陕南某金矿尾矿库周边土壤重金属复合污染特征

汤波+周迎红

摘要：通过实地采样和实验室分析，重点分析陕南某金矿尾矿库周边土壤中重金属元素含量，归纳重金属在土壤中的污染分布和衰减特征，分析出重金属元素之间的相关性，并采用Hakanson潜在生态风险指数法划分出潜在生态风险程度。结果表明，尾矿库周边土壤污染最严重的元素是Cu，其次是Cd，所测6种土壤重金属空间分布具有一定的差异性。Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5种重金属含量随距尾矿距离增加而明显衰减，同时Cu、Pb、Cd等元素含量在西南风下风向有累积作用。Ni、Cu、Pb、Zn 4种元素含量之间均存在极显著正相关，它们之间存在相同自然污染源或者复合污染性质。潜在生态风险程度较高和极高的采样点分布在第一采样区和第二、第三采样区的下风向。

关键词：重金属；分布特征；复合污染；潜在生态风险；陕南；金矿尾矿库

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4564-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.014

Characteristics of Heavy Metals Combined Pollution in Soil around the Gold Mine Tailings in Southern Shaanxi Province

TANG Bo1，2，ZHOU Ying-hong3

（1. Xian University of Science and Technology， Xian 710054，China；2. Shaanxi University of Technology ，Hanzhong 723001， Shaanxi， China；

3. Wuxi Institute of Commerce， Wuxi 214153， Jiangsu， China）

Abstract： The contents， the characteristics of distribution and attenuation， and the correlation of heavy metals in soil around the gold mine tailings were studied with field sampling and experimental analysis. Potential ecological risk assessment of the heavy metals was analyzed with Hakanson potential ecological risk index techniques. The results showed that Cu was the most serious polluted element in the soil， following by Cd. The contents of Ni，Cu，Pb，Cd，Zn in the soil declined distinctly with the increase of distant. The contents of Cu，Pb，Cd increased in soil in the northeast because of the dominant wind of northwest. There was high positive correlation between every two elements which were Ni，Cu，Pb，Zn， showing that they were of same pollution source or same combined pollution property. The highest and higher pollution risk index were distributed over the whole 1st sampling region and the northeast of 2nd and 3rd sampling region.

Key words：heavy metals； regular of distribution； combined pollution； potential ecological risk； gold gangue in south Shaanxi

近年来，随着矿山开发强度的进一步加大，矿山环境问题日益严重，尤其是矿区周边土壤污染问题日渐突出[1]。矿山开采和冶炼过程中，重金属随尾沙、矿尘、冶金废弃物进入矿山及其邻近土壤，同时当尾矿、废石经风化淋滤，Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Ag、Cd等重金属元素就会转移到土壤和水体中，造成土壤质量下降，水质破坏，污染农作物，最后通过食物链进入人体，影响人类健康[2]。

陕南某金矿位于陕西省勉县、略阳县交界处，勉县、略阳及宁强县一并被李四光先生誉为“中国的乌拉尔”，金、铁、锰、钒、镍、铜等多种金属矿储量居全国前列[3]。但是该地区虽矿产种类多、储量大，但多数为小矿、散矿，俗称“鸡窝矿”，加之该地区雨水充足，地表径流活跃，所以矿山开采产生的废石、选矿产生的尾矿污染不容忽视[4]。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在某金矿尾矿库周边以坝顶为中心，分别在坝顶、坝坡以及坝下游农田土壤共取土样22件，采样点覆盖区域为以尾矿库为圆心的800 m范围内，采样点分布如图1。每个采样点均采用“S”采样法[5]，约10 m2采样5个，然后混合为1个土样，约重2 kg。

1.2 样品测定

1.2.1 预处理 将土壤样品采集后去除沙砾、植物根系等异物，放在实验室内阴干，采用四分法对样品进行磨碎处理，过100目土壤筛，保存。土壤样品的消解采用硝基盐酸-高氯酸法[6]。

1.2.2 元素测定及数据分析方法 实验利用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[7]测定样品中Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co六种重金属的含量。测定结果用Excel 2003和SPSS 16.0软件进行数据处理。

1.3 潜在生态风险指数评价方法

Hakanson潜在生态风险指数法根据元素丰度原则来区分各种污染物，按照定量划分出潜在生态风险程度，该指数不仅反映了某一特定环境中的每种污染物的影响，而且也反映了多种污染物的综合影响[8]。

