第49卷第10期2021年5月广㊀州㊀化㊀工
Guangzhou Chemical Industry
Vol.49No.10May.2021
∗
张之才，农泽喜，唐㊀茜，覃朝科，林达红
(中国有桂林矿产地质研究院有限公司，广西环境污染控制理论与技术重点实验室,
广西环境治理工程技术研究中心，广西㊀桂林㊀541004)
摘㊀要：采集了广西某铅锌矿区污染农田土壤样品35个，测定其铅㊁锌㊁镉等重金属含量，开展污染评价和生态风险评 估，并提出有针对性的防控策略㊂结果显示，研究区土壤受到Cd㊁Zn 重度污染，污染深度0~30cm；土壤Pb㊁Zn㊁Cd 含量之间呈极显著正相关，具有明显的同源性㊂耕作土壤中重金属生态风险较高，其中
Cd 的潜在生态危害系数最大㊂提出的防控策略为：切除污染源，开展治理修复，并采用农艺调控措施，确保农业生产安全㊂
关键词：铅锌矿；农田土壤；重金属污染；防控策略㊀
中图分类号:X53
㊀文献标志码:A㊀㊀
文章编号:1001-9677(2021)010-0114-04
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基金项目：广西科技重大专项(桂科AA17204047-1)；中国有桂林矿产地质研究院有限公司创新基金项目(KDY2018006)；广西科技计划项目
(桂科AB17129023)；广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地㊂
第一作者：张之才(1986-)，男，工程师，研究方向：测绘㊁重金属污染防治㊂通讯作者：农泽喜(198
6-)，男，高级工程师，研究方向：重金属污染防治㊂
Investigation and Control Strategy of Heavy Metal Pollution in Farmland
Soil of a Lead -zinc Mining Area in Guangxi ∗
ZHANG Zhi -cai ,NONG Ze -xi ,TANG Qian ,QIN Chao -ke ,LIN Da -hong
(China Nonferrous Metal (Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guangxi Environmental Pollution Control Theory and Technology Key Laboratory,Guangxi Environmental Control Engineering Research Center,
Guangxi Guilin 541004,China)Abstract :35soil samples from a lead -zinc mining area in Guangxi were collected.The contents of lead,zinc,cadmium and other heavy metals were determined.Pollution assessment and ecological risk assessment were carried out,and targeted prevention and control strategies were put forward.The results showed that the soil in the study area was heavily polluted by Cd and Zn,and the pollution depth was 0~30cm,the contents of Pb,Zn and Cd in the soil were significantly positively correlated and had obvious homology.The ecological risk of heavy metals in cultivated soil was high,and the potential ecological hazard coefficient of Cd was t
造纸网he largest.The prevention and control strategies were as follows:cut off the pollution sources,carry out remediation,and adopt agronomic control measures to ensure the safety of agricultural production.
Key words :lead -zinc mine;farmland soil;heavy metal pollution;prevention and control strategy
