陜南某金礦尾礦庫周邊土壤重金屬復合污染特征

湯波+周迎紅

摘要：通過實地采樣和實驗室分析，重點分析陜南某金礦尾礦庫周邊土壤中重金屬元素含量，歸納重金屬在土壤中的污染分布和衰減特征，分析出重金屬元素之間的相關性，并采用Hakanson潛在生態風險指數法劃分出潛在生態風險程度。結果表明，尾礦庫周邊土壤污染最嚴重的元素是Cu，其次是Cd，所測6種土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量隨距尾礦距離增加而明顯衰減，同時Cu、Pb、Cd等元素含量在西南風下風向有累積作用。Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素含量之間均存在極顯著正相關，它們之間存在相同自然污染源或者復合污染性質。潛在生態風險程度較高和極高的采樣點分布在第一采樣區和第二、第三采樣區的下風向。

關鍵詞：重金屬；分布特征；復合污染；潛在生態風險；陜南；金礦尾礦庫

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4564-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.014

Characteristics of Heavy Metals Combined Pollution in Soil around the Gold Mine Tailings in Southern Shaanxi Province

TANG Bo1，2，ZHOU Ying-hong3

（1. Xian University of Science and Technology， Xian 710054，China；2. Shaanxi University of Technology ，Hanzhong 723001， Shaanxi， China；

3. Wuxi Institute of Commerce， Wuxi 214153， Jiangsu， China）

Abstract： The contents， the characteristics of distribution and attenuation， and the correlation of heavy metals in soil around the gold mine tailings were studied with field sampling and experimental analysis. Potential ecological risk assessment of the heavy metals was analyzed with Hakanson potential ecological risk index techniques. The results showed that Cu was the most serious polluted element in the soil， following by Cd. The contents of Ni，Cu，Pb，Cd，Zn in the soil declined distinctly with the increase of distant. The contents of Cu，Pb，Cd increased in soil in the northeast because of the dominant wind of northwest. There was high positive correlation between every two elements which were Ni，Cu，Pb，Zn， showing that they were of same pollution source or same combined pollution property. The highest and higher pollution risk index were distributed over the whole 1st sampling region and the northeast of 2nd and 3rd sampling region.

Key words：heavy metals； regular of distribution； combined pollution； potential ecological risk； gold gangue in south Shaanxi

近年來，隨著礦山開發強度的進一步加大，礦山環境問題日益嚴重，尤其是礦區周邊土壤污染問題日漸突出[1]。礦山開采和冶煉過程中，重金屬隨尾沙、礦塵、冶金廢棄物進入礦山及其鄰近土壤，同時當尾礦、廢石經風化淋濾，Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Ag、Cd等重金屬元素就會轉移到土壤和水體中，造成土壤質量下降，水質破壞，污染農作物，最后通過食物鏈進入人體，影響人類健康[2]。

陜南某金礦位于陜西省勉縣、略陽縣交界處，勉縣、略陽及寧強縣一并被李四光先生譽為“中國的烏拉爾”，金、鐵、錳、釩、鎳、銅等多種金屬礦儲量居全國前列[3]。但是該地區雖礦產種類多、儲量大，但多數為小礦、散礦，俗稱“雞窩礦”，加之該地區雨水充足，地表徑流活躍，所以礦山開采產生的廢石、選礦產生的尾礦污染不容忽視[4]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在某金礦尾礦庫周邊以壩頂為中心，分別在壩頂、壩坡以及壩下游農田土壤共取土樣22件，采樣點覆蓋區域為以尾礦庫為圓心的800 m范圍內，采樣點分布如圖1。每個采樣點均采用“S”采樣法[5]，約10 m2采樣5個，然后混合為1個土樣，約重2 kg。

1.2 樣品測定

1.2.1 預處理 將土壤樣品采集后去除沙礫、植物根系等異物，放在實驗室內陰干，采用四分法對樣品進行磨碎處理，過100目土壤篩，保存。土壤樣品的消解采用硝基鹽酸-高氯酸法[6]。

1.2.2 元素測定及數據分析方法 實驗利用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）[7]測定樣品中Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co六種重金屬的含量。測定結果用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進行數據處理。

1.3 潛在生態風險指數評價方法

Hakanson潛在生態風險指數法根據元素豐度原則來區分各種污染物，按照定量劃分出潛在生態風險程度，該指數不僅反映了某一特定環境中的每種污染物的影響，而且也反映了多種污染物的綜合影響[8]。

單個重金屬的潛在生態風險指數Ei為：

Ei=■ （1）

式中，Ci、C0分別為第i種重金屬的監測濃度、參比值，C0取陜西省土壤元素背景值[9]。T為單個污染物毒性響應參數，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn、Co的毒性系數分別是2，5，5，30，1，5[10]。

