大冶铁矿尾矿库区土壤重金属垂直分布特征及污染评价

李小刚，占长林,2*，王 路，李 雪，张家泉,2，左华泽，刘先利,2

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)



大冶铁矿尾矿库区土壤重金属垂直分布特征及污染评价

李小刚1，占长林1,2*，王 路1，李 雪1，张家泉1,2，左华泽1，刘先利1,2

(1湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；2湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003)

为深入了解湖北省黄石市大冶铁矿尾矿库区土壤重金属垂直分布特征与污染状况，分层采集了6个典型剖面(0～80 cm)，分析了不同深度土壤中重金属元素(Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni)的含量水平，并采用单因子指数法和内梅罗指数法对土壤的重金属污染状况进行评价。结果表明：尾矿区土壤中重金属含量高于外围区。尾矿区土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni的含量明显高于湖北省土壤背景值，超标严重，垂向污染也达到一定的深度。外围区土壤重金属也有一定程度积累。单因子指数和内梅罗指数评价显示，尾矿区土壤重金属污染水平已经处于重度污染级别，其中Pb和Cr为安全级别，Cd和Cu的污染最为严重，Zn和Ni的污染主要集中在土壤表层，也应当引起关注。

大冶铁矿；尾矿库；重金属；垂直分布；污染评价

土壤是人类生存和发展所依赖的物质基础，也是重要的自然资源。随着社会经济的高速发展，人类对土壤的破坏行为愈演愈烈，土壤受到的污染日益严重。而土壤重金属污染现已经成为一个全球性的环境问题[1]。重金属是一类具备潜伏性、长期性、累积性和不可逆性等特征的持久性有毒污染物[2]。相关研究表明，受重金属污染后的土壤不仅治理成本高，而且还很难恢复到原来的状态，使得土壤质量下降，进而影响农作物的品质和产量，甚至危及人类的健康和生命[3]。

我国矿区土壤中重金属的污染状况比较严重[4]，特别是在矿山开采及冶炼过程当中，产生的酸性矿山废水和尾矿渣，在受到雨水淋溶的情况下，会流失大量有毒重金属元素，这是矿山及周边地区土壤中重金属污染的主要来源。因此，很多学者针对不同矿区土壤重金属污染进行了大量的研究，研究重点集中于污染特征及评价、重金属污染生态修复、污染机制等[5]方面。

大冶铁矿开采历史悠久、文化底蕴深厚，自三国时期(公元226年)开采迄今已有1 700余年，曾是武汉钢铁(集团)公司主要的矿石供应基地。大冶铁矿经过多年的开采，产生了很多矿山环境问题：①形成大面积的尾矿库，矿山环境恢复治理难度大；②形成了长2.2 km、最宽处达500 m、边坡垂直高度达444 m的亚洲最大的露天采矿坑；③滑坡及塌方等地质灾害时有发生[6]。20世纪80年代开始，大冶铁矿积极进行矿山环境恢复治理，经过多年的矿山复垦，周边环境得到很大的改善，但是露天堆放的尾矿还是存在一定的安全隐患，可能导致周边土壤的重金属污染状况严重。

目前，针对大冶铁矿尾矿库周边土壤重金属含量分布、来源等污染特征及风险评价的研究较少，因此，本研究在野外调查和室内分析的基础上，对大冶铁矿尾矿库区周边土壤中重金属含量进行测定，分析其垂直分布特征；同时利用单因子指数法和内梅罗综合指数法对该区域的重金属污染状况进行评价，以期更全面地了解尾矿库对周边土壤环境质量的影响，旨在为当地政府制定最优生态环境综合防治对策和矿区土壤的生态修复工作提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本次采样的地点位于黄石市铁山区国家矿山地质公园附近的大冶铁矿尾矿库。该地区为典型的亚热带大陆性季风气候，冬冷夏热，年平均气温17 ℃，年均降水量1 382.6 mm，常年主导风向为东南风向，年平均风速为2.17 m/s。尾矿库主要堆放大冶铁矿和大冶有色金属冶炼厂生产过程中产生的尾矿废渣，占地面积约97公顷。由于尾矿渣中的金属硫化物在氧化过程中产生大量的酸，能腐蚀矿物并能释放出大量重金属元素，经雨水的冲刷及长时间的淋滤作用，可导致重金属随地表径流进入周边环境，或直接渗透到地下水，给环境带来严重污染。