矿山开采和冶炼活动常导致矿区附近的土壤遭受严重的重金属污染，其污染源主要是矿区溢出的尾矿㊁排放的粉尘和废水[1-2]㊂农田土壤中的重金属可以通过作物吸收进入食物链,
进而危害人体健康[3-4]㊂因此，合理评价土壤中的重金属污染程度和风险，提出可行的㊁有针对性的防控策略是重金属污染农田土壤管理的重要方面㊂
本文以广西某铅锌矿区下游农田土壤为研究对象，通过合理布点，采样分析土壤中的铅㊁锌㊁镉㊁砷㊁汞㊁铜㊁镍㊁铬的含量，运用内梅罗污染指数法和潜在生态危害指数法评价其污染风险，并结合现有的技术储备，提出相应的防控策略㊂本研究为农田土壤治理修复㊁改善土壤环境质量提供科学依据,
同时也为同类型矿区农田土壤的污染防控提供参考㊂
1㊀研究区域概况
研究区域位于广西东北部某铅锌矿区下游约40km，属亚热带季风气候区㊂矿区以铅㊁锌㊁铜矿为主，开采活动始于20世纪50年代㊂研究区域作为农田用地，约90亩，长期用于耕种水稻㊁玉米㊁蔬菜等，据当地生态环境局采样调查结果显示，农用地土壤已受重金属污染，对当地的农业生产安全造成影响㊂
2㊀样品采集分析
第49卷第10期张之才，等：广西某铅锌矿区农田土壤重金属污染调查与防控策略115
㊀
2.1㊀样品采集与处理
采用网格法对耕作层土壤进行布点采样，根据研究区域的具体情况进行适当调整，共布设表层土壤采样点位35个，并随机选取其中2个点位进行剖面样品采集，在研究区附近相对位置较高的区域布设3个土壤环境背景值采样点位(对照点)㊂表层土壤采集0~30cm的样品，剖面土壤分四个深度进行采集，分别是0~20㊁20~30㊁30~60㊁60~80cm㊂土壤样品采用五点法采集，各取相应深度的土壤约1kg，混匀后用四分法缩分留取约1kg土壤作为该点的样品带回实验室，除去石块和植物根系后风干，之后磨碎分别过20目尼龙筛网装袋密封保存，土壤样品的采集㊁混合㊁研磨和过筛等处理均使用木头㊁塑料或玛瑙等工具㊂
2.2㊀样品分析与测试
土壤样品pH值分析采用土水比为1 2.5的pH电位法测定，土壤样品中重金属采用HNO3-H2O2方法(EPA3050B)消解，用电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤中的重金属含量㊂分析过程中加入土壤标准物质样品(GSS-6)进行质量控制，回收率在80%-120%之间，分析所用试剂均为优级纯，所用的水均为超纯水(亚沸水)㊂样品按‘土壤环境监测技术规范“(HJ/T166-2004)分析土壤中的pH㊁铅㊁锌㊁镉㊁铜㊁铬㊁镍㊁砷㊁汞等9项指标㊂
2.3㊀数据处理与评价方法
2.3.1㊀数据处理
采用Excel㊁SPSS17.0软件进行数据统计处理与分析，相关性分析采用原始数据进行㊂
2.3.2㊀土壤重金属污染评价方法
土壤重金属污染评价方法采样内梅罗污染指数法，其反应了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，可按内梅罗污染指数划定污染等级[5-6]㊂内梅罗指数土壤污染评价方法见文献[7]㊂
2.3.3㊀土壤重金属污染健康风险评价方法
本研究采用瑞典科学家Hakanson[8]提出的潜在生态危害法进行土壤重金属潜在生态风险评价，具体的计算公式㊁广西背景土壤取值及评价方法见[9]㊂
3㊀结果与讨论
3.1㊀土壤重金属污染状况分析
3.1.1㊀表层土壤污染状况分析
表层土壤pH和重金属含量监测统计结果见表1㊂从表中可以看出，调查区土壤pH平均值为6.01，变幅为4.32~7.40，大部分土壤呈酸性或弱酸性㊂土壤中Zn㊁Cd全量变幅分别为134.5~928.9㊁0.71~6.35mg/kg，平均值分别为386.8㊁2.47mg/kg，均超过该矿区土壤重金属背景值，且超出了‘土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)“(GB15618-2018)中的筛选值；土壤Pb全量变幅为30.3~154.5mg/kg，平均值为65.65mg/kg，极大值超过了该矿区土壤重金属背景值，因此，该区域农田土壤已遭受明显的外源Zn㊁Cd㊁Pb污染㊂
土壤Cr㊁As㊁Hg㊁Ni㊁Cu全量变幅分别为49.15~60.05㊁12.35~14.33㊁0.25~0.37㊁7.33~9.79㊁15.88~20.69mg/kg，平均值分别为54.27㊁13.49㊁0.32㊁8.43㊁17.65mg/kg，均未超过该矿区土壤重金属背景值，说明该区域土壤未受到外源Cr㊁As㊁Hg㊁Ni㊁Cu污染㊂
不同田块土壤中重金属变异系数均较低，表明这些重金属在不同田块中的空间分异较小，污染分布均匀，这说明该区域农田土壤外源污染方式单一，主要是由于20世纪90年代起使用受污染的河流水作为灌溉水而引起的㊂
表1㊀表层土壤pH和重金属含量统计Table1㊀Statistics of pH and heavy metal content in surface soil
项目
极大值/
