白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬污染地球化學(xué)評價(jià)

段麗麗

（1.山東理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；）

人類對礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的同時，也帶來了諸如礦區(qū)土壤重金屬不斷富集、地質(zhì)地貌被改變等環(huán)境問題，尤其是礦山露天開采對土壤環(huán)境造成的污染更為嚴(yán)重［1－2］.土壤中重金屬含量的增高不但對礦山環(huán)境產(chǎn)生危害，也會通過食物鏈影響到礦區(qū)周圍居民的身體健康［3－5］，因此礦產(chǎn)資源開發(fā)的同時必須重視環(huán)境保護(hù)與治理，礦區(qū)環(huán)境評價(jià)是礦山環(huán)境保護(hù)與治理的基礎(chǔ)，礦區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)是礦區(qū)環(huán)境評價(jià)的重要內(nèi)容.本文選擇白云鄂博礦區(qū)作為研究區(qū)域，對白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬污染進(jìn)行地球化學(xué)評價(jià).

白云鄂博礦區(qū)位于包頭市北150km處，該礦始建于1957年，是一座罕見的多金屬共生礦，主要以鐵、鈮、稀土等金屬礦物共生.該礦稀土含量占世界稀土總量36%，鈮含量居世界第二位［6］，其獨(dú)特的礦產(chǎn)資源已引起全世界人民的關(guān)注.礦山分為主礦、東礦和西礦三個部分，現(xiàn)主要對主礦和東礦進(jìn)行開采，西礦開采量較小，該礦以露天方式開采，為包頭鋼鐵公司提供原料.現(xiàn)礦區(qū)居住人口約3萬人，常年干旱少雨.

1 樣品與分析方法

1.1 樣品采集

礦區(qū)周圍土壤重金屬的富集主要是由于礦山開采、礦石運(yùn)輸以及尾礦堆放等因素所引起的［7］.在分析白云鄂博礦區(qū)地地形地貌的基礎(chǔ)上，以主礦和東礦為中心向外擴(kuò)散取樣，采樣點(diǎn)位置含蓋了采礦區(qū)、尾礦壩、居民區(qū)、以及受人類活動影響較小的地區(qū).采樣具體過程為:確定采樣點(diǎn)后，GPS定位，用不銹鋼鏟子取地表層厚5cm混合土壤約2kg裝入塑料袋中，編號，記錄周圍地理環(huán)境特征.本次研究目的對白云鄂博礦區(qū)土壤中重金屬污染程度作以大致分析，為后續(xù)的工作提供依據(jù)，因此采樣點(diǎn)分布由污染較嚴(yán)重后果區(qū)域向污染較輕區(qū)域擴(kuò)散的方向，確定11個采樣點(diǎn)，樣品采集區(qū)域示意圖如圖1所示.

圖1 白云鄂博礦區(qū)土壤樣品采集區(qū)域示意圖

1.2 樣品處理及分析

將樣品在室溫下風(fēng)干后，將植物根系，石塊兒等雜物剔除，其中結(jié)成塊的土壤應(yīng)輕輕將其碾碎，按四分法留存一份，將另一份過2mm不銹鋼篩子.將2mm以下部分按四分法再留存一半后，將另一半放入瑪瑙罐中通過研磨機(jī)將樣品研磨至200目以下.

將200目以下土壤樣品置于120℃烘箱中干燥8h后，取約4.000g樣品，用高密度聚乙烯樹脂做外包，通過粉末壓樣機(jī)，制成粉末壓片.采用X射線熒光光譜儀對樣品進(jìn)行重金屬元素含量分析.

