新疆某多金屬礦土壤重金屬污染特征及風險評價

李玲 邵龍美 李永武 徐娟 張峰瑋

摘要：以新疆某多金屬礦為研究對象，對礦區土壤進行采樣調查，測定了土壤中銅、鉛、鋅、鎘、砷、汞和鉻等7種重金屬元素的含量。并采用單因子污染指數法、綜合污染指數法和地累積指數法進行土壤重金屬污染評價，采用潛在生態風險指數法進行生態風險評價。結果表明礦區土壤中7種重金屬元素的含量均高于新疆土壤背景值，鉛和鋅表現出顯著相關性;3種污染評價方法的結果相吻合，礦區土壤出現不同程度的重金屬污染問題，其中尾礦庫南側和選礦廠周圍土壤的污染程度最高，造成污染的元素有鎘、鋅、銅和鉛;礦區土壤中鎘元素存在較高的生態風險，其余元素的生態風險水平很低;礦區土壤重金屬污染主要與采礦、選礦等人為活動有關。

關鍵詞：多金屬礦區;土壤;重金屬元素;污染特征;風險評價

Abstract： The soil of a polymetallic mine in xinjiang was sampled and investigated， and the contents of seven heavy metals such as copper， lead， zinc， cadmium， arsenic， mercury and chromium in the soil were determined. The single factor pollution index method， comprehensive pollution index method and ground accumulation index method were used to evaluate heavy metal pollution in soil and the ecological risk index method was used to evaluate the ecological risk. The results showed that the content of 7 heavy metals in soil of the mining area was higher than background value of Xinjiang soil，and Lead and zinc showed a significant correlation. The results of the three pollution evaluation methods were in agreement with each other， indicated that the soil in mining area is contaminated with heavy metals in different degrees， among which the soil in the south side of tailings pond and around the concentrator has the highest pollution degree，and the elements causing pollution are cadmium， zinc， copper and lead. Cadmium in soil of mining area has high ecological risk and the ecological risk level of other elements is very low. Soil heavy metal pollution in mining areas was mainly related to human activities such as mining and ore dressing.

Keywords： Polymetallic mining area; Soil; Heavy metal elements; Pollution characteristics; Risk assessment

土壤是經濟社會持續發展的物質基礎，保護好土壤環境是推進生態文明建設和維護國家生態安全的重要內容。首次土壤污染狀況調查結果表明，在人為活動的強烈干擾下，我國土壤質量狀況不容樂觀，其中工礦企業土壤的重金屬污染問題最為突出[1]。土壤重金屬污染是指由于人類活動使重金屬進入到土壤中，致使土壤中重金屬明顯高于原生含量，并造成生態環境質量惡化的現象。進入土壤的重金屬元素大多生物毒性顯著，不易降解，可不斷累積，甚至還可以轉化為毒性更大的烷基化合物，并在食物鏈中富集，直接影響到人類健康[2]。土壤中的重金屬元素主要來源有金屬礦山開采冶煉、化學工業生產、重金屬農藥、污水灌溉和化肥使用以及高地質背景值等，其中金屬礦業采選和冶煉所排放的含重金屬廢氣沉降、廢水灌溉以及廢渣等固體廢料溶蝕擴散進入土壤等是重金屬污染的主要途徑[3]。因此，目前礦山土壤重金屬污染問題已成為環境土壤學的研究熱點之一。國內外學者在礦區土壤重金屬污染調查、含量及分布特征、污染狀況及評價及修復治理等方面做了大量研究工作[4-6]，然而關于新疆維吾爾自治區金屬礦山土壤重金屬污染問題的報道不是很多。本文以新疆阿勒泰某多金屬礦為研究對象，對礦區土壤中重金屬元素含量進行調查研究，以查明礦區土壤中重金屬元素的含量及分布特征，并采用單因子污染指數法、綜合污染指數法、地累積指數法對土壤重金屬污染進行評價，采用潛在生態風險指數法進行生態風險評價，以期為研究區土壤重金屬污染的診斷、防治以及綠色礦山建設提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

多金屬礦區位于新疆阿勒泰山脈西北邊緣的中部丘陵區，屬大陸性北溫帶寒冷氣候，其特點是夏季干熱、冬季嚴寒，晝夜溫差大、光照充足，降水量小、蒸發量大，全年多季風。年平均氣溫4.1℃，年平均降雨量178mm/a，蒸發量2 065.4mm/a，夏季主導風向為東風，冬季主導風向為西風，平均風速4.4 m/s。礦區屬低山區，地勢總體北高南低，海拔800～1 080m，相對高差30～100m，區內河谷發育，有布滾勒河流過，無耕地，有天然牧場。

