陜南某金礦尾礦庫周邊土壤重金屬復(fù)合污染特征

湯波+周迎紅

摘要：通過實(shí)地采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，重點(diǎn)分析陜南某金礦尾礦庫周邊土壤中重金屬元素含量，歸納重金屬在土壤中的污染分布和衰減特征，分析出重金屬元素之間的相關(guān)性，并采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法劃分出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度。結(jié)果表明，尾礦庫周邊土壤污染最嚴(yán)重的元素是Cu，其次是Cd，所測(cè)6種土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量隨距尾礦距離增加而明顯衰減，同時(shí)Cu、Pb、Cd等元素含量在西南風(fēng)下風(fēng)向有累積作用。Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素含量之間均存在極顯著正相關(guān)，它們之間存在相同自然污染源或者復(fù)合污染性質(zhì)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較高和極高的采樣點(diǎn)分布在第一采樣區(qū)和第二、第三采樣區(qū)的下風(fēng)向。

關(guān)鍵詞：重金屬；分布特征；復(fù)合污染；潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；陜南；金礦尾礦庫

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）19-4564-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.014

Characteristics of Heavy Metals Combined Pollution in Soil around the Gold Mine Tailings in Southern Shaanxi Province

TANG Bo1，2，ZHOU Ying-hong3

（1. Xian University of Science and Technology， Xian 710054，China；2. Shaanxi University of Technology ，Hanzhong 723001， Shaanxi， China；

3. Wuxi Institute of Commerce， Wuxi 214153， Jiangsu， China）

Abstract： The contents， the characteristics of distribution and attenuation， and the correlation of heavy metals in soil around the gold mine tailings were studied with field sampling and experimental analysis. Potential ecological risk assessment of the heavy metals was analyzed with Hakanson potential ecological risk index techniques. The results showed that Cu was the most serious polluted element in the soil， following by Cd. The contents of Ni，Cu，Pb，Cd，Zn in the soil declined distinctly with the increase of distant. The contents of Cu，Pb，Cd increased in soil in the northeast because of the dominant wind of northwest. There was high positive correlation between every two elements which were Ni，Cu，Pb，Zn， showing that they were of same pollution source or same combined pollution property. The highest and higher pollution risk index were distributed over the whole 1st sampling region and the northeast of 2nd and 3rd sampling region.

Key words：heavy metals； regular of distribution； combined pollution； potential ecological risk； gold gangue in south Shaanxi

近年來，隨著礦山開發(fā)強(qiáng)度的進(jìn)一步加大，礦山環(huán)境問題日益嚴(yán)重，尤其是礦區(qū)周邊土壤污染問題日漸突出[1]。礦山開采和冶煉過程中，重金屬隨尾沙、礦塵、冶金廢棄物進(jìn)入礦山及其鄰近土壤，同時(shí)當(dāng)尾礦、廢石經(jīng)風(fēng)化淋濾，Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Ag、Cd等重金屬元素就會(huì)轉(zhuǎn)移到土壤和水體中，造成土壤質(zhì)量下降，水質(zhì)破壞，污染農(nóng)作物，最后通過食物鏈進(jìn)入人體，影響人類健康[2]。

陜南某金礦位于陜西省勉縣、略陽縣交界處，勉縣、略陽及寧強(qiáng)縣一并被李四光先生譽(yù)為“中國(guó)的烏拉爾”，金、鐵、錳、釩、鎳、銅等多種金屬礦儲(chǔ)量居全國(guó)前列[3]。但是該地區(qū)雖礦產(chǎn)種類多、儲(chǔ)量大，但多數(shù)為小礦、散礦，俗稱“雞窩礦”，加之該地區(qū)雨水充足，地表徑流活躍，所以礦山開采產(chǎn)生的廢石、選礦產(chǎn)生的尾礦污染不容忽視[4]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在某金礦尾礦庫周邊以壩頂為中心，分別在壩頂、壩坡以及壩下游農(nóng)田土壤共取土樣22件，采樣點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)橐晕驳V庫為圓心的800 m范圍內(nèi)，采樣點(diǎn)分布如圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)均采用“S”采樣法[5]，約10 m2采樣5個(gè)，然后混合為1個(gè)土樣，約重2 kg。

1.2 樣品測(cè)定

1.2.1 預(yù)處理 將土壤樣品采集后去除沙礫、植物根系等異物，放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)陰干，采用四分法對(duì)樣品進(jìn)行磨碎處理，過100目土壤篩，保存。土壤樣品的消解采用硝基鹽酸-高氯酸法[6]。

