拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤污染評價

楊 濤，旦 增，郭佳晨，周文武，許 飛，倪海風

(西藏大學 理學院，西藏 拉薩 850000)

1 引言

我國是世界第三大礦業國，礦山開采利用取得很大成就，同時也造成了許多環境問題。礦渣是原礦經過冶煉而產生的工業廢渣，其資源化利用和安全處置受到廣泛關注[1, 2]。據調查發現，2020年我國工業固體廢棄物產量已經超過30億t/年，年均增長率在7%左右[3～5]。尾礦產量大約是工業廢棄物總量的80%左右，總儲量超過600億t。目前，國內外尾礦的主要類型為鐵、銅、金，3者的總堆存量占總尾礦量的83%左右，3種尾礦的年產量分別為：鐵尾礦：約8.39億t；銅尾礦：約2億t；金尾礦：約1.5億t[6～9](圖1)。

圖1 2009～2019年尾礦產量及利用量

西藏地處我國西南邊陲，不僅是我國重要的安全屏障、生態屏障和戰略資源儲備地，還因地質特殊，自然資源豐富，使得西藏的成礦條件極佳。青藏高原素來有“世界屋脊”之稱，其環境問題更是備受關注。工業化時代的到來，礦產資源開采成為經濟發展的中流砥柱[10]。此外，因為礦產開采工藝的不成熟，資源不能有效利用，造成資源大量浪費[10, 11]。礦石中除了可利用的資源外，還有許多對環境有害的成分，如果不能有效處理將會造成很嚴重的環境問題(表1)。西藏的礦產資源非常豐富[10, 11]，尤其以銅、鉛、鋅礦為代表。2016年，據有關數據顯示，西藏已發現的礦種有102種，有資源儲量的礦有41種，礦產地近3000處，礦產資源的潛在價值達到了驚人的6505億元左右[12]。

在尾礦池和礦場周邊，重金屬元素濃度顯著高于土壤背景值，尾礦中重金屬離子直接或間接的以各種方式進入水中或土壤中進而產生一系列環境問題[13]。因此，尾礦庫的建立成為處理尾礦關鍵步驟，同時，它也是礦產資源開采和環境可持續發展不可或缺的一部分[14]。喬雯等[15]通過研究某礦區土壤重金屬分布及來源發現，研究區內土壤重金屬污染元素主要為Pb、Zn、Cd，多種重金屬之間存在顯著正相關關系，有同源或伴生關系。顧會等[16]通過對貴州省典型鉛鋅礦區土壤重金屬污染特征及來源解析發現，Pb、Zn、Mn、Cd在尾礦堆積區含量較高，土壤重金屬受礦業活動、工農業活動、自然來源的共同影響，其中礦業活動是影響區域土壤質量的主要因素。王興富[17]等通過對貴州某廢棄礦區周邊土壤研究發現，采礦活動及相關作業是土壤重金屬污染的重要原因之一。綜上，均說明礦業活動對周邊土壤重金屬有重要影響，為調查拉薩某銅鉛鋅尾礦庫尾礦對周邊土壤是否產生影響，本文以拉薩市某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤作為研究對象，根據實際情況，在尾礦庫周邊設置10個采樣點，分別測定Cu、Pb、Zn、Cr、Mn等5個重金屬濃度值，進一步分析其污染問題，并研究尾礦庫的生態風險。旨在確定尾礦中重金屬對周邊環境影響，為拉薩市尾礦處理、環境防治提供科學依據，對環境的保護治理具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況

