（环境工程专业论文）陕西凤县铅锌尾矿库复垦作物重金属污染研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo nt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o no ft a i l i n gr e c l a m a t i o n a l c r o p si nf e n gx i a n ，s h a n a x i s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：m a h o n g y a n ( s i g n a t u r e i n s t r u c t o r ：x u ex i c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em i n et a i l i n gr e c l a m a t i o n ，h e a v ym e t a l p o l l u t i o no ft h er e c l a m a t i o nc r o p sh a sb e e np a i dn e w a t t e n t i o nt o t h eh e a v ym e t a lc a nc a u s e c a n c e r ，i n t r a g e n i cm u t a t i o na n dh a v ea no u t s t a n d i n gc u m u l a t i n ge f f e c tt oh u m a nb e i n g ，w h i c h c a u s e st h ea c u t ep o i s o n i n go rc h r o n i cp o i s o n i n g i n1 9 5 5t h ei t a i - i t a id i s e a s eh a sa l r e a d y a s t o n i s h e dt h ew o r l d ag r o u po fv i l l a g e r sa n dt h e i rc h i l d r e nf r o ms h u iy a n gc o u n t yi n c h i n a sn o r t h e r ng a n s up r o v i n c e ，s h o w e de x c e s s i v ea m o u n t so fl e a di nt h e i rb l o o da n da n u m b e ro ft h e ma r es u f f e r i n gf r o ms e v e r el e a dp o i s o n i n g ，c o n f i r m e do f f i c i a l sf r o mt h e p r o v i n c ei nn o r t h w e s tc h i n a2 0 0 6 s ot os t u d yt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o no nr e c l a m a t i o n a l c r o p s ，p r e v e n ta n dc o n t r o lt h ep o l l u t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m st h a t s h o u l db er e s o l v e du r g e n t l y t h i sp a p e rm a k e sas p o ti n s p e c t i o no f r e c l a m a t i o na r e ao f l e a d z i n cm i n eg a n g u ei nf e n g x i a n , a n dg a t h e r st a i l i n go r e ，s o i la n df a r mc r o p ss a m p l e s t e s tt h eh e a v ym e t a le l e m e n t c o n t e n t ss u c ha sl e a d ，z i n c ，c o p p e r , c a d m i u mw i t ht h ef l a m ea t o m i c a b s o r p t i o n s p e c t r o p h o t o m e t r i c t h ed i s t r i b u t i o na n dc h e m i c a lf o r m so f h e a v y m e t a l sa r es t u d i e db a s e do n m i n e r a l o g i c a la n dc h e m i c a la