内蒙古达茂旗萤石矿区土壤重金属分布特征与复合污染评价

司万童，李海东，林乃峰，白淑英，王　涛，金　行，沈渭寿①，朱晓东

(1.南京大学环境学院污染控制与资源化利用国家重点实验室，江苏 南京　210023；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京　210042；3.内蒙古科技大学生物工程与技术研究所，内蒙古 包头　014010；4.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京　210044)



内蒙古达茂旗萤石矿区土壤重金属分布特征与复合污染评价

司万童1,2,3，李海东2，林乃峰2，白淑英4，王涛2，金行2，沈渭寿2①，朱晓东1②

(1.南京大学环境学院污染控制与资源化利用国家重点实验室，江苏 南京210023；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042；3.内蒙古科技大学生物工程与技术研究所，内蒙古 包头014010；4.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京210044)

摘要：针对内蒙古达茂旗萤石矿开采导致的矿区土壤污染问题，选择采矿场、采石场、排土场、尾矿场内外和矿区周边草场等典型场地作为研究样地，采集土壤样品并测定Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni这8种重金属含量。利用土壤污染因子、内梅罗指数、土壤污染负荷指数和潜在生态风险指数对土壤污染程度进行分析和评价。结果表明，达茂旗矿区各场地土壤中Cu、Cd、Zn和As均不同程度地超过GB 15618—1995《土壤环境质量标准》3级标准。单一元素污染程度以Cd最严重，在各类场地中分布最广。主要的污染风险集中在尾矿场内外和排土场附近，以Cd、As和Hg最突出，其中尾矿场属于重点防控区。整体而言，达茂旗萤石矿区土壤污染范围相对集中，对周边居民活动区影响较小。

关键词：土壤污染；内梅罗指数；污染负荷；生态风险

我国矿产资源在世界经济中占有举足轻重的地位,大小矿区多达30万座[1]。迄今已发现非金属矿产品130种,其中石灰石、萤石、重晶石、滑石、菱镁矿和石墨等矿石的年产量多年来居世界之冠。然而长期的不合理开发利用、落后的采选冶技术和较低的综合利用程度等因素使得我国矿山及其周边环境受到污染,造成一系列的生态破坏问题。矿区土壤污染问题日益严重[2],其主要因素有酸性岩石和矿物进入排水系统、重金属和沥滤污染、矿物加工和化工厂生产所用的化学品污染等。目前,我国矿山生态环境破坏和污染面积已近400万hm2[1]。

萤石矿是我国重要的非金属矿产资源,也是内蒙古自治区主要的创汇产品之一,在全区各盟市均有分布,产品主要用于钢铁、炼铝和化工3大部门[3]。目前,关于萤石矿开采对周边环境的影响主要集中在对F元素的研究上。如萤石矿的开采造成当地地表径流和地下水中F-超标[4],大气污染导致降水中F-浓度大大高出全国平均水平[5],进而导致地方性氟中毒相关流行病的暴发[4],如氟斑牙和易骨折等症状。然而对于萤石矿开采中导致的土壤重金属污染程度及其评价方面的报道极少。

笔者就内蒙古包头地区达茂旗萤石矿开采导致的矿区土壤污染问题,对采矿场、采石场、排土场、尾矿场和周边草场等不同场地土壤污染进行评价,这对于保护萤石矿区土地资源和保障居民健康具有重要意义。

1材料与方法

1.1研究样地

达尔罕茂明安联合旗(以下简称达茂旗)萤石矿区(图1)位于内蒙古自治区西部,分布较散(北纬41°20′～42°47′,东经109°16′～111°25′)。矿区为中温带半干旱大陆性季风气候,属高原气候区。降水少而集中,蒸发强,富日照,昼夜温差大。当地自然条件恶劣,生态环境脆弱,植被类型属荒漠草原植被,自然灾害频发[6]。达茂旗萤石矿区土壤类型为北部棕钙土、南部粟钙土,土壤肥力较低。土壤肥力测定结果显示有机质含量为10～18 g·kg-1,主要养分状况表现为低氮、低磷、较高钾,C/N比值约为9.25～9.68。