1.3 理論分析方法簡介

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)又稱Muller指數(shù)，是Muller于1969年在德國海德堡大學(xué)提出的，該指數(shù)是歐洲國家廣泛用于評價(jià)沉積物中重金屬污染程度的指標(biāo)，其計(jì)算公式如下:

其中:Igeo為地累積指數(shù)；Ci為元素i沉積巖中的實(shí)測含量；Bi為粘質(zhì)沉積巖（普通頁巖）中該元素的地球化學(xué)背景值，有時也采用當(dāng)?shù)責(zé)o污染區(qū)該元素含量作為背景值；1.5為消除各地巖石差異可能引起背景值的變動轉(zhuǎn)換系數(shù).Forstner等將沉積物重金屬污染程度與地積累指數(shù)分級之間的相互關(guān)系分為從無污染到極強(qiáng)污染7個級別［8］.

地累積指數(shù)方法不但考慮到了人為因素對土壤中重金屬的污染評價(jià)的影響，還考慮到了自然成因作用可能引起的背景值變動因素對評價(jià)的影響［9］.

1.3.2 富集因子法

富集因子是評價(jià)人類活動過程中對環(huán)境介質(zhì)中潛在有毒有害元素富集程度影響的重要參數(shù)［10］，因能判斷自然的和人為因素對環(huán)境的影響，且該方法運(yùn)用簡單易行，所以一直被廣泛應(yīng)用.

富集因子的基本意義是將樣品中元素的濃度與參比元素濃度進(jìn)行對比，以此來判斷人為因素對表生環(huán)境造成的污染狀況.其計(jì)算公式可表示為

式中:Ci為元素i的濃度；Cn為標(biāo)準(zhǔn)化元素（即參比元素）的濃度；sample和baseline分別表示樣品和背景值.

根據(jù)富集因子的大小，可將元素的富集（污染）程度分為五個級別，富集因子分為五個等級［11］.

富集因子計(jì)算當(dāng)中，為保證各指標(biāo)的等效性和可比性，對測試樣品中各元素進(jìn)行歸一化處理，要恰當(dāng)?shù)倪x擇參比元素.對參比元素的要求是自身性質(zhì)穩(wěn)定，不易受到所在環(huán)境和分析測試過程中的影響.筆者選擇Zr元素作為參比元素，主要是考慮Zr元素測量精確且該元素在環(huán)境和分析測試過程中極穩(wěn)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域土壤重金屬含量分析

白云鄂博礦區(qū)及周圍土壤重金屬含量見表1.在白云鄂博礦區(qū)周圍采集的11個樣品中重金屬Cr、Cu、Zn、Pb、As、Co、Ni、Mn的平均含量均高于內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值.其中在礦區(qū)內(nèi)采集的1號、2號樣品重金屬含量最高，其次為火車站附近采集9號樣品（個別元素含量甚至高于礦區(qū)內(nèi)重金屬含量），尾礦壩周圍土壤重金屬含量、居民區(qū)土壤重金屬含量、遠(yuǎn)離礦區(qū)土壤重金屬含量依次降低.說明，礦山的長期開采和運(yùn)輸造成了礦區(qū)及周圍土壤中重金屬含量超標(biāo)，引起重金屬污染.

表1 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬元素含量（mg／kg）

2.2 地累積指數(shù)法評價(jià)

采用內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值作為土壤背景值，計(jì)算白云鄂博礦區(qū)各土壤樣品中8種重金屬元素地累積指數(shù)結(jié)果見表2.

表2 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬地累積指數(shù)

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在研究區(qū)域采集的11個樣品中，對Cr元素54.5%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染（Igeo＜0），36.4%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染（0≦Igeo＜1），9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強(qiáng)污染（2≦Igeo＜3）.中度污染到強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博火車站附近.白云鄂博礦區(qū)土壤Cr含量的增高或許與交通運(yùn)輸工具的磨損有關(guān).

對Cu元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，72.7%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染（1≦Igeo＜2）.中度污染樣品分別取自白云鄂博礦東礦與主礦之間和街心公園北門.

對Zn元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，45.5%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強(qiáng)污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為5級，強(qiáng)污染.強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對Pb元素，18.2%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，36.4%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強(qiáng)污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為5級，強(qiáng)污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為6級，強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染（4≦Igeo＜5）.強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博礦東礦和白云鄂博火車站附近，強(qiáng)污染到極強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對As元素，9.1%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，81.8%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間.

