拉萨某铜铅锌尾矿库周边土壤污染评价

杨 涛，旦 增，郭佳晨，周文武，许 飞，倪海风

(西藏大学 理学院，西藏 拉萨 850000)

1 引言

我国是世界第三大矿业国，矿山开采利用取得很大成就，同时也造成了许多环境问题。矿渣是原矿经过冶炼而产生的工业废渣，其资源化利用和安全处置受到广泛关注[1, 2]。据调查发现，2020年我国工业固体废弃物产量已经超过30亿t/年，年均增长率在7%左右[3～5]。尾矿产量大约是工业废弃物总量的80%左右，总储量超过600亿t。目前，国内外尾矿的主要类型为铁、铜、金，3者的总堆存量占总尾矿量的83%左右，3种尾矿的年产量分别为：铁尾矿：约8.39亿t；铜尾矿：约2亿t；金尾矿：约1.5亿t[6～9](图1)。

图1 2009～2019年尾矿产量及利用量

西藏地处我国西南边陲，不仅是我国重要的安全屏障、生态屏障和战略资源储备地，还因地质特殊，自然资源丰富，使得西藏的成矿条件极佳。青藏高原素来有“世界屋脊”之称，其环境问题更是备受关注。工业化时代的到来，矿产资源开采成为经济发展的中流砥柱[10]。此外，因为矿产开采工艺的不成熟，资源不能有效利用，造成资源大量浪费[10, 11]。矿石中除了可利用的资源外，还有许多对环境有害的成分，如果不能有效处理将会造成很严重的环境问题(表1)。西藏的矿产资源非常丰富[10, 11]，尤其以铜、铅、锌矿为代表。2016年，据有关数据显示，西藏已发现的矿种有102种，有资源储量的矿有41种，矿产地近3000处，矿产资源的潜在价值达到了惊人的6505亿元左右[12]。

在尾矿池和矿场周边，重金属元素浓度显著高于土壤背景值，尾矿中重金属离子直接或间接的以各种方式进入水中或土壤中进而产生一系列环境问题[13]。因此，尾矿库的建立成为处理尾矿关键步骤，同时，它也是矿产资源开采和环境可持续发展不可或缺的一部分[14]。乔雯等[15]通过研究某矿区土壤重金属分布及来源发现，研究区内土壤重金属污染元素主要为Pb、Zn、Cd，多种重金属之间存在显著正相关关系，有同源或伴生关系。顾会等[16]通过对贵州省典型铅锌矿区土壤重金属污染特征及来源解析发现，Pb、Zn、Mn、Cd在尾矿堆积区含量较高，土壤重金属受矿业活动、工农业活动、自然来源的共同影响，其中矿业活动是影响区域土壤质量的主要因素。王兴富[17]等通过对贵州某废弃矿区周边土壤研究发现，采矿活动及相关作业是土壤重金属污染的重要原因之一。综上，均说明矿业活动对周边土壤重金属有重要影响，为调查拉萨某铜铅锌尾矿库尾矿对周边土壤是否产生影响，本文以拉萨市某铜铅锌尾矿库周边土壤作为研究对象，根据实际情况，在尾矿库周边设置10个采样点，分别测定Cu、Pb、Zn、Cr、Mn等5个重金属浓度值，进一步分析其污染问题，并研究尾矿库的生态风险。旨在确定尾矿中重金属对周边环境影响，为拉萨市尾矿处理、环境防治提供科学依据，对环境的保护治理具有重要意义。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