礦山年采選礦石12.24萬t，主要產品為精選銅礦、鉛精粉和鋅精粉。礦化類型縱向上由地表金礦化為主向下變為以金銅-金銅鉛鋅多金屬為主的變化趨勢，橫向上由東南向西北，礦種呈金-金銅-鉛鋅銅的變化規律。

1.2 數據來源

1.2.1 樣品采集及檢測

2018年9月課題組分別在多金屬礦區的尾礦庫、選礦廠及采場附近共采集了9個土壤樣品，具體采樣點位置見圖1。土樣嚴格按土壤環境監測技術規范（HJ/T 166-2004）進行采集、保存和預處理。使用荷蘭鉆取土，用陶瓷刀去除與金屬采樣器接觸的土壤，每件樣品采集后，將荷蘭鉆上的泥土清除干凈再采集下一個樣品。每個采樣點采集0～20cm 深度的土壤約2kg，裝入潔凈的聚乙烯塑料袋中，并剔除雜草、動物及礫石等雜物。為避免土壤分布不均造成影響，根據相應區域的地形特點，選用梅花型布點法采集。用全球定位系統（GPS） 儀對每個采樣點位置進行定位，并詳細記錄采樣點環境狀況。土樣運至實驗室后經風干、磨碎、過 100 目尼龍篩，按四分法取樣2份，每份約100g裝袋保存以備分析測試。參照《銅、鈷、鎳工業污染源排放標準》和《鉛、鋅工業污染源排放標準》選取銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、鉻（Cr）7種重金屬元素進行測定。其中銅、鉛、鋅、鉻、鎘采用電感耦合等離子體質譜法進行測定，砷和汞元素采用原子熒光法進行測定。

2 結果與分析

2.1 重金屬元素的含量

運用描述性統計分析法對礦區土壤中7種重金屬元素的含量進行分析，統計量見表1。由表 1可知，礦區土壤只有鎘的平均含量超過了土壤環境質量二級標準值，其余 6種重金屬元素的平均含量未超過土壤環境質量二級標準值，但7種重金屬元素的平均含量均超過了新疆土壤背景值[7]，其中鎘、銅和鋅含量較高，鎘的平均含量超過背景值的4倍，銅的平均含量接近背景值的2倍，鋅的平均含量超過背景值的2倍。總體來看，研究區土壤重金屬元素的含量不是很高。

變異系數反映了各個樣點之間的平均變異程度，系數越大，人為活動的干擾作用越強或污染程度越嚴重[8]，礦區土壤中7種重金屬元素的變異系數差異很大，變化范圍為0.25～1.52，其中鎘、銅、鋅、鉛的變異系數超過了1，表明其含量在礦區土壤中分布不均勻，可推斷與礦區采礦及選礦等活動有關;而鉻、汞、砷的變異系數低于1，其空間分布較為均勻，受人為活動干擾不強。

對土壤中銅、鉛、鋅、鎘、砷、汞和鉻7種重金屬元素含量進行相關性分析，計算它們之間的Person系數。只有鉛與鋅表現出了顯著相關性，其他元素之間的相關性不明顯，表明鉛與鋅來自同一污染源或受相似因素影響，其他元素的污染來源和影響因素具有很大的差異。這與該礦區礦體的礦化類型為鉛鋅礦化有關，鉛和鋅具有共同的成礦物質來源和十分相似的地球化學行為，有類似的外層電子結構，都具有強烈的親硫性，并形成相同的易溶絡合物，在自然界特別在原生礦床中極為密切，常常共生[9]。從該角度也反映出礦區土壤中鉛和鋅主要來自礦山采選活動。

3 污染評價

3.1 單因子污染指數法

單因子污染指數法能夠比較直觀地反映出單個污染物的污染程度，同時也是其他環境質量指數、環境質量分級和綜合評價的基礎[10]。該方法是以土壤元素背景值為標準來評價重金屬元素的污染程度，計算公式為：Pi=Ci/Si，式中，Pi—土壤中第i元素的污染指數;Ci—土壤中第i元素的實測濃度（mg/kg）;Si—土壤中第i元素的背景值。單因子污染指數法的污染評價等級劃分見表2。

