罗玉虎 王楠

摘 要：矿山污染环境承载力是规范矿山文明开发、保障生态安全的重要工作。藏北地区脆弱的生态环境一直以来是阻碍地区矿业经济发展的主要因素。因此，有关藏北地区重金属污染环境承载力的研究亟待开展。论文指出未来藏北地区矿山污染环境承载力的研究，应该从矿山污染的特征出发，以流域为单元将藏北地区矿山重金属污染环境承载力的研究分为，河道生态系统环境承载力和末端湖泊生态系统环境承载力两个主要部分进行分析。

关键词：矿山污染；藏北；重金属污染；环境承载力

中图分类号：X825 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0054-04

Abstract： The environmental carrying capacity of mine pollution is an important work to standardize the development of mine civilization and ensure the ecological security. The fragile ecological environment in northern Tibet has always been the main factor hindering the development of regional mining economy. Therefore， it is urgent to study the environmental carrying capacity of heavy metal pollution in northern Tibet. The paper points out that the future study on the environmental carrying capacity of mine pollution in northern Tibet should be based on the characteristics of mine pollution and divide the study of environmental carrying capacity of mine heavy metal pollution in northern Tibet into four parts： the river basin as a unit； The environmental carrying capacity of river ecosystem and the environmental carrying capacity of lake ecosystem were analyzed.

Keywords： mine pollution； North Tibet； heavy metal pollution； environmental carrying capacity

环境承载力是指在一定时期和一定范围内，在维持区域环境系统结构不发生质的改变，区域环境功能不朝着恶性方向改变的条件下，区域环境系统所能承受的人类各种社会经济的能力[1]。近年来，学者做了大量有关生态环境承载力方面的研究，包括：城市、河流与地下水水资源、旅游资源、土地与区域等类型环境承载力的论证与分析。许多学者通过引用或改进，探索出了许多适应生态环境承载力评估的方法。如谢高地等（2011）总结到的概念模型法、供需分析法、指标体系法、系统动力学法、多目标决策分析法、生态足迹法、能值分析法等方法[2]，以及层次分析法或灰色层次分析法[3]。这些方法在污染物环境承载力研究中均有应用。但在评估矿山重金属污染的环境承载力上，却无法达到对症下药的效果，原因是上述这些方法模式均存在不同程度的指标概念化、难以针对具体对象或指标建立对应的管控值等问题。

西藏地区存在有大量的矿产资源，特别是藏北地区获得重大找矿突破，奠定了西藏在我国矿产资源接替基地的地位及其未来经济发展的主体产业。然而矿产开发必然伴随污染问题。西藏是以内流水域为主的高脆弱生态地区，一旦生态受到破坏将难以修复。因此，探讨西藏地区重金属生态环境承载力，是规范矿山文明开发、保障生态安全的重要工作。

1 矿山重金属污染生态环境承载力研究的意义

重金属污染不同于其它污染类型，只能从一种赋存形式转换为另一种赋存形式，只要它暴露在环境中，污染危害的风险永远都是存在的，它遵循的规律是生态学与地球化学二者的结合。而其它类型污染分析方法不太适合重金属分析，所以尽管重金属污染问题属于社会热点问题，但因其环境承载力研究难度较大，因此该方面的研究少之又少。仅有一些研究，还是以定性概念赋值化进行建模的研究方法居多[4-8]。这些研究的结果均不存在与指标一一对应的具体物理单位，无法直接服务于预防体系的指标框架。

西藏矿集区大多分布在与江河大海隔绝的藏北内流水系流域内，是西藏敏感生态脆弱区。紧缺矿产作为国家建设的重要战略物资，毋庸置疑，是国家建设不可或缺和迫切需要的资源，也是未来西藏实现经济突破、生产力实现跨域式发展的自然资源基础。而矿产资源的开采必然会引起环境污染，这就要求矿产矿业活动引起的污染必须维持在生态环境所能承受的范围之内。因此，西藏地区生态环境承载力的研究是保护该地区生态环境不受破坏的有力保障。

2 藏北地区矿山环境承载力研究

生态环境承载力是生态学的基本规律之一，是一个客观现实的生态指标，它不以矿床存在与否、不以矿山开采与否作为存在前提、不以開矿规模大小而出现涨缩，而是以自然生态系统健康运转前提下对承载对象的负面效应的忍耐极限和生态系统自主修复与自主协调能力为判断标准。

要研究藏北矿山污染生态环境承载力，就必须了解在藏北地区地理特点及其污染物从矿区到末端湖迁移轮廓与扩散范围，并依据重金属在水系生态系统中地球化学与生物地球化学自然循环规律、重金属污染物的惰化沉积机理分析藏北地区的环境承载力指标。