本次研究共采集6个土壤剖面：在尾矿库坝下采集3个剖面(S4、S5、S6)，定义为尾矿区；在距尾矿库底部垂直距离约500 m外的区域采集3个剖面(S1、S2、S3)作为对照，定义为外围区。所有剖面的采样深度均为80 cm，每个剖面分4层采样，第Ⅰ层0～20cm，第Ⅱ层20～40cm，第Ⅲ层40～60cm，第Ⅳ层为60～80cm。

1.2 样品处理与分析

采集后的土壤样品于室内通风处自然风干后，剔除根茎、砂砾等异物，用木棒碾压后再经过玛瑙研钵研磨，过孔径为(15 μm)100目尼龙网筛后装袋备用。

采用HCl-HNO3-HF-HClO4高温分解法对土壤样品进行消解，利用火焰原子吸收分光光度计(美国 Varian AA240)测定土壤样品中Cu、Zn、Cr、Ni的含量，Pb和Cd用石墨炉原子吸收分光光度法测定。在实验过程中每个样品做3个平行样，测量值的相对标准偏差(RSD)均在10%以内。在样品消解过程中所用的试剂均为优级纯，并加入国家标准土壤样品(GSS-3、GSS-5)进行分析质量控制，各元素回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.3 重金属污染评价

本次土壤污染评价采用《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中的二级标准(pH<6.5)。土壤污染程度采用单因子指数法和内梅罗综合指数法进行评价[7]。

1.3.1 单因子指数法

单因子指数法一般用污染指数表示，即重金属含量的实测值与土壤环境质量标准值的比值[2]，其计算公式如下：

(1)

式(1)中：Pi为重金属元素i的单项污染指数；Ci为土壤重金属元素i的实测浓度(mg/kg)；Si为i种重金属的土壤环境质量标准值(mg/kg)。

1.3.2 内梅罗指数法

单因子指数和内梅罗指数土壤污染分级标准见表1。内梅罗指数法能够通过单项污染指数中的最大值和单因子指数平均值，计算出综合污染指数，再依据表1中的分级标准，便可以得出该地区的综合环境质量状况[2]。其计算公式如下：

(2)

表1 土壤重金属污染评价分级标准

2 结果与讨论

2.1 表层土壤重金属元素含量

大冶铁矿尾矿库周边表层土壤中(0～20 cm)各重金属元素含量的统计结果见表2。表2中的统计结果显示，尾矿区土壤中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Ni的平均含量分别为348.42，85.53，3.81，612.08，223.96和253.58 mg/kg。与湖北省土壤背景值[26]相比较，尾矿区土壤中各重金属元素均严重超标，Cu、Pb、Cd、Zn、Cr和Ni的超标倍数分别为11.3，3.2，22.2，7.3，2.6和6.8倍。与尾矿区相比，外围区土壤中Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni的平均含量要明显偏低，说明其重金属富集污染程度较轻。除Cr以外，其他元素的平均含量均超出湖北省土壤背景值，Cu、Pb、Cd、Zn、Ni的超标倍数分别为1.8，1.3，7.7，3.7和4.5倍，说明这些重金属元素也有一定程度的累积性污染。有研究表明，随采样点离矿区的距离增大，土壤中重金属元素的含量呈逐渐减小的趋势[8]。这也与本研究的结果相似。

有研究认为，变异系数小于10%为弱变异性，变异系数在10%～100%为中等变异性，大于100%为强变异性[9-10]。从标准差和变异系数来看，尾矿区和外围区土壤中各重金属元素的变异系数分布于10%～100%之间，属中等变异性，说明在一定程度上可能受到人为活动的干扰。

表2 尾矿库周边土壤(0～20 cm)中各重金属元素含量

2.2 土壤重金属元素垂直分布

大冶铁矿尾矿库周边土壤中重金属Cu、Pb、Cd、Zn、Cr、Ni的垂直分布特征如图1所示。整体来看，尾矿区和外围区土壤中重金属含量的垂直变化比较明显，但规律不是特别清晰。

不同土层重金属平均含量垂直分布见表3。由表3可知，不同深度土壤层中各元素含量呈现较大的差异。在尾矿区土壤剖面中，重金属在Ⅰ、Ⅱ层的含量一般高于Ⅲ、Ⅳ层，且Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层含量变化趋势较为平缓。Cu和Cd的含量呈现随深度增加逐渐降低的变化趋势，Pb含量变化趋势则刚好相反。Zn、Cr和Ni的含量在剖面土壤中变化有波动，呈先降低后增加的变化趋势。由表3可见，尾矿区土壤剖面中除了Pb和Cr含量平均值未超过国家土壤环境质量二级标准外，Cu、Cd和Ni均超标，其中Cd超标最为严重。Ⅰ层土壤中Zn超标，但Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层中Zn均未超标。

