矿业废弃地污染状况及修复

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本文作者：吴桂容1,2,3解庆林2曲芬霞2周惟艇4谢佳乐2作者单位：1.西环境工程与保护评价重点实验室2.贺州学院3.厦门大学4.贺州市环境监测站

土壤的质量是保持矿业废弃地土壤稳定性的关键因素。在矿山废弃土地复垦研究中，土壤质量评价是其研究工作的主要内容之一，且涉及到的评价指标很多，重金属含量就是其中之一［1］。矿场上覆岩土和尾矿库区土壤中往往含有有害的重金属元素，将这些岩土堆垫到地表，从而造成土壤污染，影响植物的生存，这些有毒有害物质如果随径流扩散，还将污染更大范围的土壤［2］。其中，毒性最大的是Cd、Pb、Hg、As，它们不但不能被生物降解，相反，却能在生物作用下放大、大量富集，沿食物链最后进入人体，引起急性、慢性中毒，甚至能够致癌、致畸、致死［3］。广西水岩坝曾是全国有名的钨锡矿产地，位于广西东北部平桂地区，沿姑婆山花岗岩岩基西南接触带产出，是南岭钨锡多金属成矿带的重要组成部分。水岩坝矿田的矿床类型主要为钨锡石英脉型矿床（烂头山）、锡石硫化物矽卡岩型矿床（大庙山）及锡石角砾岩型矿床（董家坳）［4］。其中，烂头山的钨锡石英脉型矿床工业价值较大。随着开采数量逐渐减少，直至后来废弃，留下了大量的废弃地。由于当地人多地少，土地复垦成为面临的主要问题。为了弄清当地土地生产的限制因子和重金属污染状况，减少生态安全风险，对当地的土壤和常见的农作物进行重金属残留测试，以期为当地大规模的土地复垦、生态恢复，及防止水土流失提供科学依据和基础资料。

1材料与方法

1．1研究区域概况

水岩坝曾是钨锡矿的开采地［5］，后逐渐废弃，开采数量渐渐减少，其地理坐标位于东经111°33′～111°35′，北纬24°32′30″～24°35′。地处广西贺州市东北侧，距贺州市区16km。属亚热带季风气候，气候温和，光照充足，雨量充沛。年平均气温18．20℃，极端最高气温39．5℃，极端最低气温－4℃，年均降雨量1704mm，年蒸发量1650mm，相对湿度80％以上，年均无霜期299d。项目区周围基岩均为花岗岩，主要土壤为红壤和黄红壤。天然植被主要为中亚热带绿阔叶林，也有针阔混交林和人工杉林、马尾松林等。由于矿产的开采形成了大量的废弃地，废弃地的植物种类非常稀少，水土流失严重，自发复垦土地的农作物长势相对差，产量低。

1．2样品采集

参考前人对贺州矿区重金属污染状况的研究与报道，根据对当地情况的调查与走访，确定了水岩坝原矿区的烂头山、大庙山、董家坳3个不同类型的矿区作为土壤样品调查的采集点。根据《农业土壤化学分析方法》［6］的相关要求，采用梅花型5点采样法。样品采集点以矿区周边耕作土壤与矿区废弃地土壤为主，采集了0～20cm的表层土壤（耕作层）与20～40cm亚耕作层土壤，去除土壤中的根系和碎石等杂质，混合均匀，取1kg装入样品袋运回实验室；背景土壤为距离矿区5km以外的人类干扰少的林下森林土壤。植物样品采用混合采样，采集的植物样品为矿区周边耕作土地的农作物［小白菜、荠菜、生菜、芥菜、莴苣的地上部分、玉米］的籽实，随机取鲜重各1kg，装入样品袋，带回实验室处理。

1．3样品处理与分析

1．3．1土壤样品

土壤样品进行自然风干后，研磨，过100目尼龙筛后贮藏于干燥器备用，样品加入混合酸（HNO3＋HClO4＋HF）用高压消解罐进行消解，消解液中重金属（As，Cd，Pb）的总量采用ICP－MS（电感耦合等离子体质谱仪Agilent7200C）进行测定。

1．3．2植物样品

植物样品运回实验室后，用自来水清洗干净，再用去离子水清洗3次，用滤纸吸干水分后称量鲜重质量。105℃杀青30min，于60℃下烘干至恒中，称量干重质量。烘干样品研磨后过60目尼龙筛，加浓HNO3＋H2O2，采用高压消解罐进行消解，消解后用ICP－MS（电感耦合等离子体质谱仪Agilent7200C）检测各种重金属（As，Cd，Pb）总量。