S1、S2、S5和S15为周边草场样点；S7和S8为采石场样点；S12和S13为采矿场样点；

1.2样品采集与指标测定

根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》、HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》、HJ 25.1—2014《场地环境调查技术导则》和HJ 25.2—2014《场地环境监测技术导则》进行土壤样品采集与测试分析[2,7]。根据地形地貌和采样难度,分别在6个典型场地共设置15个采样点,包括周边草场(S1、S2、S5和S15)、采石场(S7和S8)、采矿场(S12和S13)、排土场(S3、S6和S14)、尾矿场内(S9和S10)以及尾矿场外(S4和S11)。在每个采样点上采集3个平行土样(n=3),每个平行土样均为3次采样的混合样(n=3)。采样深度为0～20 cm。每个平行土样采集量约为2 kg,然后以四分法取500 g装入布质采样袋带回实验室。在实验室自然阴干后分别过2和0.075 mm孔径筛,进行相关指标测定。土壤重金属Cd、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni含量采用原子吸收分光光度法测定，Hg和As含量采用原子荧光法测定。具体测定方法分别参照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》、HJ 491—2009《土壤总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法第1部分:土壤中总汞的测定》、GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法第2部分:土壤中总砷的测定》相关分析方法。元素分析测试的同时进行实验空白(消解时不加土壤样品)和有证标准物质(土壤成分分析标准物质,GBW07407)的分析测试,进行测试质量控制。所有结果满足实验室质控要求,标准偏差控制在±10%之间。

1.3数据分析

利用SPSS 19.0和Excel 2003软件包进行数据统计与分析。

1.4土壤污染评价

土壤污染因子(contamination factor,CF)[7-9]计算方法为

Cr,i=Cs,i/Cf,i。

(1)

式(1)中,Cr,i为第i种重金属的污染指数;Cs,i为实测值;Cf,i为背景值。

内梅罗指数(Nemerow composite index,NCI,F)[9-10]计算方法为

(2)

(3)

为最大的单一污染物污染指数。

土壤污染负荷指数(pollution load index,PLI,IPL)[11]计算方法为

综合污染潜在生态风险指数(potential ecological risk index,Ir)[10,12]计算方法为

Ir=∑Er，i,

(4)

Er，i=Tr，iCr，i。

(5)

式(4)～(5)中,Er，i为第i种重金属潜在生态风险系数;Tr，i为第i种重金属毒性系数。

各重金属的国家背景值和毒性系数见表1。土壤污染评价指标值与污染风险程度对应分级见表2。

表1各重金属的国家背景值[13]和毒性系数[12]

Table 1Background values and toxicity coefficients of various elements in the country

重金属背景值/(mg·kg-1)毒性系数Pb23.65Cr53.92Ni23.45Cu20.05Cd0.07430Zn67.71As9.210Hg0.0440

表2土壤污染评价指标值与污染风险程度对应分级表

Table 2Soil pollution evaluation index values and pollution and risk scales in degree

Cr,iFIPLEr,iIr范围值分级范围值分级范围值分级范围值分级范围值分级<1无污染<0.7无污染<1无污染<40轻微<150轻微1～<2轻微0.7～<1.0警戒线1～<2中度40～<80中度150～<300中度2～<4中度1.0～<2.0轻度2～<3重度80～<160强度300～<600强度4～<6重度2.0～<3.0中度≥3很重160～<320很强600～<1200很强≥6很重≥3.0重度≥320极强≥1200极强