1.2.2 元素測(cè)定及數(shù)據(jù)分析方法 實(shí)驗(yàn)利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）[7]測(cè)定樣品中Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co六種重金屬的含量。測(cè)定結(jié)果用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)方法

Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法根據(jù)元素豐度原則來區(qū)分各種污染物，按照定量劃分出潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度，該指數(shù)不僅反映了某一特定環(huán)境中的每種污染物的影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響[8]。

單個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei為：

Ei=■ （1）

式中，Ci、C0分別為第i種重金屬的監(jiān)測(cè)濃度、參比值，C0取陜西省土壤元素背景值[9]。T為單個(gè)污染物毒性響應(yīng)參數(shù)，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co的毒性系數(shù)分別是2，5，5，30，1，5[10]。

某區(qū)域多個(gè)重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）為：

RI=■Ei（2）

Ei<40為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；40≤Ei<80為中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；80≤Ei<160為較高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；160≤Ei<320為高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Ei≥320為很高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。RI<150為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；150≤RI<300為中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；300≤RI<600為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；RI≥600為具有極高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中重金屬含量分析

從表1看出，測(cè)定的Ni、Cu、Zn的含量變化幅度較大，分別為4.92～158.85、28.42～2 331.16、19.81～256.02 mg/kg，最大值與最小值之比分別為32、82、13。說明尾礦周邊土壤中的重金屬含量受到外源重金屬污染影響很大。Cu的平均含量為593.23 mg/kg，比土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值50 mg/kg高出10.86倍，污染嚴(yán)重；Cd的平均含量為0.30 mg/kg， 達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值0.30 mg/kg，污染比較嚴(yán)重；Zn、Co、Ni、Pb的平均含量都未超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，只有極個(gè)別采樣點(diǎn)的含量超過或接近土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。除了Co元素，其余5種重金屬元素平均含量均超過陜西省土壤背景值，說明人為因素造成的重金屬累積比較明顯。變異系數(shù)反映了各個(gè)樣點(diǎn)之間的平均變異程度。土壤中Ni、Cu的含量顯示強(qiáng)變異，變異系數(shù)分別為103%和121%，是強(qiáng)變異性，其他重金屬元素的變異系數(shù)為10%～100%，達(dá)到中等變異強(qiáng)度，表明研究區(qū)表層土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。

2.2 土壤重金屬含量隨距尾礦庫距離的變化特征

表2是各采樣區(qū)采樣點(diǎn)的土壤重金屬元素的含量，結(jié)合圖1可以看出，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加而衰減。Ni在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰減率分別為60%、51%、45%，Cu在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰減率分別為48%、67%、42%，每相鄰區(qū)域的衰減量都在50%左右。Co元素在第二、第三、第四采樣區(qū)的含量變化不大，但均大于第一采樣區(qū)的含量。Cu在第二圓環(huán)采樣區(qū)下風(fēng)向的采樣點(diǎn)T2-4、T2-5、T2-6和第三圓環(huán)采樣區(qū)的下風(fēng)向的采樣點(diǎn)T3-5的含量比同區(qū)域其他點(diǎn)含量高出幾十倍；Pb、Cd元素在下風(fēng)向的采樣點(diǎn)的含量較高。

2.3 土壤重金屬元素相關(guān)性分析

由表3可以看出，Ni-Cu、Ni-Pb、Ni-Zn、Cu-Pb、Cu-Zn、Pb-Cd、Pb-Zn之間存在極顯著正相關(guān)。Ni、Cu、Pb、Zn四種元素之間均存在極顯著正相關(guān)，說明這四種元素之間存在相同自然污染源或者復(fù)合污染性質(zhì)。Ni-Co、Zn-Co之間存在顯著負(fù)相關(guān)，Co與其他元素?zé)o顯著相關(guān)，說明Co與其他元素的污染源不同或者無復(fù)合污染性。Cd元素只與Pb元素呈極顯著正相關(guān)，而與其他元素?zé)o顯著相關(guān)，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復(fù)合污染性。

