某區域內礦區土壤重金屬污染與生態風險評價

　　摘要: 探究區域內礦區土壤重金屬變化并對其進行污染評價，旨在為該區域環境保護及污染治理提供一定的理論依據，以期實現礦山地質環境保護與礦產資源開發并行的礦業綠色發展。以鉛、鋅、鎘、砷含量為評價指標，結合 《土壤環境質量標準》( GB 15618—2018) ，采用重金屬單因子污染指數法與內梅羅綜合污染指數法進行重金屬污染評價，并對該區域礦區潛在生態風險作出評定。結果表明，A 礦區土壤各重金屬含量的變異系數為 149. 05% ～ 211. 42% ，B 礦區土壤各重金屬含量變異系數為 60. 88% ～ 118. 58% ; A 礦區土壤重金屬均出現超標現象，其中鉛、鋅和鎘含量超標較為嚴重，超標率在 72% 以上，而砷含量超標現象則相對較輕，超標率為 36. 36% ; B 礦區土壤鉛和鋅含量均未出現超標，超標率為 0，而砷和鎘含量則出現不同程度的超標，其中砷含量超標率為 92. 31% ，鎘含量超標率為 65. 38% ; 兩個礦區土壤各重金屬含量均超背景值的現象，超背景值比例為 42. 31% ～ 100. 00% 。A 礦區土壤以鉛、鋅和鎘污染為主，而 B 礦區土壤中砷和鎘的污染較為嚴重。兩個礦區土壤重金屬綜合污染指數均屬重度污染，A 礦區生態風險綜合指數為很強生態風險危害，而 B 礦區為中等生態風險危害。

　　本文源自李傳飛; 劉登璐; 趙平; 王智偉; 明毅， 四川環境 發表時間：2021-04-26 《四川環境》雜志，于1979年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:51-1154/X，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：問題探討、知識介紹、動態簡訊等。

　　關 鍵 詞: 礦區土壤; 重金屬; 污染評價

　　前 言

　　礦產資源的開發一定程度上促進了經濟的發展，但也對原生地質環境和生態環境造成不同程度的破壞，導致次生地質災害、土壤污染等一系列環境問題頻發，其中土壤重金屬污染因具有持久性、累積性、隱蔽性、循環性和難以治理等特點備受人們的關注[1 - 6]。礦山開采方式的粗放以及礦渣的不合理堆放對周邊土壤造成嚴重的重金屬污染，重金屬進入土壤后，因難以被生物降解而長期穩定存在于土壤中，極易被農作物吸收積累，通過食物鏈威脅人體及生態安全[7 - 11]。近年來隨著礦業的發展，重金屬成為礦區普遍存在的問題，這不僅影響礦山自身發展，且影響礦山周邊地區的群眾生活和農業生產[12 - 16]。因此，分析礦區土壤重金屬遷移規律并評價其生態風險對于礦區環境土壤修復治理具有重要現實意義。

　　研究區域內礦產資源較為豐富，以磷礦和鉛鋅礦為主。礦產資源的開發促進了當地經濟的發展，是該地區脫貧攻堅的有力手段之一。但由于該地區地質環境條件復雜、歷史政策、生產技術水平等各種因素，礦產資源的開發也帶來一系列的環境問題。據前期礦山環境地質問題初步調查結果顯示，磷礦和鉛鋅礦區土壤鉛、鋅、鎘、砷污染較為嚴重，且距離該區域河流較近，但礦區重金屬污染程度和生態風險仍不清楚。因此，本文探究該區域內 A、B 兩個礦區的重金屬污染情況，并對礦區土壤重金屬污染進行評價，以期為該區域礦區的環境保護及治理和礦區綠色發展提供一定理論基礎。

