山西某有色金屬礦區下游土壤重金屬超標評價

劉向御

（1.中國冶金地質總局三局，山西太原030002；2.山西中晉冶金地質環境科技有限公司，山西太原030002）

土壤重金屬超標具有隱蔽性、不可逆性、難治理等特點[1]，一旦富集達到一定程度，對土壤肥力、糧食安全、人類健康及生態系統均會構成嚴重威脅[2]。據統計，我國重金屬含量超標的土壤面積達到333.3 萬hm2[3]，且呈現逐漸上升的趨勢。土壤重金屬超標正潛在威脅著人民群眾的身體健康。近年來，關于土壤重金屬超標的研究主要集中在基本農田[4]、城市周邊[5]、主要工業區[6]及礦山[7-10]等區域，其中，礦山及其周邊是重金屬超標研究的熱點區域。山西省礦產資源豐富，有色金屬礦山分布廣泛，在采、選、冶過程中產生的廢石、尾礦、廢渣等均為重金屬元素向土壤轉移提供了重要的物質基礎[11]，再者，Cd、Pb、As、Hg 等元素是有色金屬礦床的主要伴生元素，其遷移至周邊土壤、河流中的概率較大[12]。

為了對山西重點有色金屬開采區土壤超標情況進行摸底，本研究以山西某有色金屬礦山下游農田為研究對象，采樣分析了Cd、Hg、As、Pb 這4 種元素的含量，對土壤重金屬元素超標程度進行評價，旨在為下一步開展相應土壤重金屬污染領域的立項工作提供理論依據。

1 采樣分析及評價方法

1.1 采樣

在尾礦庫下游農田土壤中沿河流方向每間隔一定距離設置一處采樣點，依序取樣7 個，分別編號3～9 號，方位總體向南，采樣位置分布如圖1 所示。采樣鉆取表層土壤0～20 cm，每個采樣點采取多點混合樣，混勻縮分至1 kg，土樣用布袋包裝并標號送檢。為進行對比分析，除采集7 個土壤樣之外，在尾礦庫取樣2 個，分別編號為1 號和2 號。

1.2 分析方法

樣品主要分析Cd、Hg、As、Pb 這4 種元素的含量（mg/kg），其中，As、Hg 元素采用微波消解/原子熒光法進行分析，Cd、Pb 元素采用石墨爐原子吸收分光光度法進行分析。

1.3 評價標準

標準GB 15618—2018 中相應元素的農用地土壤污染篩選值及管制值如表1 和表2 所示。

表1 農用地土壤污染風險篩選值（SV，基本項目） mg/kg

表2 農用地土壤污染風險管制值(IV) mg/kg

按照標準，如土壤中重金屬含量超過篩選值，土壤生態環境可能存在風險，應加強土壤環境監測和農產品協同監測，并采取安全利用措施；如含量小于等于相應篩選值，土壤生態環境風險低，可忽略。如農用地土壤中重金屬含量超過相應管制值的，食用農產品不符合質量安全標準，農用地土壤污染風險高，應采取嚴格管控措施。

1.4 評價方法

本次評價工作分別采用單因子污染指數法、內梅羅指數法、地累積指數法和潛在生態風險指數法等進行。

1.4.1 單因子污染指數法 該方法是對土壤中單一元素的污染程度進行評價[14]。評價量化計算公式如下。

式中，Pi為單因子污染指數；Ci為元素i 的實測含量（mg/kg）；Si為元素i 的參比值（mg/kg）。評價標準如表3 所示。

表3 單因子污染指數分級標準

1.4.2 內梅羅指數法 該方法主要反映各重金屬對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬對環境質量的影響[15-16]。其評價量化計算公式如下。

式中，Pn為綜合污染指數；Pimax為元素i 的最大污染指數；Piave為元素i 污染指數的平均值。評價標準如表4 所示。

表4 內梅羅綜合污染指數分級標準

1.4.3 地累積指數法 該方法是在考慮自然成巖作用下形成的背景值基礎上，考察引起背景值變動的原因以及人為活動等對重金屬污染的影響，以定量評價沉積物和土壤中重金屬污染累積程度[17]。其計算公式如下。