单个重金属的潜在生态风险指数Ei为：

Ei=■ （1）

式中，Ci、C0分别为第i种重金属的监测浓度、参比值，C0取陕西省土壤元素背景值[9]。T为单个污染物毒性响应参数，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co的毒性系数分别是2，5，5，30，1，5[10]。

某区域多个重金属的潜在生态风险指数（RI）为：

RI=■Ei（2）

Ei<40为低潜在生态风险；40≤Ei<80为中潜在生态风险；80≤Ei<160为较高潜在生态风险；160≤Ei<320为高潜在生态风险；Ei≥320为很高潜在生态风险[11]。RI<150为低潜在生态风险；150≤RI<300为中等潜在生态风险；300≤RI<600为较高生态风险；RI≥600为具有极高潜在生态风险[11]。

2 结果与分析

2.1 土壤中重金属含量分析

从表1看出，测定的Ni、Cu、Zn的含量变化幅度较大，分别为4.92～158.85、28.42～2 331.16、19.81～256.02 mg/kg，最大值与最小值之比分别为32、82、13。说明尾矿周边土壤中的重金属含量受到外源重金属污染影响很大。Cu的平均含量为593.23 mg/kg，比土壤环境质量二级标准值50 mg/kg高出10.86倍，污染严重；Cd的平均含量为0.30 mg/kg， 达到土壤环境质量二级标准值0.30 mg/kg，污染比较严重；Zn、Co、Ni、Pb的平均含量都未超过土壤环境质量二级标准值，只有极个别采样点的含量超过或接近土壤环境质量二级标准值。除了Co元素，其余5种重金属元素平均含量均超过陕西省土壤背景值，说明人为因素造成的重金属累积比较明显。变异系数反映了各个样点之间的平均变异程度。土壤中Ni、Cu的含量显示强变异，变异系数分别为103%和121%，是强变异性，其他重金属元素的变异系数为10%～100%，达到中等变异强度，表明研究区表层土壤重金属空间分布具有一定的差异性。

2.2 土壤重金属含量随距尾矿库距离的变化特征

表2是各采样区采样点的土壤重金属元素的含量，结合图1可以看出，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5种重金属含量平均值均随距尾矿距离增加而衰减。Ni在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰减率分别为60%、51%、45%，Cu在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰减率分别为48%、67%、42%，每相邻区域的衰减量都在50%左右。Co元素在第二、第三、第四采样区的含量变化不大，但均大于第一采样区的含量。Cu在第二圆环采样区下风向的采样点T2-4、T2-5、T2-6和第三圆环采样区的下风向的采样点T3-5的含量比同区域其他点含量高出几十倍；Pb、Cd元素在下风向的采样点的含量较高。

2.3 土壤重金属元素相关性分析

由表3可以看出，Ni-Cu、Ni-Pb、Ni-Zn、Cu-Pb、Cu-Zn、Pb-Cd、Pb-Zn之间存在极显著正相关。Ni、Cu、Pb、Zn四种元素之间均存在极显著正相关，说明这四种元素之间存在相同自然污染源或者复合污染性质。Ni-Co、Zn-Co之间存在显著负相关，Co与其他元素无显著相关，说明Co与其他元素的污染源不同或者无复合污染性。Cd元素只与Pb元素呈极显著正相关，而与其他元素无显著相关，说明Cd与其他元素的污染源不同或者无复合污染性。

2.4 土壤重金属潜在生态风险评价

利用潜在生态风险指数评价法，分析重金属在土壤中的单元素潜在生态风险和累积潜在生态风险[12]，结果（表4）表明，从单元素的潜在生态风险指数Ei看，Cu元素最高，在采样点T1-3、T1-5、T2-5、T2-6四个采样点的Ei均超过320，属于很高潜在生态风险；T1-1、T1-2、T1-4、T2-4、T3-5等5个点属于高潜在生态风险。Cd元素的潜在生态风险指数也比较高，有5个采样点T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5属于高潜在生态风险。Ni、Pb、Zn和Co元素均属于低潜在生态风险。22个采样点中潜在生态风险指数RI达到极高水平的点有1个，是T2-5，占总采样点的4.5%；较高潜在生态风险的点有7个，分别是T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5、T2-6和T3-5，占总采样点的32%；中等潜在生态风险的点有1个，是T2-4，占总采样点4.5%；其余13个采样点都属于低潜在生态风险，占总采样点的59%。从各个采样点潜在生态风险程度的分布情况来看，中等、较高、极高风险的点分布在距离尾矿库最近第一圆环采样区和第二、第三圆环采样区的东北区域，即该区域主导风西南风的下风向。