2.1 藏北矿山污染的特点

（1）对于矿区污染的范围与特点，可以依据前人对拉萨市当雄县拉屋矿区（Cu-Zn-Pb矿）周边高寒草甸表层土壤重金属含量及微生物影响的分析结果为依据进行初步判断[9-11]，可以获得一个大致轮廓：以矿区工作面作为中心，在工作面外围200m以外，其土壤的重金属已十分轻微，500m以外生物影响基本可以忽略。

（2）矿区污染物迁移途径主要由降水淋漓导致发生氧化作用以及选矿产生的酸性废水汇入周边河流。

（3）河流中矿山污染物对两岸土壤的污染主要体现在河流一阶阶地。

（4）河流污染具有区段特征，在重污染区段内，离源区愈近沉积物和两岸一阶阶地土壤所受到的污染愈重。

（5）污染物通过流域水系最终汇集到共同目标，在外流水系是大海，在内流水系是末端湖。

2.2 适合于西藏特色的矿山污染承载力评估的框架

虽然作为西藏资源环境与生态保护和建设中的两大主要难题之一-资料的缺乏使得生态环境容量很难进行准确评估[12]；而且，内流水域的流域特征也使其显现出不同于外流水系的重金属污染特点，并由此引出不同于外流水域的污染生态环境承载力的评价侧重点-末端湖泊。从藏北矿山污染在内流水系时空特征分布上看，可以分割成两个区块：输送体系（河流）、和汇集惰化沉积体系（末端湖泊）。

2.2.1 河道生态环境承载力分析

众多河流重金属污染研究表明，河水中重金属的浓度较高时，河水环境恶化，pH、Eh、溶解氧降低致使重金属污染物沉积和吸附在河道沉积物中，并形成较上覆水体中的浓度要高很多的情形；当河流环境条件得到良好地控制，如pH、Eh、溶解氧及温度等向正常恢复时，重金属沉积物被氧化重新转化为溶解状态释放入河水，直至河水重金属含量与河床含量达到平衡。由此可见，河流中重金属污染物具有动态平衡特征，因此会对水体造成二次污染的风险较大[13]。

受采矿活动的影响，重金属的浓度以污染源为最高，由上游至下游，随金属元素迁移能力减弱和水体生物修复能力的恢复，污染强度逐渐降低[14]，河道污染长度取决与所排放的强度（浓度与持续时间）[15]，河道中重金属沉积不服从重金属浓度-空间的衰减模式，而与河道几何学和地形学的局部变化及其变化幅度存在函数关系[16]。由于藏北为牧业区，没有灌溉作业，所以可能出现的由矿山排污导致的重金属污染以河流两岸一阶阶地为主，不存在河流两岸二阶以上阶地的污染问题。

由此确定，河流重金属污染控制的基本原则是控制污染排放浓度，使在河流扩散以后的浓度不会发生河道沉积趋势，不会对一阶阶地土壤造成累积性污染，不会造成在一阶阶地生长的植物的重金属含量显著增加。

在此原则下，可以将河道对重金属污染物的环境承载力表述为：在排污口附近不会形成沉积趋势、污水在河水扩散开后不会改变河水基本理化特性，污水排放口以下河段两岸一阶阶地上的植被对重金属基本不出现超背景植物富集值的富集作用；可将重金属污染物的环境负载红线表述为：污水在河水扩散开后不会在主河道形成沉积趋势，污水排放口以下500m以内河段两岸一阶阶地上的植被不发生危机食物链安全的重金属异常富集、不对河道水生植物及两岸一阶阶地上的植被产生生长与结实影响。

2.2.2 末端湖泊环境承载力分析

末端湖泊是流域物质的汇集中心，是所有形态的可迁移重金属的永久归宿地。由于重金属的不可降解属性，进入湖泊的可溶性重金属主要经过形成稳定的惰性沉积物的途径来清除，从而保持湖泊生态系统的安全性。

湖泊重金属惰化沉积作用取决于还原态硫（H2S、HS-、S2-、单质硫S0）的存在。研究也表明多种重金属如铁、锌、铜、镍、镉、汞和铅可以用还原硫沉淀[17-18]。由于形成的金属硫化物溶解度极小，得以使他们惰性化并保持在沉积物中，只要保持缺氧状态，他们将会永久脱离水系循环、永久保持在沉积物中[19]。在某些高硫酸盐环境中，所形成的大量硫化物可以很容易地修复重金属污染，在某些低重金属污染的水域，甚至会因缺乏微量金属而对微生物和植物产生制约作用[20]。

从重金属硫化物的溶度积常数[21]进行理论推测，自然水体或湖底沉积物界面中只要保持有还原态硫的存在，所有重金属离子均会在一个非常低的浓度水平附近波动，这是湖泊重金属自净作用的原理基础。与其它重金属硫化物相比较，硫铁矿和硫锰矿溶度积较高，在10-14～-18量级，其余均在10-20量级以下，因此只要有硫铁矿、硫锰矿形成，就标志着其它重金属含量已达到非常低的水平。