n a l y s e sa sw e l la ss e q u e n t i a le x t r a c t i o n b a s e do nt h ec o n t e n t so f h e a v ym e t a l ，t h i sp a p e rm a k e sa na s s e s s m e n to nh e a v ym e t a lo f t h es o i lt h r o u g hp o l l u t i o ni n d e xa n dc o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o ni n d e x t h ep o l l u t i o ni n d e xo f t w ot a i l i n gs o i lw a sm o r et h a n3 ，w h i c hh e a v ym e t a lp o l l u t i o nw a ss e r i o u s t h es e q u e n t i a l e x t r a c t i o nb yd o l ds h o w st h a tf o ra l lm e t a l si nm i n et a i l i n g sa n ds o i lt h ec o n c e n t r a t i o no f s l a g i st h eh i g h e s t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fe x c h a n g e a b l ei sl o w e r i ft h ec o n d i t i o nc h a n g e s ，t h el e a d a n dc a d m i u mm a yb er e l e a s e da n da b s o r b e db yt h ec r o p b a s e do nt h ed a t ao ft h ep hv a l u e ，m o i s t u r ec o n m n ta n dn u t r i t i o ne l e m e n tn ，p ，ki t g a t h e r st h et y p i c a lf a r mc r o p ss a m p l e s ( s u c ha sw h e a t ，s o y b e a n , c o m ，s p i n a c h ，g a r l i c ，o n i o n , b u p l e u r u mc h i n e n s i sa n dg r e e nb r i s t l e g r a s s ) a c c u r a t e l ym e n a n r a t e st h ec o n t e n to fh e a v y m e t a ls u c ha sz i n c ，l e a d ，c o p p e r , a n dc a d m i u mi nc r o p ss a m p l e sw i t ht h ef l a m ea t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e l r i cm e t h o d n 圮c o n c l u s i o ni s a sf o l l o w s ：1 1 1 ec o n t e n to fl e a d c a d m i u mo f a l lt h er e c l a m a t i o n a lc r o p si sb e y o n dt h en y 厂r 7 4 4 2 0 0 3a n dn y5 2 0 0 2 0 0 4 t h e c o n t e n to f c o p p e r ，z i n ci nm o s tr e c l a m a t i o n a lc r o p si sh i g ht o o ，w h i c hi sb a df o r0 1 1 1 h e a l t h s o t h er e c l a m a t i o n a lc r o p sc a nn o tb ee a t e n 弛ea b s o r p t i o na n dt r a n s f e ro fd i f f e r e n tp a r t si n s a m ec r o pi sv a r i e s f o re x a m p l e ，t h eo r d e ro f c o n t e n to nc o p p e r , z i n c ，l e a d ，c a d m i u mi nc o r e i sa sf o l l o w ： r o o t c a u d a l f r u c t i f i c a t i o n t h ea b s o r p t i o na n dt r a n s f e ro ft h eh e a v ym e t a li n o r e s o i l f a r m c r o p si sac o m p l i c a t e dh o m e o s t a s i s ，w h i c hv a r i e s 、i t l ld i f f e r e n tc h a r a c t e ro fs o i l 。 