安徽铜陵铜尾矿土壤污染评价及综合利用研究

李瑞娟，周冰

（1. 西安航空学院能源与建筑学院，陕西 西安 710077；2.青海省地质矿产测试应用中心，青海 西宁 810000）

随着矿产资源的不断开采，对当地自然环境造成严重的生态破坏，其中以土壤重金属污染现象尤为严重。目前，国内针对矿区土壤金属污染评价的方法日趋成熟，包括内梅罗指数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法等[1]，但对于土壤污染的来源及分布研究并不全面，因此在运用以上方法进行金属污染评价的基础上，对污染元素的来源及空间分布特征进行研究，对查明重度污染区域及今后的污染防治具有十分重要的现实意义。

1 研究区概况

安徽省某金属尾矿库位于铜陵市东北部，三面环山，北有小峰山，南有乌木山，东北坝下有钟团村。该尾矿库主要包括铜陵铜尾矿、杨山冲尾矿、铜官山尾矿和金口岭尾矿，设计总库容约为540万m3，目前尾砂堆存约670 m3，占地面积约44万m2。其中铜陵铜尾矿废弃地是一处存在重金属Cu毒害的原生裸地，含有大量金属硫化物和有毒物质，不仅对周围环境造成了严重污染与破坏，还通过食物链对人体健康造成危害。

目前该尾矿废弃地下游仍住有居民约260户，农田约70 km2，且布置有公路和铁路设施。由于该地区属于亚热带季风气候，夏季多雨，年平均降水量约1400 mm，尾矿重金属元素易通过降雨排水和地表径流等方式冲刷至下游[2]，对下游居民安全及交通设施造成危害。故本文针对铜陵铜尾矿废弃地及周边55 km2范围内土壤进行金属污染评价及综合利用研究，具有一定的现实意义，也为其他类似矿区提供参考价值。

2 样品采集与测试方法

2.1 样品采集

为查明土地质量现状，了解土壤污染状况，采集研究区0～20 cm表层样品。表层土壤样点均匀布置，布设密度采用20个点/km2，根据实际情况，共采集表层土壤样品754个，其采样具体方法如下：

（1）样品采集时，刮去地表植物凋落物，以刻槽方式采集地表至20 cm深处的土柱，并去除杂草、砾石、肥料团块等杂物[3]。

（2）在每处采样时，要在周围10 m范围内至少采集3处以上土壤样品组合成一件样品，采样点坐标记录中间采样点GPS显示的坐标。

（3）所采集的样品原始重量应不低于2000 g，以保证自然干燥过筛后，截取的粒级样品（＜0.8 mm）重达1000 g[4]。

（4）采样用的布袋要经过洗涤，比较湿的和污染较重的样品要用塑料口袋装好隔离，避免与其他样品相互污染。

2.2 样品测试

为了充分考察土壤污染情况，查明土壤中污染元素的含量及分布特征，故对土壤样品中污染元素进行测试分析，包括砷、镉、铬、铅、汞、镍、铜和锌共计8项，其测试方法及仪器见表1。

表1 测试方法及仪器统计Table 1 Test methods and instrument statistics

2.3 金属污染评价方法

土壤中存在的重金属污染大多表现为综合污染，故应在传统单因子指数法的基础上将同个样品中不同污染物的污染指数和同个污染物中不同样品的污染指数两者进行综合，从而达到对单个污染物或采样点综合评价[5]。其中，内梅罗指数法是国内对土壤环境质量进行综合污染指数评价普遍方法之一，它能够全面考虑不同重金属元素对土壤环境质量的影响，综合反映出不同污染物对土壤环境的不同作用[6]。其计算公式如下：

式中：PN-土壤综合污染指数；Ci⁄Si -土壤中第i种污染物的单项污染指数；(Ci⁄Si )max-土壤污染物中的最大单项污染指数；(Ci⁄Si )ave-土壤中各类污染物的单项污染指数的平均值。

根据内梅罗综合污染指数可将土壤划分为5个等级。

2.4 金属元素空间分布研究方法

随着GIS 技术的不断发展，可运用地理信息系统软件Arc GIS 10.2分析土壤中金属的空间分布状况[7]。其中影响该软件对土壤中金属元素空间分布预测精度的因素包括采样点的数量，布点的空间结构和空间插值方法。

本次研究共采集样点数量754个，满足实际需求；布点方法可基于GIS 技术准确快速地直观表达，同时将土壤属性数据与样点空间数据相关联，从而建立样点数据库便于数据保存与实时更新；空间插值方法选用普通克里金插值法对研究区土壤中金属含量进行内插，把已知数据点之间的未知区域部分通过插值来进行估算并赋值，通过这些离散点的特征数据得出连续的空间数据集，然后按不同浓度值重新分类后分级着色得出各金属元素的空间分布状况图，从而对研究区土壤的重金属含量和污染状况全面把握。

3 土壤污染评价

目前，铜陵铜尾矿土地贫瘠，土壤养分匮乏，富含重金属，遗留大片废地，仅在边缘区域存在少数植物存活，而中央区域几乎无植物生长。

3.1 土壤测试指标分析

根据样品测试结果，运用SPSS 22.0统计分析软件对上述754个土壤样品的测试指标进行描述性分析，分别统计其极小值、极大值、中位数、平均值、标准差和变异系数，并参考全国土壤污染状况调查中当地背景值[8]，见表3。

