礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估

王映輝

（甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020）

土壤由巖石風化而成的礦物質、動植物，微生物殘體腐解產生的有機質、土壤生物以及水分、空氣氧化的腐殖質等組成，是人們賴以生存的生產資料，與人類的生命健康密切相關，人類食物的生產，活動和棲息都離不開土壤[1]。但是隨著國家經濟的發展，工業的高度發達，對礦產資源需求的增加，導致礦區周邊土壤重金屬污染嚴重。重金屬是一種持久性潛在有毒污染物，因為重金屬不能被土壤中的生物降解，長期留存在土壤當中，不斷積累，危及人體及生態安全[2]。而人類活動，對礦山的不斷開采以及礦渣的隨意堆放，對礦區周圍土壤造成重金屬污染，促使礦區周邊土壤重金屬污染問題已經成為社會的重點問題之一。不僅影響著礦山自身的發展，更是影響著礦山周邊地區的群眾生活和農業生產。因此，本文提出的礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估這一課題對于礦區環境保護及指導礦區土壤修復都具有重要意義。

1 構建評估模型

重金屬污染需要查看重金屬污染指數、污染程度、污染的重金屬元素、重金屬毒性、污染元素濃度等。為此設污染物為i，污染物i的環境質量指數為Pi，土壤中污染物的評價標準為Si，土壤中污染物i的實測濃度含量值為Ci，污染物i的污染指數最大值為Pimax，污染物i的污染指數平均值為Piave，則有 ：

（1）式中，k為系數，用于校正區域背景值差異，log2表示污染程度等級，可以得到礦區周邊污染土壤的具體重金屬污染物以及該污染物的濃度，對土壤環境污染指數，并計算出重金屬單項污染指數的最大值和平均值。當Pi≤1.0時礦區周邊土壤無污染；當Pi≥1.0時礦區周邊土壤已被污染，并且隨著環境質量指數的增大，污染物對土壤的污染程度越高。

為了研究礦區周邊土壤被污染程度的變化趨勢，為此設某點污染的負荷指數為Ipl，評價元素個數為n，污染物i的最高污染系數為Fi，則有：

通過（2）式可以計算出礦區周邊土壤某一點的污染負荷指數，那么某一區域的污染負荷指數為Iplzone，將（2）式帶入，則有：

經過（1）（2）（3）式的計算，可以得到環境污染程度，以及最大污染負荷指數，但是，在重金屬的污染下，會產生潛在生態風險，那么設重金屬的潛在生態風險指數為RI，污染物的毒性響應系數為Ti，潛在生態風險單項系數為Ei，則有：

將（1）（2）（3）（4）式帶入，構建礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估模型H，則有：

（5）式即礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估模型。

2 通過評估模型評估重金屬污染特征

根據1中的評估模型，可知在一定的空間范圍內，土壤重金屬存在一定的空間依賴性，根據（2）式計算，可以得出某一區域的污染負荷指數，判斷土壤重金屬之間的離散程度，為此可以根據（3）式，可以得出土壤中重金屬的變異系數等級，如表1所示。

表1 重金屬變異系數等級表

根據1評估模型中的(1)式，重金屬變異程度越高，礦區周邊土壤受到重金屬污染程度越高。當重金屬k＜時，對礦區周邊土壤具有一定的潛在污染，但土壤表層和深層不存在重金屬污染現象；當0.1≤k≤1，重金屬出現富集現象，礦區周邊土壤表層已經遭受重金屬污染，人內活動對礦區周邊土壤影響不明顯，其重金屬含量隨研究區域變化都較為明顯，空間分布不均勻；當k＞1時，重金屬已經在礦區周邊土壤中高度富集，礦區周邊深層土壤已經受到重金屬污染，受人類活動影響明顯且重金屬含量與分布則主要是源于自然環境。

3 通過評估模型評估重金屬污染潛在生態風險

采用1中的評估模型，針對礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險進行風險評估，將礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險劃分為5個等級，其等級表如表2所示。

表2 染潛在生態風險等級表

根據評估模型中的（4）式，可以得出毒性水平和生物對重金屬毒性的敏感程度。經過（4）式計算，重金屬污染物的毒性系數為x，而毒性系數與重金屬污染指數成正比，當x≤0.7時，礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險為5級無污染，對人體和作物沒有潛在生態風險；當0.7＜x≤1時，重金屬尚未達到警戒值，礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險為4級輕微，作物和土壤尚未受到重金屬影響；當1＜x≤2時，土壤中的重金屬已經超過標準值，開始污染土壤和作物，礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險為3級中等；當2＜x≤3時，重金屬已經危害到周邊作物的生長和土壤中生物的生存，礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險為2級重度，土壤金屬化初顯；當x＞3時，重金屬已經超過土壤所存金屬最大值，礦區周邊土壤對人體具有危害，作物和生物已經無法在這塊土壤生存，礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險為1級強烈，土壤已經完全金屬化。

4 實驗論證分析

為保證本文研究的礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估方法的有效性，設計如下對比實驗。采用相同地區的同一礦區周邊土壤環境作為實驗評估對象，針對該礦區土壤表層土0～20cm進行取樣，取樣時采取s形多點采樣，在每個中心采樣點采取5個～10個分樣，并將這些分樣混合，用分法反復取舍，最終只保留千克左右的樣品。采集土壤時記錄每個土壤樣品的編號、地點、經度、諱度、土壤質地、土地利用方式等。分別使用兩種評估方法評估取來的樣品的重金屬污染特征及潛在生態風險。在評估過程中做好實驗總結和分析，同時記錄好數據以便對比兩種評估方法的準確率。

對比礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估準確率時，對實驗獲得的數據分析通過樣本均值加減倍標準差來判別出特異值，特異值分別用最大值或者最小值替換。用SPSS16.0軟件對數據進行經典統計分析和相關性分析以，從而評估礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險準確率差異。

從圖1中可以看出，本文提出的礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估方法，評估準確率在90%～100%之間，在1、4次實驗中的準確率都達到了100%，2、3、5次實驗中也都達到了90%，準確率波動差為0.1，波動趨勢平穩。然而傳統評估方法的評估準確率卻在60%～80%之間，只有第4次實驗中準確率高達80%，甚至有兩次實驗中評估準確率只達到了60%，準確率波動差為0.2，波動趨勢不穩定。

由此可見，本文提出的礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估方法，可以準確評估礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險，評估結果穩定，可以作為改善礦區周邊土壤環境的參考值。

5 結語

綜上所述，隨著經濟的發展，工業水平的提高，對礦產資源需求量加大的同時，也對礦區周邊土壤造成了重金屬污染，嚴重影響礦區周邊的生態環境，和礦山周邊地區的群眾生活、農業生產，因此本文提出的礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估這一課題具有十分重要的意義。通過對礦區周邊土壤重金屬污染特征的評估，可以及時控制礦區周邊土壤重金屬污染，對礦區周邊土壤重金屬污染潛在生態風險評估，可以及時分析出土壤重金屬污染擴散情況，從而可以及時控制污染趨勢，避免土壤重金屬污染情況進一步擴散，危及當地群眾生活和農業生產。但是本文對礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估研究并不完全，對于評估出的重金屬污染結果，全面度有待提高，為此還需不斷深入研究礦區周邊土壤重金屬污染特征及潛在生態風險評估方法，可以全面準確地評估出礦區周邊土壤的重金屬污染狀況。