墨竹工卡縣隸屬于西藏自治區拉薩市，位于西藏自治區中部，拉薩東部，地理坐標為：東經91°43′～91°50′，北緯29°37′～29°43′，總面積5620 km2，截至2020年11月份，常住人口為49511人。下轄1個鎮7個鄉：工卡鎮、扎雪鄉、門巴鄉、扎西崗鄉、日多鄉、尼瑪江熱鄉、甲瑪鄉和唐加鄉。東邊與林芝市工布江達縣相鄰，南鄰山南市桑日縣，西鄰達孜區和林周縣，北鄰那曲市嘉黎縣。墨竹工卡縣屬高原溫帶半干旱季風氣候區，空氣稀薄，高寒干燥，風力冬季和春季比夏季和秋季強，年溫差小而晝夜溫差大。年平均氣溫大約5.1～9 ℃，最高氣溫出現在6月份，可達30℃左右；最低氣溫出現在1月份，大約-16～23 ℃。年日照時數2813.5 h，全年降水集中在6～9月份，年降水量約515.9 mm。 墨竹工卡縣內主要包含金、銻、鉻、銀、銅等礦產資源。除了礦產資源外，還有許多珍稀的野生動植物。如：黑頸鶴、斑頭雁、蟲草、雪蓮花、貝母、紅景天等。墨竹工卡縣的森林覆蓋率只有35.94%，天然林和人工林地合計203949.889畝。

2.2 樣品采集及處理

2.2.1 樣品采集

樣品在2021年9月4日采集，采集當天天氣晴朗，溫度18 ℃，濕度50%，尾礦庫海拔4400 m，經緯度分別為：91.053、30.015。采樣點具體分布圖如圖2。

圖2 土壤樣點分布

2.2.2 樣品預處理

樣品采集回實驗室后，首先將土壤樣品中的植物、石頭等雜物全部清理；后經過一周時間待樣品風干后，用瑪瑙研缽研磨均勻、過325目篩，封存與密封袋保中，用于后續檢測。

2.3 樣品分析測定

2.3.1 主要試劑

Mn、Pb、Zn、Cu、Cr、Cd等重金屬元素溶液標準物質，硝酸(分析純)、硫酸(分析純)、氫氟酸(分析純)，醋酸，氫氧化鈉，去離子水。

2.3.2 樣品分析測定

土壤樣品中的重金屬含量分析步驟：①利用高通量微波消解儀消解土壤;②利用趕酸器將消解樣品中酸趕出;③將樣品配制為待測液;④應用火焰原子吸收光譜儀檢測待測元素。

2.4 污染評價

本文主要采用內梅羅綜合指數法和地累積指數法進行污染評價。

內梅羅綜合指數法：

(1)

式(1)中：P是采樣點的綜合污染指數；max(Pi)為采樣點重金屬污染物單項污染指數的最大值，Pi為單因子指數平均值。

該方法能夠全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，評價結果客觀，是土壤污染評價中最為常用的方法之一，評價標準見表1。

表1 內梅羅綜合污染指數分類標準

地累積指數法：

Igeo=log2[Cn/(k×Bn)]

(2)

式(2)中：Cn是元素n在樣品中的濃度；Bn為背景濃度；k為修正指數，一般為1.5。地累積指數分類標準見表2。

表2 地累積指數Igeo分類標準

2.5 潛在生態風險評價

研究使用瑞典科學家Hakanson提出的潛在生態危害指數法對研究區土壤及淋溶液進行評價，計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

表3 潛在生態單項系數范圍及潛在生態危害指數范圍

3 結果分析

3.1 土壤重金屬總量分布

拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊表層土壤中重金屬含量的測試結果如表4。與西藏自治區土壤背景元素值相比，Cu、Pb、Zn 3種重金屬元素平均含量值均超過當地土壤背景值含量，分別是背景值的2.78、6.35、1.56倍，這與馬杰等[18]的研究結果相似；其中10個樣點的Cu含量均超過了背景值，Pb僅有一個樣點沒有超過背景值，Zn有6個樣點的含量超過了背景值。 Cr含量平均值與當地土壤背景值含量相似，Mn的含量小于當地的土壤背景值，這說明該尾礦庫的尾礦堆積對周邊土壤的重金屬含量影響較明顯，尤其是Pb，其次是Cu、Zn。變異系數主要反映人為活動對土壤重金屬的影響，變異系數小于0.15為弱變異，介于0.15～0.36之間為中度變異，大于0.36為強變異，變異系數越大，人為影響越明顯[19, 20]。對比變異系數發現，Cu、Pb、Zn的變異系數均大于0.36，即Cu、Pb、Zn均為強變異，Cr、Mn的變異系數均介于0.15～0.36之間為中等變異。相比之下，Pb的離散程度最高，即該元素受到外界因素干擾最大(表4)。