墨竹工卡县隶属于西藏自治区拉萨市，位于西藏自治区中部，拉萨东部，地理坐标为：东经91°43′～91°50′，北纬29°37′～29°43′，总面积5620 km2，截至2020年11月份，常住人口为49511人。下辖1个镇7个乡：工卡镇、扎雪乡、门巴乡、扎西岗乡、日多乡、尼玛江热乡、甲玛乡和唐加乡。东边与林芝市工布江达县相邻，南邻山南市桑日县，西邻达孜区和林周县，北邻那曲市嘉黎县。墨竹工卡县属高原温带半干旱季风气候区，空气稀薄，高寒干燥，风力冬季和春季比夏季和秋季强，年温差小而昼夜温差大。年平均气温大约5.1～9 ℃，最高气温出现在6月份，可达30℃左右；最低气温出现在1月份，大约-16～23 ℃。年日照时数2813.5 h，全年降水集中在6～9月份，年降水量约515.9 mm。 墨竹工卡县内主要包含金、锑、铬、银、铜等矿产资源。除了矿产资源外，还有许多珍稀的野生动植物。如：黑颈鹤、斑头雁、虫草、雪莲花、贝母、红景天等。墨竹工卡县的森林覆盖率只有35.94%，天然林和人工林地合计203949.889亩。

2.2 样品采集及处理

2.2.1 样品采集

样品在2021年9月4日采集，采集当天天气晴朗，温度18 ℃，湿度50%，尾矿库海拔4400 m，经纬度分别为：91.053、30.015。采样点具体分布图如图2。

图2 土壤样点分布

2.2.2 样品预处理

样品采集回实验室后，首先将土壤样品中的植物、石头等杂物全部清理；后经过一周时间待样品风干后，用玛瑙研钵研磨均匀、过325目筛，封存与密封袋保中，用于后续检测。

2.3 样品分析测定

2.3.1 主要试剂

Mn、Pb、Zn、Cu、Cr、Cd等重金属元素溶液标准物质，硝酸(分析纯)、硫酸(分析纯)、氢氟酸(分析纯)，醋酸，氢氧化钠，去离子水。

2.3.2 样品分析测定

土壤样品中的重金属含量分析步骤：①利用高通量微波消解仪消解土壤;②利用赶酸器将消解样品中酸赶出;③将样品配制为待测液;④应用火焰原子吸收光谱仪检测待测元素。

2.4 污染评价

本文主要采用内梅罗综合指数法和地累积指数法进行污染评价。

内梅罗综合指数法：

(1)

式(1)中：P是采样点的综合污染指数；max(Pi)为采样点重金属污染物单项污染指数的最大值，Pi为单因子指数平均值。

该方法能够全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，评价结果客观，是土壤污染评价中最为常用的方法之一，评价标准见表1。

表1 内梅罗综合污染指数分类标准

地累积指数法：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(2)

式(2)中：Cn是元素n在样品中的浓度；Bn为背景浓度；k为修正指数，一般为1.5。地累积指数分类标准见表2。

表2 地累积指数Igeo分类标准

2.5 潜在生态风险评价

研究使用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法对研究区土壤及淋溶液进行评价，计算公式如下：

(3)

(4)

(5)

表3 潜在生态单项系数范围及潜在生态危害指数范围

3 结果分析

3.1 土壤重金属总量分布

拉萨某铜铅锌尾矿库周边表层土壤中重金属含量的测试结果如表4。与西藏自治区土壤背景元素值相比，Cu、Pb、Zn 3种重金属元素平均含量值均超过当地土壤背景值含量，分别是背景值的2.78、6.35、1.56倍，这与马杰等[18]的研究结果相似；其中10个样点的Cu含量均超过了背景值，Pb仅有一个样点没有超过背景值，Zn有6个样点的含量超过了背景值。 Cr含量平均值与当地土壤背景值含量相似，Mn的含量小于当地的土壤背景值，这说明该尾矿库的尾矿堆积对周边土壤的重金属含量影响较明显，尤其是Pb，其次是Cu、Zn。变异系数主要反映人为活动对土壤重金属的影响，变异系数小于0.15为弱变异，介于0.15～0.36之间为中度变异，大于0.36为强变异，变异系数越大，人为影响越明显[19, 20]。对比变异系数发现，Cu、Pb、Zn的变异系数均大于0.36，即Cu、Pb、Zn均为强变异，Cr、Mn的变异系数均介于0.15～0.36之间为中等变异。相比之下，Pb的离散程度最高，即该元素受到外界因素干扰最大(表4)。