f a r m c r o pa n dh e a v ym e t a l k e yw o r d s ：f e n gx i a n ，s h a n a x i l e a d z i n cm i n e t a i l i n gs t o r e h o u s e r e c l a m a t i o n a lc r o p s h e a v ym e t a l s e q u e n t i a le x t r a c t i o np o l l u t i o n t h e s i s ：t h e o r ys t u d y 要料技大攀 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易纽狍日期：d 一年弓国茹旧 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：马红拖 指导教师签名： 圃奄荤奄战 2 0 司年3 月2 弓日 1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 秦岭横亘中国中部，呈东西向绵延13 0 0k m ，东抵华北平原，西接昆仑山脉，面积 达3 0 余万k m 2 ，地跨皖、豫、鄂、陕、甘、青、川七省。秦岭山区的铅锌矿产资源极为 丰富，迄今已探明3 3 个矿床，其中特大型1 处，大型7 处、中型1 3 处、小型1 2 处，平 均铅锌储量比为1 0 0 ：2 6 1 1 1 1 。在甘肃省西和县、成县境内有以厂坝特大型矿床为中心的 六个矿床；在陕西省风县、太白县、镇安县、山阳县、柞水县境内分布有银洞梁、峰崖、 八方山、银母寺、黑沟、桐木沟、月西、银洞子、赵家庄等矿床。改革开放以来，各地 不断加强铅锌矿产资源开发力度，目前已形成铅锌采、选、冶一条龙的产业格局。如陕 西省风县，铅锌已探明储量达3 6 0 万t 金属量，约占全省铅、锌矿储量的8 0 ，为全国 四大铅锌基地之一，经过2 0 余年的矿产资源开发，现已发展到1 3 6 个铅锌矿山企业，其 中银母寺、八方山、二里河、铅硐山和银洞梁为5 个国营铅锌矿山企业，另外还有1 3 1 个集体或个体铅锌矿山企业。银母寺铅锌矿已完成工业产值上亿元，实现利税30 0 0 多 万元【2 l ，带来巨大的经济利益和社会效益。 然而，铅锌矿产资源开发在带来巨大经济效益的同时，也导致了严重的环境问题。 由于铅锌矿为多金属矿床，共生、伴生矿床多，单一矿床少1 3 ，除铅、锌外，矿石中还 伴有铜、镉、汞、铬等重金属元素，加之我国现阶段多采用单一开采模式，矿山选冶回 收率低，矿产综合利用率低，这不仅造成极大的资源浪费，还导致严重的环境污染、生 态破坏和地质灾害隐患。在“三废”处理方面，一些国有重点矿山企业和个别地方国有企 业做的相对较好，但是由于环保意识差，法规不完善，政策措施不力，资金难到位，绝 大多数集体与个体矿山根本不搞除尘、废水处理与复垦工作。这些企业在铅锌矿采、选、 冶过程中，粉尘未经过处理便直接排入大气，造成大气污染；废水肆意排放，含多种重 金属离子的矿山酸性废水污染了矿区周围的河流、湖泊、地下水和农田，并直接威胁到 河流下游的生态安全；尾砂满山遍野的堆放在山谷中，不仅大量侵占了紧缺的土地资源， 还造成水土流失、堵塞河道和形成泥石流灾害。尾矿堆积问题也尤为突出，据不完全统 计，我国有色冶会矿山每生产l t 矿石将产生o 9 c 尾矿，同时尾矿的综合利用率仅为2 0 ， 因此产生了大量的不能利用的尾矿被废弃或堆存，平均每年产生尾矿量达37 5 0 万t ，历 年累计量近5 亿t 。近些年，因采矿造成的环境污染事件与地质灾害频频发生，给人类 生产和生活造成严重影响。如江西崇义柯树岭矿1 0 多家集体、个体的钨矿山企业产出 的废石和尾砂全部未经任何处理直接倒入河溪，已使l o k m 河床抬高了3 7 m ；浙江矾 山明矾石矿随意向河流排放矾渣，河水变白，污染严重，曾造成矿区周围浙、闽两省村 西安科技大学硕士学位论文 民械斗；贵州开阳地区5 0 0 多个采矿点，大量的废渣废石留在矿区，流经矿山的洋水河 河道已被废渣挤占，1 9 9 5 年发生泥石流，造成直接经济损失l 亿元，仅治理河道需要5 0 0 0 万元资金1 4 。天津市八仙山国家级自然保护区是华北、京津地区惟一保存最完整、 最具原始森林特性的天然林保护区，也是引滦入津的于桥水库的水源地之一，保护区内 生存的动植物达l4 0 0 多种，其中有4 0 余种已列入世界保护的稀有、濒危物种。