南京栖霞山铅锌矿地区土壤重金属污染评价_储彬彬(1).pdf

2010 年 2 月 February 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 29，No． 1 5 ～8， 13 收稿日期 2009- 03- 04; 修订日期 2009- 08- 04 基金项目 国家自然科学基金项目资助 20775018 ; 国家高技术研究发展计划 863 计划 项目资助 2007AA06Z124 作者简介 储彬彬 1985 ， 女， 安徽安庆人， 硕士研究生， 地球化学专业。E- mail binlun_126163． com。 通讯作者 罗立强 1959 ， 男， 湖北仙桃市人， 研究员， 从事 X 射线荧光光谱分析、 流体地球化学研究。 E- mail luoliqiang ccsd． org． cn。 文章编号 02545357 2010 01000504 南京栖霞山铅锌矿地区土壤重金属污染评价 储彬彬1， 2，罗立强2* 1． 中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083; 2． 国家地质实验测试中心，北京 100037 摘要 针对不同的土地利用类型选用不同的采样方式和评价标准， 对南京栖霞山铅锌矿地区土壤重金属污 染特性和现状进行调查和评价。研究区主要土地利用类型有露天采矿区、 菜地和风景区栖霞寺。露天采矿 区和菜地土壤采用梅花布点采样方式， 栖霞寺由于属于山地， 采用随机布样方式; 评价标准参考国家土壤环 境质量标准 GB 156181995 的要求， 对矿区和栖霞寺林区土壤采用土壤环境质量三级标准进行评价， 对菜 地土壤采用二级标准评价。调查分析结果表明， 矿区、 菜园和栖霞寺土壤中铅、 砷、 镉和锌等重金属污染严 重， 其部分土壤中存在铜的轻度污染， 而未受铬污染; 内梅罗综合污染指数评价结果均大于 3， 属于重度污染; 污染严重区集中在选矿厂、 矿口和坑道排风井口等周围， 并且污染程度随着远离矿区而逐渐减小。 关键词 南京栖霞山; 铅锌矿; 土壤; 重金属污染 中图分类号 X502; P618． 4文献标识码 A uation of Heavy Metal Pollution in Soils from Nanjing Qixiashang Lead- Zinc Mines CHU Bin- bin1， 2，LUO Li- qiang2* 1．School of the Earth Sciences and Resources， China University of Geosciences， Beijing100083， China; 2． National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China Abstract The characteristics and status of heavy metal contamination in soils from Nanjing Qixiashang lead- zinc mines were investigated and uated． Different sampling s and uation criteria were selected for different soil types mainly from open mining area，vegetable field and scenic spot of Qixia Temple． The quincunx sampling mode was selected for the first two types of soils and the random sampling mode was used for soils at Qixia Temple． The national standards for soil environment quality GB 156181995 was used for the uation with the Grade Ⅱ standard for vegetable field soil and the Grade Ⅲ standard for mining area and scenic spot soils． The survey results showed that the soils in the mine area，Qixia Temple and vegetable field were contaminated seriously by Pb，As，Cd and Zn，and the soils in some areas were also polluted by Cu slightly，but no contamination