钒钛磁铁矿尾矿库周边农用土壤重金属污染诊断

杜 波

(四川劳研科技有限公司，四川 攀枝花 617000)

土壤作为农业生产的主要载体和生态环境的重要组成部分，其环境质量的好坏与人类健康息息相关，然而，随着经济的快速发展，土壤重金属污染问题日渐凸显[1]。矿产资源是经济发展的重要物质基础，其开采、选矿及冶炼等活动中会产生含较高有毒有害重金属的固体废物—尾矿[2]。尾矿多露天堆存于尾矿库内，长期裸露的尾矿会因外界环境条件的改变，使内部更多重金属元素经释放、迁移等过程，进入水体和土壤环境中，给周边水体、土壤带来严重污染，对农田等生态系统和人体健康构成严重威胁[3]。因此，对尾矿库导致的周边土壤重金属污染研究具有特别重要的意义。

攀枝花市地处四川省西南部，境内钒钛磁铁矿资源十分丰富，钒钛磁铁矿矿产的发展已成为当地的经济支柱。大规模的矿业活动产生了大量的尾矿囤积在尾矿库内，由于攀枝花地区矿物组成复杂，难以分离，综合利用难度较大，尾矿中重金属含量较高[4]，且尾矿粉由于风力作用等进入尾矿库周边土壤，使其尾矿库成为一个主要的环境污染源，环境污染问题严重[5]。

鉴于此，本研究以攀枝花钒钛磁铁矿尾矿库为研究目标，探讨尾矿库对周边农用土壤的影响，通过对尾矿库周边农用土壤重金属污染情况进行调查，并结合单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法对其污染状况进行系统分析，以期为该区域土地利用结构调整、土壤重金属污染防治及生态保护提供科学依据。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

研究区位于四川省攀枝花市东区银江镇，属于南亚热带—北温带的多种气候类型，具有夏季长，四季不分明的特点，年平均气温19.7℃～20.5℃，是四川省年平均气温总热量最高的地区，无霜期达300天以上；气候干燥，降雨量集中，年降雨量801.60mm。

1.2 样品采集与处理

以尾矿库初期坝为起始点，分别沿南北方向间隔200m依次采集0～20cm的表层土壤，采样点均设置在尾矿库周边的农用地内。具体采样点布置如下图所示。

图 采样点分布图Fig. Sketch map of soil sampling sites

各采样点在200m×200m范围内随机采取5个分样品，充分混合，采用四分法标记成一个样品，共采集混合土壤样品30个。采集的样品均装入聚乙烯塑料袋中，并注明采样点的信息。将土壤样品自然风干，去除样品中植物残渣、石块等杂质，并研磨成粉末，过100目筛，装入样品袋中低温保存，供分析测定使用。

1.3 样品分析方法

土壤pH值采用水土比为2.5∶1配比后，用pH计进行测定；土壤重金属全量采用电热板湿法消解，即采用硝酸-氢氟酸-高氯酸高温消解土壤样品，铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)、镉(Cd)采用原子吸收分光光度计(ICE3500，美国热电)测定，汞(Hg)、砷(As)采用原子荧光分光光度计(AFS-9330，北京)测定。通过测定参考标准样(国家一级标准物质GSS-13)对土壤样品的测定进行质量控制。

1.4 评价标准及数据处理

采用《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)[6]对尾矿库周边农用土壤环境质量进行评价，见表1。

表1 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》GB15618-2018Tab.1 Soil environmental quality standards for soil pollution risk control in agricultural land(trail) (mg/kg)

1.5 数据处理与分析

数据采用Excel2010、SPSS12.0、Origin8.0等软件进行统计分析。应用重金属含量相关性分析方法、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态风险指数法对尾矿库周边土壤环境质量现状进行评价。

2 结果与讨论

2.1 土壤中重金属含量分析

研究区土壤pH呈中性或弱碱性，范围为7.46～8.11。根据对尾矿库周边农用土壤重金属的监测结果，6种重金属Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As的含量、平均值、标准差和变异系数见表2。可以看出，测定的Hg、Cd、Ni、As的含量变化幅度较大，分别为0.041～2.62、0.02～0.32、9.21～57.1、2.44～15.0mg/kg，最大值与最小值的比值分别为63.9、16.0、6.2、6.1，说明尾矿库周边农用土壤中的重金属含量受外源重金属污染影响较大。6种重金属元素的平均值都未超过 《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)风险筛选值，只有极个别采样点的Hg含量接近标准风险筛选值。除Pb、As元素，其余4种重金属元素平均值均超过四川省土壤环境背景值，说明人为因素造成的重金属积累比较明显。变异系数是表示样品变异程度的重要参数，反映了不同样品之间的平均变异程度，其值越大，说明受人为干扰越强烈[7]。土壤中Hg的含量显示为强变异，变异系数为182.79%，其余元素的变异系数均介于10%～100%，达到中等变异强度，说明研究区农用表层土壤重金属空间分布具有一定的差异性。