2 0 0 4 年3 月在保护区的山梁出现的一些非法开矿点，给保护区带来严重的环境污染，威胁到 保护区动植物的生存【5 l ；湖南省永兴县三塘乡地处该县边远山区，村民们先后建起的多 家采矿、选矿冶炼企业，污染了周边的生产环境和水土资源，严重影响了当地村民的身 体健康，破坏了当地农业经济发展。1 9 9 8 年，大量农作物绝收，2 0 0 1 年以来，大量泄 漏的尾砂及选矿污水被排入到神鸡冲小型水库中，不仅污染了附近村组的饮用水源，而 且造成其下游沿途的上青村、三江口村和小尾村等上千亩农田受害1 5 j 。 基于有色金属矿山尾矿库对环境和生态的极大破坏，人类、资源与环境关系日趋紧 张，人类正在采取措施，降低不利影响。一些大型国有矿山企业，将选矿废气通过电除 尘后排放，将选矿废水和尾砂排入预先修筑的尾矿库中进行沉淀并封存，为了缓解环境 危机并增加土地资源，矿山复垦和退耕还林工作日益受到重视。近年来，不少大型矿山 企业复垦工作已取得辉煌成果。如广西平果铝矿山通过国家验收的优质复垦土地已达1 1 0 0 亩，复垦率高达9 6 ，昔日一片片坑坑洼洼的乱石窝已变成“绿宝盆”，复垦土地生 产多种蔬菜；陕西安康金矿的复垦区水稻、玉米亩产分别达到5 5 0 k g 和3 3 8 5 k g ，均接 近和超过当地高产水平；马滦铁矿选矿厂在滦河河滩利用尾矿造田，1 9 8 2 年把复垦的 3 3h m 2 土地交给农民使用，花生产量达18 0 0 k g h m 2 ，小麦产量达37 5 0 k g h n l 2 ；桓仁 铅锌矿利用尾矿库复土造田1 8h m 2 种植玉米和高粱，产量达15 0 0 - 37 5 0 k g h m 2 ，土豆 产量超过75 0 0 k g h m 2 。2 0 0 3 年，侯恩科、薛喜成等曾对秦岭腹地的风县矿山地质环境 进行了详细调查，发现区内共有4 2 家选矿厂，现已形成5 7 个尾矿库，占地总面积 5 5 1 6 h m 2 6 1 。矿区或村民现已完成尾矿库复垦面积1 2 7 8 h m 2 ，且复垦植被以粮食和蔬菜 为主，由于当地降雨丰沛，不少尾矿库现已变成经济粮仓，庄稼长势良好，从一定程度 上解决了村民的粮食和菜篮子问题，带来一定的经济收入。但是，由于山区土源缺乏， 尾砂覆土较薄，土壤会受到下层尾砂的污染，作物根系容易扎入尾砂之中。这些复垦作 物的重金属含量是否超标尚有待检验。若其重金属含量超标，重金属通过尾砂- 覆土作 物人类，或尾砂覆土作物动物人类进入食物链，给野生动物及人类带来的危害将难 以预估。众所周知，重金属具有致畸、致癌和致突变作用，并会在人体内蓄积，长期食 用被重金属污染的食品，可引起人体急性或慢性中毒。1 9 5 5 年日本发生的“水俣病”和“痛 痛病”已让人触目惊心，而2 0 0 6 年9 月初发生在甘肃徽县儿童血铅超标事件更是为我们 敲响了警钟。可见，研究并控制铅锌尾矿复垦作物重金属污染问题已迫在眉睫。 1 绪论 1 2 研究意义 1 2 1 理论意义 重金属污染对土壤、植物、野生动物及人类均有不同程度的危害。土壤是植物的天 然培养基，又是植物体内重金属的主要来源。重金属在土壤中的积累，能抑制许多生化 反应，改变反应方向和速度，从而影响土壤的物理和化学性质以及破坏其中原有有机物 或无机物所固有的化学平衡和转化，进而改变植物的根际环境，间接地影响植物的生长 发育。许多重金属( 例如c u ，z n 等) 都是植物必需的微量元素，对植物的生长发育起着 十分重要的作用。但是，当环境中重金属数量超过某一临界值时，就会对植物产生一定 的毒害作用，轻则植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑制，重则导致植物死 亡【刀。如果植物中的重金属通过土壤农作物人，或土壤植物动物人，进入食物链， 将对人体产生影响【8 l 。长期食用被重金属污染的粮油及其制品，将对人体产生一定的不 良影响。且多数重金属可在人体内蓄积，其生物半衰期均较长，例如铅和镉分别为l4 6 0 d 和1 6 3 1 a 。随着重金属毒物在体内蓄积量的增加，机体便出现各种不良反应。其毒性 作用可引起人体的急性或慢性中毒，有些重金属还具有致畸、致癌和致基因突变作用。 故研究重金属在尾砂、土壤、作物和人类之间的迁移转化机理，能为减少重金属进入食 物链及减少重金属对人体的危害提供科学依据，对治理重金属污染，生产绿色食品具有 很重要的意义。 1 2 2 实践价值 对于有色金属尾矿库复垦，前人对覆土技术及复垦方式己取得一定成果。如由北京 矿冶研究总院开发的有色金属矿山尾矿库复垦与生态恢复技术适用于有色金属和其它 矿山尾矿库、损毁土地使用价值的恢复【9 】。安康金矿采用不同的复田方式和施肥措施， 对该地主要农作物进行了耕作实验，达到了增产增收的目的i ”j 。但是，由于地域、成 矿地质条件、地球化学背景、矿物成分的差异，其它地区的复垦方式不一定适合秦岭地 区的铅锌矿区。秦岭地区铅锌矿产资源丰富，大小铅锌矿山林立，环境污染及生态破坏 极为严重。尾矿中的重金属污染了河流、地下水、土壤，对该地区野生动植物的生长造 成严重威胁，并影响到当地居民的正常生活。研究秦岭典型铅锌尾矿库复垦问题不仅对 保护当地生态环境，保持生物多样性具有重要意义。