某區域多個重金屬的潛在生態風險指數（RI）為：

RI=■Ei（2）

Ei<40為低潛在生態風險；40≤Ei<80為中潛在生態風險；80≤Ei<160為較高潛在生態風險；160≤Ei<320為高潛在生態風險；Ei≥320為很高潛在生態風險[11]。RI<150為低潛在生態風險；150≤RI<300為中等潛在生態風險；300≤RI<600為較高生態風險；RI≥600為具有極高潛在生態風險[11]。

2 結果與分析

2.1 土壤中重金屬含量分析

從表1看出，測定的Ni、Cu、Zn的含量變化幅度較大，分別為4.92～158.85、28.42～2 331.16、19.81～256.02 mg/kg，最大值與最小值之比分別為32、82、13。說明尾礦周邊土壤中的重金屬含量受到外源重金屬污染影響很大。Cu的平均含量為593.23 mg/kg，比土壤環境質量二級標準值50 mg/kg高出10.86倍，污染嚴重；Cd的平均含量為0.30 mg/kg， 達到土壤環境質量二級標準值0.30 mg/kg，污染比較嚴重；Zn、Co、Ni、Pb的平均含量都未超過土壤環境質量二級標準值，只有極個別采樣點的含量超過或接近土壤環境質量二級標準值。除了Co元素，其余5種重金屬元素平均含量均超過陜西省土壤背景值，說明人為因素造成的重金屬累積比較明顯。變異系數反映了各個樣點之間的平均變異程度。土壤中Ni、Cu的含量顯示強變異，變異系數分別為103%和121%，是強變異性，其他重金屬元素的變異系數為10%～100%，達到中等變異強度，表明研究區表層土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。

2.2 土壤重金屬含量隨距尾礦庫距離的變化特征

表2是各采樣區采樣點的土壤重金屬元素的含量，結合圖1可以看出，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加而衰減。Ni在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰減率分別為60%、51%、45%，Cu在200～400 m、400～600 m、600～800 m的衰減率分別為48%、67%、42%，每相鄰區域的衰減量都在50%左右。Co元素在第二、第三、第四采樣區的含量變化不大，但均大于第一采樣區的含量。Cu在第二圓環采樣區下風向的采樣點T2-4、T2-5、T2-6和第三圓環采樣區的下風向的采樣點T3-5的含量比同區域其他點含量高出幾十倍；Pb、Cd元素在下風向的采樣點的含量較高。

2.3 土壤重金屬元素相關性分析

由表3可以看出，Ni-Cu、Ni-Pb、Ni-Zn、Cu-Pb、Cu-Zn、Pb-Cd、Pb-Zn之間存在極顯著正相關。Ni、Cu、Pb、Zn四種元素之間均存在極顯著正相關，說明這四種元素之間存在相同自然污染源或者復合污染性質。Ni-Co、Zn-Co之間存在顯著負相關，Co與其他元素無顯著相關，說明Co與其他元素的污染源不同或者無復合污染性。Cd元素只與Pb元素呈極顯著正相關，而與其他元素無顯著相關，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復合污染性。

2.4 土壤重金屬潛在生態風險評價

利用潛在生態風險指數評價法，分析重金屬在土壤中的單元素潛在生態風險和累積潛在生態風險[12]，結果（表4）表明，從單元素的潛在生態風險指數Ei看，Cu元素最高，在采樣點T1-3、T1-5、T2-5、T2-6四個采樣點的Ei均超過320，屬于很高潛在生態風險；T1-1、T1-2、T1-4、T2-4、T3-5等5個點屬于高潛在生態風險。Cd元素的潛在生態風險指數也比較高，有5個采樣點T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5屬于高潛在生態風險。Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態風險。22個采樣點中潛在生態風險指數RI達到極高水平的點有1個，是T2-5，占總采樣點的4.5%；較高潛在生態風險的點有7個，分別是T1-1、T1-2、T1-3、T1-4、T1-5、T2-6和T3-5，占總采樣點的32%；中等潛在生態風險的點有1個，是T2-4，占總采樣點4.5%；其余13個采樣點都屬于低潛在生態風險，占總采樣點的59%。從各個采樣點潛在生態風險程度的分布情況來看，中等、較高、極高風險的點分布在距離尾礦庫最近第一圓環采樣區和第二、第三圓環采樣區的東北區域，即該區域主導風西南風的下風向。

3 結論

1）尾礦庫周邊土壤中的重金屬含量變化幅度很大，受到外源重金屬污染影響很大。Cu元素含量均超出土壤環境質量二級標準近10.86倍，污染最為嚴重；其次是Cd，達到土壤環境質量二級標準值，污染比較嚴重；Zn、Ni、Pb、Co的平均含量均未超出土壤環境質量二級標準值，但Zn、Ni、Pb超出陜西省土壤背景值，需要密切監測和防范。土壤中Ni、Cu變異系數超過100%，具強變異性，而其他元素的變異性屬于中等程度，說明土壤重金屬空間分布具有一定的差異性。