對Co元素，72.7%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染.

對Ni元素，72.7%的樣品地累積指數(shù)為1級，無污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染.

對Mn元素，45.5%的樣品地累積指數(shù)為2級，無污染到中度污染，18.2%的樣品地累積指數(shù)為3級，中度污染，9.1%的樣品地累積指數(shù)為4級，中度污染到強(qiáng)污染，27.3%的樣品地累積指數(shù)為5級，強(qiáng)污染.強(qiáng)污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間，白云鄂博礦東礦和白云鄂博火車站附近.

2.3 富集因子法評價(jià)

選擇Zr元素作為參照元素，仍采用內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值作為土壤背景值.各重金屬元素富集因子見表3.

表3 白云鄂博礦區(qū)土壤重金屬富集因子

由表3中數(shù)據(jù)可看出，在研究區(qū)域內(nèi)采集樣品中，對Cr元素，90.9%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染（EF＜2），9.1%的樣品富集因子為3級，為重污染（5≦EF＜20）.重污染樣品取自白云鄂博火車站附近.

對Cu元素，72.7%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級，為中度污染（2≦EF＜5）.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

對Zn元素，45.5%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，18.2%的樣品富集因子為2級，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

對Pb元素，9.1%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，45.5%的樣品富集因子為2級，為中度污染，45.5%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門、白云鄂博火車站附近和白云鄂博大街與育才路交叉口.

對As元素，72.7%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，27.3%的樣品富集因子為2級，為中度污染.中度污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云賓館院內(nèi)和白云鄂博火車站附近.

對Co元素，100%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染.可見研究區(qū)域基本不受Co污染.

對Ni元素，100%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染.可見研究區(qū)域基本不受Ni污染.

對Mn元素，27.3%的樣品富集因子為1級，為無到輕微污染，36.4%的樣品富集因子為2級，為中度污染，36.4%的樣品富集因子為3級，為重污染.重污染樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.

2.4 地累積指數(shù)法和富集因子法綜合評價(jià)

由上述數(shù)據(jù)及分析可知，兩種評價(jià)方法的結(jié)果基本一致，見表4.

表4 研究區(qū)域11個樣品污染等級

由表4可以看出，1號采樣點(diǎn)Zn、Pb、Mn元素重污染，Cu、As元素中度污染，其余元素?zé)o污染－中污染.2號采樣點(diǎn)Zn、Pb、Mn元素重污染，其余為元素?zé)o污染－中污染.3號采樣點(diǎn)Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.4號采樣點(diǎn)Pb元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.5號采樣點(diǎn)Pb元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.6號采樣點(diǎn)Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.7號采樣點(diǎn)Cu元素中度污染，Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無污染－中污染.8號采樣點(diǎn)Zn、As、Pb、Mn元素中度污染，其余元素為無污染－中污染.9號采樣點(diǎn)Cu元素中度污染，Cr、Zn、Pb、Mn元素重污染，其余元素為無污染－中污染.10號采樣點(diǎn)Zn、Mn元素中度污染，Pb元素重污染，其余元素為無污染－中污染.11號采樣點(diǎn)元素均為無污染－中污染.

顯然，白云鄂博礦區(qū)（包括礦山城區(qū)）土壤不同程度受到重金屬的污染.Cu、Pb、Zn、As主要在主礦和東礦之間，Mn、Cr的污染主要出現(xiàn)在火車站附近，Co、Ni污染程度相對較低.筆者認(rèn)為Cu、Pb、Zn、As的污染主要來自礦體開發(fā)，Mn、Cr的污染既有礦體開發(fā)的影響，也有礦石運(yùn)輸（如火車等交通運(yùn)輸工具的磨損）的影響，

3 結(jié)論

（1）在所研究的白云鄂博礦區(qū)，所取11個樣品各重金屬元素平均值均高于內(nèi)蒙古土壤重金屬元素幾何平均值，不同程度受到所研究8種重金屬元素的污染，其中污染最嚴(yán)重的Zn、Pb、Mn三種元素含量分別為背景值的5.1倍、9.0倍和6.3倍.