from Cr was found． The Nemerow multi- factor comprehensive pollutioninds were all greater than 3， indicating that these three types of soils were suffered from severe contamination， especially in the concentrating mill，mine outlet and tunnel exhaust port，and the pollution level was gradually declined with the distance increase from the mining area． Key words Nanjing Qixiashan; lead- zinc mine; soil; heavy metal contamination 5 ChaoXing 铅锌矿产资源开发会对环境造成严重的污染。 由铅锌矿开采和冶炼产生的废水、 废渣和大气沉降 等使矿区土壤不断富集重金属。研究表明， 铅锌矿 区土壤中常富集重金属元素 Pb、 Zn、 Cd、 Cu 和类金 属元素 As， 它们在土壤中的含量会超过限定值的 几十倍至几百倍 ［1 －4 ］。这些重金属不仅改变了土 壤性质， 影响了作物生长， 而且可通过食物链进入 人体， 给人体健康造成危害 ［5 －8 ］。目前关于重金属 在人体内超量存在对公众健康产生影响的研究仍 然是学术界关注的重要领域之一 ［9 ］。 本文选择南京栖霞山铅锌银矿作为研究区， 对 南京栖霞山铅锌矿地区土壤重金属污染的特性和 现状进行调查和评价。南京栖霞山铅锌银矿的开 采已持续 50 多年， 环境地质问题日渐突出， 如山体 滑坡、 地下水位下降、 地面塌陷、 地表水污染和空气 污染等 ［10 ］。项长兴等［11 ］应用模糊数学隶属度法 对该区土壤中 Cu、 Mn、 Pb 和 Zn 等重金属进行环境 质量综合评价; 但是由于当时土壤环境标准没有颁 布， 采用的土壤评价标准与现行的国家标 准 GB 156181995 ［12 ］有出入; 此外， 污染土壤的 主要利用类型也不明确。本文以南京栖霞山铅锌 矿的露天采矿区、 栖霞山风景区“栖霞寺” 和矿区 周边的菜地 3 种土地利用类型区为主要调查研究 对象， 以相应的国家土壤环境质量标准结合单因子 综合污染指数和内梅罗综合污染指数法对该地区 土壤重金属污染进行评价， 为揭示矿区重金属污染 特征和污染治理提供科学依据。 1实验部分 1． 1样品采集 南京栖霞山铅锌矿地处栖霞山风景区， 矿区周 围农田分布密集， 故选择露天采矿区、 栖霞山风景 区栖霞寺和菜园为重金属污染特征研究的调查区 域。其中矿区采样点主要分布在坑道排风井口、 矿 口和选矿厂周围， 菜园土样主要采自矿口和选矿厂 之间的 3 块菜地， 栖霞寺土样主要采自桃花湖、 御 花园、 明镜湖、 枫林湖、 太虚亭、 始皇临江处、 枫岭、 小营盘和饮马池等风景点， 采样点分布见图 1。采 样方式分地区而不同， 矿区和菜园因地势较平坦， 采用梅花布点采样; 栖霞寺属山地， 地势不平， 采用 随机布样。采集 0 ～20 cm 的表层土壤， 用不锈钢 铁锹和竹铲采集样品， 装入布袋， 常温保存。 图 1南京栖霞山铅锌矿区采样图 Fig． 1Distribution of soil sampling spots in lead- zinc mining area of Qixiashan，Nanjing 1． 2样品分析 土壤样品先用擀面杖磨碎， 去除石子和植物根 茎落叶等杂质， 过2 mm 尼龙筛去除2 mm 以上的砂 砾， 用粉碎机粉碎至颗粒直径 ＜74 μm。为了保持样 品恒重， 将土壤样品放入烘箱， 在105℃下烘2 h。 称取 7． 000 g 样品和 1． 575 g 石蜡， 混合均匀， 制成直径为 36 mm 的粉末压片， 采用 SPECTRO X － Lab 2000 偏振 － 能量色散 X 射线荧光光谱仪 德国 Spectro 公司 对重金属元素进行分析测定。 该仪器最大功率为 400 W， Si Li 探测器， 能量分 辨率 ＜150 eV 5． 9 keV 处 。为了防止 Pb Lα 和 As Kα 谱线重叠， 选择 Pb Lβ 和 As Kβ 分别作为 Pb 和 As 的分析谱线， Cu、 Zn、 Cd 和 Cr 均采用 Kα 分析谱线。其他测量条件见表 1。 表 1测量条件 Table 1Measurement conditions 测量 秩序 管压 U/kV 管流 i/mA 偏振靶 测量时间 t/s 分析元素 1401．5Mo550Fe ～Sr， Hf ～W， Hg ～Bi 2535Al2O3550Ag ～La， Ce ～Nd 3443Pd200Y ～Mo， Th， U 4352Co550K， Ca， Ti ～Mn 5155HOPG200Na ～Cl 1． 