1. 引言
陕西省是我国重要的矿产资源大省,是我国贵金属、有色金属、非金属矿产资源的主要开采区之一 [1]。矿山开采、选冶和冶炼过程中,矿石中的重金属元素会随废石尾沙、矿尘、废气进入矿区及周边土壤中,对矿区周围生态环境带来众多负面影响 [2] [3]。目前冶金部东桐峪金矿、潼关金矿及县黄金公司小口金矿等20多个国营和乡镇矿山正在生产,其选金尾矿堆存量较大 [4] [5] ,给矿山的正常生产和当地环境安全带来了严重威胁。
矿区基本农田土壤重金属污染尤为严重。重金属主要是指密度在5.0 g/cm3以上的金属元素 [6]。其中,砷、硒虽是非金属元素,但是它的毒性及化学性质与重金属相似,所以将砷、硒列入重金属污染物范围内 [7]。徐友宁等 [8] - [13] 在2005年至2011年先后开展了矿山地质环境治理研究,主要以潼关小秦岭金矿区为例,结合该区地质地貌等从宏观上对整个矿区进行了大量采样分析研究,得到Hg,Pb,Cd,Cu,Zn等重金属元素在矿区内的区域分布情况,同时研究了这5种重金属元素在农业生产型、大气降尘型、河水灌溉型、矿业污水灌溉型、尾矿渣淋溶型土壤剖面上0~60 cm深度范围内的迁移情况。
土壤是一种开放的自然系统,在与其他事物进行物质和能量的交换时,外源重金属会不可避免地进入其中 [14]。我国每年因重金属污染而减产粮食超过1.0 × 108 t,另外被重金属污染的粮食每年也多达1.2 × 108 t,造成的经济损失合计至少为2.0 × 1011元 [15] ,而且污染有逐年加重的趋势 [16] [17]。
本文从矿区农田利用情况出发,对不同土地利用类型和不同埋深的土壤重金属进行研究,旨在为矿区重金属治理后的农田恢复利用情况提供科学依据。
2. 研究内容
2.1. 研究区概况
潼关县地处陕西省关中平原东端,居秦、晋、豫三省交界处。气候属暖温带大陆性季风型干旱气候。南北差异大,光能资源较充足,热量和降水量偏少,时空分布不均。四季分明,冬夏长,春秋短。因过去对矿产资源的开发无序混乱,开采过程中监管不严,大量非法大、小规模的开采活动屡禁不止,开采后遗留的大量废弃物未经严格处理便随意堆放,占用土体,污染环境,当地许多居民的房前屋后都堆积了大大小小的尾矿渣堆。因缺少环境保护意识,当地居民对污染严重的土地并未停止耕种,土壤中的重金属等污染物经食物链进入人体,对当地的居民身体健康带来严重危害。
2.2. 试验材料
通过实地踏勘,根据当地农作物种类差异,在地质灾害治理项目一期基本农田治理区块,选取了5个采样区进行土样采集,如表1,分层采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm层位的新鲜土壤,并对其进行测试。
2.3. 测试方法
重金属Ni、Cu、Zn、Cd含量采用ICP-MS来测定采用ICP-MS测定 [18]。
2.4. 数据处理
采用Excel 2013软件计算平均值和标准偏差,数据分析采用SPSS 21.0软件,相关分析采用线性相关分析。
3. 结果与分析
表2、表3为土壤重金属的方差分析结果和风险值。
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Table 2. Analysis of variance for heavy metals in the soil according to the land type and soil layer
表2. 类型和土层对土壤重金属镍、铜、锌和镉的方差分析
注:表中数据为P值。
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Table 3. Heavy metal risk value of agricultural land
表3. 农用地土壤重金属风险值
注:风险值指在pH > 7.5时的非水田农用地土壤污染风险筛选值 [19]。
3.1. 矿区农田重金属镍的分布
如图1,矿区农用地的重金属镍含量范围在22.36 mg/kg到41.89 mg/kg之间,花椒地的土壤重金属镍含量随土层深度增加而下降,在0~20 cm土层分布较集中,其余各类型农用地的土壤重金属镍均在25~30 mg/kg范围内波动,变化较小。荒草地的土壤重金属镍含量最大值26.21 mg/kg出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属镍风险值低86.21%,无重金属镍污染风险;小麦地的土壤重金属镍含量最大值出现在0~20 cm土层,为29.12 mg/kg,较农用地土壤重金属镍风险值低84.67%,无重金属镍污染风险;油菜地的土壤重金属镍含量最大值32.79 mg/kg出现在40~60 cm土层,较农用地土壤重金属镍风险值低82.74%,无重金属镍污染风险;花椒地的重金属镍含量最大值为41.89 mg/kg,出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属镍风险值低77.95%,表明花椒地无重金属镍污染风险;石榴地的土壤重金属镍含量最大值26.14 mg/kg出现在40~60 cm土层,较农用地土壤重金属镍风险值低86.24%,无重金属镍污染风险;矿区农田无重金属镍污染的风险。方差分析表明,不同的农田利用类型对重金属镍的影响显著,而土层变化的影响不显著。
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Figure 1. Distribution of heavy metal nickel in agricultural land of mining area
图1. 矿区农用地土壤重金属镍的分布
3.2. 矿区农田重金属铜的分布
