某区域内矿区土壤重金属污染与生态风险评价

李传飞，刘登璐，赵 平，王智伟，明 毅

(1.四川省冶金地质勘查院,成都 610051；2.简阳市农业技术推广中心,成都 641499)

前 言

矿产资源的开发一定程度上促进了经济的发展，但也对原生地质环境和生态环境造成不同程度的破坏，导致次生地质灾害、土壤污染等一系列环境问题频发，其中土壤重金属污染因具有持久性、累积性、隐蔽性、循环性和难以治理等特点备受人们的关注[1-6]。矿山开采方式的粗放以及矿渣的不合理堆放对周边土壤造成严重的重金属污染，重金属进入土壤后，因难以被生物降解而长期稳定存在于土壤中，极易被农作物吸收积累，通过食物链威胁人体及生态安全[7-11]。近年来随着矿业的发展，重金属成为矿区普遍存在的问题，这不仅影响矿山自身发展，且影响矿山周边地区的群众生活和农业生产[12-16]。因此，分析矿区土壤重金属迁移规律并评价其生态风险对于矿区环境土壤修复治理具有重要现实意义。

研究区域内矿产资源较为丰富，以磷矿和铅锌矿为主。矿产资源的开发促进了当地经济的发展，是该地区脱贫攻坚的有力手段之一。但由于该地区地质环境条件复杂、历史政策、生产技术水平等各种因素，矿产资源的开发也带来一系列的环境问题。据前期矿山环境地质问题初步调查结果显示，磷矿和铅锌矿区土壤铅、锌、镉、砷污染较为严重，且距离该区域河流较近，但矿区重金属污染程度和生态风险仍不清楚。因此，本文探究该区域内A、B两个矿区的重金属污染情况，并对矿区土壤重金属污染进行评价，以期为该区域矿区的环境保护及治理和矿区绿色发展提供一定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处四川盆地与云贵高原过渡地带，位于乌蒙山脉西北面的金沙江北岸地区，地理坐标为东经103°10′～103°52′，北纬27°49′～28°36′，为四川省雷波县境内的某铅锌矿区(A 矿区)和某磷矿区(B矿区)。A矿区地处西苏角河支沟源头，而B矿区位于溜筒河支沟上游地段，均为长江上游金沙江水系。两个矿区均为该地区目前矿山开采较为典型矿区。该区域属高中山峡谷气候，总体气候特征是干湿季节分明，年降雨量主要集中于夏、秋两季，且由于地形高差和矿山开采产生的废渣随意堆放于沟道，该区域存在泥石流隐患点。

1.2 土壤样品采集与处理

于2017年6月开展土壤样品采集工作，根据前期野外调查结果和现场实际情况进行土壤样品采集，点位布设为沿A矿区所在的河流和B矿区所在的河流，从上游至下游均匀布设土壤采集点位，A矿区河流采集土壤样品11个(如图1所示)，B矿区河流采集土壤样品26个(如图2所示)。同时远离污染源采集1组土壤对照样品(CK)。在剔除地表杂物后，用不锈钢铁锹(避免土壤样品受采样器材的污染，影响检测结果)进行取样，采集深度为0～20cm，采集质量为 1 kg。土样避光自然风干后，充分混匀，并采用四分法取样进行磨碎后，过100目筛待测。

图1 矿区河流土壤样品采集点位图Fig.1 Soil sampling points along a river around the A mine

图2 矿区河流土壤样品采集点位图Fig.2 Soil sampling points along a river around the B mine

1.3 测定项目及方法

土壤pH值：采用农业行业标准(NY/T 1121.2-2006)进行测定。

土壤重金属铅、锌、镉含量：采用王水提取-电感耦合等离子体质谱法测定，HJ 803-2016。

土壤砷含量：采用原子荧光法测定，NY/T 1121.11-2006。

以上样品均送至四川省科源工程技术测试中心进行样品分析测定。

1.4 土壤重金属污染评价方法

参考《土壤环境质量标准》(GB 15618—2018)，选用国家土壤质量二级标准作为评价标准。对研究区域土壤重金属分别采用单因子指数法[17]和内梅罗综合污染指数法[18]进行综合评价，具体如下。

1.4.1 单因子污染指数法

单因子指数法是国内外普遍采用的方法之一，是对土壤中的某一污染物的污染程度进行评价。其计算公式为:

(1)

式中，Pi为土壤中污染物 i 的环境质量指数; Ci为污染物 i 的实测值(mg/kg)；Si为污染物i 的评价标准(mg/kg);分级标准: Pi≤l，未污染; 13，重污染。

1.4.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平， 也突出了污染最严重的污染物给环境造成的危害，其计算公式为:

(2)