Cr，i为第i种重金属的污染指数;F为内梅罗指数;IPL为土壤污染负荷指数;Er，i为第i种重金属的潜在生态风险系数;Ir为综合污染潜在风险指数。

2结果与分析

2.1单一元素污染程度评价

矿区一般不进行农业生产,因此选择GB 15618—1995的3级标准即为保障农林生产和植物正常生长的土壤临界值作为对比分析标准。重金属含量测定结果显示,达茂旗矿区调查样点中超过3级标准的样地重金属有尾矿场内S9和S10样点的Cu、Cd和As,S9样点的Zn,尾矿场外S4和S11样点和排土场S14样点的As。其中,Cu、Cd和Zn含量以S9样点为最高,As含量以S4样点为最高,超标率分别为1.24、4.68、1.58和3.97倍。其他各样点8种重金属均不超标。

由表2～3可知,达茂旗矿区调查样点中土壤单一元素污染以Cd污染为最重,重度和很重等级污染率达53.33%,S9、S10和S11样点污染达很重等级。Pb、Cu、Zn、As和Hg也有一定比例的重度污染,分别为6.67%、13.33%、6.67%、33.33%和13.33%。尾矿场内S9样点的Cu、Cd、Zn和Hg污染、尾矿场内S10样点的Cu和Cd、尾矿场外S4样点及排土场S14样点的As污染均达到很重等级。其他的在1～4之间,均为轻微至中度等级污染。

表3达茂旗矿区土壤单一元素污染程度

Table 3Single-factor pollution degree of the soil in the Damao Mining Area

样点单一元素污染程度Cr,i值PbCrNiCuCdZnAsHgS11.0331.2040.7670.8342.7031.1231.2841.000S20.8751.2650.9310.8742.8381.1081.3431.000S31.2781.3730.9511.0014.0541.5951.3651.250S40.7101.0860.2380.1002.9731.39617.2641.500S50.8601.4001.0090.9803.6490.9011.6051.250S61.2060.7530.3790.1874.7302.1273.8125.500S71.1461.5191.1331.2233.6491.3743.4300.500S81.1841.3360.9011.0385.4051.5292.8771.250S95.0201.5160.59924.79863.24311.6695.3978.750S102.3331.3260.7918.98030.2703.6934.7533.250S111.3581.7200.5443.6977.7031.8395.2673.250S120.6801.9711.6922.0024.3241.4623.6961.500S130.6451.7541.5921.8723.5141.3742.7520.750S143.3211.8451.9552.0354.3242.74710.1512.500S151.0171.3270.9691.0403.6491.3591.4900.750

2.2复合元素污染程度评价

土壤重金属复合污染内梅罗指数分析结果(表4)显示,元素的综合污染在采矿场(S12)、尾矿场内(S9和S10)、尾矿场外(S4和S11)、排土场(S3、S6和S14)和采石场(S8)表现为重度污染程度,其他样点均为中度污染程度。其中,以尾矿场内外的3个样点(S4、S9和S10)的综合污染程度为较重。

表4达茂旗矿区土壤重金属复合污染的内梅罗指数(F)和负荷指数(IPL)

Table 4The Nemero index and loading indexes of soil heavy metal complex pollution in Damao Mining Area

样地FIPLS12.101.15S22.201.18S33.081.44S412.411.09S52.781.29S63.731.39S72.861.46S84.061.60S945.986.67S1021.963.74S115.892.41S123.421.88S132.791.55S147.623.04S152.781.29

土壤重金属污染负荷指数结果(表4)显示,重金属的综合污染在尾矿场内(S9和S10)和排土场的S14样点呈现很重污染,在尾矿场外的S11样点为重度污染,其他样点均为中度污染,而在尾矿场外的S4样点污染程度最轻。

2.3单一重金属污染生态风险评价

表5显示,达茂旗矿区土壤单一重金属污染的生态风险以Cd污染最严重,强度及其以上等级风险率达到100.00%。Cu、As和Hg也有一定比例的强度及其以上等级风险率,分别为6.67%、13.33%和33.33%。达强度及其以上等级风险率的包括所有场地的Cd污染，尾矿场内S9样点的Cu和Hg及S10样点的Hg污染，尾矿场外S4样点的As和S11样点的Hg污染，以及排土场S6样点的Hg及S14样点的As和Hg污染。同时,20.00%的样点As污染表现为中度风险,46.67%的样点Hg污染表现为中度风险。

