北京市密云水库上游金铁矿区土壤重金属污染特征及对比研究

第32卷第6期2012年6月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.6Jun.,2012基金项目:国家自然科学基金(No.41173113);中国科学院百人计划项目SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41173113)andtheHundredTalentProjectofChineseAcademyofSciences作者简介:黄兴星(1989—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:HUANGXingxing(1989—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]黄兴星,朱先芳,唐磊,等.2012.北京市密云水库上游金铁矿区土壤重金属污染特征及对比研究[J].环境科学学报,32(6):1520-1528HuangXX,ZhuXF,TangL,etal.2012.PollutioncharacteristicsandtheircomparativestudyofheavymetalsinthegoldandironminesoiloftheupstreamareaofMiyunReservoir,Beijing[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(6):1520-1528北京市密云水库上游金铁矿区土壤重金属污染特征及对比研究黄兴星1,2,朱先芳3,唐磊4,季宏兵1,2,3,∗1.北京科技大学土木与环境工程学院,北京1000832.北京科技大学国家环境与能源国际科技合作基地,北京1000833.首都师范大学资源环境与旅游学院首都圈生态环境过程重点实验室,北京1000484.北京市地质工程设计研究院,北京101500收稿日期:2011-08-23　　　修回日期:2011-10-09　　　录用日期:2011-10-10摘要:不同金属矿山选冶活动造成的矿区及周边土壤中重金属的分布累积特征不同.为了解密云水库上游金矿和铁矿矿区土壤中重金属地球化学特征的异同及污染状况,对区域内典型的金矿和铁矿矿区进行土壤样品采集,应用地球化学方法研究了2种土壤中重金属的污染特征,并应用地累积指数法评价了其污染状况.结果表明,2种土壤中除As外的其它重金属含量明显高于北京市土壤重金属背景值,金矿矿区土壤重金属含量普遍高于铁矿矿区.相关性分析表明,金矿矿区土壤中Cu含量与Pb、Zn(p0.01)及Cr、有机质(OM)含量(p0.05)之间显著相关,pH值与Pb含量(p0.01)及Hg含量(p0.05)呈显著负相关,而铁矿矿区土壤中重金属含量之间的相关性不显著.金矿尾砂中重金属含量明显高于铁矿尾砂,与矿区土壤污染状况一致.地累积指数法评价结果显示,金铁矿区土壤中重金属的污染程度均已十分严重,金矿矿区土壤污染程度高于铁矿,金矿矿区土壤重金属的污染程度由高到低依次为:PbHgCdCrCuZnCoAs;铁矿矿区土壤重金属的污染程度由高到低依次为:PbCdCrCoCuZnHgAs.该研究数据可为同一区域内不同金属矿区重金属污染的有效监控与治理提供科学依据.关键词:北京;土壤;重金属;金矿;铁矿;地累积指数文章编号:0253-2468(2012)06-1520-09　　　中图分类号:X524　　　文献标识码:APollutioncharacteristicsandtheircomparativestudyofheavymetalsinthegoldandironminesoiloftheupstreamareaofMiyunReservoir,BeijingHUANGXingxing1,2,ZHUXianfang3,TANGLei4,JIHongbing1,2,3,∗1.Civil&EnvironmentEngineeringSchool,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijng1000832.NationalEnvironment&EnergyInternationalCooperation,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijng1000833.TheKeyLaboratoryofMetropolitanEco-EnvironmentalProcesses,CollegeofResourceEnvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing1000484.BeijingGeo-engineeringDesignandResearchInstitute,Beijing101500Received23August2011;　　　receivedinrevisedform9October2011;　　　