如图2,矿区农用地的重金属铜的含量为14.81 mg/kg到82.87 mg/kg之间,主要分布在花椒地的0~40 cm土层,其余差异较小。除石榴地外,土壤重金属铜的含量基本呈现出随土层深度增加而减小的趋势。荒草地的土壤重金属铜含量最大值26.83 mg/kg出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属铜风险值低73.17%,无重金属铜污染风险;小麦地的土壤重金属铜含量最大值出现在0~20 cm土层,为27.63 mg/kg,较农用地土壤重金属铜风险值低72.37%,无重金属铜污染风险;油菜地的土壤重金属铜含量最大值23.27 mg/kg出现在40~60 cm土层,较农用地土壤重金属铜风险值低76.73%,无重金属铜污染风险;花椒地的重金属铜含量最大值为82.87 mg/kg,出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属铜风险值低17.13%,表明花椒地无重金属铜污染风险;石榴地的土壤重金属铜含量最大值23.85 mg/kg出现在20~40 cm土层,较农用地土壤重金属铜风险值低76.15%,无重金属铜污染风险;矿区农田无重金属铜污染的风险。由表1可知,土层和农用地类型变化对重金属铜的影响不显著。
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Figure 2. Distribution of heavy metal copper in agricultural land in mining area
图2. 矿区农用地土壤重金属铜的分布
3.3. 矿区农田重金属锌的分布
如图3,矿区农用地的土壤重金属锌含量为40.25~98.22 mg/kg。不同类型农用地的重金属锌分布差异较大,其中荒草地、小麦地和花椒地的重金属锌集中分布在土壤上层,随土层深度增加而减小;油菜地和石榴地的重金属锌则主要分布在中层,随土层深度增加先升高后减小。荒草地的土壤重金属锌含量最大值70.82 mg/kg出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属锌风险值低76.39%,无重金属锌污染风险;小麦地的土壤重金属锌含量最大值出现在0~20 cm土层,为72.48 mg/kg,较农用地土壤重金属锌风险值低75.84%,无重金属锌污染风险;油菜地的土壤重金属锌含量最大值77.24 mg/kg出现在40~60 cm土层,较农用地土壤重金属锌风险值低74.25%,无重金属锌污染风险;花椒地的重金属锌含量最大值为98.22 mg/kg,出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属锌风险值低67.26%,表明花椒地无重金属锌污染风险;石榴地的土壤重金属锌含量最大值72.77 mg/kg出现在20~40 cm土层,较农用地土壤重金属锌风险值低75.74%,无重金属锌污染风险;矿区农田无重金属锌污染的风险。由方差分析可知,土层变化和农用地利用类型均对土壤重金属锌造成显著影响。
3.4. 矿区农田重金属镉的分布
由图4可以看出,矿区农用地的土壤重金属镉含量为0.08~0.56 mg/kg。土壤重金属镉主要分布在荒草地和小麦地的0~20 cm土层及花椒地的0~60 cm土层,其余含量较低。荒草地的土壤重金属镉含量最大值0.37 mg/kg出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属镉风险值低38.33%,无重金属镉污染风险;小麦地的土壤重金属镉含量最大值出现在0~20 cm土层,为0.38 mg/kg,较农用地土壤重金属镉风险值低36.67%,无重金属镉污染风险;油菜地的土壤重金属镉含量最大值0.13 mg/kg出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属镉风险值低78.33%,无重金属镉污染风险;花椒地的重金属镉含量最大值为0.56 mg/kg,出现在0~20 cm土层,较农用地土壤重金属镉风险值低6.67%,表明花椒地无重金属镉污染风险;石榴地的土壤重金属镉含量最大值0.11 mg/kg出现在20~40 cm土层,较农用地土壤重金属镉风险值低81.66%,无重金属镉污染风险;矿区农田无重金属镉污染的风险。由方差分析可知,土层变化和农用地利用类型均对土壤重金属镉造成显著影响。
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Figure 3. Distribution of heavy metal zinc in agricultural land in mining area
图3. 矿区农用地土壤重金属锌的分布
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Figure 4. Distribution of heavy metal cadmium in agricultural land of mining area
图4. 矿区农用地土壤重金属镉的分布
3.5. 矿区农田重金属之间的相关性
由表4,矿区农田重金属Ni、Cu、Zn、Cd各自与其他重金属之间的相关性均不显著。由3.1~3.4可知,各类型农田的不同重金属峰值基本位于同一土层,其之间的相关系数均为正值,所以矿区尾矿渣同时包含至少Ni、Cu、Zn、Cd四种重金属。
4. 讨论与结论
矿区农田中,不同土地利用类型对土壤中重金属锌、镉的含量具有显著影响;土层变化对土壤中重金属镍、锌、镉含量的影响显著。重金属锌、镉同时受土层深度和土地利用类型的影响;重金属铬、镍、砷受土地利用类型的影响较大。研究表明,农田利用类型的变化对重金属含量的影响较土层深度的变化较大,这可能与不同植物的根系吸附有关 [20] [21] [22]。
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Table 4. Correlation coefficient between heavy metals in agricultural land of mining area
表4. 矿区农用地土壤重金属之间的相关系数
注:※表示P < 0.05;※※表示P < 0.01。
本研究中,花椒地的土壤重金属含量均较高,呈现出重金属含量随土层深度增加而减小的趋势。各类型农田的土壤重金属含量均未超出风险筛选值,无重金属污染的风险。
NOTES
*通讯作者。