且一定程度上解决了山区耕地紧缺 问题，带来一定的经济效益与社会效益。还能为指导该区矿山复垦工作提供重要的科学 依据与实践指导，为其他矿山采矿后的复垦增产工作，提供有益的经验。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 国外研究动态 以美国和日本等为代表的发达国家强调国内资源和环境的保护，矿产资源的战略储 备和资源的循环使用i l “。环境的可持续发展居于压倒一切的地位，不允许以牺牲环境为 代价进行矿业开发活动。自2 0 世纪7 0 年代以来，美国、英国、德国、日本等发达国家 就开始研究重金属在土壤一植物中的迁移转化规律。 从1 9 7 7 年，b r o o k s 提出超富集植物的概念【1 2 】，到1 9 8 3 年c h a n e y 提出利用超富集 植物清除土壤重金属污染的思想【1 3 1 ，到有关耐重金属植物与超富集植物的研究逐渐增 多，植物修复作为一种治理污染土壤的技术被正式提出。s a l t y 等( 1 9 9 8 年) 研究了利用超 积累植物来吸收土壤重金属【1 4 1 ，并提出了一些铅超积累植物。这种技术被称为持续植物 提取。 t a y l o r 等( 1 9 8 1 ) 发现，外源铅进入土壤后，一般就被固定在表土层，水平移动和垂 直移动都很困难【l ”。t a y l o r 把1 0 0 m g k g 的铅加入土壤中后，经过3 0 周的日j 歇淋洗，铅 仍主要集中在表层几厘米的土层中，未被水向下淋洗移动。 茅野充男( 日本，1 9 8 8 ) 与k u b o i ( 1 9 8 9 ) 等研究表明重金属对植物的毒害作用及植物 的耐受性取决于植物对重金属的吸收与运输、在植物体内各部分的分配、与体内物体的 结合形态等等【1 6 j 。他们在植物个体及群体水平上研究表明：潜在土壤一植物系统的迁移 活性较低，吸收的铅多积累于根部，较少地向上运输【”。 r o m h e l d 和m a r s c h n e r ( 1 9 8 6 ) 认为螯合物与金属结合后，金属螯合物可以从内皮层裂 口处进入根内，然后被迅速地转移到茎叶【”j 。b i a y l o c k 等( 1 9 9 7 ) 在通过实验后发现，铅 与螫合剂结合有利于植物对铅的吸收【l9 j 。s a l t 等( 1 9 9 5 ) 认为金属与螯合剂物结合后阻止 了金属的沉淀和吸附，从而提高了金属的可提取性 2 0 1 。螯合诱导修复技术既可选用一般 植物也可选用超积累植物。由于已发现的铅超积累植物种类极少，而且植物生长慢、生 物量小，因而螯合剂诱导修复技术比持续提取技术更引人注目。 1 4 国内研究动态 对于有色金属矿山尾矿库复垦作物重金属污染机理的研究，国内也有不少学者做了 不懈探索。沈振国、刘友1 曼( 1 9 9 8 ) 等研究了重金属超量积累植物，提出运用持续植物提 取技术来修复铅污染土壤【2 1 1 。蒋先军、骆永明等( 2 0 0 0 ) 研究了土壤重金属污染的植物提 取技术，提出利用超积累植物瞄l ，将土壤中各种过量元素或化合物大量转移到植株体内 特别是地上部分，从而修复污染土壤。 周泳、涂从等( 1 9 9 3 ) 研究了铅在紫色土一水稻体系中的植物效应及形态，结果表明： 水稻各部位含铅量与添加铅量呈显著正相关，且其大小顺序为根 茎叶 糙米【乃1 。王新、 吴燕玉等( 1 9 9 8 ) 币u 用田间小区实验的方法研究了玉米、水稻、大豆、小麦不同作物对重 4 金属的吸收及重金属在作物内迁移、积累、分配的规律。研究表明：重金属在植物体内 的分配规律为根 茎叶 籽实，同时还得出作物种类不同，对重金属吸收、积累的特性也 不一致 h i 。虽然植物能吸收土壤中的重金属，但仍有9 0 的重金属留在土壤中。 李湘洲( 2 0 0 0 ) 研究了重金属铅和镉对土壤和农作物的危害和防治，提出了防治的方 法嘲。秦普丰、铁柏清等( 2 0 0 0 ) 卿j 研究了铅和镉对棉花和水稻萌发及生长的影响，并提 出了对水稻和棉花发芽及生长产生影响的重金属污染浓度值1 2 5 1 。匡少平、徐仲等( 2 0 0 2 ) 通过玉米研究了作物对土壤中铅的吸收效应，探讨了环境土壤重金属元素对作物和人类 的影响 2 6 1 。 周连碧等( 2 0 0 2 ) 对胡家峪铜矿毛家湾尾矿库复垦、作物中重金属对人体健康的影响 等进行了分析研究，实验结果表明：用少量黄土与尾砂混合覆盖，复垦投入少、作物产 量高、作物可以食用，是一种经济有效的复垦方法1 27 1 。郑春荣等( 2 0 0 5 ) 对德兴铜矿尾矿 库植被重建后的土壤肥力状况和重金属污染进行了研究，结果强调c d 、p b 和z n 在植 物中的累积，特别是在粮食作物和蔬菜可食部分的浓度均有超过国家食品卫生标准的情 况，建议在类似的金属尾矿库植被重建过程中应避免粮食作物和蔬菜【2 8 1 。 综上所述，对于重金属在土壤作物中的迁移、转化规律，前人虽已有研究，也取 得了一些研究成果，如提出超积累植物等。但是鉴于秦岭地区特殊的成矿地质条件、地 球化学背景、矿物成分、气候、水文以及土壤肥力、p h 值。其他地区的复垦经验不一 定适合秦岭地区。