在外围区(见表3)土壤剖面中，6种重金属元素在所有土层中的含量一般低于尾矿区，可能是由于外围区距离尾矿库有一定的距离，受尾矿废渣露天堆放的影响较小。外围区土壤剖面中不同重金属含量随深度的变化存在一定差异。Cu、Pb、Cd和Ni含量均呈现先升高后降低的变化趋势。Zn元素随深度增加其含量递减，最低值出现在40～60 cm处。Cr元素随深度增加含量递增，最大值出现在60～80 cm处。导致以上重金属含量垂直分布存在差异的原因可能是：①外围区土壤靠近村庄，可能经过人为翻垦，使得深层土壤迁移至表层，加之雨水的冲刷作用，导致表层土壤中重金属含量稍高于下层土壤；②土壤中有机质含量、土壤酸碱性、土壤胶体电荷正负以及土壤的理化性质等一系列因素也可能导致重金属含量垂直分布的差异性[11]。苏耀明等[12]对韶关铁龙镇境内多金属矿区土壤重金属的研究发现，区域土壤中重金属Cu、Zn、Cr、Pb、Cd和Ni的含量随深度的增加呈现逐渐降低的趋势，垂向污染也达到了一定的深度。刘娟等[13]研究发现，云浮硫铁矿区冲积土壤重金属不仅富集在土壤表层，而且在土壤深部也有迁移和蓄积。由此可见，重金属的垂直迁移与分布可能存在多方面的原因，具体原因仍有待进一步深入地研究。

表3 不同土层重金属平均含量垂直分布 mg/kg

采样区域采样深度/cmCuPbCdZnCrNi尾矿区0～2020～4040～6060～80348.42340.88271.43186.9355.80130.34133.33136.673.812.842.451.31498.42163.20184.33116.2252.6049.0040.1048.92253.58116.6161.57165.96外围0～2020～4040～6060～8056.0061.8242.5340.3135.93131.18111.81119.471.331.520.850.68424.63129.46117.72118.4342.7749.1351.2051.75169.06178.10112.75106.38国家土壤环境质量二级标准502500.320015040

2.3 土壤重金属污染评价

根据大冶铁矿尾矿库周边土壤中6种重金属的平均含量和评价标准，采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法评价土壤重金属污染状况，尾矿库周边土壤重金属污染评价指数和污染等级见表4。

表4 尾矿库周边土壤重金属污染评价指数和污染等级

根据表4中的单因子指数可知，尾矿区和外围区不同深度土壤都受到重金属Cu、Cd、Zn和Ni不同程度的污染，而Pb和Cr的污染等级为安全。就尾矿区而言，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层土壤中Cu和Cd单因子指数均大于5.0，属重度污染级别；Ⅳ层土壤中Cu和Cd属中度污染。I层土壤中Zn的单因子指数为2.49，处于2.0～3.0之间，为轻度污染；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层土壤Zn的污染等级为安全。I层土壤Ni的单因子指数为6.34，为重度污染；Ⅱ、Ⅲ层土壤Ni的污染等级分别为轻度污染、警戒级和中度污染。与尾矿区相比，外围区不同深度土壤中重金属污染等级相对较低。Ⅰ、Ⅱ层土壤中Cd和Ni的污染等级达到中度以上，Ⅲ、Ⅳ层土壤污染等级也达到轻度污染。其他重金属元素基本处于轻度污染或安全等级。这表明尾矿的长年堆积已经导致周边土壤中重金属不同程度的富集。

由内梅罗综合污染指数可以看出(表4)，尾矿区不同深度土壤的污染水平均已达到重度污染。外围区土壤Ⅰ、Ⅱ层综合污染指数均大于3.0，属重度污染；Ⅲ、Ⅳ层综合污染指数处于2.0～3.0之间，污染水平为中度污染。

由以上结果可以看出，矿区内矿石的开采以及尾矿长期的露天堆放，可能致使矿物岩石表面的化学形态和存在形式发生改变，加大重金属向环境的释放通量，进而加剧区域内土壤的重金属污染。虽然相关部门已经针对尾矿库土壤进行了生态植被修复，但重金属污染问题依然严峻，因此应加强对矿区土壤质量的监测，做好矿山环境的保护、治理及恢复工作，避免对周边环境造成更大范围的影响。

3 结论

1)与湖北省土壤背景值相比，大冶铁矿尾矿库土壤中Cu、Zn、Pb、Ni、Cr的平均含量均超过湖北省土壤背景值，其中Cd超标最为严重；尾矿区土壤重金属含量明显高于外围区；变异系数反映人为活动对重金属分布有一定的影响。

