關(guān)鍵詞：土壤重金屬污染；露天鉛鋅采礦區(qū)；土壤樣品取樣器；空間分布特征

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

對(duì)于鉛鋅采礦區(qū)來(lái)說(shuō)，在開采過(guò)程中會(huì)不可避免地導(dǎo)致周邊土壤中重金屬的積累和污染。重金屬污染對(duì)土壤微生物群落、土壤有機(jī)質(zhì)和微生物活性等起到破壞作用。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。重金屬的積累可能導(dǎo)致土壤微生物的死亡或損傷，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能。此外，鉛鋅采礦區(qū)的重金屬污染也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和生態(tài)平衡產(chǎn)生影響。由于重金屬的毒性作用，一些敏感的生物物種可能無(wú)法適應(yīng)重金屬污染的環(huán)境，從而導(dǎo)致生物多樣性的減少和生態(tài)鏈的破壞。這對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)服務(wù)功能的維持具有重要意義。

在國(guó)內(nèi)外，關(guān)于土壤重金屬污染空間分布特征的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。研究者采用了多種技術(shù)方法實(shí)施相關(guān)研究。其中，常用的技術(shù)方法包括地球化學(xué)分析、模擬實(shí)驗(yàn)、地理信息系統(tǒng)、分形分析、生物傳感器、等離子體質(zhì)譜等。現(xiàn)以以往所取得的研究成果為基礎(chǔ)，實(shí)施露天鉛鋅采礦區(qū)周邊土壤重金屬污染空間分布特征研究，分析可以研究土壤中重金屬的空間異質(zhì)性，進(jìn)一步了解其擴(kuò)散和遷移特征。生物傳感器和等離子體質(zhì)譜技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中重金屬的變化，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

露天鉛鋅采礦區(qū)位于中國(guó)南方山丘地帶，地形復(fù)雜，受風(fēng)向變化和局部氣候差異的影響較大。周圍分布著多個(gè)村莊和農(nóng)田。該地區(qū)土地的形成主要是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕、風(fēng)化和搬運(yùn)作用，形成了不同類型的土壤，包括砂巖、頁(yè)巖和泥巖等成土母質(zhì)。在礦區(qū)周圍主要存在黃壤和紅壤，土層較薄且肥力較差。

在露天鉛鋅采礦區(qū)，通常采用分層開采的方法，即從地表向下逐層進(jìn)行開采。主要的采礦工藝包括剝離、挖掘、運(yùn)輸和堆存等環(huán)節(jié)。然而，在這個(gè)過(guò)程中，大量的廢石和尾礦渣會(huì)產(chǎn)生。露天鉛鋅礦區(qū)的尾礦渣可能富含重金屬，如鉛、鋅等。當(dāng)尾礦渣不加管理地堆放或處理時(shí)，其中的重金屬可能通過(guò)風(fēng)化、侵蝕、滲漏等途徑進(jìn)入土壤中，造成重金屬污染。重金屬對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)有毒性，高濃度的重金屬污染可能對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、植物生長(zhǎng)、土壤微生物群落等產(chǎn)生負(fù)面影響，并進(jìn)而影響到生態(tài)鏈的穩(wěn)定性。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與樣點(diǎn)布設(shè)

在研究區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果和相關(guān)資料分析結(jié)果，采用了分區(qū)布點(diǎn)法實(shí)施采樣點(diǎn)布設(shè)。對(duì)于其他疑似污染區(qū)域，考慮增設(shè)采樣點(diǎn)。以獲取大量的土壤樣本數(shù)據(jù)，從而了解不同地點(diǎn)和不同深度的土壤重金屬污染狀況。在土壤垂直方向上，每0～0.5m左右設(shè)置1個(gè)表層樣。為便于統(tǒng)計(jì)，此研究取0～6 m樣點(diǎn)，共將研究區(qū)域劃分為三層，分別為0～1m、1～3 m，3～6 m，采集了214個(gè)表層樣和156個(gè)剖面樣。具體的采樣方法參照了國(guó)家相關(guān)導(dǎo)則文件。對(duì)于土壤平面方向，在八個(gè)方向上每隔10米布設(shè)一個(gè)表層樣。

在選取特征污染物實(shí)施分析時(shí)，選定了Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd這七種露天鉛鋅采礦區(qū)內(nèi)污染程度較高的土壤特征重金屬污染元素。這些元素具有的特性包括：

（1）高毒性：這些元素中的部分（如汞、鉛和鎘）具有較高的毒性，即使以極低濃度存在于土壤中也會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康產(chǎn)生不利影響。

（2）累積性：這些元素在土壤中可以累積，并通過(guò)食物鏈進(jìn)人生物體內(nèi)。生物體攝入過(guò)量的重金屬后，這些元素會(huì)積聚在組織中，導(dǎo)致慢性中毒，并可能擴(kuò)散到整個(gè)食物鏈中。