2.4复合重金属污染生态风险评价

土壤重金属复合污染综合风险分析结果(图2)显示,重金属复合污染在尾矿场内S9样点表现为极强等级生态风险,达到2 468.05,S10样点表现为很强等级生态风险。尾矿场外(S4和S11)和排土场(S6和S14)样点表现为强度等级生态风险,其他样点均为中度等级风险。由图2可见,除排土场S6样点Hg对当地土壤污染的综合风险贡献率最大外,其余样点(S4和S6样点除外)均为Cd污染对综合生态风险的贡献率最大。同时,还可以看出As也是达茂旗矿区主要重金属污染元素之一。在尾矿场内S9样点Cu污染风险也较突出。整体而言,不同场地土壤重金属综合生态风险强度大小为尾矿场内>尾矿场外>排土场>采矿场、采石场>周边草场。

表5达茂旗矿区土壤单一元素污染生态风险Er,i

Table 5Ecological risk of soil single-factor pollution in Damao Mining Area

样点单一元素污染生态风险Er,iPbCrNiCuCdZnAsHgS15.1632.4083.8334.17081.0811.12312.83740.000S24.3752.5314.6564.37085.1351.10813.43540.000S36.3882.7454.7565.005121.6221.59513.65250.000S43.5492.1721.1920.49889.1891.396172.64160.000S54.3012.8005.0454.900109.4590.90116.05450.000S66.0321.5071.8930.935141.8922.12738.120220.000S75.7313.0395.6656.113109.4591.37434.30420.000S85.9192.6734.5045.190162.1621.52928.77250.000S925.1023.0322.996123.9881897.29711.66953.967350.000S1011.6652.6513.95744.898908.1083.69347.533130.000S116.7923.4402.72018.485231.0811.83952.674130.000S123.4003.9438.45910.008129.7301.46236.95760.000S133.2273.5097.9629.358105.4051.37427.52230.000S1416.6063.6899.77610.175129.7302.747101.511100.000S155.0852.6554.8465.200109.4591.35914.90230.000

图2　达茂旗矿区土壤重金属复合污染综合风险(Ir)

3讨论

通过对达茂旗矿区各场地土壤单一重金属污染程度分析可知,主要的污染区集中在尾矿场内和尾矿场外区域,尾矿场属于重点防控区,元素污染除Ni和Cr以外,其他6种元素的危害作用均应受到重视,尤以Cd和As危害较重。

通过对土壤重金属复合污染程度的分析可知,F和IPL评价结果有一定差异,F评价结果显示尾矿场内S9和S10样点以及尾矿场外S4样点污染最严重,排土场的S14样点污染较严重,其他大部分样点为中度等级污染。而IPL评价结果显示尾矿场内S9和S10样点以及排土场S14样点污染最严重,尾矿场外S11样点污染较严重,其他样点为中度等级污染。出现这种结果的主要原因在于2种算法的差异性,F值更突出污染指数Cr,i最大的污染物对环境的影响,而IPL则更注重所有被统计的污染物对环境的综合影响效应。笔者研究中S4样点As的Cr,i高达17.264,使得F值很高,而S4样点其他重金属的Cr,i值都很低,导致其IPL值较低。恰好相反,S14样点所有Cr,i值均较高,但没有非常突出的污染物。因此,S14样点IPL值较高,而F值较低。整体而言,F能较好地反映典型污染物的污染程度,却不能反映复合污染的质变特征;而IPL能够避免简单的加和关系对评价结果的歪曲现象,但没有考虑各类污染的背景值差异性问题[10-11]。因此,根据实际情况,在对不同污染场地进行风险评价时,应因地制宜,选择性使用或同时使用上述2种评价方法,从而相互印证和补充,使得评价信息更加完整,结果更加可靠。