2)不同的重金属以及不同剖面深度土壤中重金属元素的垂直分布存在一定差异，可能与矿石开采以及人类活动的干扰有关。尾矿库土壤中Cu、Cd、Zn和Ni元素垂向污染也达到一定深度，且平均含量均超过国家土壤环境质量二级标准。

3)单因子指数和内梅罗综合指数法评价结果表明，尾矿区和外围区土壤中Cd的污染最为严重，Cu、Zn和Ni的污染也应当引起充分关注，Pb、Cr的污染程度处于安全等级。

[1] Lars J.Hazards of heavy metal contamination[J].British Medical Bulletin,2003,68(1):167-182.

[2] 陈怀满.环境土壤学[M].2版.北京：科学出版社，2010:185-190.

[3] 李静，俞天明，周洁，等.铅锌矿区及周边土壤铅、锌、镉、铜的污染健康风险评价[J].环境科学，2008，29(8)：2327-2330.

[4] Li Z,Ma Z,Van der Kuijp TJ,et al.A review of soil heavy metal pollution from mines in China: Pollution and health risk assessment [J].Science of the Total Environment,2014,468-469:843-853.

[5] Wang J,Feng X.Effect of cropping systems on heavy metal distribution and mercury fractionation in the Wanshan mining district, China: Implications for environmental management[J].Environmental Toxicology and Chemistry,2014,33(9):2147-2155.

[6] 姜建军，刘建伟.大冶铁矿矿山环境调研报告[J].国土资源通讯，2005(15):42-43.

[7] 孙清斌，尹春芹，邓金锋，等.大冶矿区周边农田土壤和油菜重金属污染特征研究[J].农业环境科学学报，2012，31(1)：85-91.

[8] 王志楼，谢学辉，王慧萍，等.典型铜尾矿库周边土壤重金属复合污染特征[J].生态环境学报 2010,19(1):113-117.

[9] 赵津，刘汝海，金嘉欣，等.子牙新河下游湿地土壤重金属垂直分布及形态特征[J].环境化学，2016，35(10):2044-2050.

[10] 高智群，张美剑，赵科理，等.土壤——水稻系统重金属空间异质性研究——以浙江省嵊州市为例[J].中国环境科学，2016，36(1)：215-224.

[11] 夏增禄，李森照，穆从如，等.北京地区重金属在土壤中的纵向分布和迁移[J].环境科学学报，1985，5(1)：105-112.

[12] 苏耀明，陈志良，雷国建，等.多金属矿区土壤重金属垂向污染特征及风险评估[J].生态环境学报，2016，25(1)：130-134.

[13] 刘娟，王津，陈永亨，等.云浮硫铁矿区冲积土壤重金属垂直分布特征的研究[J].环境与健康杂志，2013，30(7)：641-642.

(责任编辑 高 嵩)

Distribution Characteristic and Assessment of Heavy Metal Pollution in Soils of Daye Iron Ore Tailings

LiXiaogang1,ZhanChanglin1,2*,WangLu1,LiXue1,Zhangjiaquan1,2,ZuoHuaze1,LiuXianli1,2

(1School of Environmental and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

To better understand the vertical distribution and pollution problems of heavy metals in soils,six soil profiles about 0～80 cm depth near tailing reservoir of Daye Iron Ore located in Huangshi were collected.The contents of heavy metals (Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,and Ni) in soils were investigated.The single factor pollution index and Nemerow integrated pollution index were employed to evaluate the soil heavy metal pollution levels.The results showed that soils around iron mine tailing were contaminated at different degrees with heavy metals.Generally,the contents of metals in soils of the mine tailings were higher than those in the outskirt.The contents of Cu,Pb,Zn,Cd,Cr,and Ni in the soils of the mine tailings were higher than the Hubei background values,and Cd was the most serious.The pollution of heavy metals was accumulated in a deeper soil layer to some extent.The single factor pollution index and Nemerow integrated pollution index indicated that the soils of the mine tailings were at severe pollution,especially for Cd and Cu,and no pollution for Pb and Cr.The pollution level of Zn and Ni was mainly concentrated in the topsoil,and more attention must be paid.

Daye Iron Ore;mine tailing;heavy metal;vertical distribution;pollution assessment

2017-02-15

国家自然科学基金项目(项目编号：41603117)。

李小刚，本科生。

*通讯作者：占长林，讲师，博士，研究方向：环境地球化学。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.007

X53

A

2095-4565(2017)03-0028-06