(mg/kg)极小值/
(mg/kg)平均值/
(mg/kg)变异系数土壤
背景值
评价
标准①/
(mg/kg) pH7.40 4.32 5.340.14 5.87--Zn928.9134.5386.80.5574.6200 Cd 6.350.71 2.470.630.0750.3 Pb154.530.365.650.4638.680 Cr60.0549.1554.270.1077.5250 As14.3312.3513.490.0827.145 Hg0.370.250.320.200.510.5 Ni9.797.338.430.158.3360 Cu20.6915.8817.650.1511.480㊀㊀①：以‘土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)“(GB15618-2018)中的筛选值(pHɤ5.5)为评价标准㊂
使用SPSS17.0对超标的重金属进行相关分析，结果见表2㊂从表2可见，土壤Pb㊁Zn㊁Cd含量之间呈极显著正相关，表明这3种重金属的污染具有明显的同源性，而且其迁移性也相近㊂就来源而言，土壤重金属主要来自于上游铅锌矿废水的污染㊂土壤Pb㊁Zn㊁Cd与土壤pH均呈负相关，说明土壤pH越高越有利于重金属在土壤中的累积㊂
羟基氧化钴>系统中断控制器
表2㊀土壤重金属含量相关性分析
Table2㊀Correlation analysis of soil heavy metal content
元素pH Zn Cd Pb
pH1-0.271-0.286-0.351∗
Zn10.972∗∗0.806∗∗Cd10.773∗∗Pb1
㊀㊀注:∗在0.05水平(双侧)上呈显著相关;∗∗在0.01水平(双侧)上呈显著相关㊂
3.1.2㊀剖面土壤污染状况分析
随机选择2个采样点位采集不同深度的土壤样品，采样深度分别为0~20㊁20~30㊁30~0㊁60~80cm，分析Zn㊁Cd㊁Pb等重金属含量，结果见图1㊂从图1可以看出，土壤超标层为0~20cm㊁20~30cm，主要超标因子为镉和锌㊂土壤中Zn㊁Cd㊁Pb均随着深度的增加而逐渐降低，超过30cm后，土壤中重金属含量趋于平稳，且未超标，说明土壤主要受到外源污染，且从表层土壤开始渐渐向下迁移㊂结合现场采样的实际情况，该区域地块为农田区域，以种植稻谷为主，稻谷耕作层主要为0~30cm，深度超过30cm为渗透性极差的黏土层，因此可认为该区域地块污染深度为0~30cm，该结果与邓超冰[10]㊁苏耀明[11]㊁王力[12]等的研究成果一致㊂
116㊀广㊀州㊀化㊀工2021年5
月
图1㊀不同深度土壤重金属含量
Fig.1㊀Contents of heavy metals in soils at different depths
3.2㊀土壤重金属污染评估
根据调查区域农田土壤监测结果，对存在超标现象的表层土壤(0~30cm)进行内梅罗污染指数评价，对于未超标的深层土壤不做进一步评价㊂土壤平均单项污染指数和最大单项污染指数如表3所示㊂从表中可以看出，本场地内表层土壤(0~30cm)已达到重度污染水平(P n >3)，其中Cd 的内梅罗污染指数为16.05,Zn 的内梅罗污染指数为3.56，均已达到重度污染水平，是调查区域农田土壤的主要污染因子㊂
表3㊀表层(0~30cm )土壤各污染物内梅罗污染指数统计表
Table 3㊀Statistical table of Nemerow pollution index of
various pollutants in surface soil (0~30cm )
元素PI 均PI 最大P n
Cu 0.370.410.93Pb 0.260.620.47Zn 1.39 4.64
3.56Cd 8.2221.1616.05Cr 0.360.400.38As
0.440.480.46Hg 1.03 1.24 1.14Ni 0.21
0.240.233.3㊀土壤重金属污染健康风险评价
土壤重金属污染健康风险评价结果见表4，从表中可以看出，单一重金属潜在生态危害系数中,Pb㊁Zn 在所有采样点位的土壤样品中的潜在生态危害系数均小于40，其评价结果是Pb㊁Zn 在该农田土壤中均属于轻微生态危害程度㊂对于Cd，所有采样点位的土壤样品中的潜在生态危害系数均大于40，其中属于中度生态危害程度(40ɤE i r <80)占8.57%，属于强生态危害程度(80ɤE i r <160)占34.29%，属于很强生态危害程度
(160ɤE i r <320)占37.14%，属于极强生态危害程度(E i r ȡ320)占20%㊂可以看出，土壤处于强生态危害程度占了90%以上，说明该农田土壤中Cd 的生态危害程度较高㊂