加之现阶段，我国南方有色金属矿山研究成果较多，而秦岭地区的研 究较少；铜矿研究成果较多，而铅锌矿研究较少；野生植物研究较多，而粮食作物研究 较少。秦岭地区铅锌矿山较多，复垦作物多为粮食作物及蔬菜，而且长势良好产量高。 论文选取秦岭风县铅锌矿复垦区为研究对象，研究重金属在尾砂土壤作物中的迁移、 转化规律，分析覆土方式、复垦时间、作物种类与重金属污染的关系，为减轻重金属污 染及指导秦岭地区铅锌矿复垦提供一定的理论依据与技术支持。 西安科技大学硕士学位论文 2 研究区概况与技术路线 2 1 研究区概况 ( 1 ) 自然地理与经济概况 陕西风县地处秦岭西段南麓，是长江主要支流嘉陵江和汉江的源头。地理坐标为东 经1 0 6 。2 4 5 4 ，_ 1 0 7 0 0 7 3 0 ”，北纬3 3 0 3 4 5 7 ”3 4 。1 8 2 1 ”。东邻太白县，南连留坝、勉县， 西接甘肃天水市和两当县，北倚宝鸡市区及宝鸡县，南北长8 0 5 k m ，东西宽7 0 9 k m ，总 面积31 6 3 9 7 k m 2 。辖1 0 镇5 乡、1 5 0 个村委会和1 1 个居委会，共2 7 5 5 1 万户、9 8 1 6 8 万人。 论文研究区位于凤县东部的河口镇，地处安河、候家河、洞沟河三水交汇处，该处距县 城3 2 k m ( 图2 1 ) 。 冗 ：， 图2 1 研究区地理位置 凤县地处亚热带与温带分界线上，海拔在9 1 5 m 至2 7 3 8 m 之间，属暖温带湿润大陆 性季风气候，气候垂直分布明显，是秦岭绿色屏障的重要组成部分。年平均气温1 1 4 c ， 七月最热，平均气温2 2 7 ，极端最高气温3 7 3 ；一月最冷，平均气温- 1 i c ，极端 最低气温1 6 5 ，平均无霜期1 8 8 天，年平均降雨6 1 3 2 m m 。全县耕地面积3 0 3 3 3 h m 2 ， 其中有2 0 3 3 3 h m 2 正在进行退耕还林( 草) 等生态建设，粮食作物以玉米、小麦为主， 6 2 研究区概况与技术路线 豆类、洋芋次之，多为一年一熟；经济林木以苹果、漆、花椒、核桃、板栗、柿子较多， 是我省苹果、花椒、生漆、漆木油的最集中产区之一。 ( 2 ) 铅锌矿产资源与开发概况 凤县特殊的地质历史和优越的成矿地质条件孕育了丰富的矿产资源。经地质部门勘 探，现有铅、锌、金、银、铜、锑、镉、磷、铁、煤、石灰石、电石灰岩、透辉石、硅 石、钠长石、花岗岩、石英石和石墨等矿藏4 0 余种，尤以铅锌矿和金矿为优势矿种。其 中铅锌储量3 6 0 万t ，约占全省铅锌矿储量的8 0 ，是全国四大铅锌矿基地之一。境内 现有银母寺、八方山、铅硐山、银洞梁和手搬崖5 个国家有色金属规划矿区。现已发展 到1 6 6 个矿山企业。其中银母寺、八方山、二里河、铅硐山和银洞梁为5 个国营大中型 铅锌矿山企业，另外还有集体与个体铅锌矿山企业1 3 1 个。 ( 3 ) 尾矿库分布与复垦现状 凤县境内共有4 2 个选矿厂，5 7 个尾矿库，其中有5 个金矿选矿厂，8 个金矿尾矿 库，3 7 个铅锌选矿厂，4 9 个铅锌尾矿库，总占地面积5 5 1 6 h m 2 6 1 。现已完成尾矿库复 垦面积1 2 7 8 h m 2 ，复垦率2 3 2 ，复垦作物以粮食和蔬菜为主，由于当地降雨丰沛，水 源充足，不少尾矿库庄稼长势良好。但是，未复垦面积4 2 3 8 h m 2 ，尚有7 6 8 的尾矿库 面积需要安排分期复垦。 2 2 选矿厂与尾矿库污染现状 在进行矿山开采和矿产品加工过程中，矿石中所含的元素会扩散到矿区和作业区， 这些元素对居民的健康会造成严重影响。受铅、锌、铜、铬等重金属污染的长期影响， 铅锌矿山、选矿厂及冶炼厂附近的居民时常发生肢体麻木、腰酸背痛、听力下降、智力 低下、聋哑等症状；含镉烟尘沉降和含镉废水经灌溉方式进入农田，造成土壤污染并富 集到农作物中，最终在人体中富集起来，影响人的身高、体重、胸围及肺活量。 风县矿山的主要环境污染问题有地表水污染、地下水污染、土壤污染和大气污染。 由于区内小型矿山企业量大面广，人们片面追求经济收益现象普遍，环境保护意识差， 环境污染事件时有发生，造成的损失极为惨重。 ( 1 ) 大气污染 风县矿区的大气污染主要表现为采矿、选矿及冶炼过程所带来的粉尘污染。山沟中 任意弃置的渣石堆和未曾复土造田的尾矿库是造成大气粉尘污染的主要源泉，每逢冬春 干旱多风季节，风起尘飞，局部空气污染严重。另外，铅锌矿冶炼产生的含铅烟气和 s 0 2 气体构成了另一类大气污染物，严重威胁着矿区居民的生活健康。 ( 2 ) 水污染 在整个矿产开发过程中排放了大量的废水，包括矿坑废水、选矿污水、尾矿库渗滤 西安科技大学硕士学住论文 水、采矿弃渣淋滤水、冶炼废水和生活污水等。目前，这些废水绝大部分都未经处理就 直接排放，又由于凤县位于山区，年降雨量大，地表径流汇集速度快，水系密布，因此， 造成地表水大面积长期污染，水质逐年下降，威胁河流两侧居民的生存安全。随着山区 地形的变换，地表水与地下水的相互转换，地表水污染必然导致地下水污染。地下水一 旦遭受大面积污染，治理工作相当困难，其污染影响难以消除。 