　　1 材料與方法

　　1. 1 研究區概況

　　研究區地處四川盆地與云貴高原過渡地帶，位于烏蒙山脈西北面的金沙江北岸地區，地理坐標為東經 103°10' ～ 103°52'，北緯 27°49' ～ 28°36'，為四川省雷波縣境內的某鉛鋅礦區 ( A 礦區) 和某磷礦區 ( B 礦區) 。A 礦區地處西蘇角河支溝源頭，而 B 礦區位于溜筒河支溝上游地段，均為長江上游金沙江水系。兩個礦區均為該地區目前礦山開采較為典型礦區。該區域屬高中山峽谷氣候，總體氣候特征是干濕季節分明，年降雨量主要集中于夏、秋兩季，且由于地形高差和礦山開采產生的廢渣隨意堆放于溝道，該區域存在泥石流隱患點。

　　1. 2 土壤樣品采集與處理

　　于 2017 年 6 月開展土壤樣品采集工作，根據前期野外調查結果和現場實際情況進行土壤樣品采集，點位布設為沿 A 礦區所在的河流和 B 礦區所在的河流，從上游至下游均勻布設土壤采集點位， A 礦區河流采集土壤樣品 11 個 ( 如圖 1 所示) ，B 礦區河流采集土壤樣品 26 個 ( 如圖 2 所示) 。同時遠離污染源采集 1 組土壤對照樣品 ( CK) 。在剔除地表雜物后，用不銹鋼鐵鍬 ( 避免土壤樣品受采樣器材的污染，影響檢測結果) 進行取樣，采集深度為 0 ～ 20cm，采集質量為 1 kg。土樣避光自然風干后，充分混勻，并采用四分法取樣進行磨碎后，過 100 目篩待測。

　　1. 3 測定項目及方法

　　土壤 pH 值: 采用農業行業標準 ( NY/T 1121. 2 - 2006) 進行測定。

　　土壤重金屬鉛、鋅、鎘含量: 采用王水提取 -電感耦合等離子體質譜法測定，HJ 803 - 2016。

　　土壤 砷 含 量: 采 用 原 子 熒 光 法 測 定，NY /T 1121. 11 - 2006。

　　以上樣品均送至四川省科源工程技術測試中心進行樣品分析測定。

　　1. 4 土壤重金屬污染評價方法

　　參考《土壤環境質量標準》( GB 15618—2018) ，選用國家土壤質量二級標準作為評價標準。對研究區域土壤重金屬分別采用單因子指數法[17]和內梅羅綜合污染指數法[18]進行綜合評價，具體如下。

　　1. 4. 1 單因子污染指數法

　　單因子指數法是國內外普遍采用的方法之一，是對土壤中的某一污染物的污染程度進行評價。其計算公式為:

　　式中，Pi 為土壤中污染物 i 的環境質量指數; Ci 為污染物 i 的實測值 ( mg/ kg) ; Si 為污染物i 的評價標準 ( mg/ kg) ; 分級標準: Pi≤l，未污染; 1 < Pi ≤2，輕污染; 2 < Pi≤3，中污染; Pi > 3，重污染。

　　1. 4. 2 內梅羅綜合污染指數法

　　內梅羅綜合污染指數法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最嚴重的污染物給環境造成的危害，其計算公式為:

　　式中，PN 為土壤中污染物 i 的綜合污染指數; Ci 為污染物 i 的實測濃度 ( mg / kg) ; Si 為污染物 i 的評價標準 ( mg / kg) ; ( Ci / Si ) 2 max 為土壤污染中污染指數最大值; ( Ci / Si ) 2 ave 為土壤污染中污染指數的平均值。分級標準: PN≤0. 7，安全; 0. 7 < PN≤l，警戒線; 1 < PN≤2，輕污染; 2 < PN≤3，中污染; PN > 3，重污染。