表4 尾矿库周边土壤重金属含量

3.2 重金属污染评价

3.2.1 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法的评价结果见表5。由内梅罗综合指数平均值得，土壤主要受到Pb、Mn污染，其中Pb污染偏中度污染，Mn污染偏轻度污染；Cr与Cu较安全，Zn主要处于警戒值范围；由内梅罗综合指数最大值得，尾矿库周边主要受到Pb、Mn污染，Cr、Cu安全，Zn介于警戒值之间。对比各重金属的内梅罗综合指数最大值和最小值发现，Pb的极差值最大，Mn的极差值其次，两者的值均大于1.0，说明所有样点均受到Pb、Mn污染。

表5 尾矿库周边土壤重金属内梅罗污染指数评价

3.2.2 地累积污染指数法

地累积污染指数法的评价结果如表6。从采样点地累积污染指数平均值来看，土壤主要受Pb、Cu污染，其中Pb污染为中度污染，Cu污染为无污染-中度污染，而Cr、Mn、Zn不受污染；从地累积污染指数最大值来看，尾矿库周边主要受到Cu、Pb、Zn污染，Pb污染的污染程度甚至达到了极度污染，而Cr与Mn不受污染。汤波等[21]对陕西宁强燕子矾铅锌尾矿库周边土壤重金属污染的研究也表明，周边土壤受Pb、Cu污染，研究结果与之有相似之处(表6)。

表6 尾矿库周边土壤重金属的累积污染指数评价

3.3 潜在生态风险评价

Cu、Pb、Zn、Cr 4个重金属元素的毒性效应系数分别为：5、5、1、2。各元素及采样点的潜在生态单项系数变化范围及均值变化如表7，以西藏自治区土壤背景值为参比值，评价拉萨某铜铅锌尾矿库周边土壤重金属潜在生态风险，Cu、Pb、Zn、Cr的潜在生态单项系数范围分别为：4.04～28.41、4.41～151.78、0.26～2.96、1.22～3.74。以上4种重金属中，Cu、Zn、Mn3种重金属的潜在生态单项系数均小于30，为轻度潜在生态风险；而Pb的潜在生态单项系数极差较大，其中大部分样点的潜在生态单项系数均小于40，在1T、6T点的潜在生态风险单项系数分别为：61.59、151.78，潜在生态风险等级分别为较强、很强。从潜在生态单项系数的平均值发现，Pb的潜在生态风险等级为轻度-中度潜在生态风险，而Zn、Cu、Cr为轻度潜在生态风险。因此，研究区土壤中Pb为主要生态危害元素，对土壤有明显的污染(表7)。

表7 尾矿库周边土壤重金属潜在生态单项系数评价

由表8可知，尾矿库周边样点的潜在生态风险指数大小为：6>1>2>7>5>8>3=4>9>10，其中1号点和6号点的潜在生态风险指数介于[110,220)之间，存在中度潜在生态风险，而其余8个点的潜在生态风险指数均小与110，存在轻微潜在生态风险。结合样点分布图知，距离尾矿库越近，样点的潜在生态风险越高。

表8 尾矿库周边样点土壤重金属生态风险指数评价

4 结论

(1)尾矿库周边土壤中重金属Cu、Pb、Zn含量超标且积累，以Pb的超标率最高，尾矿库周边土壤中重金属的含量大小为：Pb>Zn>Mn>Cu>Cr。

(2)内梅罗污染指数法结果表明，尾矿库周边主要受Pb、Mn污染，其中Pb为中度污染，Mn偏轻度污染。

(3)地累积指数法结果表明，尾矿库周边土壤主要受到Cu、Pb污染，其中Pb污染甚至达到极度污染，Cu污染主要为中度污染。

(4)潜在生态风险指数法结果表明，尾矿库周边土壤中Pb为中度风险，Cr、Cu、Zn为轻度风险。1号点和6号点为存在中度潜在生态风险，距离尾矿库越近，重金属的污染越严重，存在的生态风险越高。