1．4数据处理

采用Excel2003软件处理数。

2结果与分析

2．1尾矿库区土壤的重金属污染及迁移扩散

水岩坝尾矿库区的土壤存在严重的Cd和As污染，Pb的污染程度相对较低，重金属Cd和As都已经超过GB15618—1995的二级标准（表1），生态风险值相当大，Pb、Cd、As的重金属含量分别是背景土壤的14．94倍、17．86倍、29．49倍。由于重金属的迁移扩散，尾矿库周边的土壤污染严重，污染土壤Pb、Cd、As分别是背景土壤的4．36倍、6．02倍、11．21倍。说明，重金属的类型不同，迁移扩散的速度有明显差异，As的含量高，最容易发生迁移扩散；其次是Cd，尾矿库土壤的Cd含量小于Pb，但污染土壤增加的倍数大于Pb，说明，相对Pb来说，Cd迁移扩散的速度大于Pb，Cd更容易发生迁移扩散。尾矿库的土壤的pH值较高，这可能与选矿使用了碱石灰有一定的关系，由于水土流失和大气降水，污染土壤的pH值小于尾矿库区土壤。

2．2土壤重金属在垂直方向的迁移扩散

通过对尾矿库区土壤、周边污染土壤的表层和亚耕作层的土壤重金属Pb、Cd、As的测定（表2）发现，这3种重金属在垂直方向具有相同的特征，即表层土壤的重金属含量大于亚耕作层土壤。

2．3主要农作物的重金属含量

在烂头山、大庙山和董家坳矿区周边土壤上生长的主要农作物的样品中（表3），重金属含量最高的是烂头山矿区周边土壤生长的芥菜，其As、Cd、Pb含量分别达到4．47mg／kg、6．35mg／kg及6．17mg／kg，最低的是董家坳矿区周边土壤生长的玉米，其As、Cd、Pb分别为0．83mg／kg、0．11mg／kg、0．57mg／kg；不同的农作物对重金属的吸收不同，在废弃地选择合适且对重金属吸收少的农作物种植，可以减少重金属进入食物链，对保护人们的身体健康显得非常重要。

2．4主要农作物重金属的富集系数

富集系数又称吸收系数，是指作物体某部位某一元素的含量与土壤中该元素含量的百分比［7］。它可以表示土壤作物系统中不同重金属元素迁移的难易程度，是表示不同元素间差异的较为合适的指标。从表3看出，对于As、Cd、Pb来说，富集系数最大的是烂头山矿区周边土壤生长的芥菜，最小的是董家坳矿区周边土壤生长的玉米。不同地点主要农作物的富集系数As、Cd、Pb的平均值是0．92、29．18、2．81，Cd的富集系数最大，Pb和As的富集系数相对较少。从生物毒性来说，Cd的生态毒性大于Pb和As，因此，为了减少进入食物链的重金属含量，保护人们身体健康，对于水岩坝尾矿区应重点防治Cd污染，选择Cd富集系数较少的农作物进行种植。

3小结与讨论

1）通过对贺州水岩坝钨锡矿的尾矿库区土壤、周围的污染土壤、背景土壤及主要农作物的采样分析，结果表明，水岩坝尾矿库区和周边的土壤重金属Cd、As污染相当严重，尾矿库区成为一个重金属的污染源，不断地向周围迁移扩散从而造成更大范围的污染，其中，As的迁移扩散速度最强，其次为Cd。通过植被恢复和工程措施将重金属固定下来显得尤为必要。2）通过对尾矿库周围污染土壤上生长的农作物的重金属含量进行分析发现，不同的农作物种类对不同重金属的富集程度不同，芥菜对As、Cd和Pb的富集系数最大，不适宜在周边的污染土壤种植；玉米对As、Cd、Pb的富集系数较小，但重金属的含量还是相对较大，因而有必要根据土壤的重金属种类选择富集系数较小的植物进行栽种，同时结合土壤重金属的稳定，降低重金属的活性，从而达到减少植物体的重金属含量，降低进入食物链的含量，减少重金属的危害。3）尾矿库区的土壤和周边一定范围的土壤重金属As和Cd含量已经相当大，简单的土地复垦已经不能解决重金属污染带来的危害。因而在重金属As和Cd含量高的地方进行植被恢复而不是作为耕地进行复垦；在重金属污染相对较轻的区域结合重金属稳定技术进行土地复垦。4）废弃地重金属含量高，在大气降水的作用下发生迁移扩散，从而扩大污染范围，成为潜在的污染源。为了防止重金属迁移扩散，采取必要的措施将重金属稳定，其中针对性最强的是防止As的迁移扩散，其次考虑Cd。不同植物种类对重金属的吸收、积累差异很大。例如，蕨类植物吸收Cd的量特别多，体内含Cd量可高达1200mg／kg；双子叶植物吸镉量也相当高，如向日葵、菊花体内含Cd的量可高达400mg／kg和180mg／kg；单子叶植物含Cd量比双子叶植物少［7－9］；印度芥菜通过对重金属螯合、区域化可部分解除重金属的毒性，可富集／忍耐Cd、Zn等多种重金属［10］。