2 0 0 6 年4 月2 2 日上午6 时许，凤县安河铅锌选矿厂尾矿库发生泄漏，一根直径o 7 m ， 从尾矿库底通过的水泥管道发生破裂，大量有害的工业废水流入流入了安河，直接影响 到嘉陵江的水质。 ( 3 ) 土壤污染 凤县的农田包括山梁上的坡地和河谷两侧的良田。由于水土流失严重，坡角大于2 5 0 的坡地正在按照国家的有关政策进行退耕还林。但是由于矿山开采与选矿企业对地表水 的长期污染，地表水灌溉造成农田土壤中的重金属和其它化学污染物质增加，土壤p h 值 降低，物理性质变坏，农作物生长受到抑制，粮食中存在重金属含量高的顾虑。己复垦 的尾矿库由于土源缺乏，覆土厚度普遍偏小( 多小于0 5 m ) ，农作物根系直接扎入尾矿 砂中，难以抑制作物对重金属等污染物质的吸收。大量没有覆土造田的尾矿库稳定性差， 尾矿砂随风飞舞，直接污染到周围的空气、农田和庄稼。 ( 4 ) 作物与蔬菜污染 凤县河谷两侧的良田，濒临水源，农作物产量高，是当地居民的风水宝地。但是由 于矿山开采与选矿企业对地表水的长期污染，而地表水灌溉又是山区农作物灌溉的主要 方式，这样作物根系必定会吸收水中的有害元素；已复垦的尾矿库由于土源缺乏，覆土 较薄，一些农作物根系直接扎入尾矿砂中，种植的各类作物均存在重金属含量超标的高 度风险。 在凤县实地考察时，从当地村民那里了解到，复垦作物主要种类是玉米、菠菜和柴 胡，而黄豆、小麦，土豆产量不高。有时种植出来的玉米，籽粒小、涩而无味；种植的 土豆呈黑褐色，甚至连家畜都不食用。农户对铅锌尾矿复垦作物的可食用性也表示置疑， 所以收获的作物一般不食用，大部分用来饲养家禽家畜，小部分则卖给其它地区。这样， 受污染的粮食直接或间接进入食物链，无疑对当地居民及其他地区居民的健康造成了难 以预估的危害。 ( 5 ) 生态破坏 凤县矿山采选企业多渠道的污染排放对当地生态环境造成极大影响。河流生态系 统遭到了致命性的破坏，水污染事件时有发生；并影响农田，污染粮食作物；威胁人 体健康；尾矿扬沙、冶炼厂与水泥厂的粉尘、s 0 2 和含铅烟气直接污染矿区大气，对动 植物与人类的生态环境造成负面影响。 调研过程中，居民表示目前未发现有怪异的疾病发生，但对复垦作物的食用安全 2 研究区概况与技术路线 性表示质疑，故而所产粮食多卖到其他地区或做家畜饲料。当地居民张园林说，他家 的三只羊在2 0 0 4 年饮用侯家河河水后死亡，经过调查，死亡原因为侯家河两岸林立的 选矿厂废水污染河水，羊死于重金属中毒。 2 0 0 6 年4 月3 0 日1 8 时2 4 分，陕西省商洛市镇安县黄金矿业有限责任公司尾矿库 在加高坝体扩容施工时发生溃坝事故，外泄尾矿砂量约2 0 万立方米，冲毁居民房屋7 6 间，2 2 人被淹埋，5 人获救，1 7 人失踪，造成严重的环境污染与生态破坏。在当地引 起不良影响，性质恶劣，教训也很深刻，如何有效防控尾矿库对生态环境的破坏并保 障人类的生命财产安全应该引起全国各地社会各界的高度重视。 2 3 拟采取的研究方案和技术路线 基于研究区现状，论文采取现场调查研究与采样测试分析，数学处理与污染机理 分析相结合的综合研究方法( 图2 2 ) 。 选取尾矿密集分布且复垦效果较好的凤县河口镇铅锌尾矿复垦区为研究对象。分 别以2 0 0 0 年复垦尾矿库、2 0 0 3 年复垦尾矿库及选矿废水灌溉土地为主要研究区。首先， 通过现场调研获得尾矿库复垦时间、复垦方式、种植作物的种类及产量。尾矿库复垦 时间及复垦方式包括复垦时间、复垦厚度等；种植作物的种类包括粮食、蔬菜、杂草 的种类、生长状况、产量等；常住居民主要调查他们的生活起居有无受到影响。 然后针对不同复垦区分别采集尾砂、覆土与作物的随机样品。采回的土壤及尾砂 样品分别测定基本物化性质、重金属全量及存在形态，作为探讨作物重金属污染的依 据。基本物化性质主要测定其矿物成分、化学元素、p h 值、含水率及营养元素氮磷钾。 重金属全量主要借助原子吸收分光光度计测定c u 、z n 、p b 、c d 的总量。在此基础上， 利用d o l d 连续提取法测定c u 、z n 、p b 、c d 在土壤和尾砂介质中的存在形态，近而分 析c u 、z n 、p b 、c d 对作物是否存在影响。采回的作物样品分不同组织部位进行c u 、 z n 、p b 、c d 总量的精确测定。 最后，在上述工作基础上，综合分析，探讨c u 、z n 、p b 、c d 在尾砂、覆土和作 物之间的迁移转化规律，不同作物对不同重金属的吸收富集及同种作物不同组织部位 对c u 、z n 、p b 、c d 的吸收迁移规律，并应用单项污染指数法和综合污染指数法实现 覆土及作物重金属污染现状评价。 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 2 研究方案技术路线示意图 1 0 3 覆土及尾砂样品基本性质的测定 3 覆土及尾砂样品基本性质的测定与分析 3 1 样品的采集 采样地点为陕西省凤县河口镇侯家河两岸。采样种类有覆土、尾矿砂、复垦植物及 选矿污水。共计设置三个采样区，分别为2 0 0 0 年复垦尾矿库( 照片3 1 ) 、2 0 0 3 年复垦 尾矿库( 照片3 2 ) 、选矿废水灌溉地( 照片3 3 ) 。