至200℃，赶出多余的酸。

（4）稀释定容：对赶酸后的土壤样品实施稀释定容，采用去离子水实施稀释，使样品达到合适的浓度，以便进行后续的重金属检测。

1.6质量保证与控制

为了确保金属检测分析的准确性，使用国家环境监测中心提供的GSB250013-88标准物质作为参考物质，用于验证分析结果。通过进行多次实验来检测同一样品，以评估重金属回收率的范围。此外，还会进行空白试剂的分析，以确定是否有任何背景干扰。

根据可靠的数据，重金属回收率应在88.5%至102.1%之间，标准物质中金属分析的置信水平应达到90%以上，在重复测量时相对标准偏差应低于10%。这样可以确保分析结果的准确性和可靠性。

1.7数据处理与分析

使用SPSS 19.0统计分析软件实施分析，利用Sufer.0地学软件实施Kriging插值以生成分析结果图。通过以上操作能够更准确地描述数据的分布和变化趋势，为进一步的数据分析提供有力的支持。

2空间分布特征分析

2.1重金属污染的空间分布与地形影响分析

重金属污染通常呈现出集中分布的特征，即在特定区域或污染源周围，重金属元素的含量显著高于周围区域。因此通过绘制各种重金属元素污染含量的平面等值线图来获取研究区域各重金属元素的空间平面分布特征。图中的区域距离为5000m～10000m。Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的平面等值线图绘制情况见1。

根据图1中的绘制结果可知，不同的污染源导致不同的重金属元素排放，或者受到环境条件和土壤特性的影响，在空间上形成复杂的污染格局。

Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的最高值均位于露天铅锌采矿区的边缘，并在向周围扩散的过程中逐步降低。这反映了重金属元素的扩散和迁移过程。重金属污染会通过水体、风力、动植物等方式从污染源向周围地区扩散，导致远离污染源的土壤污染程度逐渐降低。其中锌的含量最高，在研究区域周边，含量达到7000mg/kg，在露天铅锌采矿区的边缘，含量达到8500mg/kg。同时铅的含量也较高。而汞的含量最低，在研究区域周边，含量为15mg/kg，在露天铅锌采矿区的边缘，含量为30mg/kg。

可以看出，在研究区域中，东南方向Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的扩散更严重，这是由于研究区域该方向为沟谷地形，存在河流，因此扩散更加严重。而东北部与西南部为山地地形，因此扩散情况较轻。

2.2土壤重金属污染空间垂直分布特征

绘制各种重金属元素污染含量的垂直等值线图，可以帮助确定重金属元素污染的空间来源和分布。高浓度区域通常代表着污染源附近的土壤重金属污染较严重的地区，从而有助于污染源的识别和定位。

Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的垂直等值线图绘制情况见图2。

如图2所示Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd在垂直方向上浓度不断降低。其中Zn整体浓度最高，Hg整体浓度最低。Pb、Zn、As、Cd、Cu在地下六米处仍保持一定浓度，而Ni、Hg在研究区域周边的地下五米、六米处浓度已经降为0，这与其浓度较低相关。总的来说，在地下六米的深度处，镍（Ni）、铜（Cu）、汞（Hg）、锌（Zn）、砷（As）、铅（Pb）和镉（Cd）等重金属依然表现出渗透能力，这表明露天铅锌采矿区地下土壤的重金属污染问题较为严重，对环境和生态系统产生负面影响。这些重金属元素可能从矿石中释放出来，或者通过矿渣、废水等途径进入土壤，并随着时间的推移逐渐积累，会对土壤生态环境造成很大负面影响。随着重金属在土壤中的积累，它们可能会影响土壤的理化性质和生物活性，从而对植物的生长和发育产生负面影响。此外，重金属还可能通过食物链进入人体，对人体健康造成潜在威胁。因此，对于露天铅锌采矿区地下土壤的重金属污染问题，需要引起足够的重视，采取有效的措施实施治理和防控。

3结束语

此研究对露天铅锌采矿区周边土壤重金属污染的空间分布特征实施研究。通过绘制土壤重金属污染空间平面分布特征图和垂直分布特征图可知，重金属污染元素的最高值均位于露天铅锌采矿区的边缘，并在向周围扩散的过程中逐步降低。且重金属污染元素向周围与垂直方向逐步扩散，在垂直方向上浓度不断降低。其中Zn整体浓度最高。综上所述，露天铅锌采矿区周边土壤的重金属污染问题较为严重，这些重金属元素可以通过多种途径进入土壤并逐渐积累。重金属的积累会对土壤生态环境、植物生长和人体健康产生负面影响。因此，对于露天铅锌采矿区地下土壤的重金属污染问题，需要引起足够的重视，并采取有效的措施来进行治理和防控。