2）土壤重金屬含量與距離和風向的關系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現出明顯遞減規律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區含量最低，其他較遠采樣區域內含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區，處于東北區域（主導風西南風下風向）的采樣點重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風力影響在下風向有沉積現象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關性，它們之間存在相同自然污染源或者復合污染性質。Cd元素只與Pb元素呈現極顯著正相關性，而與其他元素無顯著相關性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復合污染性。

4）從單元素的潛在生態風險指數Ei看，Cu元素的潛在生態風險指數最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態風險。從綜合潛在生態風險指數RI分析，中等、較高、極高風險程度的點分布在距離尾礦庫最近第一圓環采樣區和第二、第三圓環采樣區東北區域，即主導風下風向。說明距離和風向同時影響土壤中重金屬的潛在風險程度。

參考文獻：

[1] 廖國禮.典型有色金屬礦山重金屬遷移規律與污染評價研究[D].長沙：中南大學，2005.

[2] 王利軍，盧新衛，荊 淇，等.寶雞市長青鎮鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬污染研究[J].農業環境科學學報，2012，31（2）：325-330.

[3] 張越男，李忠武，陳志良，等.大寶山尾礦庫區及其周邊地區地下水重金屬健康風險評價研究[J].農業環境科學學報，2013，32（3）：587-594.

[4] 洪堅平.土壤污染與防治[M].北京：中國農業出版社，2005.

[5] WICHARD T， MISHRD B，KRAEPIEL A M L， et al. Molybdenum speciation and bioavailability in soils[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2009，72（12）：1019.

[6] 石 平，王恩德，魏忠義，等.青城子鉛鋅礦區土壤重金屬污染評價[J].金屬礦山，2010，4（1）：41-44.

[7] 丁 琮，陳志良，李 核，等.長株潭地區農業土壤重金屬全量與有效態含量的相關分析[J].生態環境學報，2012，21（12）： 2002-2006.

[8] 谷金鋒，蔡體久，楊 肅，等.大興安嶺胭脂溝金礦土壤中Mn、Pb、Cu和Zn化學形態分析和污染評價[J].土壤通報，2013，44（5）：1259-1264.

[9] 徐玉霞，汪慶華，薛 雷，等.關中西部某鉛鋅冶煉區表層土壤重金屬污染的分布規律[J].土壤通報，2013，44（5）：1240-1243.

[10] 石 平，王恩德，魏忠義，等.遼寧礦區尾礦廢棄地及土壤重金屬污染評價研究[J].金屬礦山，2008，2（2）：118-121，135.

[11] 郭 偉，趙仁鑫，張 君，等.內蒙古包頭鐵礦區土壤重金屬污染特征及其評價[J].環境科學，2011，32（10）：3099-3105.

[12] 鄧超冰，李麗和，王雙飛，等.典型鉛鋅礦區水田土壤重金屬污染特征[J].農業環境科學學報，2009，28（11）：2297-2301.

2）土壤重金屬含量與距離和風向的關系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現出明顯遞減規律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區含量最低，其他較遠采樣區域內含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區，處于東北區域（主導風西南風下風向）的采樣點重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風力影響在下風向有沉積現象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關性，它們之間存在相同自然污染源或者復合污染性質。Cd元素只與Pb元素呈現極顯著正相關性，而與其他元素無顯著相關性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復合污染性。

4）從單元素的潛在生態風險指數Ei看，Cu元素的潛在生態風險指數最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態風險。從綜合潛在生態風險指數RI分析，中等、較高、極高風險程度的點分布在距離尾礦庫最近第一圓環采樣區和第二、第三圓環采樣區東北區域，即主導風下風向。說明距離和風向同時影響土壤中重金屬的潛在風險程度。

參考文獻：

[1] 廖國禮.典型有色金屬礦山重金屬遷移規律與污染評價研究[D].長沙：中南大學，2005.

[2] 王利軍，盧新衛，荊 淇，等.寶雞市長青鎮鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬污染研究[J].農業環境科學學報，2012，31（2）：325-330.

[3] 張越男，李忠武，陳志良，等.大寶山尾礦庫區及其周邊地區地下水重金屬健康風險評價研究[J].農業環境科學學報，2013，32（3）：587-594.

[4] 洪堅平.土壤污染與防治[M].北京：中國農業出版社，2005.

[5] WICHARD T， MISHRD B，KRAEPIEL A M L， et al. Molybdenum speciation and bioavailability in soils[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2009，72（12）：1019.

[6] 石 平，王恩德，魏忠義，等.青城子鉛鋅礦區土壤重金屬污染評價[J].金屬礦山，2010，4（1）：41-44.