式中，Igeo為地累積指數，Ci為元素i 的實測含量（mg/kg）；Bn為元素的背景值，本研究采用山西省土壤重金屬元素背景值為參比值（表1）；K 為巖石差異可能會引起背景值的變動系數，取值1.5；污染等級劃分為7 個等級（表5）。

表5 地累積指數分級標準

1.4.4 潛在生態風險指數法 潛在生態風險指數法[18]是一種綜合評價方法，針對不同的重金屬性質及其沉積遷移特征，疊加計算研究區的風險指數，其評價量化計算公式如下。

在孔子的思想中，智、仁、勇是君子應當具備的三種德行，《中庸》有“知(智)、仁、勇三者，天下之達德也”。“仁”作為儒家思想的核心，既為行武的前提，又是行武的目的。“驥不稱其力，稱其德也”[4](P157)，“子曰：‘善人為邦百年，亦可以勝殘去殺矣。’誠哉是言也！”[4](P144)“智”是行武的重要品質，而“勇”在《論語》中較之“智”則占據了更重要的位置，實是春秋后期的動蕩社會好勇斗狠風氣漸長時，孔子有針對性的闡發。孔子說“君子無所爭”“其爭也君子”，他所說的“爭”為“君子之爭”，所主張的“強”是“君子之強”。

表6 潛在生態風險評價分級標準

2 結果分析與評價

土壤中重金屬元素含量化學分析結果如表7所示。

表7 樣品化驗結果 mg/kg

以GB 15618—2018 標準中pH＞7.5 的各項數據為參比值，將表1 中數據與相應篩選值和管制值進行對比分析，結果如圖2 和圖3 所示。

由圖2 可知，Cd 含量超標明顯，尾礦樣超標9.83～13.75 倍，土壤試樣超標1.63～4.37 倍。3 號、4 號、5 號試樣Hg 含量超標，超標0.59～3.38 倍；此外，3 號試樣As、Pb 元素含量分別超標0.16 倍和0.26 倍；其他試樣的4 種元素含量均在標準篩選值以下。

由圖3 可知，僅3 號土壤試樣Hg 含量超過風險管制值；其他試樣元素含量均低于風險管制值。

綜合分析可知，尾礦庫下游農田土壤中Cd、Hg、As、Pb 這4 種元素存在明顯的累積現象，其中，Cd超標嚴重，Pb、As、Hg 部分超標。因此，推測土壤對研究區農產品安全及土壤生態環境可能存在風險。為進一步考察研究區土壤中相應元素含量的超標程度進行了評價。

2.1 單因子污染指數與內梅羅綜合污染指數評價

土壤單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數評價結果如表8 和圖4 所示。

表8 單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數評價結果

對比表1，由表8 可知，土壤中Cd 元素Pi值范圍為2.63～5.37，平均值為3.69，為中度污染；Hg 元素Pi值范圍為0.13～4.38，平均值為1.32，為尚清潔；As 元素Pi值范圍為0.52～1.16，平均值為0.69，為清潔（安全）；Pb 元素Pi值范圍為0.19～1.26，平均值為0.48，為清潔（安全）。Pn值范圍為1.96～4.36，平均值為2.84。

由圖4 可知，土壤中Cd、Hg、As、Pb 這4 種元素含量隨著試樣編號增加，總體呈下降趨勢，研究區土壤中這4 種重金屬污染程度大小為Cd＞Hg＞As＞Pb，土壤中Cd 元素污染指數均在2.63 之上，污染程度均在輕度污染以上；3 號試樣Hg 元素污染指數為4.38，為中度污染程度；其他試樣屬于尚清潔（警戒）狀態。土壤中As、Pb 元素污染指數均小于1，為清潔安全等級。

2.2 地累積指數評價

以表1 中山西省土壤元素背景值為參照，計算相應地累積指數，結果如表9 和圖5 所示。

表9 地累積指數評價結果

對比表1，由表9 可知，土壤中Cd 元素Igeo值范圍為3.37～4.40，平均值為3.82，為偏重污染；Hg元素Igeo值范圍為3.67～8.75，平均值為6.14，為嚴重污染；3 號、4 號、5 號、6 號試樣Hg 含量均高于平均值，為重度污染；As 元素Igeo值范圍為-0.08～1.09，平均值為0.29，為輕微污染；Pb 元素Igeo值范圍為0.57～3.29，平均值為1.57，為輕度污染程度，其中3 號為偏重污染，4 號、5 號為中度污染，6 號、8 號為輕度污染，其他為輕微污染。