　　1. 5 土壤重金屬潛在生態風險評價方法

　　土壤重金屬潛在生態風險評價采用瑞典科學家 Hakanson 提出的評價方法[19 - 20]，該方法綜合考慮了多元素協同作用、毒性水平、污染物濃度以及環境對重金屬污染敏感性等因素，采用具有可比的、等價屬性指數分級，其不僅反映了某一特定環境中各種污染物的影響，也反映了多種污染物的綜合影響[13 - 14]，在沉積物重金屬污染質量評價方面應用廣泛[16 ～ 19]，其計算公式為:

　　式中: Ci f 為重金屬 i 相對參比值的污染系數; Ci s 為重金屬 i 的實測濃度，mg / kg; Ci n 為重金屬 i 的評價參比值，mg / kg; Ei r 為重金屬 i 的生態風險指數; Ti r 為重金屬 i 毒性響應系數; RI 為多元素生態風險綜合指數。本試驗 4 種土壤重金屬的 Ti r 參照表 1 設定[20]。Ci n 采用該地區采集的土壤背景值，潛在生態風險指數評價分級見表 2。

　　1. 6 數據處理與圖表制作

　　采用 Excel ( 2013) 和 Origin ( 9. 0) 。

　　2 結果與討論

　　2. 1 礦區土壤重金屬含量描述性分析

　　采用描述性統計分析的方法，對該區域 A 礦區和 B 礦區采集的土壤的鉛、鋅、鎘和砷含量進行分析。由表 3 可知，兩個礦區土壤各重金屬含量均存在較大差異，離散程度大。A 礦區土壤樣點各重金屬含量的變異系數為 149. 05% ～ 211. 42% ，其中以土壤鉛含量的變異系數最大，而土壤砷含量變異系數最小，其土壤鉛含量最大值為 39 905. 00 mg / kg，最小值為 26. 20 mg / kg; B 礦區土壤樣點各重金屬含量變異系數為 60. 88% ～ 118. 58% ，其中以土壤鉛含量變異系數最大，而土壤鋅含量最小，其土壤鉛含量最大值為 274. 80 mg / kg，最小值為 14. 30 mg / kg。變異系數 ( Cv) 可以在一定程度上表征 人 為 活 動 強 度[19]，分級 標準為: Cv < 10% 為弱 變異，10% ≤Cv≤30% 為中等變異，Cv > 30% 為強變異，A 與 B 礦區土壤重金屬污染均為強變異，表明土壤中重金屬分布不均勻，具有明顯的離散性，該區域內土壤重金屬濃度分布受到外部行為影響[20]。進一步對比兩個礦區土壤各重金屬含量發現，A 礦區土壤各重金屬變異系數均大于 B 礦區，這可能是因為 A 礦區所在的西角河支溝較長，布設的點位較為分散。同時 A 礦區土壤鉛、鋅和鎘含量均高于 B，而土壤砷含量則低于 B，說明 A 礦區土壤鉛、鋅和鎘污染較為嚴重，而 B 礦區土壤砷污染較為嚴重。

　　由表 3 可知，基于兩個礦區土壤的 pH 值，參照 《土壤環境質量標準》( GB 15618 - 2018) 中的二級標準值和土壤背景值，進一步對兩個礦區土壤樣點超標情況進行分析。A 礦區土壤樣點均出現超標現象，其中土壤鉛、鋅和鎘含量超標較為嚴重，超標率在 72% 以上，而土壤砷含量超標現象則相對較輕，超標率為 36. 36% ; B 礦區土壤鉛和鋅含量均未出現超標，超標率為 0% ，而土壤的砷和鎘含量則出現不同程度的超標，其中砷含量超標率為 92. 31% ，鎘含量超標率為 65. 38% ，再次說明 A 礦區土壤以鉛、鋅和鎘污染為主，而 B 礦區土壤則以砷和鎘污染較為嚴重。這主要是由于礦石的開采，將地下一定深度的礦物暴露于地表環境，致使礦物的化學形態和存在形式發生改變，當堆在地表的時候，加大了重金屬向環境的釋放通量，造成了區域內土壤的污染[18，24]。同時兩個礦區土壤樣點各重金屬含量均超背景值的現象，超背景值比例為 42. 31% ～ 100. 00% ，這主要是因為鉛、鋅開采冶煉和磷礦選礦過程中，會大量侵入周圍土壤環境中，鎘是 伴 生 元 素，因此其濃度也遠高于背景值[20]。

