何家小岭尾矿库周边土壤重金属污染状况分析及潜在风险评价

刘盛萍，笪春年，岳 梅，叶劲松

（1.合肥学院生物食品与环境学院，安徽合肥230601；2.安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，安徽合肥230601）

我国矿产资源丰富，富含硫化矿的尾矿和采剥排弃物数量巨大，尤其是重金属元素所引起的土壤污染及生态破坏问题引起了越来越多的关注[1]。合肥市庐江县地处江淮丘陵地带，北濒巢湖，南近长江，西依大别山余脉，矿产资源种类有铁、硫铁、铜、矾、铅锌、紫砂、石灰石、高岭土、钾长石等33种矿产资源，为安徽省第五大工矿基地，目前有尾矿库11座，这些尾矿含有大量的重金属，带来很大的环境安全隐患，在多年矿区开采活动中，大量矿山重金属污染源不可避免的在土壤、农作物中有所累积，造成周边土壤环境质量下降，有必要对其周边土壤开展系统研究。本文以合肥市庐江矿区何家小岭尾矿库周边土壤为研究对象，分析土壤中的重金属含量及形态分布特征，并利用内梅罗指数和风险评价编码法（RAC）评价土壤重金属污染状况，对研究矿区土壤的环境生物效应及迁移具有重要意义，同时为矿区土壤和该区域土地的合理利用和修复治理提供科学依据。

1 材料与方法

（1）研究区概况。合肥市庐江矿区何家小岭硫铁矿处于龙桥铁矿床南侧，距龙桥镇7 km。上世纪80年代建成投产，采矿能力从开始的10万吨/年扩大到现在的50万吨/年，尾矿库为748万立方米。矿区为低山丘陵地形，属于亚热带季风气候，四季分明，年均降雨量1 200.6 mm，年均蒸发量为1 497.5 mm，矿石类型属于中低端硫铁矿矿石，伴生有铁、铜等金属，尾矿库位于山谷，三面环山，东边为农田，尾矿含有铅、锌、镉等重金属元素，在雨水冲刷和地表径流作用下污染土壤和地下水，对生态环境造成了潜在危害。

（2）样品采集及分析测定。何家小岭尾矿库三面环山，东边为农田，以尾矿库为中心，以水坝底部为第一个采样点，采样距离共计1 200 m；采集0～20 cm深度的土壤，总共采集27个土样，各采样点如图1所示。先挑去土壤样品中的石子和植物残体等异物，然后将样品混合均匀。样品自然风干后粉碎过120目筛放至干燥器中待测定。采用王水提取-电感耦合等离子体质谱法测定土壤样品重金属总量[2]。重金属形态分析采用RAURET 等改进的土壤重金属顺序提取法（BCR）法[3]，其形态分成弱酸提取态、可还原态、可氧化态、残渣态。具体提取方法见参考文献[4]，用ICP-MS测定提取液中的金属含量。pH值的测定：准确称取10.0 g自然风干的土壤样品于50 mL烧杯中，加入25 mL水，剧烈振荡5 min后静置1 h，用pHS-3C型精密pH测试仪进行测定。为了保证检测数据的可靠性，实验过程中同时分析土壤标准参考样品（GSS-3）中重金属元素的含量，各元素的分析误差均在5%以内。

图1 何家小岭尾矿库周围表层土壤采样点位置

尾矿库

2 结果分析

2.1 重金属元素分布特征

从采样点所采集样品测得的数据分析表明，研究区土壤中重金属的含量有着较大差异，除了Ni元素只有3个采样点超背景值外，其他6种元素大部分采样点都超背景值，其中Cu、Cd元素27个采样点均超背景值，Pb元素25个采样点、As元素24个采样点、Zn元素20个采样点、Cr元素15个采样点，都超过了庐江土壤元素背景值，可见除Ni外，其他重金属元素在该地区都出现了富集现象。具体数据如表1所示。

将重金属元素含量与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018）[5]中筛选值及原国家土壤二级标准作比较（土壤环境质量标准GB15618-1995）[6]，可以看出Cr、Ni、Zn、Pb 4种重金属元素均没有超过原土壤二级标准及新标准中的风险筛选值，As元素接近两种值；Cd、Cu两种元素平均值均超过这两种值，超标倍数分别为1.58、1.27，但低于风险管制值，说明可能存在农用土壤污染风险，应加强土壤环境监测与农产品协同监测，同时应采取农艺调控、替代种植等安全措施。

表1 何家小岭尾矿库周围表层土壤中金属元素的含量（mg/kg）

2.2 相关性分析和聚类分析

金属元素之间的相关性分析如表2 所示。Cr、Cu、Pb、As、Cd 含量之间存在显著正相关，其中Cr 与Pb属于极强相关，Zn与Cr、Cu、Pb、As、Cd 含量之间存在显著正相关，Ni与Pb、Cr呈中等程度正相关，金属元素的显著相关性表明土壤中有着共同的人为和自然污染源[7]。对7 种金属元素进行聚类分析如图2所示。金属元素可分为四大组：Cr、Pb、Cd为第一组；Cu、As为第二组；Ni、Zn分别为第三组、第四组，与相关性分析结果类似。