從圖5 可以看出，研究區土壤中Cd、Hg、As、Pb這4 種重金屬污染程度的大小排序為Hg＞Cd＞Pb＞As。

2.3 潛在生態風險評價

表10 潛在生態風險指數評價結果

2.4 綜合評價

綜上所述，土壤中4 種元素的污染程度分別為：Cd 元素為偏重（很強）污染；Hg 元素為嚴重（很強）污染；As 元素為尚清潔（輕度）污染；Pb 元素為偏重（輕度）污染。內梅羅指數Pn結果顯示，Cd 元素含量對Pn的貢獻最大，且隨著土壤采樣位置與尾礦庫的距離增大，土壤污染程度由重度污染向輕度污染轉變。4 種元素潛在生態危害程度大小順序為Cd＞Hg＞As＞Pb，研究區重金屬生態風險水平中等。

3 結論與建議

該有色金屬礦區尾礦庫及其下游土壤中存在重金屬累積超標現象。尾礦樣中Cd 含量超標現象明顯；土壤樣品中，Cd 含量均高于風險篩選值；Hg含量僅3 號、4 號、5 號試樣超過篩選值，As、Pb 含量僅3 號試樣超過篩選值。

單因子污染指數評價結果顯示，4 種重金屬污染程度大小次序為Cd＞Hg＞As＞Pb，其中，Cd、Hg污染程度嚴重，As、Pb 元素含量等級為清潔。

內梅羅綜合污染指數評價結果顯示，隨著試樣編號的增加，內梅羅綜合污染指數（Pn）呈下降趨勢，符合金屬遷移的一般規律，即距離越近重金屬含量越高，距離越遠重金屬含量越低，其中，Cd 單因素污染指數對Pn值的貢獻率最大。

地累積指數評價重點探討了不同金屬元素的污染程度，以各金屬元素的指數平均值為標準，得出Cd 元素為偏重污染，Hg 元素為嚴重污染，As 元素為輕微污染，Pb 元素為輕度污染，4 種重金屬污染程度大小次序為Hg＞Cd＞Pb＞As。

以研究區為研究對象，得出了研究區域的潛在生態風險指數RI 值為172.69，污染程度達到了中等。各元素的生態風險程度大小為Hg＞Cd＞As＞Pb。計算了4 種元素的Cif和Eir值的總體標準差，結果顯示，Hg 元素的標準差最大，分別為1.50 和55.55，Cd 元素的標準差次之，分別為0.84 和25.31；推測Cd、Hg 元素的富集有可能受到外力富集；As、Pb 元素的標準差小，變化幅度小，含量穩定，更多體現為背景值。

幾種評價方法的評價結果基本一致，個別不一致。如單因子污染指數確定的污染程度大小為Cd＞Hg＞As＞Pb，地累積指數確定的重金屬污染程度大小為Hg＞Cd＞Pb＞As，潛在生態危害指數確定的生態危害大小為Cd＞Hg＞As＞Pb。可見，地累積指數的評價結果與其余2 種方法順序有不同，主要原因是由于評價的參比值不同。但不變的是Cd、Hg 污染程度位于第1 梯隊，As、Pb 元素污染程度位于第2 梯隊。其中，重金屬Cd 的潛在生態風險很大，是該區農田土壤含量超過篩選值最多的元素。推測土壤對農產品安全及土壤生態環境可能存在風險。

研究區土壤中的重金屬超標與尾礦庫存在關聯的依據不充分，需要進一步調查取證；需要補充采集樣本數，對重金屬元素在垂直方向上的富集程度對比分析[19]。研究區土壤中主要種植玉米、土豆、黍、谷子等農作物。為進一步證實研究區重金屬污染情況，需補充采集土壤中對應種植玉米、谷子、黍和蔬菜[20]等農產品樣品進行重金屬含量的分析，多角度復核重金屬富集情況。