新疆某多金属矿土壤重金属污染特征及风险评价

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　　摘要：以新疆某多金属矿为研究对象，对矿区土壤进行采样调查，测定了土壤中铜、铅、锌、镉、砷、汞和铬等7种重金属元素的含量。并采用单因子污染指数法、综合污染指数法和地累积指数法进行土壤重金属污染评价，采用潜在生态风险指数法进行生态风险评价。结果表明矿区土壤中7种重金属元素的含量均高于新疆土壤背景值，铅和锌表现出显著相关性;3种污染评价方法的结果相吻合，矿区土壤出现不同程度的重金属污染问题，其中尾矿库南侧和选矿厂周围土壤的污染程度最高，造成污染的元素有镉、锌、铜和铅;矿区土壤中镉元素存在较高的生态风险，其余元素的生态风险水平很低;矿区土壤重金属污染主要与采矿、选矿等人为活动有关。
　　关键词：多金属矿区;土壤;重金属元素;污染特征;风险评价
　　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
　　土壤是经济社会持续发展的物质基础，保护好土壤环境是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。首次土壤污染状况调查结果表明，在人为活动的强烈干扰下，我国土壤质量状况不容乐观，其中工矿企业土壤的重金属污染问题最为突出[1]。土壤重金属污染是指由于人类活动使重金属进入到土壤中，致使土壤中重金属明显高于原生含量，并造成生态环境质量恶化的现象。进入土壤的重金属元素大多生物毒性显著，不易降解，可不断累积，甚至还可以转化为毒性更大的烷基化合物，并在食物链中富集，直接影响到人类健康[2]。土壤中的重金属元素主要来源有金属矿山开采冶炼、化学工业生产、重金属农药、污水灌溉和化肥使用以及高地质背景值等，其中金属矿业采选和冶炼所排放的含重金属废气沉降、废水灌溉以及废渣等固体废料溶蚀扩散进入土壤等是重金属污染的主要途径[3]。因此，目前矿山土壤重金属污染问题已成为环境土壤学的研究热点之一。国内外学者在矿区土壤重金属污染调查、含量及分布特征、污染状况及评价及修复治理等方面做了大量研究工作[4-6]，然而关于新疆维吾尔自治区金属矿山土壤重金属污染问题的报道不是很多。本文以新疆阿勒泰某多金属矿为研究對象，对矿区土壤中重金属元素含量进行调查研究，以查明矿区土壤中重金属元素的含量及分布特征，并采用单因子污染指数法、综合污染指数法、地累积指数法对土壤重金属污染进行评价，采用潜在生态风险指数法进行生态风险评价，以期为研究区土壤重金属污染的诊断、防治以及绿色矿山建设提供一定的科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　多金属矿区位于新疆阿勒泰山脉西北边缘的中部丘陵区，属大陆性北温带寒冷气候，其特点是夏季干热、冬季严寒，昼夜温差大、光照充足，降水量小、蒸发量大，全年多季风。年平均气温4.1℃，年平均降雨量178mm/a，蒸发量2 065.4mm/a，夏季主导风向为东风，冬季主导风向为西风，平均风速4.4 m/s。矿区属低山区，地势总体北高南低，海拔800～1 080m，相对高差30～100m，区内河谷发育，有布滚勒河流过，无耕地，有天然牧场。 　　矿山年采选矿石12.24万t，主要产品为精选铜矿、铅精粉和锌精粉。矿化类型纵向上由地表金矿化为主向下变为以金铜-金铜铅锌多金属为主的变化趋势，横向上由东南向西北，矿种呈金-金铜-铅锌铜的变化规律。
　　1.2 數据来源
　　1.2.1 样品采集及检测