　　2. 2 礦區土壤重金屬在流域內的變化

　　由圖 3 可知，A 礦區所在的河流流域內 90% 以上土壤樣品各重金屬含量大于對照樣品，說明 A 礦山的開采冶煉活動對該河流流域土壤造成較為嚴重的重金屬污染。土壤樣點鉛、鋅、鎘和砷呈現雙峰的變化趨勢。在 A 礦區廢渣堆下游 T03 和 T10 處含量較高，在 T118 處含量最低，這與河流流域內兩處礦區廢棄物和尾礦渣污染密切相關。此外， A 礦區土壤各重金屬含量隨河流上游至下游呈現相同的變化趨勢，說明土壤樣點鉛、鋅、鎘和砷污染源具有一定程度的相似性，說明這 4 種重金屬具有同源性。有研究指出，某鋅礦區農田土壤中鉛、鋅、砷和鎘重金屬來源相似，也表明各重金屬的污染具有同源性。趙秀峰和張倩的研究結果也均與此相同[25 ～ 27]。明確重金屬的污染來源對于環境的保護與治理具有重要的指導作用，在源頭采取合理的治理措施對減輕區域重金屬污染具有積極的意義。

　　由圖4 可知，B 礦區所在的河流流域內 75% 以上的土壤重金屬鉛、鎘、砷含量高于對照，而 42% 左右的土壤鋅含量高于對照，說明礦山的開采和洗選活動對該流域內土壤造成不同程度的重金屬污染。從上游至下游，土壤鉛含量呈下降趨勢，而土壤鋅、鎘、砷含量呈現不規律的波浪形變化趨勢，這與 B 礦區開采作業的礦洞分散，且采礦產生的廢渣沿溝內就地堆放密切相關。其中土壤鎘含量最高出現在 B 礦區河流上游兩側廢渣堆交匯 T62 處，而土壤砷含量則在選礦廢渣下游 T37、T38 和 T54 達到最高，說明坪頭鉛磷礦區采礦活動產生的廢渣及其堆浸廢水和選礦廢渣對河流流域內土壤造成了明顯的重金屬污染，其污染源主要為 B 礦區產生的廢渣。此外，B 礦區土壤各重金屬含量隨上游至下游呈現不完全一致的變化趨勢，說明土壤重金屬污染來源不完全相同，其中土壤鎘污染主要來源于 B 礦區的采礦廢渣，而土壤砷污染則主要來源于選礦廢渣及廢水。

　　2. 3 礦區土壤重金屬污染評價

　　根據區域內兩個礦區土壤的重金屬含量，采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對礦區內土壤鉛、鋅、鎘和砷污染情況進行評價。由表 4 可知，兩個礦區土壤均出現不同程度的重金屬污染。A 礦區土壤各重金屬單因子污染指數均較高，其中以鎘單因子污染指數最大，為 75. 48，其污染程度為 Cd > Zn > Pb > As，其中土壤鉛、鋅和鎘均呈現重污染現象，而土壤砷則呈現中度污染。同時，A 礦區土壤重金屬內梅羅綜合污染指數為 2 898. 51，為重污染標準限值的 99. 50 倍，說明 A 礦區土壤重金屬污染十分嚴重，這與礦石開采的種類密切相關。B 礦區土壤各重金屬單因子污染指數則差異相對較大，以砷單因子污染指數最大，為 6. 76，而鉛單因子污染指數最低，為 0. 25，其污染程度為 As > Cd > Zn > Pb，其中土壤鉛和鋅污染單因子污染指數均小于 1，處于未污染狀況，而土壤鎘和砷單因子污染指數則大于 3，呈重污染現象。B 礦區土壤重金屬內梅羅綜合污染指數為 24. 16，為重污染程度。說明 B 礦區鎘和砷污染較為嚴重，而鉛和鋅污染則相對較輕。此外，對比兩個礦區發現，A 礦區的土壤鉛、鋅和鎘單因子污染指數均大于 B 礦區，而砷單因子污染指數則呈現相反的變化趨勢，說明礦區開采的礦石種類和不同礦石的洗選工藝均會影響土壤重金屬污染程度。