3 结论

1）尾矿库周边土壤中的重金属含量变化幅度很大，受到外源重金属污染影响很大。Cu元素含量均超出土壤环境质量二级标准近10.86倍，污染最为严重；其次是Cd，达到土壤环境质量二级标准值，污染比较严重；Zn、Ni、Pb、Co的平均含量均未超出土壤环境质量二级标准值，但Zn、Ni、Pb超出陕西省土壤背景值，需要密切监测和防范。土壤中Ni、Cu变异系数超过100%，具强变异性，而其他元素的变异性属于中等程度，说明土壤重金属空间分布具有一定的差异性。

2）土壤重金属含量与距离和风向的关系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5种重金属含量平均值均随距尾矿距离增加，呈现出明显递减规律，而Co元素在尾矿距离最近的采样区含量最低，其他较远采样区域内含量比较恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采样区，处于东北区域（主导风西南风下风向）的采样点重金属含量较高，说明尾矿库表层土壤表层受到风力影响在下风向有沉积现象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4种元素之间均存在极显著正相关性，它们之间存在相同自然污染源或者复合污染性质。Cd元素只与Pb元素呈现极显著正相关性，而与其他元素无显著相关性，说明Cd与其他元素的污染源不同或者无复合污染性。Co与其他5种元素的污染源均不同或者无复合污染性。

4）从单元素的潜在生态风险指数Ei看，Cu元素的潜在生态风险指数最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均属于低潜在生态风险。从综合潜在生态风险指数RI分析，中等、较高、极高风险程度的点分布在距离尾矿库最近第一圆环采样区和第二、第三圆环采样区东北区域，即主导风下风向。说明距离和风向同时影响土壤中重金属的潜在风险程度。

参考文献：

[1] 廖国礼.典型有色金属矿山重金属迁移规律与污染评价研究[D].长沙：中南大学，2005.

[2] 王利军，卢新卫，荆 淇，等.宝鸡市长青镇铅锌冶炼厂周边土壤重金属污染研究[J].农业环境科学学报，2012，31（2）：325-330.

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[12] 邓超冰，李丽和，王双飞，等.典型铅锌矿区水田土壤重金属污染特征[J].农业环境科学学报，2009，28（11）：2297-2301.

2）土壤重金属含量与距离和风向的关系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5种重金属含量平均值均随距尾矿距离增加，呈现出明显递减规律，而Co元素在尾矿距离最近的采样区含量最低，其他较远采样区域内含量比较恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采样区，处于东北区域（主导风西南风下风向）的采样点重金属含量较高，说明尾矿库表层土壤表层受到风力影响在下风向有沉积现象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4种元素之间均存在极显著正相关性，它们之间存在相同自然污染源或者复合污染性质。Cd元素只与Pb元素呈现极显著正相关性，而与其他元素无显著相关性，说明Cd与其他元素的污染源不同或者无复合污染性。Co与其他5种元素的污染源均不同或者无复合污染性。

4）从单元素的潜在生态风险指数Ei看，Cu元素的潜在生态风险指数最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均属于低潜在生态风险。从综合潜在生态风险指数RI分析，中等、较高、极高风险程度的点分布在距离尾矿库最近第一圆环采样区和第二、第三圆环采样区东北区域，即主导风下风向。说明距离和风向同时影响土壤中重金属的潜在风险程度。

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2）土壤重金属含量与距离和风向的关系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5种重金属含量平均值均随距尾矿距离增加，呈现出明显递减规律，而Co元素在尾矿距离最近的采样区含量最低，其他较远采样区域内含量比较恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采样区，处于东北区域（主导风西南风下风向）的采样点重金属含量较高，说明尾矿库表层土壤表层受到风力影响在下风向有沉积现象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4种元素之间均存在极显著正相关性，它们之间存在相同自然污染源或者复合污染性质。Cd元素只与Pb元素呈现极显著正相关性，而与其他元素无显著相关性，说明Cd与其他元素的污染源不同或者无复合污染性。Co与其他5种元素的污染源均不同或者无复合污染性。

4）从单元素的潜在生态风险指数Ei看，Cu元素的潜在生态风险指数最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均属于低潜在生态风险。从综合潜在生态风险指数RI分析，中等、较高、极高风险程度的点分布在距离尾矿库最近第一圆环采样区和第二、第三圆环采样区东北区域，即主导风下风向。说明距离和风向同时影响土壤中重金属的潜在风险程度。

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