[7] 丁 琮，陳志良，李 核，等.長株潭地區農業土壤重金屬全量與有效態含量的相關分析[J].生態環境學報，2012，21（12）： 2002-2006.

[8] 谷金鋒，蔡體久，楊 肅，等.大興安嶺胭脂溝金礦土壤中Mn、Pb、Cu和Zn化學形態分析和污染評價[J].土壤通報，2013，44（5）：1259-1264.

[9] 徐玉霞，汪慶華，薛 雷，等.關中西部某鉛鋅冶煉區表層土壤重金屬污染的分布規律[J].土壤通報，2013，44（5）：1240-1243.

[10] 石 平，王恩德，魏忠義，等.遼寧礦區尾礦廢棄地及土壤重金屬污染評價研究[J].金屬礦山，2008，2（2）：118-121，135.

[11] 郭 偉，趙仁鑫，張 君，等.內蒙古包頭鐵礦區土壤重金屬污染特征及其評價[J].環境科學，2011，32（10）：3099-3105.

[12] 鄧超冰，李麗和，王雙飛，等.典型鉛鋅礦區水田土壤重金屬污染特征[J].農業環境科學學報，2009，28（11）：2297-2301.

2）土壤重金屬含量與距離和風向的關系分析表明，Ni、Cu、Pb、Cd、Zn 5種重金屬含量平均值均隨距尾礦距離增加，呈現出明顯遞減規律，而Co元素在尾礦距離最近的采樣區含量最低，其他較遠采樣區域內含量比較恒定。Cu、Pb、Cd等元素在同一采樣區，處于東北區域（主導風西南風下風向）的采樣點重金屬含量較高，說明尾礦庫表層土壤表層受到風力影響在下風向有沉積現象。

3）Ni、Cu、Pb、Zn 4種元素之間均存在極顯著正相關性，它們之間存在相同自然污染源或者復合污染性質。Cd元素只與Pb元素呈現極顯著正相關性，而與其他元素無顯著相關性，說明Cd與其他元素的污染源不同或者無復合污染性。Co與其他5種元素的污染源均不同或者無復合污染性。

4）從單元素的潛在生態風險指數Ei看，Cu元素的潛在生態風險指數最高，Cd元素次之，其余Ni、Pb、Zn和Co元素均屬于低潛在生態風險。從綜合潛在生態風險指數RI分析，中等、較高、極高風險程度的點分布在距離尾礦庫最近第一圓環采樣區和第二、第三圓環采樣區東北區域，即主導風下風向。說明距離和風向同時影響土壤中重金屬的潛在風險程度。

參考文獻：

[1] 廖國禮.典型有色金屬礦山重金屬遷移規律與污染評價研究[D].長沙：中南大學，2005.

[2] 王利軍，盧新衛，荊 淇，等.寶雞市長青鎮鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬污染研究[J].農業環境科學學報，2012，31（2）：325-330.

[3] 張越男，李忠武，陳志良，等.大寶山尾礦庫區及其周邊地區地下水重金屬健康風險評價研究[J].農業環境科學學報，2013，32（3）：587-594.

[4] 洪堅平.土壤污染與防治[M].北京：中國農業出版社，2005.

[5] WICHARD T， MISHRD B，KRAEPIEL A M L， et al. Molybdenum speciation and bioavailability in soils[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2009，72（12）：1019.

[6] 石 平，王恩德，魏忠義，等.青城子鉛鋅礦區土壤重金屬污染評價[J].金屬礦山，2010，4（1）：41-44.

[7] 丁 琮，陳志良，李 核，等.長株潭地區農業土壤重金屬全量與有效態含量的相關分析[J].生態環境學報，2012，21（12）： 2002-2006.

[8] 谷金鋒，蔡體久，楊 肅，等.大興安嶺胭脂溝金礦土壤中Mn、Pb、Cu和Zn化學形態分析和污染評價[J].土壤通報，2013，44（5）：1259-1264.

[9] 徐玉霞，汪慶華，薛 雷，等.關中西部某鉛鋅冶煉區表層土壤重金屬污染的分布規律[J].土壤通報，2013，44（5）：1240-1243.

[10] 石 平，王恩德，魏忠義，等.遼寧礦區尾礦廢棄地及土壤重金屬污染評價研究[J].金屬礦山，2008，2（2）：118-121，135.

[11] 郭 偉，趙仁鑫，張 君，等.內蒙古包頭鐵礦區土壤重金屬污染特征及其評價[J].環境科學，2011，32（10）：3099-3105.

[12] 鄧超冰，李麗和，王雙飛，等.典型鉛鋅礦區水田土壤重金屬污染特征[J].農業環境科學學報，2009，28（11）：2297-2301.