　　2018年9月课题组分别在多金属矿区的尾矿库、选矿厂及采场附近共采集了9个土壤样品，具体采样点位置见图1。土样严格按土壤环境监测技术规范（HJ/T 166-2004）进行采集、保存和预处理。使用荷兰钻取土，用陶瓷刀去除与金属采样器接触的土壤，每件样品采集后，将荷兰钻上的泥土清除干净再采集下一个样品。每个采样点采集0～20cm 深度的土壤约2kg，装入洁净的聚乙烯塑料袋中，并剔除杂草、动物及砾石等杂物。为避免土壤分布不均造成影响，根据相应区域的地形特点，选用梅花型布点法采集。用全球定位系统（GPS） 仪对每个采样点位置进行定位，并详细记录采样点环境状况。土样运至实验室后经风干、磨碎、过 100 目尼龙筛，按四分法取样2份，每份约100g装袋保存以备分析测试。参照《铜、钴、镍工业污染源排放标准》和《铅、锌工业污染源排放标准》选取铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）7种重金属元素进行测定。其中铜、铅、锌、铬、镉采用电感耦合等离子体质谱法进行测定，砷和汞元素采用原子荧光法进行测定。
　　2 结果与分析
　　2.1 重金属元素的含量
　　运用描述性统计分析法对矿区土壤中7种重金属元素的含量进行分析，统计量见表1。由表 1可知，矿区土壤只有镉的平均含量超过了土壤环境质量二级标准值，其余 6种重金属元素的平均含量未超过土壤环境质量二级标准值，但7种重金属元素的平均含量均超过了新疆土壤背景值[7]，其中镉、铜和锌含量较高，镉的平均含量超过背景值的4倍，铜的平均含量接近背景值的2倍，锌的平均含量超过背景值的2倍。总体来看，研究区土壤重金属元素的含量不是很高。
　　变异系数反映了各个样点之间的平均变异程度，系数越大，人为活动的干扰作用越强或污染程度越严重[8]，矿区土壤中7种重金属元素的变异系数差异很大，变化范围为0.25～1.52，其中镉、铜、锌、铅的变异系数超过了1，表明其含量在矿区土壤中分布不均匀，可推断与矿区采矿及选矿等活动有关;而铬、汞、砷的变异系数低于1，其空间分布较为均匀，受人为活动干扰不强。
　　对土壤中铜、铅、锌、镉、砷、汞和铬7种重金属元素含量进行相关性分析，计算它们之间的Person系数。只有铅与锌表现出了显著相关性，其他元素之间的相关性不明显，表明铅与锌来自同一污染源或受相似因素影响，其他元素的污染来源和影响因素具有很大的差异。这与该矿区矿体的矿化类型为铅锌矿化有关，铅和锌具有共同的成矿物质来源和十分相似的地球化学行为，有类似的外层电子结构，都具有强烈的亲硫性，并形成相同的易溶络合物，在自然界特别在原生矿床中极为密切，常常共生[9]。从该角度也反映出矿区土壤中铅和锌主要来自矿山采选活动。
　　3 污染评价
　　3.1 单因子污染指数法
　　单因子污染指数法能够比较直观地反映出单个污染物的污染程度，同时也是其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础[10]。该方法是以土壤元素背景值为标准来评价重金属元素的污染程度，计算公式为：Pi=Ci/Si，式中，Pi—土壤中第i元素的污染指数;Ci—土壤中第i元素的实测浓度（mg/kg）;Si—土壤中第i元素的背景值。单因子污染指数法的污染评价等级划分见表2。
　　本文以新疆土壤重金属元素背景值作为评价标准，采用单因子污染指数法进行矿区土壤重金属污染评价，评价结果见表3。