表4 尾礦庫周邊土壤重金屬含量

3.2 重金屬污染評價

3.2.1 內梅羅綜合指數法

內梅羅綜合指數法的評價結果見表5。由內梅羅綜合指數平均值得，土壤主要受到Pb、Mn污染，其中Pb污染偏中度污染，Mn污染偏輕度污染；Cr與Cu較安全，Zn主要處于警戒值范圍；由內梅羅綜合指數最大值得，尾礦庫周邊主要受到Pb、Mn污染，Cr、Cu安全，Zn介于警戒值之間。對比各重金屬的內梅羅綜合指數最大值和最小值發現，Pb的極差值最大，Mn的極差值其次，兩者的值均大于1.0，說明所有樣點均受到Pb、Mn污染。

表5 尾礦庫周邊土壤重金屬內梅羅污染指數評價

3.2.2 地累積污染指數法

地累積污染指數法的評價結果如表6。從采樣點地累積污染指數平均值來看，土壤主要受Pb、Cu污染，其中Pb污染為中度污染，Cu污染為無污染-中度污染，而Cr、Mn、Zn不受污染；從地累積污染指數最大值來看，尾礦庫周邊主要受到Cu、Pb、Zn污染，Pb污染的污染程度甚至達到了極度污染，而Cr與Mn不受污染。湯波等[21]對陜西寧強燕子礬鉛鋅尾礦庫周邊土壤重金屬污染的研究也表明，周邊土壤受Pb、Cu污染，研究結果與之有相似之處(表6)。

表6 尾礦庫周邊土壤重金屬的累積污染指數評價

3.3 潛在生態風險評價

Cu、Pb、Zn、Cr 4個重金屬元素的毒性效應系數分別為：5、5、1、2。各元素及采樣點的潛在生態單項系數變化范圍及均值變化如表7，以西藏自治區土壤背景值為參比值，評價拉薩某銅鉛鋅尾礦庫周邊土壤重金屬潛在生態風險，Cu、Pb、Zn、Cr的潛在生態單項系數范圍分別為：4.04～28.41、4.41～151.78、0.26～2.96、1.22～3.74。以上4種重金屬中，Cu、Zn、Mn3種重金屬的潛在生態單項系數均小于30，為輕度潛在生態風險；而Pb的潛在生態單項系數極差較大，其中大部分樣點的潛在生態單項系數均小于40，在1T、6T點的潛在生態風險單項系數分別為：61.59、151.78，潛在生態風險等級分別為較強、很強。從潛在生態單項系數的平均值發現，Pb的潛在生態風險等級為輕度-中度潛在生態風險，而Zn、Cu、Cr為輕度潛在生態風險。因此，研究區土壤中Pb為主要生態危害元素，對土壤有明顯的污染(表7)。

表7 尾礦庫周邊土壤重金屬潛在生態單項系數評價

由表8可知，尾礦庫周邊樣點的潛在生態風險指數大小為：6>1>2>7>5>8>3=4>9>10，其中1號點和6號點的潛在生態風險指數介于[110,220)之間，存在中度潛在生態風險，而其余8個點的潛在生態風險指數均小與110，存在輕微潛在生態風險。結合樣點分布圖知，距離尾礦庫越近，樣點的潛在生態風險越高。

表8 尾礦庫周邊樣點土壤重金屬生態風險指數評價

4 結論

(1)尾礦庫周邊土壤中重金屬Cu、Pb、Zn含量超標且積累，以Pb的超標率最高，尾礦庫周邊土壤中重金屬的含量大小為：Pb>Zn>Mn>Cu>Cr。

(2)內梅羅污染指數法結果表明，尾礦庫周邊主要受Pb、Mn污染，其中Pb為中度污染，Mn偏輕度污染。

(3)地累積指數法結果表明，尾礦庫周邊土壤主要受到Cu、Pb污染，其中Pb污染甚至達到極度污染，Cu污染主要為中度污染。

(4)潛在生態風險指數法結果表明，尾礦庫周邊土壤中Pb為中度風險，Cr、Cu、Zn為輕度風險。1號點和6號點為存在中度潛在生態風險，距離尾礦庫越近，重金屬的污染越嚴重，存在的生態風險越高。