accepted10October2011Abstract:Thedistributionandcumulativecharacteristicsofheavymetalsindifferentminesandsurroundingsoilcausedbyoredressingandsmeltingactivitiesweredifferent.InordertoinvestigatethegeochemicalcharacteristicsandpollutionstatusofheavymetalsintheupstreamareasofMiyunReservoir,thesoilsamplesfromtypicalgoldandironmineswereanalyzedbythegeochemicalmethodandtheGeoaccumulationIndexwasusedtoevaluatethepollutionstatusofheavymetals.Theresultsshowedthat,themetalconcentrationsintheGoldandIronminesoilsamplesexceededthebackgroundlevelsinBeijingexceptforAs,andthecontentofheavymetalingoldminesoilwashigherthanthatofironminesoil.Moreover,correlationanalysisindicatedthatsignificantcorrelationsexistedamongPb,Zn(p0.01),Cr,OM(p0.05)andCu,whilesignificantnegativecorrelationsexistedamongPb(p0.01),Hg(p0.05)andpHingoldminesoil.Therewerenosignificantcorrelationsamongmetalsinironminesoil.Inaddition,heavymetalsingoldminetailingsweresignificantlyhigherthanthoseinironoretailings,whichwasconsistentwiththesoilpollutionstatusinmines.The6期黄兴星等:北京市密云水库上游金铁矿区土壤重金属污染特征及对比研究GeoaccumulationIndexsuggestedthatheavymetalsinbothsoilsampleswereveryseriousandthepollutiondegreeofgoldminewashigherthanthatofironmine.ThepollutiondegreesofgoldminesoilsampleswasorderedasPbHgCdCrCuZnCoAs,whilePbCdCrCoCuZnHgAsforironminesoilsamples.Theresultscanprovidescientificbasisfortheeffectivemonitoringandmanagementofheavymetalpollutionindifferentmetalmineswithinthisregion.Keywords:Beijing;soil;heavymetal;goldmine;ironmine;indexofgeoaccumulation1　引言(Introduction)土壤是金属矿山选冶过程中最直接的收纳体,金属矿山的选冶过程会造成矿区及周边区域土壤中重金属的累积(庹先国等,2007;Navarroaetal.,2008;Aletal.,1997).在选冶过程中所产生的废弃尾砂及其氧化产生的大量酸性矿山排水通常会加剧矿区及周边土壤中重金属污染的累积(黄康俊等,2008;Kohfahletal.,2010;Hudson-Edwardsetal.,2001;Rojasetal.,2007).积累在土壤中的重金属很容易通过食物链或地下水迁移进入植物或人体,进而影响人类健康(钟晓兰等,2009;翟丽梅等,2008;陈同斌等,2004).研究表明,不同金属矿区选冶过程造成的周围土壤中重金属的分布累积特征不同(Bobosetal.,2006;杨元根等,2003;Limetal.,2008;Wuetal.,2010).近年来,国内外学者针对不同金属矿区土壤的重金属含量及其分布状况进行了大量研究,但大部分集中在对同一区域同种矿区土壤中或者同一矿区不同受体介质中重金属的分布累积特征研究上(Rodriguezetal.,2009;徐友宁等,2009;徐争启等,2007;吴晓霞等,2004),很少有针对同一区域不同矿区土壤及尾砂中重金属地球化学特征的对比研究.事实上,同一区域不同金属矿区的重金属是有一定联系的,但又有差别.这种差别究竟会对矿区土壤重金属的地球化学特征产生什么影响,值得进行研究.金矿和铁矿是常见的金属矿产,在开采和选冶过程中均会导致矿区及周围土壤中重金属的累积,但由于其成矿过程及采选工艺的不同,造成同一区域内金矿和铁矿矿区土壤中重金属的地球化学特征及污染程度迥异.因此,对比研究金矿和铁矿土壤中重金属分布累积特征及污染状况可为同一区域不同金属矿区污染的有效监控与治理提供科学依据.基于此,本文以密云水库上游金矿和铁矿矿区为例,对区域内典型的金矿和铁矿矿区进行土壤及尾砂的样品采集,研究二者土壤及尾砂中重金属的分布和累积特征,并应用地质累积指数法评价其污染状况,以期为北京市的土壤环境管理和重金属污染防治提供参考依据.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　研究区域概况研究区域地处北京市密云县北部,密云水库上游(图1).密云水库于1958年9月动工兴建,1959年汛期拦洪,1960年基本建成,其地理坐标约为北纬40°23′,东经116°50′.自1997年官厅水库因富营养化严重失去饮用水功能后,密云水库就成为北京市唯一的地表水水源地,其水质直接影响到北京市居民的用水质量和健康安全.密云水库上游金矿与铁矿资源丰富,矿山活动频繁,矿石采选及冶炼所产生的废弃尾砂已经对区内土壤及水系造成了一定的影响.本研究选取密云水库上游白马关河、牤牛河及潮河流域的西坨古-陈家峪金矿区、安子沟-放马峪铁矿区作为研究对象(图1中K1为西坨古金矿,K2为西坨古废弃炼金厂,K3为陈家峪金矿,K4为安子沟铁矿区,K5为冯家峪铁矿区),共采集土壤及选冶尾砂样品37件,其中,金矿区样品19件,铁矿区18件,采样深度为0~20cm.2.2