表2 土壤金属元素之间相关系数

图2 何家小岭尾矿库周围表层土壤金属元素总量的聚类树谱

2.3 土壤重金属形态分布及特征

土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、As 7 种重金属元素的形态分布如表3 所示，金属元素（除Cd 以外）主要以残渣态为主，各采样点残渣态平均值大于56%，其中As、Cr的残渣态占总量的90%以上，Ni、Cu、Pb的残渣态约占总量的70%，Cd 元素的弱酸提取态占比例较高（11.25%～52.18%），平均值为30.23%，Cd本身毒性很强，可被生物直接利用，对生物造成很大的危害。金属元素弱酸提取态顺序由大到小依次为Cd、Zn、Ni、Cu、Pb、As、Cr，说明Cd和Zn生物有效性大于其他金属元素，可提取态的比例越大，其潜在生态危害越大，Pb、As、Cr的可提取态较小，尤其是Cr，可提取态只有0.28%，潜在生态危害较小。

表3 何家小岭尾矿库周围表层土壤中金属形态含量分布（%）

2.4 土壤重金属污染评价

（1）单因子和内梅罗污染指数评价。通过单因子和内梅罗污染指数法[8-9]对研究区27个采样点7种重金属元素的含量计算两种污染指数，计算结果如表4所示。从重金属污染单项指数来看，由大到小依次为Cu、Cd、As、Ni、Zn、Cr、Pb。Cu、Cd、As受到重金属污染，其单项污染指数分别为1.58、1.26、1.01，属于二级轻微污染，其他4种元素单项污染指数小于1。从采样点重金属单项污染指数来看，Cu元素采样点2～6、23单项污染指数超过2，其中4个采样点单项污染指数超过3，已经达到了土壤中度污染水平，说明Cu元素对环境造成的污染状况较为严重，Cd、As元素4号采样点单项污染指数均超过2，达到轻度污染。从内梅罗污染指数来看，研究区8个采样点的土壤处于尚清洁（警戒线）等级以内，只有2个采样点处于清洁等级，其他采样点都位于污染的警戒线上，15个采样点处于轻度污染等级，3个采样点处于中度污染等级。采样点4处于重度污染V等级，综合所有采样点，可知本研究区域土壤重金属总体水平属于轻度污染，考虑到土壤重金属的富集、滞留效应，需采取一定的措施来防止污染进一步加重。

表4 何家小岭尾矿库周围表层土壤金属污染指数

续表4

表5 RAC风险评价分级表

（2）RAC。RAC 法[10]是近年来用于重金属风险表征的常用方法。弱酸提取态迁移性强，可以直接被生物利用，因此具有较高的生物有效性。该方法根据弱酸提取态占总量的质量百分比高低来评价其重金属的生态风险，其比例越高，表示重金属对环境的风险越大[11]，具体分级见表5。根据RAC 法，研究区土壤重金属的风险指数如表6所示。从表6可以看出生态风险系数由大到小依次为Cd、Zn、Ni、Cu、Pb、As、Cr，其中RAC（Cr）＜1%，Cr 元素对该地区生态环境影响不大；Ni、Cu、Pb、As 的RAC 在1%～10%之间，这5种重金属对该地区环境的影响为低风险；10%＜RAC（Zn）＜30%，Zn元素对环境存在中等风险；30%＜RAC（Cd）＜50%，Cd对环境的影响为高风险。Cr、Ni、Cu、Pb、As这些元素向周围土壤环境扩散不明显，而Zn和Cd对环境的影响比较大，重金属被释放出来容易被周围植物所吸收，对农田和土壤存在潜在风险。

表6 何家小岭尾矿库周围表层土壤金属潜在风险指数（%）

续表6

3 结 论

综上所述，（1）研究区土壤中除Ni外，其他重金属元素都高于庐江县土壤背景值，其中Cu、Cd两种元素平均值均超过国家农用地土壤风险筛选值，但低于管制值，As接近风险筛选值。大多数重金属元素在该地区产生了一定的富集。相关分析与聚类分析结果表明，大部分金属含量之间存在显著正相关。（2）金属元素（除Cd 以外）主要以残渣态为主，Cd 元素的弱酸提取态占了相当大的比例（11.25%～52.18%），平均值为30.23%，金属元素弱酸提取态顺序由大到小依次为Cd、Zn、Ni、Cu、Pb、As、Cr，Cd和Zn生物有效性大于其他金属元素。（3）从重金属污染单项指数来看，Cu＞Cd＞As＞Ni＞Zn＞Cr＞Pb。Cu、Cd、As属于轻微污染，从内梅罗污染指数来看，研究区土壤重金属总体水平属于轻度污染，个别采样点处于重度污染等级。金属元素的RAC风险系数由大到小依次为Cd、Zn、Ni、Cu、Pb、As、Cr，Cd对环境的影响为高风险，Zn元素对环境存在中等风险，其他元素具有较低的风险水平或无风险。