（2）各種重金屬地累積指數(shù)及富集因子在研究區(qū)域的分布特點(diǎn)為:各采樣點(diǎn)Co、Ni兩種元素地累積指數(shù)均小于1，富集因子均小于1.8為無污染—輕微污染，對環(huán)境影響相對較小.其余元素均不同程度受到人類活動的影響，以Zn、Pb、Mn三種元素對研究區(qū)域污染較為嚴(yán)重.其中部分采樣點(diǎn)中三種元素地累積指數(shù)介于3到4之間，富集因子介于5到20之間，為重污染或極重污染.

（3）污染最為嚴(yán)重的樣品取自白云鄂博礦東礦與主礦之間、白云鄂博礦東礦、街心公園北門和白云鄂博火車站附近.研究表明，除7號和9號采樣點(diǎn)特殊外，其余采樣點(diǎn)分析數(shù)據(jù)表明污染程度是沿著采礦區(qū)向居民區(qū)逐漸降低，說明采礦活動是造成該區(qū)土壤重金屬污染的源頭；而7號采樣點(diǎn)位于街心公園北門位于礦山路旁，礦山路為礦石由礦山運(yùn)往外界的通道，而9號采樣點(diǎn)位于白云鄂博火車站，該站以運(yùn)送礦石為主，這說明礦石運(yùn)輸過程中對環(huán)境造成的污染極大.

［1］儲彬彬，羅立強(qiáng).南京棲霞山鉛鋅礦地區(qū)土壤重金屬污染評價(jià)［J］.巖礦測試，2010，29（1）:5－8，13.

［2］Bhattacharya A，Routh J，Jacks G，et al.Environmental assessment of abandoned mine tailings in Adak，Vas－terbotten district northern Sweden［J］.Applied Geochemistry，2006，21:1760－1780.

［3］張乃明.土壤—植物系統(tǒng)重金屬污染研究現(xiàn)狀與展望［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1998，7（4）:30－33.

［4］徐友寧，張江華，劉瑞平，等.金礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的環(huán)境效應(yīng)分析［J］.中國地質(zhì)，2007，34（4）:716－722.

［5］崔邢濤，欒文樓，石少堅(jiān)，等.石家莊污灌區(qū)土壤元素評價(jià)［J］.中國地質(zhì)，2010，37（6）:1753－1759.

［6］姚德，張麗潔，Wiltshire J，等.中國內(nèi)蒙古白云鄂博Fe－Nb－REE礦床地質(zhì)特征與隕石撞擊成因［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，1998，18（4）:87－96.

［7］Garcia G，Penas J M，Mantec J I.Zn mobility and geochemistry in surface sulde mining soils from SE Spain［J］.Environmental Research，2008，106:333－339.

［8］Forstner U，Ahlf W，Calmano W，et al.Sediment criteria development:contributions from environmental geochemistry to water quality management［C］／／Heling D，Rothe P，forstner U，et al.Sediments and environmentalgeochemistry:selected aspects and case histories.Berlin Heidelberg:SpringVerlag，1990:311－338.

［9］賈振邦，周華，趙智杰，等.應(yīng)用地累積指數(shù)法評價(jià)太子河沉積物中重金屬污染［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，36（4）:525－530.

［10］Ansari A A，Singh I B，Tobschall H J.Importance of geomorphology and sedimentation processes for metal dispersion in sediments and soils of the Ganga Plain:identification of geochem ical domains［J］.Chemical Geology，2000，162:245－266.

［11］Sutherland R A.Bed sediment associated trace metals in an urban stream，Oahu，Hawaii［J］.Environmental Geology，2000，39（6）:611－627.

［12］中國環(huán)境監(jiān)測總站.中國土壤元素背景值［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.