　　由表3可知，铜的污染指数范围是0.65～6.97，对采场和选厂附近土壤造成了轻微污染，而尾矿库区土壤中铜元素的污染指数差别较大，尾矿库南侧土壤中铜的污染程度最高，北侧、西侧和东侧土壤均未有铜污染;镉的污染指数差别很大，范围在0.33～22.50之间，除尾矿库的西侧和北侧，其他区域的土壤都出现了镉的污染，选厂和尾矿库南侧土壤中镉污染最为严重，采场土壤的镉污染为中等程度;铬的污染指数范围是0.54～1.50，所有调查区域土壤中铬污染程度很低，只在尾矿库区西侧、北侧和采场有轻微污染;铅的污染指数范围是0.53～5.21，各个调查区域内土壤受铅污染的程度相差很大，尾矿库区土壤受到了铅元素的污染，在尾矿库南侧土壤为重污染，其他区域为轻污染，而选厂和采场土壤未受到铅污染或者只是轻微污染;锌的污染指数普遍较高，范围是0.53～8.98，只在尾矿库区西侧的土壤未受到锌元素的污染，其他区域土壤都有不同程度的锌污染，其中在尾矿库区南侧及选厂土壤锌污染为重污染;汞的污染指数较低，范围是0.44～1.76，矿区土壤受到汞元素的污染程度很低，尾矿库南侧、选厂北侧的土壤中为轻污染外，其他区域的土壤没有汞污染;砷的污染指数范围是0.19～2.03，矿区土壤有不同程度的砷污染，其中尾矿库南侧土壤为中污染，尾矿区西侧及采场土壤未见砷污染，其他区域土壤的砷污染为轻污染。
　　各重金属元素的污染指数平均值为镉（4.90）>锌（2.49）>铜（1.71）>铅（1.66）>砷（1.37）>铬（1.00）>汞（0.89），表明矿区土壤受人类活动的干扰，具有不同程度的重金属污染;造成研究区土壤重金属污染的元素主要有镉、锌、铜和铅，这与该矿区矿体性质有关，矿体大多为铜矿化或是铅锌矿化等。
　　3.2 内梅罗综合污染指数法
　　为全面了解矿区土壤重金属的污染状况，方便各调查区域之间污染程度的对比，采用兼顾单因子污染指数平均值和最大值的内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染状况进行评价。内梅罗综合污染指数法计算公式为： 　　式中，P—所评价土壤的综合污染指数;Pimax—所评价土壤单因子污染指数的最大值;Piave—所评价土壤单因子污染指数的平均值[11]。
　　综合污染指数法的污染评价等级划分见表4，评价结果见表5。
　　结合单因子污染指数评价结果可知，3个调查区域的土壤都受到了3种及3种以上重金属元素的污染。尾矿库南侧土壤的重金属污染为重污染，其他位置为轻污染，选矿厂土壤重金属污染严重，采场土壤重金属污染程度较低，均为轻污染。总体而言矿区开发时间不长，因此造成的污染不是很严重，尾矿库南侧土壤重金属污染程度较高，与尾矿库上游尾矿废水的渗流有关。
　　3.3 地累积指数法
　　地累积指数法近年来被广泛用于土壤重金属污染的评价，该方法不仅考虑了自然因素引起的背景值变化对污染程度的影响，同时也考虑了人类活动的影响。其计算公式：
　　式中：Igeo为地累积指数;Ci为中元素i质量分数的实测浓度值;Bi为普通页岩中元素i质量分数的地球化学背景值;k为调整系数，取 1.5。地积累指数分级与污染程度之间相互关系为：Igeo<0 为无污染，污染等级为0级;0≤Igeo<1为无-中污染，等级为1级;1≤Igeo<2为中污染，等级为2 级;2≤Igeo<3为中-强污染，等级为3级;3≤Igeo<4为强污染，等级为4级;4≤Igeo<5为强-极强污染，等级为5级;Igeo≥5为极强污染，等级为6级[12]。
　　矿区土壤重金属元素的地积累指数及污染等级评价结果显示，7种重金属元素地积累指数的范围为：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，据地累积指数可以看出，研究区土壤都受到了重金属元素的污染，造成污染的主要重金属元素为镉、锌、铜和铅，与单因子指数法的评价结果一致。由表6可知，尾矿库南侧土壤中重金属污染严重，其次是选厂土壤中存在镉和锌的污染。其他区域的土壤重金属污染程度很低。但污染程度与单因子评价的结果有所差别，地累积指数法评价的等级要低于单因子指数评价的污染等级，地累积指数法并未出现强污染等级，最严重的为中-强污染等级。这是由于地累积指数法考虑到各地巖石差异可能会引起背景值的变动，而选取的系数k（一般取值为1.5），用来表征沉积特征、岩石地质及其他影响，还特别考虑到自然成岩作用对背景值的影响，因此比单因子污染指数法评价结果的污染程度要低。