本文以新疆土壤重金屬元素背景值作為評價標準，采用單因子污染指數法進行礦區土壤重金屬污染評價，評價結果見表3。

由表3可知，銅的污染指數范圍是0.65～6.97，對采場和選廠附近土壤造成了輕微污染，而尾礦庫區土壤中銅元素的污染指數差別較大，尾礦庫南側土壤中銅的污染程度最高，北側、西側和東側土壤均未有銅污染;鎘的污染指數差別很大，范圍在0.33～22.50之間，除尾礦庫的西側和北側，其他區域的土壤都出現了鎘的污染，選廠和尾礦庫南側土壤中鎘污染最為嚴重，采場土壤的鎘污染為中等程度;鉻的污染指數范圍是0.54～1.50，所有調查區域土壤中鉻污染程度很低，只在尾礦庫區西側、北側和采場有輕微污染;鉛的污染指數范圍是0.53～5.21，各個調查區域內土壤受鉛污染的程度相差很大，尾礦庫區土壤受到了鉛元素的污染，在尾礦庫南側土壤為重污染，其他區域為輕污染，而選廠和采場土壤未受到鉛污染或者只是輕微污染;鋅的污染指數普遍較高，范圍是0.53～8.98，只在尾礦庫區西側的土壤未受到鋅元素的污染，其他區域土壤都有不同程度的鋅污染，其中在尾礦庫區南側及選廠土壤鋅污染為重污染;汞的污染指數較低，范圍是0.44～1.76，礦區土壤受到汞元素的污染程度很低，尾礦庫南側、選廠北側的土壤中為輕污染外，其他區域的土壤沒有汞污染;砷的污染指數范圍是0.19～2.03，礦區土壤有不同程度的砷污染，其中尾礦庫南側土壤為中污染，尾礦區西側及采場土壤未見砷污染，其他區域土壤的砷污染為輕污染。

各重金屬元素的污染指數平均值為鎘（4.90）>鋅（2.49）>銅（1.71）>鉛（1.66）>砷（1.37）>鉻（1.00）>汞（0.89），表明礦區土壤受人類活動的干擾，具有不同程度的重金屬污染;造成研究區土壤重金屬污染的元素主要有鎘、鋅、銅和鉛，這與該礦區礦體性質有關，礦體大多為銅礦化或是鉛鋅礦化等。

3.2 內梅羅綜合污染指數法

為全面了解礦區土壤重金屬的污染狀況，方便各調查區域之間污染程度的對比，采用兼顧單因子污染指數平均值和最大值的內梅羅綜合污染指數法對土壤重金屬污染狀況進行評價。內梅羅綜合污染指數法計算公式為：

式中，P—所評價土壤的綜合污染指數;Pimax—所評價土壤單因子污染指數的最大值;Piave—所評價土壤單因子污染指數的平均值[11]。

綜合污染指數法的污染評價等級劃分見表4，評價結果見表5。

結合單因子污染指數評價結果可知，3個調查區域的土壤都受到了3種及3種以上重金屬元素的污染。尾礦庫南側土壤的重金屬污染為重污染，其他位置為輕污染，選礦廠土壤重金屬污染嚴重，采場土壤重金屬污染程度較低，均為輕污染。總體而言礦區開發時間不長，因此造成的污染不是很嚴重，尾礦庫南側土壤重金屬污染程度較高，與尾礦庫上游尾礦廢水的滲流有關。

3.3 地累積指數法

地累積指數法近年來被廣泛用于土壤重金屬污染的評價，該方法不僅考慮了自然因素引起的背景值變化對污染程度的影響，同時也考慮了人類活動的影響。其計算公式：

式中：Igeo為地累積指數;Ci為中元素i質量分數的實測濃度值;Bi為普通頁巖中元素i質量分數的地球化學背景值;k為調整系數，取 1.5。地積累指數分級與污染程度之間相互關系為：Igeo<0 為無污染，污染等級為0級;0≤Igeo<1為無-中污染，等級為1級;1≤Igeo<2為中污染，等級為2 級;2≤Igeo<3為中-強污染，等級為3級;3≤Igeo<4為強污染，等級為4級;4≤Igeo<5為強-極強污染，等級為5級;Igeo≥5為極強污染，等級為6級[12]。