　　2. 4 礦區土壤重金屬潛在生態風險分析

　　運用式 ( 3) ～ 式 ( 5) 計算得到土壤中各重金屬的生態風險指數 ( Ei r ) 及生態風險綜合指數 ( RI) 結果。由表 5 可知，兩個礦區土壤中各重金屬所引起的潛在生態風險指數和生態風險綜合指數均存在較大的差異。這主要是由于土壤中重金屬濃度不同以及各重金屬的生物毒性效應有較大差別所致[23]。A 礦區各重金屬潛在生態風險為 Cd > Pb > Zn > As，其生態風險指數最高的重金屬為鎘，達 2 717. 28，屬于極高生態風險危害，超出極高風險閾值 8. 49 倍; 生態風險指數最低的重金屬為砷，其生態風險指數 114. 30，屬于強生態風險危害，另外鉛的生態風險屬于極高生態風險危險，鋅的生態風險為強生態風險危害。生態風險綜合指數高達 4 502. 68，超出很強生態風險閾值 7. 50 倍。B 礦區各重金屬潛在生態風險為 As > Cd > Pb > Zn，其生態風險指數最高的重金屬為砷，達 154. 77，屬于強生態風險危害; 生態風險指數最低的重金屬為鋅，其生態風險指數 0. 74，屬于輕微生態風險危害，另外鎘的生態風險屬于中等生態風險危險，鉛的生態風險為輕微生態風險危害。生態風險綜合指數為 208. 34，為中等生態危害。此外，對比兩個礦區發現，A 礦區的土壤鉛、鋅和鎘生態風險指數均大于 B 礦區，而砷生態風險指數則呈現相反的變化趨勢，這與兩個礦區土壤重金屬污染評價結果保持一致。

　　3 結 論

　　3. 1 區域內兩個礦區土壤樣點各重金屬含量均存在較大差異。A 礦區土壤鉛、鋅和鎘含量超標較為嚴重，超標率在 72% 以上; B 礦區土壤砷和鎘出現不 同 程 度 的 超 標， 其中砷含量超標率為 92. 31% ，鎘含量超標率為 65. 38% ，說明 A 礦區以土壤鉛、鋅和鎘污染為主，而 B 礦區土壤砷和鎘污染較為嚴重。

　　3. 2 區域內兩個礦區土壤各重金屬含量在流域內的變化趨勢不同。A 礦區從河流上游至下游，土壤樣點鉛、鋅、鎘和砷含量呈現雙峰的變化趨勢，而 B 礦區從河流上游至下游，土壤鋅、鎘、砷含量呈現不規律的波浪形變化趨勢。

　　3. 3 區域內兩個礦區土壤均出現不同程度的重金屬污染和生態風險危害。A 礦區均為以土壤鎘的單因 子 污 染 指 數 ( 75. 48 ) 和 生 態 風 險 指 數 ( 2 717. 28) 最高，屬重污染和極強生態風險危害，且礦區綜合污染指數和生態風險綜合指數分別為 2 898. 51 和 4 502. 68，屬重污染和很強生態風險危害; B 礦區均以砷的單因子污染指數 ( 6. 76) 和生態風險指數 ( 154. 77) 最高，屬重污染和強生態風險危害，且礦區綜合污染指數和生態風險綜合指數分別為 24. 16 和 208. 34，屬重污染和中等生態風險危害。