3评价方法 采用单因子综合污染指数和多因子综合污染 6 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 指数法 ［13 ］， 参考土壤环境质量标准［12 ］对南京栖霞 山土壤重金属污染进行评价。根据土壤利用类型， 采用不同的评价标准， 即矿区 包括坑道排风井 口、 矿口和选矿厂 和栖霞寺土壤采用土壤环境质 量三级标准 保障农林业生产和植物正常生长的 土壤临界值 进行评价; 菜园土壤样品采用二级标 准 保障农业生产、 维护人体健康的土壤限制值， pH 为 6． 5 ～7． 5 进行评价。 1． 3． 1单因子综合污染指数 区域单个污染元素的所有分指数的算术平均 值计算公式如下 Pi 1 N  n i 1Ci /Si 1 式中， Pi为污染指数; Ci为污染物实测值; Si为污染 物评价标准; i 为某种污染物; N 为样品总数。 1． 3． 2多因子综合污染指数 采用内梅罗 N L Nemeiow 综合污染指数 法 ［13 ］进行重金属污染状况评价， 表达式如下 PN Ci/Si 2 max Ci/Si 2 ave 槡 2 2 式中， PN为内梅罗综合污染指数; Ci/Si max为土壤 重金属元素中污染指数的最大值; Ci/Si ave为 土壤各污染指数的平均值。 分级标准 PN≤0．7， 安全; 0． 7 ＜ PN≤1， 警戒线; 1 ＜PN≤2， 轻污染;2 ＜PN≤3， 中污染; PN＞3， 重污染。 2结果与讨论 2． 1土壤重金属含量与环境质量 从表 2 可以看出， 矿区、 菜园和栖霞寺的土壤 中除了 Cr 的含量在背景值以内， Pb、 As、 Cd、 Cu、 Zn 均超过背景值， 其中 Cu 的含量较低， 约为背景值 的 2 ～5 倍， Pb、 As、 Cd、 Zn 等 4 种元素均远远超过 背景值， 是主要的污染元素; Pb、 As、 Cd、 Cu、 Zn 和 Cr 这 6 个重金属元素在不同地点的含量高低显示 了一致性， 即为矿区 ＞ 栖霞寺 ＞ 菜园。 表 2栖霞山地区土壤重金属含量均值与背景值对照 Table 2Comparison of average concentration of heavy metals in soil from Qixiashan with background values 采样点样本数 wB/ mgkg －1 PbAsCdCuZnCr 矿区343128．87 543．0117．56201．83 2873．4990．40 栖霞寺132090．95 487．118．39134．80 1116．8189．22 菜园44637．1592．783．6674．48684．9186．58 背景值① 35150．23510090 ① 背景值参考 GB 156181995［12 ］土壤环境质量一级标准。 图 2 反映了元素含量的分布差异， 矿区土壤中 Cd、 As、 Pb 和 Zn 的三级超标率均超过 70， 污染 严重; 菜园土壤中 Cd、 As、 Pb 的洁净率为 0， 三级超 标率 ＞70， Zn 的洁净率只有 2， 这说明菜园土 壤绝大部分均被 Cd、 As、 Pb 和 Zn 污染。虽然表 2 中菜园土各个元素含量均低于矿区和栖霞寺， 但菜 园土具有较高的三级超标率， 这表明菜园土各个采 样点重金属元素含量相当， 数据离散度较小; 栖霞 寺土壤中元素超标率不突出， 元素含量变化较大， 主要超标的元素是 Cd 和 As。此外， 矿区、 菜园和 栖霞寺土壤样品 Cu 的洁净率均很高， 反映了 Cu 污染小， 污染范围小。 图 2矿区、 菜园、 栖霞寺土壤重金属元素超标率 Fig． 2The over- limit rates of heavy metals in mine soil， garden soil and Qixia Temple soil 三级超标率是指重金属元素含量超过土壤环境三级标准的比率; 二级超标率是指重金属元素含量超过二级标准但未超过三级标准 的比率; 洁净率是指重金属元素含量低于二级标准的比率。标准 值参考 GB 156181995［12 ］。 2． 2重金属污染评价 如前所述， 矿区及其周边主要的污染元素为 Pb、 As、 Cd、 Zn 和 Cu， 这 5 个元素也是 GB 15618 1995［ 12 ］中规定的元素以及铅锌矿区土壤中常见的 污染元素， 因此将这 5 个元素作为污染评价指标。 根据单因子综合污染指数和多因子综合污染指数 法， 对南京栖霞山地区重金属污染进行评价 采用的 评价标准为 矿区和栖霞寺土壤采用土壤环境三级 标准， 菜园土壤采用二级标准 ， 结果见表 3。从多 因子综合污染指数来看， 矿区、 栖霞寺和菜园的综合 污染指数均大于3， 属于重污染; 其矿区的污染程度 表现为坑道排风井口 ＞ 选矿厂 ＞ 矿口， 菜园污染程 度表现为菜园3 ＞菜园1 ＞菜园2。