西南某矿区土壤重金属污染分布特征与潜在生态风险

郑涵文，伍荣军，宁甲练，苑宇杭，张 辉

（桂林理工大学，广西 桂林 541000）

矿业活动的进行可能导致矿区周围土壤重金属污染[1-5]，雨水冲淋和地表径流的作用会加快尾矿中高浓度重金属进入土壤中，造成土壤污染，矿山酸性废水可能会导致矿区周围土壤结，抑制农作物的生长甚至造成农作物大面积死亡，植物的富集作用会导致重金属在食物链中累积，危害人体健康。

对矿区周围土壤重金属污染分布特征进行调查和来源分析迫在眉睫。通过研究西南某矿区附近农用地土壤重金属的污染分布特征及环境风险评估，旨在为广西矿区周围土壤重金属污染防治、修复和治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 调查区域概况

广西某县位于亚热带山地气候区，年平均气温为16.9℃，年均降雨量1497mm，主导风向为东风，从20世纪七八十年代开始大肆进行矿业活动，所涉及产业包括铅锌矿和其他有色金属矿的采选和冶炼。研究区域位于广西某矿区周围，地处107°38′～107°41′E、24°53′～24°50′N，地形较为复杂，场地周围有数量不等尾矿堆积，场地中部为车河镇某矿区，场地西北部存在大面积水源，如图1。

图1 采样点位示意图

1.2 样品采集与测试

研究区域内共采集表层土壤（0cm～20cm）样品59个（图1），水田样本25个，旱地样本34个，以矿业活动区中心点为中心，建立坐标系，在正东、正西、正北、西南、东南、西北、东北七个方向采集样本，其中正南方向贴近场地边界，未设置采样点，采样点数目分别为：4、4、3、2、27、12、6，所采样本均处于矿区影响范围内农田。

土壤样品采用多点混合法采取，取耕作层土壤约1kg，混合后用四分法取1kg，网格大小为200×200m，采样过程中避免与金属工具相接触，并用GPS确定样点地理位置，保存在聚乙烯塑料袋中，带回实验室。土壤样品风干后，去除碎石与植物残体等杂物，四分法取适量，研磨过100目尼龙筛，备用。

选用对应国家标准测定Sb、Cd、Zn、As、Pb五种重金属含量。所有样品均设置三个平行样，平行样的相对误差小于10%，同时进行空白实验。选10%的样品做重复测试，相对误差在±5%以内。

1.3 数据分析处理方法

采用ArcGIS进行反距离加权插值和空间分析；运用SPSS 19.0对数据进行统计学分析，相关性分析采用Spearman相关系数进行分析，p＜0.05具有统计学意义。

分别从土壤中重金属含量相对地质背景的污染程度，重金属的环境生态效应与毒理方面出发，运用潜在生态风险指数法对重金属污染进行综合评价。

潜在生态风险指数法选用的毒性响应系数，根据瑞典科学家HaKanson制定的标准化重金属毒性响应系数参考值，重金属Sb的毒性响应系数参照美国2006版饮用水标准和健康建议提出的参考值，南丹县土壤重金属元素背景值及毒性响应系数，见表1。

潜在生态风险指数法，可反映出土壤中重金属对环境的潜在生态风险程度。

式中，为污染物i的实测浓度，为污染物i的评价标准，为某单一重金属的潜在生态风险因素，为某重金属毒性响应系数，反映重金属的毒性强度，RI为多种重金属的潜在风险因素，表2为潜在生态风险指数分级表。

表1 农用地土壤环境风险技术评价标准

表2 综合环境风险指数分级表

2 结果与讨论

2.1 重金属分布特征

通过对矿区周围农田进行采样，5种重金属（Sb、Cd、Zn、As、Pb）平均含量及变异系数（表3）表明，其中Sb、Cd、Zn、As、Pb五种重金属平均含量超过当地土壤重金属背景值，超过倍数分别为7.57、6.81、4.31、2.61、1.65。研究区域变异系数从大到小排列顺序为：As、Sb、Pb、Cd、Zn均大于0.1说明研究区域受人为因素的影响很强。

表3 研究区表层土壤重金属含量特征

2.2 土壤重金属潜在生态风险评价

表4为研究区域内不同方向土壤重金属RI值。研究区域土壤综合生态风险指数RI为539.33，呈很强生态风险状态，不同方向重金属环境生态风险综合指数大小顺序为 ：RI北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI东南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI东北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI东（385.81）。正北、正西两个方向呈很强生态风险状态，其余方向呈强烈生态风险状态。

2.3 农田土壤重金属来源分析

矿业活动是矿区周围土壤重金属污染的主要来源。本研究中采用主成分分析，对重金属污染来源进行判断。

对研究区域内，土壤重金属As、Cd、Zn、Sb、Pb进行KMO检验，结果表明研究区域内土壤重金属的KMO值为0.571，大于0.5可进行主成分分析，前三种主成分特征值累积为90.227%。

研究区域内污染重金属主要分为三类。第一类重金属包括Cd、Zn荷载分别为0.971和0.918，重金属Cd、Zn超标率分别为100%和98.31%，属于面源型污染，研究区域是传统的矿业活动区，存在数量众多的锌矿冶炼企业，研究表明Cd、Zn矿常以伴生形式存在，对Zn矿进行利用的同时，重金属Cd和Zn会随矿业活动产生粉尘，在矿区周围土壤中进行积累。

第二类重金属主要为Sb，荷载为0.95，重金属Sb浓度较高区域主要集中在场地正西、正北、西南、西北四个方向，环绕河谷地区，重金属Sb在土壤中的沉积，可能来自于水体中Sb向土壤中迁移，其中重金属Pb在一、二主成分中均有存在，荷载分别为0.581和0.572，说明矿业活动和水体中重金属迁移，均对重金属Pb在土壤中累积有影响。

表4 土壤重金属的生态风险评价结果

第三主成分为重金属As，荷载为0.959，高浓度区域主要集中在正西和西南两个方向，场地中堆积着体量不等的尾矿，矿砂随地表径流和雨水冲刷进入土壤，造成重金属As累积。

3 结论

（1）研究区域内矿区土壤重金属Cr、Mn、Hg，呈现无污染或基本清洁状态。研究区域内Sb、As、Zn、Pb、Cd五种矿区土壤重金属含量均超过当地土壤重金属背景值。

（2）研究区域整体呈很强生态风险状态，不同方向重金属环境生态风险综合指数大小顺序为：RI北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI东南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI东北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI东（385.81）。重金属Cd、Sb为主要潜在生态风险污染物，潜在风险指数分别为369.41、117.23。

（3）研究区域内，土壤重金属Cd、Zn的来源和矿业活动产生“三废”相关，土壤重金属Sb的污染与水体中重金属迁移有关，重金属As的污染与尾矿库中矿砂在土壤中沉积有关，重金属Pb除受矿业“三废”影响外，与水体中重金属迁移也有关。