　　3.4 潜在生态风险指数法
　　潜在生态风险指数法引入毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来，使评价更侧重于毒理方面，对其潜在的生态危害进行评价[13]。它不仅可以反映某一特定污染物对环境的影响，也能够很好地反映多种污染物对环境的综合影响。其计算公式如下：
　　式中：为土样中第 i种金属的污染系数;为土样中第i种重金属质量浓度的实测值，mg·kg-1;为土样中第i种重金属的评价参比值，mg·kg-1;为土样中第i种重金属的潜在生态风险指数;为土样中第i种重金属的毒性响应系数，主要反映重金属毒性水平河环境对重金属污染的敏感程度;RI为土样中多种重金属的综合潜在生态风险指数[14]。潜在生态风险程度分级见表7。
　　矿区进行生态风险指数法评价结果见表8，结果显示7 种重金属潜在生态危害系数的 Eir均值大小顺序为：Cd（147.04）>Hg（35.43）> As（13.68）> Cu（8.55） >Pb（8.32）>Zn（2.49）> Cr（2.01）。矿区土壤存在生态风险的重金属元素是镉，其余元素对土壤生态风险水平很低。这是由于一方面镉元素在矿区土壤中的含量较高，平均含量超过了背景值的4倍，另一方面镉元素的生态毒性也很高造成的。其余元素的潜在生态风险评价结果与污染评价的结果不一致，如土壤中锌、铜和铅三种元素的污染程度较高，受到人类活动影响较大，但由于其生态毒性不是很高，生态风险水平就很低，而汞和砷元素虽然污染程度较低，但其生态毒性很高，则其生态风险水平就相应提高。
　　4 结论
　　（1）矿区土壤中铜、铅、锌、镉、砷、汞和铬7种重金属元素的含量均高于均新疆土壤背景值，其中镉、铜、锌和铅含量较高，且它们的变异系数也都超过了1，表明土壤中这4种重金属元素受矿区采矿及选矿等活动影响显著。相关性分析表明，研究区土壤中只有重金属元素铅与锌表现出了显著相关性，这与矿体的矿化类型有关，也进一步说明矿区土壤重金属污染与人类活动有关。
　　（2）单因子污染指数评价法、综合污染指数法与地累积指数法的评价结果显示，造成矿区土壤污染的重金属元素为镉、锌、铜和铅，3个调查区域的土壤都受到了3种及3种以上重金属的污染，因此矿区土壤重金属污染为复合污染型。造成生态风险的重金属元素只有镉，其余元素对土壤生态风险水平很低。受尾矿库渗水的影响，尾矿库南侧土壤的重金属污染为重污染，尾矿库其他位置土壤为轻污染;选矿厂土壤重金属污染严重;采矿区土壤重金属污染程度较低，均为轻污染。总体而言，矿区除本企业外无其他工业企业和农田，人烟稀少，开发较晚，故土壤重金属污染不严重。
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　　收稿日期：2020-05-02
　　基金项目：新疆教育厅高校科研计划项目（XJEDU2019Y061、XJEDU2018Y052）、新疆教育厅“十三五”重点专业地质工程（20161812）、新疆工程学院院级课题（2018xgy072105）
　　作者简介：李玲（1982-），女，汉族，博士研究生，讲师，研究方向为水土环境地球化学。
　　通讯作者：邵龙美。
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