由表3可得，研究区土壤中Hg元素变异系数最大，高达233%，具有较强的变异性，而其他金属元素的变异系数较低，均在[0,1]范围，具有中等变异性，这说明人为活动对矿区内土壤化学组成成分影响有限。同时根据各金属元素的平均含量与当地背景值对比可得，目前研究区内Pb、Cu、Zn和Hg四种元素已经在土壤中开始累积。

3.2 内梅罗污染评价

运用内梅罗指数法对研究区754 个土壤样品中的砷、镉、铬、铅、汞、镍、铜和锌八种金属元素含量计算其单项污染指数，以国家土壤环境质量标准(GB 15618-2018)中pH≤6.5 的二级标准为评价标准，按公式（1）计算样品中污染因子的污染指数，其评价结果见表4。并根据表2对样品划分污染等级程度，其结果见表5。

表2 土壤质量分级标准Table 2 Standard table of soil quality classification

表4 污染评价结果Table 4 Pollution evaluation results

表5 污染等级结果Table 5 Pollution level results

由表4可得，研究区土壤中Hg和Cu元素的超标现象最严重，各采样点中Hg和Cu的综合污染指数分别为3.822和3.641，达到重度污染；其次是 Cd，其综合污染指数为 1.376，构成轻度污染；Ni和Zn两种元素除部分存在轻微污染外，其综合污染指数表明研究区总体上并未受到污染；As、Cr和Pb三种元素均处于安全水平，没有造成污染。结合综合污染指数可得，研究区土壤采集样品中19.8%的采样点已达到重度污染，这将严重威胁当地环境安全。根据样点分布及现场勘查推测重度污染区域主要分布在采区和尾矿废弃地附近。

3.3 空间分布研究

利用Arc GIS 10.2中的 Geostatistical Analysis 地统计分析模块，采用普通克里金（Kriging）插值法绘制研究区污染元素在空间上的分布状况，见图1。

图1 污染元素分布Fig. 1 Distribution of pollution elements

图1展示了研究区内土壤8种污染元素含量的空间分布。由图1可知，砷、汞、铜、铬和锌元素具有相似的空间分布特征，呈现以采区为中心向四周递减的趋势，元素含量较高的区域集中分布在采区和尾渣堆积地，其他区域含量随距采区距离的增大而递减。其中，研究区中含量较高的污染元素为铜元素，最大值为198.670 mg/kg，最小值为13.258 mg/kg，远大于其他污染元素的含量，并通过图中空间分布可得铜元素集中分布于采区和尾矿废弃地，而其他区域含量几乎为0，分析其原因可能和矿区不充分开采有关，造成大量铜元素残留，另外尾矿废弃地自身金属元素含量偏高，并伴随着降雨、刮风和人为活动等因素不断向周围迁移。

3.4 污染元素综合利用

根据上述研究区目前存在元素Pb、Cu、Zn和Hg累积，借鉴曹红梅对香根草的研究[9]，在重度污染区域随机选择10个样点处种植香根草以期研究香根草对重金属的富集吸收及转运能力。根据表1中测试方法及仪器分别测试土壤样品、香根草根部、茎部内Pb、Cu、Zn和Hg四种金属元素的含量，取其平均值统计结果可见表6。

表6 香根草富集系数与转运系数统计Table 6 Statistics of the enrichment coefficient and transport coefficient of vetiver

富集系数BCF[10]是评价植物对于重金属富集能力的重要指标，转运系数TCF[11]是体现植物将重金属离子由根部运输至地上部的主要指标。由表6可知，香根草对Pb、Cu、Zn和Hg四种元素中，仅有Cu的富集系数大于1，其他均小于1，说明香根草根系对Cu的富集能力很强，可以作为研究区生态恢复的备用植物，但其转运系数较低，如何在不破坏根系的前提下有效利用香根草将Cu转移出土壤进一步利用仍待研究。

4 结 论

（1）通过测试指标分析和内梅罗污染评价可得，目前研究区土壤中累积污染元素主要为Pb、Cu、Zn和Hg，其中尤以Hg和Cu金属污染最为严重，其综合污染指数分别达3.822和3.641，且19.8%的采样点已达到重度污染程度。

（2）通过Arc GIS及普通克里金插值法，得出As、Hg、Cr和Zn元素具有相似的空间分布特征：以采区为中心向四周递减。其中含量较高的污染元素为Cu，集中分布于采区和尾矿废弃地，并未迁移至下游居民区。这与现场勘查重度污染样点分布地点一致，说明了引入Arc GIS 对污染元素空间分布状况研究的可行性，为后续综合治理做下了铺垫。

（3）针对研究区土壤铜污染问题，可选择香根草作为生态恢复植物。香根草对Cu的富集系数为1.31，具有很强的富集能力，可有效降低土壤中Cu元素的含量，但其转运系数较低，如何在不破坏根系的前提下有效利用香根草将Cu转移出土壤进一步利用仍待研究。