（3）不可降解：重金屬元素是不可降解的有害物質(zhì)，一旦進(jìn)入環(huán)境就難以消除。重金屬元素可以在土壤中長(zhǎng)期積累，對(duì)土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)功能造成持久影響。

（4）污染源：這些元素廣泛存在于各行業(yè)的廢水、廢氣和固體廢棄物中，例如采礦、冶煉、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)藥使用等活動(dòng)。這些活動(dòng)會(huì)釋放大量的重金屬元素到土壤中，導(dǎo)致土壤重金屬污染。

（5）生態(tài)系統(tǒng)影響：通過(guò)積累和轉(zhuǎn)移作用，土壤中的重金屬元素可以對(duì)土壤微生物、植物和動(dòng)物產(chǎn)生毒理效應(yīng)，破壞生態(tài)平衡和生物多樣性。

1.3土壤樣品采集

對(duì)于設(shè)置的表層采樣點(diǎn)，實(shí)施土壤樣品采樣的具體過(guò)程如下：

（1）準(zhǔn)備采樣工具：準(zhǔn)備好必要的采樣工具，如挖掘工具、取樣器、標(biāo)簽、測(cè)量工具等。

（2）采樣：在確定的深度范圍內(nèi)，使用取樣器實(shí)施采樣。

（3）記錄信息：對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)施拍照并記錄相關(guān)信息，如地理位置、土壤類型、挖掘深度等。

（4）樣品處理：過(guò)100目的尼龍篩。

（5）包裝樣品：將過(guò)篩后的樣品裝入標(biāo)有采樣點(diǎn)信息的樣品袋中，并妥善保存。

對(duì)于剖面樣采樣點(diǎn)，實(shí)施土壤樣品采樣的具體過(guò)程如下：

①準(zhǔn)備采樣工具：準(zhǔn)備好必要的采樣工具，與表層采樣點(diǎn)的采樣工具相同。

②挖掘土壤：根據(jù)土壤類型和質(zhì)地，確定挖掘深度和范圍。挖掘時(shí)要盡量避免破壞土壤結(jié)構(gòu)。

③采樣、記錄信息、樣品處理、包裝樣品，以上步驟的執(zhí)行內(nèi)容與表層采樣點(diǎn)相同。

設(shè)計(jì)一種由鉆頭、樣品收集裝置、鉆桿、深度指示器、電池和開關(guān)構(gòu)成的土壤樣品取樣器。具體取樣過(guò)程為：將鉆頭插入土壤中，通過(guò)手柄控制鉆桿旋轉(zhuǎn)，使鉆頭在土壤中挖掘。當(dāng)鉆頭到達(dá)所需深度時(shí)，操作者可以通過(guò)深度指示器觀察取樣深度。此時(shí)，關(guān)閉開關(guān)，取下鉆桿，將樣品收集裝置拆開，即可獲取所需的土壤樣品。

1.4主要藥品與儀器

在研究中，使用的藥品包括超純水、濃鹽酸等，具體見表1。

使用的儀器包括四氟乙烯消解罐、烘箱等，具體型號(hào)如下：

（1）四氟乙烯消解罐型號(hào)：FEFEV32；

（2）烘箱型號(hào)：EP56；

（3）趕酸裝置型號(hào)：R785；

（4）原子熒光光度計(jì)型號(hào)：AFS-8220；

（5）電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀型號(hào)：ICPARQ。

1.5重金屬檢測(cè)

在實(shí)施重金屬檢測(cè)前，對(duì)土壤樣品實(shí)施消解預(yù)處理是必要的步驟。消解預(yù)處理可以破壞土壤的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，釋放出其中的重金屬元素，以便后續(xù)的檢測(cè)和分析。

土壤樣品消解預(yù)處理具體步驟如下：

（1）消解試劑選擇：選擇氫氟酸、鹽酸硫酸和硝酸的混合溶液。

（2）消解過(guò)程：將過(guò)篩的土壤樣品放人聚四氟乙烯消解罐中，加入適量的消解試劑，然后置于烘箱中加熱至200℃，保持2小時(shí)，使土壤樣品充分消解。

（3）趕酸：對(duì)消解后的土壤樣品實(shí)施趕酸處理，將樣品轉(zhuǎn)移至趕酸裝置內(nèi)，加熱至200℃，趕出多余的酸。

（4）稀釋定容：對(duì)趕酸后的土壤樣品實(shí)施稀釋定容，采用去離子水實(shí)施稀釋，使樣品達(dá)到合適的濃度，以便進(jìn)行后續(xù)的重金屬檢測(cè)。

1.6質(zhì)量保證與控制

為了確保金屬檢測(cè)分析的準(zhǔn)確性，使用國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)中心提供的GSB250013-88標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為參考物質(zhì)，用于驗(yàn)證分析結(jié)果。通過(guò)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)同一樣品，以評(píng)估重金屬回收率的范圍。此外，還會(huì)進(jìn)行空白試劑的分析，以確定是否有任何背景干擾。