多种重金属潜在生态危害指数显示，属于轻微生态危害(RI <150)占37.14%；属于中度生态危害(150ɤRI <300)占34.29%；属于强生态危害(300ɤRI <600)占25.71%；属于很强生态危害(RI ȡ600)占2.86%㊂可以看出，土壤属于中度生态危害程度的占了60%以上，说明表层土壤重金属生态风险较高，容易对周围环境造成危害，其中Cd 的潜在生态危害系数最大，是多种重金属潜在生态危害系数的主要贡献者㊂因此，污染土壤治理过程中，应将Cd 的污染治理作为重点㊂
表4㊀重金属潜在生态危害系数计算结果Table 4㊀Calculation results of potential ecological hazard
楼板伸缩缝
coefficient of heavy metals
单一重金属潜在生态危害系数E i r Pb
Zn
Cd
多种重金属潜在生态危害指数RI 生态危害程度12.59 4.48306.05323.13较强14.18 4.72398.26417.16极强10.74 3.67291.29305.70较强10.69 3.72377.17391.59极强7.85 2.18154.23164.26较强6.04 1.60130.20137.84较强4.97 1.0266.62
72.60
中等8.24
1.4110
2.00111.65较强10.20 1.5695.95107.71较强11.34 2.11162.86176.31强9.57 2.0217
3.41185.00强11.86 1.87120.5413
4.27较强12.80 1.80107.61122.21较强19.29 3.36200.62223.27强14.08 4.11364.56382.75极强8.19 2.60220.60231.39强6.58 1.5897.7310
5.89较强
6.38 1.55103.87111.81较强5.10 1.0972.7278.91中等5.57 1.3799.96106.89较强
7.77 2.92292.49303.18强
5.59 1.5592.89100.03较强4.69 1.2163.7069.60中等23.89
6.82571.29602.00极强22.06 6.43533.66562.15极强9.15 4.61371.75385.51极强
7.13 2.76177.65187.53强5.28 2.34184.06191.68强7.45 2.64145.70155.78较强16.397.01527.72551.13极强10.40 3.93249.70264.03强11.77 3.95267.11282.82强9.49 3.1423
8.92251.55强10.13 3.1026
9.13282.35强7.92 1.93
135.66145.51较强
第49卷第10期张之才，等：广西某铅锌矿区农田土壤重金属污染调查与防控策略117
㊀
4㊀防控策略
根据重金属污染土壤防控技术研究及应用现状，结合区域实际情况，提出如下防控策略:
(1)切除污染源：针对该农田地块污染来源，首先要切断上游矿区污染源，开展矿区废渣治理㊁废渣渗滤液收集治理㊁矿坑涌水收集治理等，确保区域农田灌溉用水达标㊂(2)开展农田污染治理修复：对于重度污染区域，根据 土十条 中污染重的土壤不适合种植食用农作物的要求，应提出调整种植结构的建议，但由于污染区域农田是当地居民主要的农作物生产区，如果调整种植结构，不符合当地的实际，因此，必须通过降低土壤中的重金属含量来满足土壤环境质量要求，比如淋洗法[13-14]等㊂对于中㊁低浓度污染区域，其健康风险较小，可通过调节土壤理化性质以及沉淀㊁吸附㊁络合㊁氧化-还原等一系列反应，改变重金属在土壤中的化学形态和赋存状态，有效降低其在土壤中的迁移性和生物有效性，从而降低重金属污染物对环境受体(如动植物㊁微生物㊁水体和人类等)的毒性，如钝化技术[15-16]等㊂
(3)采用必要的农艺调控措施：在农作物种植过程中，采取必要的农艺调控措施，包括调节土壤理化性质㊁科学管理农田水分㊁施用功能性肥料[17]㊁种植重金属低积累作物等㊂
5㊀结㊀论
(1)研究区域农田土壤中Zn㊁Cd㊁Pb㊁Cr㊁As㊁Hg㊁Ni㊁Cu平均值分别为386.8㊁2.47㊁65.65㊁54.27㊁13.49㊁0.32㊁8.43㊁17.65mg/kg，与土壤标准值相比，土壤Cd㊁Zn的超标倍数分别为7.23和0.93㊂土壤Pb㊁Zn㊁Cd含量之间呈极显著正相关，具有明显的同源性，土壤Pb㊁Zn㊁Cd与土壤pH均呈负相关，土壤pH越高越有利于重金属在土壤中的累积㊂(2)研究区中，耕作层土壤中Cd的内梅罗污染指数为16.05，为重度污染水平㊂耕作土壤壤重金属生态风险较高，其中Cd的潜在生态危害系数最大，是多种重金属潜在生态危害系数的主要贡献者㊂因此，污染土壤治理过程中，研究区需要重点控制的重金属为Cd㊂
(3)提出的防控策略为：切除污染源，开展农田污染治理修复，同时采用必要的农艺调控措施，确保农业生产安全㊂
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