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法，分析重金屬在土壤中的單元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和累積潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[12]，結(jié)果（表4）表明，從單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei看，Cu元素最高，在采樣點(diǎn)T1-3、T1-5、T2-5、T2-6四個(gè)采樣點(diǎn)的Ei均超過320，屬于很高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；T1-1、T1-2、T1-4、T2-4、T3-5等5個(gè)點(diǎn)屬于高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)也比較高，有5個(gè)采樣點(diǎn)T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5屬于高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。22個(gè)采樣點(diǎn)中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI達(dá)到極高水平的點(diǎn)有1個(gè)，是T2-5，占總采樣點(diǎn)的4.5%；較高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)有7個(gè)，分別是T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5、T2-6和T3-5，占總采樣點(diǎn)的32%；中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)有1個(gè)，是T2-4，占總采樣點(diǎn)4.5%；其余13個(gè)采樣點(diǎn)都屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，占總采樣點(diǎn)的59%。從各個(gè)采樣點(diǎn)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度的分布情況來看，中等、較高、極高風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)分布在距離尾礦庫最近第一圓環(huán)采樣區(qū)和第二、第三圓環(huán)采樣區(qū)的東北區(qū)域，即該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)西南風(fēng)的下風(fēng)向。

3 結(jié)論

1）尾礦庫周邊土壤中的重金屬含量變化幅度很大，受到外源重金屬污染影響很大。Cu元素含量均超出土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)近10.86倍，污染最為嚴(yán)重；其次是Cd，達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，污染比較嚴(yán)重；Zn、Ni、Pb、Co的平均含量均未超出土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，但Zn、Ni、Pb超出陜西省土壤背景值，需要密切監(jiān)測(cè)和防范。土壤中Ni、Cu變異系數(shù)超過100%，具強(qiáng)變異性，而其他元素的變異性屬于中等程度，說明土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。

2）土壤重金屬含量與距離和風(fēng)向的關(guān)系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現(xiàn)出明顯遞減規(guī)律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區(qū)含量最低，其他較遠(yuǎn)采樣區(qū)域內(nèi)含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區(qū)，處于東北區(qū)域（主導(dǎo)風(fēng)西南風(fēng)下風(fēng)向）的采樣點(diǎn)重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風(fēng)力影響在下風(fēng)向有沉積現(xiàn)象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關(guān)性，它們之間存在相同自然污染源或者復(fù)合污染性質(zhì)。Cd元素只與Pb元素呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，而與其他元素?zé)o顯著相關(guān)性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復(fù)合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復(fù)合污染性。

4）從單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei看，Cu元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI分析，中等、較高、極高風(fēng)險(xiǎn)程度的點(diǎn)分布在距離尾礦庫最近第一圓環(huán)采樣區(qū)和第二、第三圓環(huán)采樣區(qū)東北區(qū)域，即主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向。說明距離和風(fēng)向同時(shí)影響土壤中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度。

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2）土壤重金屬含量與距離和風(fēng)向的關(guān)系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現(xiàn)出明顯遞減規(guī)律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區(qū)含量最低，其他較遠(yuǎn)采樣區(qū)域內(nèi)含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區(qū)，處于東北區(qū)域（主導(dǎo)風(fēng)西南風(fēng)下風(fēng)向）的采樣點(diǎn)重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風(fēng)力影響在下風(fēng)向有沉積現(xiàn)象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關(guān)性，它們之間存在相同自然污染源或者復(fù)合污染性質(zhì)。Cd元素只與Pb元素呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，而與其他元素?zé)o顯著相關(guān)性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復(fù)合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復(fù)合污染性。

4）從單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei看，Cu元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI分析，中等、較高、極高風(fēng)險(xiǎn)程度的點(diǎn)分布在距離尾礦庫最近第一圓環(huán)采樣區(qū)和第二、第三圓環(huán)采樣區(qū)東北區(qū)域，即主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向。說明距離和風(fēng)向同時(shí)影響土壤中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度。

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2）土壤重金屬含量與距離和風(fēng)向的關(guān)系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現(xiàn)出明顯遞減規(guī)律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區(qū)含量最低，其他較遠(yuǎn)采樣區(qū)域內(nèi)含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區(qū)，處于東北區(qū)域（主導(dǎo)風(fēng)西南風(fēng)下風(fēng)向）的采樣點(diǎn)重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風(fēng)力影響在下風(fēng)向有沉積現(xiàn)象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關(guān)性，它們之間存在相同自然污染源或者復(fù)合污染性質(zhì)。Cd元素只與Pb元素呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性，而與其他元素?zé)o顯著相關(guān)性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復(fù)合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復(fù)合污染性。

4）從單元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei看，Cu元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。從綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI分析，中等、較高、極高風(fēng)險(xiǎn)程度的點(diǎn)分布在距離尾礦庫最近第一圓環(huán)采樣區(qū)和第二、第三圓環(huán)采樣區(qū)東北區(qū)域，即主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向。說明距離和風(fēng)向同時(shí)影響土壤中重金屬的潛在風(fēng)險(xiǎn)程度。

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