式中，PN为土壤中污染物 i 的综合污染指数; Ci为污染物 i 的实测浓度(mg/kg); Si为污染物 i 的评价标准(mg/kg)；(Ci/Si)2max为土壤污染中污染指数最大值; (Ci/Si)2ave 为土壤污染中污染指数的平均值。分级标准: PN≤0.7，安全; 0.73，重污染。

1.5 土壤重金属潜在生态风险评价方法

土壤重金属潜在生态风险评价采用瑞典科学家 Hakanson 提出的评价方法[19-20]，该方法综合考虑了多元素协同作用、毒性水平、污染物浓度以及环境对重金属污染敏感性等因素，采用具有可比的、等价属性指数分级，其不仅反映了某一特定环境中各种污染物的影响，也反映了多种污染物的综合影响[13-14]，在沉积物重金属污染质量评价方面应用广泛[16～19]，其计算公式为:

(3)

(4)

(5)

表1 不同重金属参比值及毒性响应系数Tab.1 Reference ratio of different heavy metals and toxicity response coefficient

表2 重金属和RI的分级标准Tab.2 Classification criteria of heavy metal and RI

1.6 数据处理与图表制作

采用Excel(2013)和Origin(9.0)。

2 结果与讨论

2.1 矿区土壤重金属含量描述性分析

采用描述性统计分析的方法，对该区域A矿区和B矿区采集的土壤的铅、锌、镉和砷含量进行分析。由表3可知，两个矿区土壤各重金属含量均存在较大差异，离散程度大。A矿区土壤样点各重金属含量的变异系数为149.05%～211.42%，其中以土壤铅含量的变异系数最大，而土壤砷含量变异系数最小，其土壤铅含量最大值为39 905.00 mg/kg，最小值为26.20 mg/kg；B矿区土壤样点各重金属含量变异系数为60.88%～118.58%，其中以土壤铅含量变异系数最大，而土壤锌含量最小，其土壤铅含量最大值为274.80 mg/kg，最小值为14.30 mg/kg。变异系数(Cv) 可以在一定程度上表征人为活动强度[19],分级标准为:Cv<10%为弱 变异,10%≤Cv≤30%为中等变异,Cv>30%为强变异，A与B矿区土壤重金属污染均为强变异，表明土壤中重金属分布不均匀，具有明显的离散性，该区域内土壤重金属浓度分布受到外部行为影响[20]。进一步对比两个矿区土壤各重金属含量发现，A矿区土壤各重金属变异系数均大于B矿区，这可能是因为A矿区所在的西角河支沟较长，布设的点位较为分散。同时A矿区土壤铅、锌和镉含量均高于B，而土壤砷含量则低于B，说明A矿区土壤铅、锌和镉污染较为严重，而B矿区土壤砷污染较为严重。

由表3 可知，基于两个矿区土壤的pH值，参照《土壤环境质量标准》(GB 15618-2018)中的二级标准值和土壤背景值，进一步对两个矿区土壤样点超标情况进行分析。A矿区土壤样点均出现超标现象，其中土壤铅、锌和镉含量超标较为严重，超标率在72%以上，而土壤砷含量超标现象则相对较轻，超标率为36.36%；B矿区土壤铅和锌含量均未出现超标，超标率为0%，而土壤的砷和镉含量则出现不同程度的超标，其中砷含量超标率为92.31%，镉含量超标率为65.38%，再次说明A矿区土壤以铅、锌和镉污染为主，而B矿区土壤则以砷和镉污染较为严重。这主要是由于矿石的开采，将地下一定深度的矿物暴露于地表环境，致使矿物的化学形态和存在形式发生改变，当堆在地表的时候，加大了重金属向环境的释放通量，造成了区域内土壤的污染[18, 24]。同时两个矿区土壤样点各重金属含量均超背景值的现象，超背景值比例为42.31%～100.00%，这主要是因为铅、锌开采冶炼和磷矿选矿过程中，会大量侵入周围土壤环境中，镉是伴生元素，因此其浓度也远高于背景值[20]。

表3 矿区土壤重金属含量统计分析结果Tab.3 Statistical analysis results of heavy metal content in soil of mining area

2.2 矿区土壤重金属在流域内的变化

由图3可知，A矿区所在的河流流域内90%以上土壤样品各重金属含量大于对照样品，说明A矿山的开采冶炼活动对该河流流域土壤造成较为严重的重金属污染。土壤样点铅、锌、镉和砷呈现双峰的变化趋势。在A矿区废渣堆下游T03和T10处含量较高，在T118处含量最低，这与河流流域内两处矿区废弃物和尾矿渣污染密切相关。此外，A矿区土壤各重金属含量随河流上游至下游呈现相同的变化趋势，说明土壤样点铅、锌、镉和砷污染源具有一定程度的相似性，说明这4种重金属具有同源性。有研究指出，某锌矿区农田土壤中铅、锌、砷和镉重金属来源相似，也表明各重金属的污染具有同源性。赵秀峰和张倩的研究结果也均与此相同[25～27]。明确重金属的污染来源对于环境的保护与治理具有重要的指导作用，在源头采取合理的治理措施对减轻区域重金属污染具有积极的意义。

注：图a、b、c和d分别表示A矿区土壤重金属铅、锌、镉和砷含量图3 A矿区土壤重金属含量随流域上游至下游变化规律Fig.3 Variation of heavy metal content in soil of mining area in A from upstream to downstream

由图4可知，B矿区所在的河流流域内75%以上的土壤重金属铅、镉、砷含量高于对照，而42%左右的土壤锌含量高于对照，说明矿山的开采和洗选活动对该流域内土壤造成不同程度的重金属污染。从上游至下游，土壤铅含量呈下降趋势，而土壤锌、镉、砷含量呈现不规律的波浪形变化趋势，这与B矿区开采作业的矿洞分散，且采矿产生的废渣沿沟内就地堆放密切相关。其中土壤镉含量最高出现在B矿区河流上游两侧废渣堆交汇T62处，而土壤砷含量则在选矿废渣下游T37、T38和T54达到最高，说明坪头铅磷矿区采矿活动产生的废渣及其堆浸废水和选矿废渣对河流流域内土壤造成了明显的重金属污染，其污染源主要为B矿区产生的废渣。此外，B矿区土壤各重金属含量随上游至下游呈现不完全一致的变化趋势，说明土壤重金属污染来源不完全相同，其中土壤镉污染主要来源于B矿区的采矿废渣，而土壤砷污染则主要来源于选矿废渣及废水。

注：图e、f、g和h分别表示B矿区土壤重金属铅、锌、镉和砷含量图4 B矿区土壤重金属含量随流域上游至下游变化规律Fig.4 Variation of heavy metal content in soil of mining area in B from upstream to downstream

2.3 矿区土壤重金属污染评价

根据区域内两个矿区土壤的重金属含量，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对矿区内土壤铅、锌、镉和砷污染情况进行评价。由表4可知，两个矿区土壤均出现不同程度的重金属污染。A矿区土壤各重金属单因子污染指数均较高，其中以镉单因子污染指数最大，为75.48，其污染程度为Cd>Zn>Pb>As，其中土壤铅、锌和镉均呈现重污染现象，而土壤砷则呈现中度污染。同时，A矿区土壤重金属内梅罗综合污染指数为2 898.51，为重污染标准限值的99.50倍，说明A矿区土壤重金属污染十分严重，这与矿石开采的种类密切相关。B矿区土壤各重金属单因子污染指数则差异相对较大，以砷单因子污染指数最大，为6.76，而铅单因子污染指数最低，为0.25，其污染程度为As>Cd>Zn>Pb，其中土壤铅和锌污染单因子污染指数均小于1，处于未污染状况，而土壤镉和砷单因子污染指数则大于3，呈重污染现象。B矿区土壤重金属内梅罗综合污染指数为24.16，为重污染程度。说明B矿区镉和砷污染较为严重，而铅和锌污染则相对较轻。此外，对比两个矿区发现，A矿区的土壤铅、锌和镉单因子污染指数均大于B矿区，而砷单因子污染指数则呈现相反的变化趋势，说明矿区开采的矿石种类和不同矿石的洗选工艺均会影响土壤重金属污染程度。

表4 矿区土壤重金属污染评价结果Tab.4 Evaluation results of heavy metal pollution in mining area

续表4

2.4 矿区土壤重金属潜在生态风险分析

表5 矿区土壤重金属潜在生态风险分析结果Tab.5 Analysis results of potential ecological risks of heavy metals in soil of mining area

3 结 论

3.1 区域内两个矿区土壤样点各重金属含量均存在较大差异。A矿区土壤铅、锌和镉含量超标较为严重，超标率在72%以上；B矿区土壤砷和镉出现不同程度的超标，其中砷含量超标率为92.31%，镉含量超标率为65.38%，说明A矿区以土壤铅、锌和镉污染为主，而B矿区土壤砷和镉污染较为严重。

3.2 区域内两个矿区土壤各重金属含量在流域内的变化趋势不同。A矿区从河流上游至下游，土壤样点铅、锌、镉和砷含量呈现双峰的变化趋势，而B矿区从河流上游至下游，土壤锌、镉、砷含量呈现不规律的波浪形变化趋势。

3.3 区域内两个矿区土壤均出现不同程度的重金属污染和生态风险危害。A矿区均为以土壤镉的单因子污染指数(75.48)和生态风险指数(2 717.28)最高，属重污染和极强生态风险危害，且矿区综合污染指数和生态风险综合指数分别为2 898.51和4 502.68，属重污染和很强生态风险危害；B矿区均以砷的单因子污染指数(6.76)和生态风险指数(154.77)最高，属重污染和强生态风险危害，且矿区综合污染指数和生态风险综合指数分别为24.16和208.34，属重污染和中等生态风险危害。