根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)，重金屬回收率應(yīng)在88.5%至102.1%之間，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中金屬分析的置信水平應(yīng)達(dá)到90%以上，在重復(fù)測(cè)量時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)低于10%。這樣可以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.7數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件實(shí)施分析，利用Sufer.0地學(xué)軟件實(shí)施Kriging插值以生成分析結(jié)果圖。通過(guò)以上操作能夠更準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)的分布和變化趨勢(shì)，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析提供有力的支持。

2空間分布特征分析

2.1重金屬污染的空間分布與地形影響分析

重金屬污染通常呈現(xiàn)出集中分布的特征，即在特定區(qū)域或污染源周圍，重金屬元素的含量顯著高于周圍區(qū)域。因此通過(guò)繪制各種重金屬元素污染含量的平面等值線圖來(lái)獲取研究區(qū)域各重金屬元素的空間平面分布特征。圖中的區(qū)域距離為5000m～10000m。Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的平面等值線圖繪制情況見1。

根據(jù)圖1中的繪制結(jié)果可知，不同的污染源導(dǎo)致不同的重金屬元素排放，或者受到環(huán)境條件和土壤特性的影響，在空間上形成復(fù)雜的污染格局。

Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的最高值均位于露天鉛鋅采礦區(qū)的邊緣，并在向周圍擴(kuò)散的過(guò)程中逐步降低。這反映了重金屬元素的擴(kuò)散和遷移過(guò)程。重金屬污染會(huì)通過(guò)水體、風(fēng)力、動(dòng)植物等方式從污染源向周圍地區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致遠(yuǎn)離污染源的土壤污染程度逐漸降低。其中鋅的含量最高，在研究區(qū)域周邊，含量達(dá)到7000mg/kg，在露天鉛鋅采礦區(qū)的邊緣，含量達(dá)到8500mg/kg。同時(shí)鉛的含量也較高。而汞的含量最低，在研究區(qū)域周邊，含量為15mg/kg，在露天鉛鋅采礦區(qū)的邊緣，含量為30mg/kg。

可以看出，在研究區(qū)域中，東南方向Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的擴(kuò)散更嚴(yán)重，這是由于研究區(qū)域該方向?yàn)闇瞎鹊匦?，存在河流，因此擴(kuò)散更加嚴(yán)重。而東北部與西南部為山地地形，因此擴(kuò)散情況較輕。

2.2土壤重金屬污染空間垂直分布特征

繪制各種重金屬元素污染含量的垂直等值線圖，可以幫助確定重金屬元素污染的空間來(lái)源和分布。高濃度區(qū)域通常代表著污染源附近的土壤重金屬污染較嚴(yán)重的地區(qū)，從而有助于污染源的識(shí)別和定位。

Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd的垂直等值線圖繪制情況見圖2。

如圖2所示Ni、Cu、Hg、Zn、As、Pb、Cd在垂直方向上濃度不斷降低。其中Zn整體濃度最高，Hg整體濃度最低。Pb、Zn、As、Cd、Cu在地下六米處仍保持一定濃度，而Ni、Hg在研究區(qū)域周邊的地下五米、六米處濃度已經(jīng)降為0，這與其濃度較低相關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，在地下六米的深度處，鎳（Ni）、銅（Cu）、汞（Hg）、鋅（Zn）、砷（As）、鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬依然表現(xiàn)出滲透能力，這表明露天鉛鋅采礦區(qū)地下土壤的重金屬污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。這些重金屬元素可能從礦石中釋放出來(lái)，或者通過(guò)礦渣、廢水等途徑進(jìn)入土壤，并隨著時(shí)間的推移逐漸積累，會(huì)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成很大負(fù)面影響。隨著重金屬在土壤中的積累，它們可能會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)和生物活性，從而對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，重金屬還可能通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成潛在威脅。因此，對(duì)于露天鉛鋅采礦區(qū)地下土壤的重金屬污染問(wèn)題，需要引起足夠的重視，采取有效的措施實(shí)施治理和防控。

3結(jié)束語(yǔ)

此研究對(duì)露天鉛鋅采礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的空間分布特征實(shí)施研究。通過(guò)繪制土壤重金屬污染空間平面分布特征圖和垂直分布特征圖可知，重金屬污染元素的最高值均位于露天鉛鋅采礦區(qū)的邊緣，并在向周圍擴(kuò)散的過(guò)程中逐步降低。且重金屬污染元素向周圍與垂直方向逐步擴(kuò)散，在垂直方向上濃度不斷降低。其中Zn整體濃度最高。綜上所述，露天鉛鋅采礦區(qū)周邊土壤的重金屬污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，這些重金屬元素可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入土壤并逐漸積累。重金屬的積累會(huì)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境、植物生長(zhǎng)和人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，對(duì)于露天鉛鋅采礦區(qū)地下土壤的重金屬污染問(wèn)題，需要引起足夠的重視，并采取有效的措施來(lái)進(jìn)行治理和防控。