一个健康湖泊生态系统，在其湖水-沉积物界面或底层水体中，存在一个硫酸盐还原为主要反应方向的硫酸盐还原菌群体系，硫酸盐在硫酸盐还原菌的作用下，被还原为负二价的硫，再在其它微生物群的作用下进一步氧化为其它硫形态。这样水体中硫存在的形式包括了硫酸盐（SO42-）、硫化物（H2S、HS-、S2-）、单质硫（S0）、过渡态S（S2O32-）和有机硫（R-SH和R-S-R'）。硫酸盐还原是伴随着对有机碳的氧化形成碱度和硫化氢产生而完成的。有研究表明，硫酸盐的还原还是产生碱度的过程，每还原1g SO42-能产生1.042g碱度（CaCO3），使水体pH上升[22]。另一方面硫酸盐还原生成的H2S扩散进入上覆水中，可以被氧化生成中间价态的硫，同时生成的H2S可迅速与水体中的重金属反应生成溶解度很低的金属硫化物沉淀。相对于来源于生物同化作用的有机硫（R-SH和R-S-R'）对硫沉积的贡献率很低。一般水体硫酸盐浓度对水体生物来说已经过剩，水生生物对硫同化不随环境中硫酸盐浓度的增大而增大[23]，而仅维持在自身结构所需求的最低水平。

湖泊有机物丰度对硫酸盐还原起着至关重要的作用。余芬芳（2013）研究表明，硫酸盐的还原与有机物供给量有直接的正相关关系[24]；并且有机物作为反应能量来源，存在一个最低含量极限问题。湖水中各种生物碎屑及代谢产物逐渐沉积于湖底层，再由底层的厌氧菌厌氧发酵形成小分子有机酸，硫酸盐还原过程中，消耗了这些小分子有机酸。硫酸盐还原场所是关系到重金属去除速率的一个关键控制条件。若仅发生在沉积物以内，则由于沉积物内部离子迁移速率限制以及沉积物与上覆水界面之间存在一个物理界面的隔离作用而延缓了重金属去除速率。若主要发生在湖底的沉积物上覆水层，则可能在上覆水层上面形成一個离子泵界面，快速将重金属离子渊源不断地移除。关于硫酸盐还原场所，许多学者将湖泊硫酸盐还原作用过程定义为沉积物-水界面进行，主要发生在湖泊沉积物表层几厘米的范围内[25]，其依据是在沉积物-水界面附近，SO42-浓度都显著降低，并且在沉积物表层硫酸盐能被完全而迅速消耗完，并作出一个结论：这一过程是湖泊清除硫酸盐的重要机制，是目前研究界面硫循环的意义之所在[23]。是否存在以界面以上水体硫循环的例外情况，目前尚无文献提出这种疑问。

综合上述分析，评估藏北重金属污染总量环境承载力应以流域为单元评估，流域承载力总量应依末端湖泊重金属污染环境承载力与生态环境红线为依据，末端湖泊承载力总量取决于湖泊硫酸盐还原能力。依据生态学中的最大收获定律，以湖泊对硫酸盐的瞬时最大还原能力为生态环境红线的依据、以还原菌的持续还原效率最佳的还原能力作为环境承载力的依据，将产出硫化物重量单位换算为可与重金属形成沉积物的当量，最终以流域内总重金属沉积当量做环境承载力指标-即以可自净的重金属污染物总量为指标。由于相近的生态环境与湖泊类型，主要来源于初级生产力的有机物产量具有相似性，所以得出的环境承载力指标会具有相对广泛的区域代表性。

3 开展西藏地区生态环境矿山污染承载力研究的意义以及建议

西藏是我国重要的生态安全屏障功能区，同时也是生态脆弱区，环境资源环境承载力有限[12]。如何协调好经济发展与生态安全，环境承载力是一个最关键的要素。矿山生态环境承载力是实现矿山开发与区域环境协调发展的支撑基础，是进行矿区建设生态环境规划的一个重要前提。我国国土资源环境承载力评价研究理论与方法还存在很多不足，评价指标层面与国土资源及国土空间开发利用管理之间存在空档。因此，有必对国土资源环境承载力评价的内涵、对象、内容等进行完善[26]。

未来藏北地区，应该尽可能依据西藏内流水域重金属污染特征及其生物地球化学循环过程，从河道及其两侧生态安全角度进行排放浓度分析以获得各个主要重金属污染物排放安全浓度，以末端湖泊对重金属的安全惰化能力为依据估计流域污染排放总量，并通过对与安全惰化能力相关的生物和非生物要素进行关系量化分析，探讨安全惰化能力的主要流程和关键环节，提出具有基本原理和可靠依据的藏北生态系统对矿山重金屬污染物的环境承载力；从而为国家、西藏地方的矿山开发建设规划设计、为矿山环境预警体系建设服务。

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