礦區土壤重金屬元素的地積累指數及污染等級評價結果顯示，7種重金屬元素地積累指數的范圍為：Igeo（Cu）-0.95～2.22;Igeo（Cd）-0.59～3.91;Igeo（Cr）-1.48～0.004;Igeo（Pb）-0.72～1.80;Igeo（Zn）-1.51～2.58;Igeo（Hg）-1.50～0.23;Igeo（As）-3.00～0.43，據地累積指數可以看出，研究區土壤都受到了重金屬元素的污染，造成污染的主要重金屬元素為鎘、鋅、銅和鉛，與單因子指數法的評價結果一致。由表6可知，尾礦庫南側土壤中重金屬污染嚴重，其次是選廠土壤中存在鎘和鋅的污染。其他區域的土壤重金屬污染程度很低。但污染程度與單因子評價的結果有所差別，地累積指數法評價的等級要低于單因子指數評價的污染等級，地累積指數法并未出現強污染等級，最嚴重的為中-強污染等級。這是由于地累積指數法考慮到各地巖石差異可能會引起背景值的變動，而選取的系數k（一般取值為1.5），用來表征沉積特征、巖石地質及其他影響，還特別考慮到自然成巖作用對背景值的影響，因此比單因子污染指數法評價結果的污染程度要低。

3.4 潛在生態風險指數法

潛在生態風險指數法引入毒性響應系數，將重金屬的環境生態效應與毒理學聯系起來，使評價更側重于毒理方面，對其潛在的生態危害進行評價[13]。它不僅可以反映某一特定污染物對環境的影響，也能夠很好地反映多種污染物對環境的綜合影響。其計算公式如下：

式中：為土樣中第 i種金屬的污染系數;為土樣中第i種重金屬質量濃度的實測值，mg·kg-1;為土樣中第i種重金屬的評價參比值，mg·kg-1;為土樣中第i種重金屬的潛在生態風險指數;為土樣中第i種重金屬的毒性響應系數，主要反映重金屬毒性水平河環境對重金屬污染的敏感程度;RI為土樣中多種重金屬的綜合潛在生態風險指數[14]。潛在生態風險程度分級見表7。

礦區進行生態風險指數法評價結果見表8，結果顯示7 種重金屬潛在生態危害系數的 Eir均值大小順序為：Cd（147.04）>Hg（35.43）> As（13.68）> Cu（8.55） >Pb（8.32）>Zn（2.49）> Cr（2.01）。礦區土壤存在生態風險的重金屬元素是鎘，其余元素對土壤生態風險水平很低。這是由于一方面鎘元素在礦區土壤中的含量較高，平均含量超過了背景值的4倍，另一方面鎘元素的生態毒性也很高造成的。其余元素的潛在生態風險評價結果與污染評價的結果不一致，如土壤中鋅、銅和鉛三種元素的污染程度較高，受到人類活動影響較大，但由于其生態毒性不是很高，生態風險水平就很低，而汞和砷元素雖然污染程度較低，但其生態毒性很高，則其生態風險水平就相應提高。

4 結論

（1）礦區土壤中銅、鉛、鋅、鎘、砷、汞和鉻7種重金屬元素的含量均高于均新疆土壤背景值，其中鎘、銅、鋅和鉛含量較高，且它們的變異系數也都超過了1，表明土壤中這4種重金屬元素受礦區采礦及選礦等活動影響顯著。相關性分析表明，研究區土壤中只有重金屬元素鉛與鋅表現出了顯著相關性，這與礦體的礦化類型有關，也進一步說明礦區土壤重金屬污染與人類活動有關。

（2）單因子污染指數評價法、綜合污染指數法與地累積指數法的評價結果顯示，造成礦區土壤污染的重金屬元素為鎘、鋅、銅和鉛，3個調查區域的土壤都受到了3種及3種以上重金屬的污染，因此礦區土壤重金屬污染為復合污染型。造成生態風險的重金屬元素只有鎘，其余元素對土壤生態風險水平很低。受尾礦庫滲水的影響，尾礦庫南側土壤的重金屬污染為重污染，尾礦庫其他位置土壤為輕污染;選礦廠土壤重金屬污染嚴重;采礦區土壤重金屬污染程度較低，均為輕污染。總體而言，礦區除本企業外無其他工業企業和農田，人煙稀少，開發較晚，故土壤重金屬污染不嚴重。

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收稿日期：2020-05-02

基金項目：新疆教育廳高校科研計劃項目（XJEDU2019Y061、XJEDU2018Y052）、新疆教育廳“十三五”重點專業地質工程（20161812）、新疆工程學院院級課題（2018xgy072105）

作者簡介：李玲（1982-），女，漢族，博士研究生，講師，研究方向為水土環境地球化學。

通訊作者：邵龍美。