表2 土壤重金属含量统计Tab.2 Statistics of heavy metal content in soil

2.2 土壤中重金属相关性分析

本研究对土壤中重金属含量进行相关性分析，从表3可以看出，Cr与Pb、Cr与Cd、Cr与Ni、Pb与Cd、Pb与Ni有较强正相关性，说明这些元素之间可能存在相同的污染源或者受到了相似因素的影响；其中Cr与Ni之间的相关系数最大，达到了0.839，有着极强的相关性，暗示研究区域中Cr与Ni的关系最为密切，它们之间的相互影响也最大。Hg与其他元素均无显著的相关性，推测Hg与其他元素的污染源不同。

表3 土壤中重金属含量间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between heavy metal in the soil

2.3 单因子污染指数和内梅罗污染指数法评价

以风险筛选值为标准计算各重金属的单因子污染指数法，来评价重金属元素的累积污染程度，其值越大说明受重金属污染程度越重。从表4可以看出，各重金属的单因子污染指数均小于1，说明尾矿库周边农用土壤未受到Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As等重金属污染；从各重金属污染指数的平均值角度看，6种重金属均属于未污染水平，污染程度为As>Cr>Cd>Ni>Pb>Hg。

表4 重金属单因子污染指数Tab.4 The single factor pollution index of heavy metal

内梅罗污染指数法是将研究区土壤环境质量作为一个整体进行评价，能够更加科学、客观地评价研究区域的重金属污染状况，既综合考虑了单因子污染指数最大值和平均值，又突出强调了高浓度重金属对土壤环境质量的影响，可以反映多种重金属对土壤环境的复合污染作用。通过分析可知尾矿库各监测点土壤重金属的内梅罗污染指数介于0.11～0.59，均小于0.7，说明各监测区域土壤环境质量处于清洁水平，能够进行各类农业生产活动。

2.4 潜在生态风险指数法评价

由瑞典科学家Hakanson[9]提出的潜在生态风险指数法不仅考虑了重金属含量对土壤环境的影响，又把重金属的生态效应、环境效应和毒理学效应联系在一起，并用定量的方法划分出潜在生态风险危害程度，具有一定的实际意义。土壤中重金属潜在生态风险指数的计算方法如下：

(1)

Ei=Ti×Ci

(2)

(3)

其中，Ci为重金属i的潜在生态风险单项系数；Di为土壤中重金属i的含量；Bi为重金属i的土壤背景值，采用四川省土壤环境背景值进行计算[8]；Ei为重金属i的潜在风险系数；Ti为重金属i毒性响应系数，Cr、Ni、Pb、Cd、Hg、As取值分别为2、5、5、30、40、10[10]；RI为土壤中各种重金属的综合潜在生态风险指数。

根据潜在生态风险指数的大小，可将土壤中重金属的潜在生态风险程度划分为表5所示的5个级别。

表5 潜在生态风险指数法分级标准Tab.5 Classification criterion of potential ecologicalrisk index

利用潜在生态风险指数法的相关计算公式得出表6。从重金属的潜在风险系数Ei来看，Cr、As、Pb、Ni这4种重金属在所有的采样点的数值都小于40，风险程度低；Cd、Hg这两种重金属的最大值分别为121.52、1 718.03，达到较重风险、严重风险级别；从不同重金属的Ei均值来看，Cd为中生态风险程度，Hg为重生态风险程度，其余重金属均为低风险程度，尾矿库周边农用地各重金属潜在生态风险程度强弱顺序为Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cr；以多元素综合潜在生态风险指数(RI)评价不同采样点的潜在风险，轻微及中等生态危害的采样点共25个，占总采样点的83%，RI的平均值为274.62，为中等生态危害，说明尾矿库周边土壤整体生态风险不大；部分采样点达到了很强甚至极强生态危害，需要对这些区域土壤进行综合治理，尤其是加强对Hg的污染防治。

表6 潜在生态风险指数Tab.6 Potential ecological hazard index

通过对比几种方法的评价结果，表明：攀枝花钒钛磁铁矿尾矿库周边农用地土壤环境质量尚处于清洁水平，未受到Hg、Cd、As、Ni、Pb、Cr等重金属的污染；但部分监测点位土壤重金属含量高于四川土壤环境背景值，说明部分区域土壤中产生了重金属累积效应，应采取适当措施改善土壤环境质量，避免土壤环境质量进一步恶化。

续表6

3 结 论

3.1 重金属的总量结果显示，研究区土壤中的重金属含量均未超过GB15618-2018风险筛选值，但人为因素造成的重金属积累比较明显。

3.2 相关性分析表明，研究区土壤中多种重金属含量之间具有较强正相关性，说明这些重金属之间可能有相同的污染源。

3.3 六种重金属的单因子污染指数均小于1，说明尾矿库周边农用土壤未受到重金属污染；尾矿库各监测点土壤重金属的内梅罗污染指数均小于0.7，说明各监测区域土壤环境质量处于清洁水平。

3.4 从潜在生态风险指数评价结果来看，尾矿库周边农用地各重金属潜在生态风险程度强弱顺序为Hg>Cd>As>Ni>Pb>Cr，采样区域整体处于中等生态危害。

3.5 对比几种方法综合结果表明，尾矿库周边农用地土壤环境质量处于清洁水平，部分监测点土壤重金属含量高于四川土壤环境背景值，说明部分区域土壤中已产生了重金属累积，应采取适当措施改善土壤环境质量。