从不同重金属的 单项污染指数看， Cu 的单因子污染指数 ＜1， 尚属安 全， 而 Pb、 As、 Zn 和 Cd 等元素的污染指数均不同 7 第 1 期储彬彬等 南京栖霞山铅锌矿地区土壤重金属污染评价第 29 卷 ChaoXing 程度 ＞1， 是主要的污染元素。矿区重金属污染程度 排序为 Cd ＞As ＞Pb ＞Zn， 栖霞寺的污染程度排序为 As ＞Cd ＞ Pb ＞ Zn， 菜园的污染程度排序为 Cd ＞ As ＞Zn ＞Pb。这些重金属污染程度排序的不同反映了 不同地点污染来源和方式的差异。 表 3南京栖霞山地区土壤重金属污染评价指数 Table 3Contamination inds of heavy metals in soils from Qixiashan，Nanjing 采样区 单因子综合污染指数 PbAsCuZnCd 多因子综合 污染指数 矿区 坑道排风井口7．74 25．82 0．477．04 21．3020．27 矿口4．118．340．383．407．726．80 选矿厂6．926．570．666．80 22．9617．38 平均值6．26 13．58 0．505．75 17．3314．82 栖霞寺① 4．18 12．18 0．342．238．399．44 菜园 菜园13．035．00 0．832．72 11．198．55 菜园21．431．93 0．591．285．524．19 菜园31．922．35 0．814．21 20．0814．80 平均值2．123．090．742．74 12．279．18 ① 栖霞寺土壤污染评价指数是由 13 个取样点平均值计算所得。 2． 3重金属污染分布 以土壤环境质量三级标准为评价标准， 以 Pb、 As、 Cu、 Zn 和 Cd 为评价因子， 根据矿区、 栖霞寺和 菜园的每个土壤样品的内梅罗综合污染指数法评 定的结果， 绘制南京栖霞山铅锌矿区土壤重金属污 染综合评价图， 见图 3。 图 3南京栖霞山铅锌矿区土壤重金属综合污染评价图 Fig． 3The distribution of comprehensive pollution index of soil in lead- zinc mining area of Qixiashan，Nanjing 图 3 较好地反映了本地区污染源的分布， 能够 客观地反映该地区土壤中重金属的综合污染状况。 从图 3 可以看出， 污染主要集中在选矿厂、 矿口和 坑道排风井口等周围， 污染程度随着远离矿区而逐 渐减小。栖霞寺风景区中在坑道排风井口附近的 桃花湖和御花园受到重污染， 其次是枫林湖以及靠 近矿口的明镜湖; 而太虚亭、 始皇临江处、 枫岭、 小 营盘和饮马池等景点未受污染或受到轻污染。以 三级标准为参考， 比较菜园之间的污染情况， 结果 表明菜园 1 和菜园 3 均属于重污染， 菜园 2 也属于 中污染， 说明在选矿厂和矿口之间的这3 块菜园污 染严重。项长兴等 ［11 ］研究表明污染严重的区域在 露天采矿区， 而林区、 草地、 水田等绝大部分土壤未 受污染， 少数受到轻污染。这种差异在一定程度上 反映了随着矿区开采的深入， 污染已经从露天采矿 区迁移到周边的菜地。 3结语 南京栖霞山铅锌矿矿区、 菜园和栖霞寺的土壤 中主要污染元素为 Pb、 As、 Cd 和 Zn， 部分土壤中也 存在着 Cu 的轻度污染， Cr 含量在背景值之内未受 污染。矿区和菜园土壤中 Pb、 As、 Cd 和 Zn 三级和 二级超标率较高， 洁净率较低， 污染严重， 栖霞寺的 土壤中主要超标元素是 Cd 和 As。 从内梅罗多因子综合污染指数来看， 矿区、 栖 霞寺和菜园的综合污染指数均大于 3， 属于重污 染， 其矿区的污染程度表现为坑道排风井口 ＞ 选矿 厂 ＞ 矿口， 菜园污染程度表现为菜园 3 ＞ 菜园 1 ＞ 菜园 2。从不同重金属的单项污染指数来看， 矿区 重金属的污染程度排序为 Cd ＞ As ＞ Pb ＞ Zn， 栖霞 寺的污染程度排序为 As ＞ Cd ＞ Pb ＞ Zn， 菜园的污 染程度排序为 Cd ＞ As ＞ Zn ＞ Pb， 而 Cu 含量尚属 安全。 土壤重金属综合污染评价图反映了南京栖霞山 铅锌矿地区污染主要集中在选矿厂、 矿口和坑道排 风井口等周围， 并且污染程度随着远离矿区而逐渐 减小。靠近矿口和坑道排风井口的栖霞寺景点明镜 湖、 桃花湖、 御花园和枫林湖均已污染严重; 在矿口 和选矿厂之间的3 块菜园土壤也受到中到重等程度 的污染。这与 1993 年该地区土壤污染评价结果略 有不同， 在一定程度上反映了随着矿区开采的深入， 污染已经从露天采矿区迁移到周边的菜地。 参考文献下转第 13 页 8 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing