几种重金属污染评价方法在稀土矿区中的应用

宋晓薇 刘 凯 赵侣璇 徐荣乐

（广西壮族自治区环境保护科学研究院 广西南宁 530022）

引言

近年来，随着人类经济社会的发展，生态破坏和环境污染的问题更受关注，土壤重金属污染具有多源性、隐蔽性、难降解、毒性大等特性，是其中重要环境问题之一[1]，其可能对农作物的生产、产品和产量造成危害，通过生物富集进入食物链，具有损害人和动物健康的潜在风险[2]。矿产资源的开发和利用是土壤重金属污染物的主要来源[3][4]，因此，对开采矿区土壤重金属污染的环境风险开展研究，成为环境土壤学的研究热点[5]。当前，土壤重金属污染评价方法主要包括模糊数学法、环境质量综合指数法、物元模型分析法、非线性可拓扑评价法、地积累指数法、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法等[6～8]，上述方法可用于研究土壤重金属污染物风险评价，直观、定量地在空间上的变化趋势和污染程度，且因地制宜地将多种方法结合使用能够有效解决实际问题[9]。

本文以广西桂东离子型稀土矿区为研究对象，针对研究区污染特点，利用单因子污染指数法、地积累指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害指数法对稀土矿区土壤重金属污染进行评价，通过分析离子型稀土矿开采对土壤的污染情况，综合评价土壤重金属污染水平，为综合评价该区域重金属污染风险，开展污染防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西桂东贺州市某正在开采的稀土矿区，中心点坐标为东经111°09′17″，北纬24°36′19″，共赋存3 个矿体，山型为圆形土堆，矿区总面积13.22km2，山体南面为开采区，西面、东面和北面偏西为未开采区，矿区地势为西南高，东西低，地下水流向为南向东西方向。

1.2 样品采集与前处理

样品采集方法按照 《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166─2004），根据稀土矿区开采情况、周边人类活动情况，以矿区中心V0 为圆心，V1 开采矿区，V2 采矿下游区，V3 采矿上游区，V4 未开采区域各设置一条采样线，以V0 为起点间隔500m 设置1 个采样点，每个区域各设置10 个采样点。采样点示意如图1。

图1 研究区土壤采样点示意图

每个土样由3～5 个分样组成，通过钻孔采集，采样深度为表层至风化砂岩层，分别为表层土深度3cm、中层土深度10cm、底层土深度20cm，采用四分法各点采集1kg 土样。将采集的样品放置并自然风干，分离样品中的有机残渣、植物根系等其他杂物，样品研磨后过100 目筛备用。

1.3 分析方法

土样样品分别分析Pb、As、Cd、Cr、Sb 五项指标。称取0.3 g土壤样品置于100ml 烧杯中，加入20 mlHNO3和5 mlHClO4混合溶液，然后加入10ml 浓H2SO4，盖上表面皿，浸泡放置过夜。隔日，用加热板加热消解液至接近无色，冷却后转入100ml 容量瓶。Pb、Cd、Cr 的测定用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent 7500c），As 和Sb 的测定采用原子荧光法,所有测定均由平行双样和加标回收样进行质量控制。

1.4 评价方法

本研究将每个采样区样品分析结果平均值，采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地积累指数法和潜在生态风险指数法分别对研究区土壤重金属污染情况进行评价，评价标准参考《土壤环境质量标准》（GB15618-1995），参照标准为广西壮族自治区土壤环境背景值[10]。

1.4.1 单因子指数法

单因子指数法常用于对单因子污染物作用结果进行评价，是多因素综合评价法的基础。计算如公式1：

式中：Pi为某重金属污染物i 的单项环境质量指数；Ci为样品中某重金属污染物i 的实测值；Si为某重金属污染物i 的评价标准值，本研究选择《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）二级标准作为土壤质量参比值。

Pi越大，表明该样品受到的污染越严重。表1 为单项污染指数法污染等级划分的标准。

表1 土壤重金属单因子指数法污染等级划分标准

1.4.2 内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数法适用于多种污染因素综合作用结果的评价，综合评估各种污染因子的生态风险，并反映环境中生态风险最大的污染因子。计算如公式2：

式中：Pn为综合污染指数，Pia为平均单项污染指数，Pimax为最大单项污染指数，内梅罗综合污染指数法污染等级划分的标准如表2 所示。

表2 内梅罗综合污染指数法污染等级划分标准

1.4.3 地积累指数法

地积累指数法适用于评价沉积物及其它物质中重金属污染程度的方法[5]，其计算如公式3：

式中：Igeo是地积累指数，Cn表示元素n 在的含量；Bn表示该元素的背景值，参考广西壮族自治区土壤环境平均值[10]。

表3 为地积累指数法污染等级划分的标准。

表3 地积累指数法污染等级划分标准

1.4.4 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数法适对于沉积物或土壤重金属污染风险评价，综合土壤重金属含量以及重金属的环境效应、生态效应和毒理学等因素，其表达如公式4：

式中：RI 为潜在生态危害指数；Ci为某一重金属实测含量；为对应元素的评价标准，采用广西壮族自治区土壤环境背景值作为参照背景值[10]，为第i 种重金属元素的毒性系数；为第i种重金属的潜在生态危害系数，分级标准如表4。

表4 潜在生态危害单项系数（）、潜在生态危害指数（RI）分级标准[15]

表4 潜在生态危害单项系数（）、潜在生态危害指数（RI）分级标准[15]

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量水平

表5 展示了区域土壤重金属含量水平。研究区土壤pH 均值为5.26，以轻度酸化土壤为主。本研究开采矿区土壤中Pb、Sb、Cd、Cr 和As 五种重金属的平均含量分别为54.32、2.61、0.12、37.01 和24.33 mg/kg，Pb、Cd、Cr 和As 含量均远低于二级标准限值，Sb 低于世界卫生组织（WHO）推荐的最大允许值（3.5 mg/kg）[12]，研究区重金属均未超标。从5 种重金属的变异系数来看，Pb、Sb和As 的变异系数较大，存在显著变异（＞30%），可能受到人为因素的影响。各区重金属含量显示，V1-开采矿区重金属含量最高，V4-未开采区重金属含量最低，V2-采矿下游区和V3-采矿上游区重金属含量分别为第二位和第三位。

表5 研究区域土壤重金属含量

2.2 评价结果

2.2.1 单因子指数法评价结果

对照《土壤环境质量标准》（GB15618－1995）二级标准，分别计算5 种元素的单因子污染指数，结果如图2 所示。总的污染程度显示：采样区土壤单因子均小于1，土壤未受到污染，其中，V1-开采矿区污染指数最高，其次为V2-采矿下游区，V3-采矿上游区和V4-未开采区单因子指数均较低。Pb、Cd、Cr、As 和Sb的单因子污染指数均小于1，说明上述5 种重金属元素均未对土壤产生污染，研究区土壤重金属单项污染指数依次为Sb＞As＞Cd＞Cr＞Pb，表明Sb 污染程度最大，Pb 污染程度最轻。

图2 单因子指数法评价结果

2.2.2 内梅罗综合污染指数法评价结果

采用内梅罗综合污染指数法评价研究区土壤综合污染程度，评价结果如图3 所示。结果显示，研究区内梅罗综合污染指数均小于0.7，评价结果为清洁土壤。其中Pn 由大至小依次为V1＞V2＞V3＞V4。

图3 内梅罗综合污染指数法评价结果

各污染物的分担率（表6）结果表明，研究区土壤重金属风险指数的主要贡献因子是Sb 和As，污染分担率分别为38.48%和20.67%，其它污染物的污染分担率均小于20%，其中贡献率最小的为Cr，仅有2.16%。

表6 研究区域土壤重金属内梅罗综合污染指数

2.2.3 地积累指数法评价结果

研究区土壤在广西背景值下的地积累指数及相应的重金属污染级别如图4 所示。结果显示，V1-开采矿区土壤污染程度为轻微污染，V2-采矿下游区、V3-采矿上游区、V4-未开采区Igeo均为0，结果显示均未受到重金属污染。V1-开采矿区中，Pb、As、Cd地积累指数分别为0.94、0.87 和0.37。Igeo均值评价结果显示，各重金属元素的污染程度排序为：Pb＞As＞Cd＞Sb＞Cr，Pb、As 的污染程度较强，是主要的污染因子。

图4 地积累指数法评价结果

2.2.4 潜在生态危害指数法评价结果

采用Hakanson 推荐的潜在生态危害风险指数评价结果见图5。

图5 潜在生态危害指数法评价结果

结果显示V1-开采矿区潜在生态危害风险指数最高，属于中等生态危害；V2-采矿下游区、V3-采矿上游区和V4-未开采区均属于轻微生态危害。5 种重金属的潜在生态危害单项指数显示，Sb 和Cd 为中等生态危害，As、Pb 和Cr 为轻微生态危害，大小顺序为：Cd＞Sb＞As＞Pb＞Cr。

2.3 评价结果比较与分析

四种土壤重金属污染评价方法结果显示，V2-采矿下游区、V3-采矿上游区和V4-未开采区土壤均未受重金属污染，潜在生态危害风险指数较低，V1-开采区的污染等级指数是四个分区中最高的，地积累指数法结果显示该区域轻微污染，潜在生态危害风险指数法显示其具有中等生态危害，单因子指数法和内梅罗综合污染指数法评价结果显示V1 区虽未受到重金属污染，但评价指数相对较高，说明四种方法在研究区的土壤重金属污染风险评价结果具有一致性。同时也说明，在轻微污染和中低风险区域，地积累指数法和潜在生态危害风险指数法灵敏度较高，更易于识别土壤潜在污染和生态风险。

重金属单污染指数评价结果显示，单因子指数法、内梅罗综合污染指数法和潜在生态危害风险指数法主要污染重金属因子均指向Sb、As 和Cd，表明单污染指数评价结果具有一定的一致性，但潜在生态危害风险指数法污染程度排序有轻微差异，这可能是由于重金属毒性系数偏差造成影响[13]。地积累指数法重金属污染程度排序与其余方法评价结果截然不同，主要原因是地积累指数法主要考虑自然成岩作用，一定程度上反映了外源重金属的富集程度[14]。

表7 几种土壤重金属污染评价方法结果比较

结语

（1）研究区土壤以轻度酸化土壤为主，V1-开采矿区重金属含量最高，污染风险最大，V2-采矿下游区含量次之，V3-采矿上游区和V4-未开采区区含量分别为第三位和第四位。V1-开采矿区Pb、Sb、Cd、Cr 和As 五种重金属的平均含量分别为54.32、2.61、0.12、37.01 和24.33mg/kg，Pb、Cd、Cr 和As 含量均低于 《土壤环境质量标准》，Sb 低于WHO 推荐的最大允许浓度，研究区重金属未超标。表明离子型稀土矿区开采对矿区土壤重金属浓度有一定的影响，但并未对矿区土壤造成污染。

（2）单因子污染指数、内梅罗污染指数、地积累指数法和潜在生态风险指数四种方法进行评价结果比较发现，其结果具有一致性，地积累指数法和潜在生态危害风险指数法灵敏度更高，更易于识别轻微污染区域。但对重金属单因子评价结果具有差异，尤其是地积累指数法差异较大，主要原因是地积累指数法综合考虑土壤沉积物及其他物质中重金属污染程度。

（3）对研究区域土壤进行重金属污染评价研究时，建议采用多种评价方法进行综合分析和对比，以确保评价结果的科学性与准确性，尤其在低污染区域，建议采用灵敏度不高地积累指数法和潜在生态危害风险指数法共同开展评价。