矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估

王映辉

（甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020）

土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物以及水分、空气氧化的腐殖质等组成，是人们赖以生存的生产资料，与人类的生命健康密切相关，人类食物的生产，活动和栖息都离不开土壤[1]。但是随着国家经济的发展，工业的高度发达，对矿产资源需求的增加，导致矿区周边土壤重金属污染严重。重金属是一种持久性潜在有毒污染物，因为重金属不能被土壤中的生物降解，长期留存在土壤当中，不断积累，危及人体及生态安全[2]。而人类活动，对矿山的不断开采以及矿渣的随意堆放，对矿区周围土壤造成重金属污染，促使矿区周边土壤重金属污染问题已经成为社会的重点问题之一。不仅影响着矿山自身的发展，更是影响着矿山周边地区的群众生活和农业生产。因此，本文提出的矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估这一课题对于矿区环境保护及指导矿区土壤修复都具有重要意义。

1 构建评估模型

重金属污染需要查看重金属污染指数、污染程度、污染的重金属元素、重金属毒性、污染元素浓度等。为此设污染物为i，污染物i的环境质量指数为Pi，土壤中污染物的评价标准为Si，土壤中污染物i的实测浓度含量值为Ci，污染物i的污染指数最大值为Pimax，污染物i的污染指数平均值为Piave，则有 ：

（1）式中，k为系数，用于校正区域背景值差异，log2表示污染程度等级，可以得到矿区周边污染土壤的具体重金属污染物以及该污染物的浓度，对土壤环境污染指数，并计算出重金属单项污染指数的最大值和平均值。当Pi≤1.0时矿区周边土壤无污染；当Pi≥1.0时矿区周边土壤已被污染，并且随着环境质量指数的增大，污染物对土壤的污染程度越高。

为了研究矿区周边土壤被污染程度的变化趋势，为此设某点污染的负荷指数为Ipl，评价元素个数为n，污染物i的最高污染系数为Fi，则有：

通过（2）式可以计算出矿区周边土壤某一点的污染负荷指数，那么某一区域的污染负荷指数为Iplzone，将（2）式带入，则有：

经过（1）（2）（3）式的计算，可以得到环境污染程度，以及最大污染负荷指数，但是，在重金属的污染下，会产生潜在生态风险，那么设重金属的潜在生态风险指数为RI，污染物的毒性响应系数为Ti，潜在生态风险单项系数为Ei，则有：

将（1）（2）（3）（4）式带入，构建矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估模型H，则有：

（5）式即矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估模型。

2 通过评估模型评估重金属污染特征

根据1中的评估模型，可知在一定的空间范围内，土壤重金属存在一定的空间依赖性，根据（2）式计算，可以得出某一区域的污染负荷指数，判断土壤重金属之间的离散程度，为此可以根据（3）式，可以得出土壤中重金属的变异系数等级，如表1所示。

表1 重金属变异系数等级表

根据1评估模型中的(1)式，重金属变异程度越高，矿区周边土壤受到重金属污染程度越高。当重金属k＜时，对矿区周边土壤具有一定的潜在污染，但土壤表层和深层不存在重金属污染现象；当0.1≤k≤1，重金属出现富集现象，矿区周边土壤表层已经遭受重金属污染，人内活动对矿区周边土壤影响不明显，其重金属含量随研究区域变化都较为明显，空间分布不均匀；当k＞1时，重金属已经在矿区周边土壤中高度富集，矿区周边深层土壤已经受到重金属污染，受人类活动影响明显且重金属含量与分布则主要是源于自然环境。

3 通过评估模型评估重金属污染潜在生态风险

采用1中的评估模型，针对矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险进行风险评估，将矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险划分为5个等级，其等级表如表2所示。

表2 染潜在生态风险等级表

根据评估模型中的（4）式，可以得出毒性水平和生物对重金属毒性的敏感程度。经过（4）式计算，重金属污染物的毒性系数为x，而毒性系数与重金属污染指数成正比，当x≤0.7时，矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险为5级无污染，对人体和作物没有潜在生态风险；当0.7＜x≤1时，重金属尚未达到警戒值，矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险为4级轻微，作物和土壤尚未受到重金属影响；当1＜x≤2时，土壤中的重金属已经超过标准值，开始污染土壤和作物，矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险为3级中等；当2＜x≤3时，重金属已经危害到周边作物的生长和土壤中生物的生存，矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险为2级重度，土壤金属化初显；当x＞3时，重金属已经超过土壤所存金属最大值，矿区周边土壤对人体具有危害，作物和生物已经无法在这块土壤生存，矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险为1级强烈，土壤已经完全金属化。

4 实验论证分析

为保证本文研究的矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估方法的有效性，设计如下对比实验。采用相同地区的同一矿区周边土壤环境作为实验评估对象，针对该矿区土壤表层土0～20cm进行取样，取样时采取s形多点采样，在每个中心采样点采取5个～10个分样，并将这些分样混合，用分法反复取舍，最终只保留千克左右的样品。采集土壤时记录每个土壤样品的编号、地点、经度、讳度、土壤质地、土地利用方式等。分别使用两种评估方法评估取来的样品的重金属污染特征及潜在生态风险。在评估过程中做好实验总结和分析，同时记录好数据以便对比两种评估方法的准确率。

对比矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估准确率时，对实验获得的数据分析通过样本均值加减倍标准差来判别出特异值，特异值分别用最大值或者最小值替换。用SPSS16.0软件对数据进行经典统计分析和相关性分析以，从而评估矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险准确率差异。

从图1中可以看出，本文提出的矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估方法，评估准确率在90%～100%之间，在1、4次实验中的准确率都达到了100%，2、3、5次实验中也都达到了90%，准确率波动差为0.1，波动趋势平稳。然而传统评估方法的评估准确率却在60%～80%之间，只有第4次实验中准确率高达80%，甚至有两次实验中评估准确率只达到了60%，准确率波动差为0.2，波动趋势不稳定。

由此可见，本文提出的矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估方法，可以准确评估矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险，评估结果稳定，可以作为改善矿区周边土壤环境的参考值。

5 结语

综上所述，随着经济的发展，工业水平的提高，对矿产资源需求量加大的同时，也对矿区周边土壤造成了重金属污染，严重影响矿区周边的生态环境，和矿山周边地区的群众生活、农业生产，因此本文提出的矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估这一课题具有十分重要的意义。通过对矿区周边土壤重金属污染特征的评估，可以及时控制矿区周边土壤重金属污染，对矿区周边土壤重金属污染潜在生态风险评估，可以及时分析出土壤重金属污染扩散情况，从而可以及时控制污染趋势，避免土壤重金属污染情况进一步扩散，危及当地群众生活和农业生产。但是本文对矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估研究并不完全，对于评估出的重金属污染结果，全面度有待提高，为此还需不断深入研究矿区周边土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估方法，可以全面准确地评估出矿区周边土壤的重金属污染状况。