编号分别为：l 。采样区、2 4 采样区、 3 。采样区。照片3 4 是正在征用的尾矿库，毕库后将进行复垦。 照片3l2 0 0 0 年复垦尾矿库 照片3 3 选矿废水灌溉土地 照片3 22 0 0 3 年复垦尾矿库 照片3 4 新尾矿库 3 1 1 覆土及黾砂采样 从理论上讲，每个混合样品的采样点数愈多，则对总体来说，样品的代表性就愈大。 西安科技大学硕士学位论文 混合样品是由多点混合组成的，它实际上相当于一个平均数，借以减少土壤不均性差异， 因此，采集土壤样品时必须按照一定的采样路线和“随机”多点混合的原则【2 9 】。 依据中华人民共和国农业行业标准农田土壤环境质量监测技术规范( n y t 3 9 5 - - - 2 0 0 0 ) ，结合研究区土壤不够均匀且地势不平坦的特点，采用蛇形法布点采样。每 个采样区覆土与尾砂样品布点8 个，共计布点2 4 个，每个样品均为8 个采样点的混合 样，每个混合样品采集了l k g 左右。三个采样区共计采集覆土样品6 个，尾砂样品6 个。 为研究覆土及尾砂重金属污染状况对复垦作物的影响，采取剖面取样，先用铁铲、 土钻挖掘，再用竹片刮去与金属采样器接触的部分，最后用竹片采取样品，以减少金属 采样器对样品的污染。所采土样装入采样袋内，外套塑料袋。为避免样品混淆，填写土 壤标签一式2 份，l 份放入土壤样品内，l 份贴在采样袋上。 1 4 采样区( 图3 1 ) 纵向取样5 个：分别为o 2 0 e m 土壤( 编号为土壤样品1 0 ) ，2 0 4 0 e m ( 编号为土壤样品2 。) ，4 0 6 0 e m 处尾砂( 编号为尾砂样品3 ”) ，6 0 8 0 c m 处尾 砂( 编号为尾砂样品矿) ，8 0 l o o c m 处尾砂( 编号为尾砂样品5 4 ) 。2 4 采样区( 图3 2 ) 纵向取样6 个：分别为o 2 0 c m 土壤( 编号土壤样品6 。) ，2 0 4 0 e m 土壤( 编号为土壤 样品7 。) ，4 0 5 0 c m 土壤( 编号为土壤样品8 4 ) ，5 0 7 0 c m 尾砂( 编号为尾砂样品9 。) ， 7 0 9 0 e m 处尾砂( 编号为尾砂样品1 0 。) ，9 0 l l o c m 处尾砂( 编号为尾砂样品1 1 4 ) 。3 号采样区采集o 2 0 c m 土壤( 编号为土壤样品1 2 8 ) 。采样深度均为距地面绝对深度。 “? j 一：、4j j 翰搿穗叠 ， ， ，t 0 _ j 0 - - ：? 缀嚣麟i 土壤样品1 。o , - , 2 0 c m 土壤样品2 0 - - - 4 0 c m 尾砂样品3 44 0 - 6 0 c m 尾砂样品矿6 0 8 0 e m 尾砂样品5 8 0 l o o c m t 2 y i 一。 ：聱怒：薯撼警 蠢粥芷参囊镐品也? 摹孙； ，；一。二，。j ：i t 二 。、，i 、r ：r ，l 蕊茹蒜嬲 土壤样品酽o - - 2 0 c m 土壤样品7 ”2 0 - - - 4 0 c m 土壤样品8 4 0 5 0 c m 尾砂样品矿5 0 , 一7 0 c m 尾砂样品l o # 7 0 9 0 c m 尾砂样品1 1 。9 0 1 1 0 c m 图3 11 4 采样区剖面图图3 22 8 采样区剖面图 1 4 采样区覆土厚度为4 0c m 左右，土层为棕褐色，土质较干且疏松，局部含大颗粒 砾石，属粉沙质黏土。植物根系较发达，有些植物的根甚至深入到尾砂层。覆土下的尾 砂分两层，上层呈黄褐色，砂质疏松，含水率较大，层理结构不明显；以下尾砂为银灰 色，砂致密坚硬，含水率也比较大，层理发育。2 4 采样区覆土厚度为5 0c m ，土层为棕 褐色。有数种野草生长，如狗尾草、马刺节等。土层和尾砂层均致密峰硬。3 号采样区 土地面积相对较小，受选矿废水灌溉，土质疏松，土壤含水率大，土呈黑褐色。 土壤样品i “、土壤2 4 至尾砂样品1 2 。照片依次如下，编号分别为照片3 5 至照片3 1 6 。 3 覆土及尾砂样品基本性质的测定 照片3 5 土壤样品1 照片3 7 尾砂样品3 。 照片3 9 尾砂样品5 。 照片3 1 1 土壤样品矿 1 3 照片3 6 土壤样品2 ” 照片3 8 尾砂样品矿 照片3 1 0 土壤样品矿 照片3 1 2 土壤样品8 ” 西安科技大学硕士学位论文 照片3 1 3 尾砂样品9 4 照片3 1 5 尾砂样品1 1 4 3 1 2 作物采样 照片3 1 4 尾砂样品1 0 8 照片3 1 6 土壤样品l 鲜活植物在采样区上采用多点取样，避开田边2 米，按梅花形采样法采样。在采样 区内采取1 0 个样点的样品组成一个混合样。每种作物采样至少1 5 株，用铲子采集完整 根部，抖落泥土过程中尽量保持根系的完整，测定其主根长度并记录。采集后立即装入 采样袋，以免污染。谷物籽实取自农民家中，黄豆和玉米各采集l k g 。 2 0 0 0 年复垦的尾矿库采集的作物样品有黄豆籽粒、黄豆根、玉米籽粒、菠菜叶、柴 胡、小麦籽粒、大蒜、大蒜根( 照片3 1 7 3 2 3 ) ；2 0 0 3 年复垦的尾矿库