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    礦區農田土壤重金屬來源解析方法及遷移過程研究取得新進展

    發布時間:2021-01-04

    重金屬在環境中的遷移和富集受長期人類活動的影響,大規模的礦山開采造成的土壤重金屬污染是我國生態文明建設必須應對的重要環境問題。土壤重金屬遷移轉化過程復雜,不僅受重金屬自身性質的影響,而且與遷移介質環境條件密切相關。為深入了解具有不同環境條件及地質背景下礦區周邊農田土壤重金屬的來源及遷移途徑,中科院地球化學研究所劉承帥研究員課題組以地表性質差異顯著的西南喀斯特和華南紅壤典型礦區為目標區域,研究不同環境介質的Zn穩定同位素組成,結合源識別模型,構建了基于金屬穩定同位素分餾的農田重金屬源解析定量化方法,定量解析喀斯特和紅壤礦區農田土壤中Zn的污染來源,明確了兩個礦區Zn的遷移途徑,為土壤重金屬污染源頭控制及遷移過程解析提供重要理論依據。  

    研究結果顯示,在西南喀斯特地區礦床開采過程中,硫的氧化轉化產生的酸被大量的碳酸鹽巖中和,導致礦區環境呈中性或弱堿性,重金屬遷移活性弱,礦區廢水對周圍農田土壤造成的重金屬污染非常有限。Zn同位素組成和Zn含量的關系可以鑒別出農田土壤的三個直接污染端元:尾礦、粉塵、自然土壤(圖1)。端元混合模型定量計算結果表明,Zn污染主要來自地質背景,平均貢獻為79.5%。粉塵是人為Zn污染的主要傳輸途徑,其平均貢獻為19.5%。  

    與喀斯特地區不同,華南紅壤礦區產生的酸性礦山廢水不易被地表物質中和,重金屬遷移活性強,礦山廢水的污灌對周圍農田土壤造成的污染非常顯著。Zn穩定同位素組成和Zn含量的關系(圖2)表明,采礦活動、農業活動和母質是土壤中Zn污染的三個主要來源。在污染嚴重的區域,土壤中的Zn同位素組成直接反映了礦冶和農業活動的影響,而來源于母質的Zn可忽略不計,這與高地質背景的喀斯特地區形成鮮明對比。端元混合模型定量計算結果表明,采礦活動是該區域農田土壤Zn污染的主要來源,平均貢獻率達66.2%。另外,與喀斯特地區粉塵傳播不同,紅壤礦區活動產生的Zn主要以鐵氧化物的形式通過地表徑流遷移到土壤中。  

    本研究由環境地球化學國家重點實驗室劉承帥研究員及其博士生劉宇暉、夏亞飛、高庭與紐約城市大學王崢嶸教授合作完成,并受到中國科學院前沿科學重點項目(QYZDB-SSW-DQC046)和國家自然科學基金(U1701241、41701266)等項目的資助。相關研究成果以“Zinc isotope revealing zinc's sources and transport processes in karst region”和“Using Zn isotopes to trace Zn sources and migration pathways in paddy soils around mining area”為題發表在環境科學重要期刊Science of the Total Environment (2020, 724, 138191)Environmental Pollution (2020, 267, 115616)上。  

      

     

    1 喀斯特礦區(左)和紅壤礦區Zn同位素組成與1/Zn關系圖  

    (環境室 劉承帥課題組/供稿) 

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