潜在生态危害指数法从重金属的生物毒性出发,反映了多种污染物的综合影响,综合考虑了不同污染物的生物有效性,能较好地消除污染的区域差异性,并定量划分出潜在生态风险程度,已成为目前国内外比较认可且应用较广的一种评价方法。但是这种毒性的加权判断也带有一定的主观性[12]。虽然达茂旗矿区As超标样点比Hg多,但是由于As的毒性响应指数(10)远低于Hg的毒性响应指数(40),因此在计算它们对土壤的潜在生态危害时,更加凸显Hg的危害效应。在整个分析过程中发现,在达茂旗矿区单一重金属污染中,Cd、As和Hg更加容易造成健康危害,当地居民应当提高警惕,以防与此相关的地方病暴发。复合污染生态风险表现为尾矿场内S9样点为极强等级,S10样点为很强等级,尾矿场外(S4和S11)样点和排土场(S6和S14)为强度等级,其他样点均为中度等级。笔者研究中,相比F和IPL,潜在生态风险指数(Ir)能够更加全面地反映污染程度和风险特征,但是否具有普遍性则需要更多实验进一步验证。整体而言,污染风险主要集中在尾矿场内外和排土场附近,对周边草场的影响较小。

4结论

达茂旗矿区各场地土壤单一重金属污染以Cd污染最严重,尾矿场属于重点防控区。主要的污染风险集中在尾矿场内外和排土场附近,以Cd、As和Hg最突出,对周边草场的影响较小。采用内梅罗指数法、土壤污染负荷指数法和潜在生态风险指数法对达茂旗矿区土壤污染程度进行评价均获得较好的效果。整体而言,达茂旗萤石矿区污染范围较集中,尾矿场等场所的污染程度最重,具有很强的潜在生态风险,对此类场所应当加强环境风险监控。

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(责任编辑： 李祥敏)

Distribution of Heavy Metals in Soil of Fluorite Mining Area in Damao County， Inner Mongolia and Evaluation of Their Composite Pollution.

SI Wan-tong1,2,3, LI Hai-dong2, LIN Nai-feng2, BAI Shu-ying4, WANG Tao2, JIN Hang2, SHEN Wei-shou2, ZHU Xiao-dong1

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210042, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;3.Institute of Bioengineering and Technology, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China;4.College of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract:The exploitation of fluorite mines has triggered a serous soil pollution problem in Damao County, Inner Mogolia. Soil samples were collected from mining areas, quarries, earth dumping sites, inside and outside of gangue dumping sites and pastures around the mining areas in the region for analysis of Pb, Cr, Ni, Cu, Cd, Zn, As, and Hg. Heavy metal pollution degrees of the soils were analyzed and assessed based on soil pollution factor, Nemero index, soil pollution load index, and potential ecological risk index. Results show that the soils in all these places have gone beyond the Grade Ⅲ criteria of the Standard of Soil Environmental Quality (GB 15618-1995), in pollution of Cu, Cd, Zn, and As. In terms of single-factor pollution, Cd is the most serious and the most extensively distributed one. Pollution risks exist mainly inside the gangue dumping sites and in areas around the gangue and earth dumping sites, with Cd, As and Hg being the major pollutants. The gangue dumpling sites are the priority areas for pollution prevention and control. As a whole, soil pollution is relatively concentrated in the mining areas, and does not have much influence on people in the living quarters.

Key words:soil pollution;Nemero index;pollution load;ecological risk

收稿日期：2015-11-12

基金项目：国家科技基础性工作专项(2014FY110800);国家自然科学基金(31460142);中国博士后科学基金面上项目(2015M571663);2015年度中央级公益性科研院所基本科研业务专项

中图分类号：X825

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)03-0404-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.011

作者简介：司万童(1986—),男,甘肃通渭人，副教授,博士,研究方向为环境生物学。E-mail: siwt02@163.com

① 通信作者E-mail: shenweishou@163.com

② 通信作者E-mail: xdzhu@nju.edu.cn