西南某礦區土壤重金屬污染分布特征與潛在生態風險

鄭涵文，伍榮軍，寧甲練，苑宇杭，張 輝

（桂林理工大學，廣西 桂林 541000）

礦業活動的進行可能導致礦區周圍土壤重金屬污染[1-5]，雨水沖淋和地表徑流的作用會加快尾礦中高濃度重金屬進入土壤中，造成土壤污染，礦山酸性廢水可能會導致礦區周圍土壤結，抑制農作物的生長甚至造成農作物大面積死亡，植物的富集作用會導致重金屬在食物鏈中累積，危害人體健康。

對礦區周圍土壤重金屬污染分布特征進行調查和來源分析迫在眉睫。通過研究西南某礦區附近農用地土壤重金屬的污染分布特征及環境風險評估，旨在為廣西礦區周圍土壤重金屬污染防治、修復和治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查區域概況

廣西某縣位于亞熱帶山地氣候區，年平均氣溫為16.9℃，年均降雨量1497mm，主導風向為東風，從20世紀七八十年代開始大肆進行礦業活動，所涉及產業包括鉛鋅礦和其他有色金屬礦的采選和冶煉。研究區域位于廣西某礦區周圍，地處107°38′～107°41′E、24°53′～24°50′N，地形較為復雜，場地周圍有數量不等尾礦堆積，場地中部為車河鎮某礦區，場地西北部存在大面積水源，如圖1。

圖1 采樣點位示意圖

1.2 樣品采集與測試

研究區域內共采集表層土壤（0cm～20cm）樣品59個（圖1），水田樣本25個，旱地樣本34個，以礦業活動區中心點為中心，建立坐標系，在正東、正西、正北、西南、東南、西北、東北七個方向采集樣本，其中正南方向貼近場地邊界，未設置采樣點，采樣點數目分別為：4、4、3、2、27、12、6，所采樣本均處于礦區影響范圍內農田。

土壤樣品采用多點混合法采取，取耕作層土壤約1kg，混合后用四分法取1kg，網格大小為200×200m，采樣過程中避免與金屬工具相接觸，并用GPS確定樣點地理位置，保存在聚乙烯塑料袋中，帶回實驗室。土壤樣品風干后，去除碎石與植物殘體等雜物，四分法取適量，研磨過100目尼龍篩，備用。

選用對應國家標準測定Sb、Cd、Zn、As、Pb五種重金屬含量。所有樣品均設置三個平行樣，平行樣的相對誤差小于10%，同時進行空白實驗。選10%的樣品做重復測試，相對誤差在±5%以內。

1.3 數據分析處理方法

采用ArcGIS進行反距離加權插值和空間分析；運用SPSS 19.0對數據進行統計學分析，相關性分析采用Spearman相關系數進行分析，p＜0.05具有統計學意義。

分別從土壤中重金屬含量相對地質背景的污染程度，重金屬的環境生態效應與毒理方面出發，運用潛在生態風險指數法對重金屬污染進行綜合評價。

潛在生態風險指數法選用的毒性響應系數，根據瑞典科學家HaKanson制定的標準化重金屬毒性響應系數參考值，重金屬Sb的毒性響應系數參照美國2006版飲用水標準和健康建議提出的參考值，南丹縣土壤重金屬元素背景值及毒性響應系數，見表1。

潛在生態風險指數法，可反映出土壤中重金屬對環境的潛在生態風險程度。

式中，為污染物i的實測濃度，為污染物i的評價標準，為某單一重金屬的潛在生態風險因素，為某重金屬毒性響應系數，反映重金屬的毒性強度，RI為多種重金屬的潛在風險因素，表2為潛在生態風險指數分級表。

表1 農用地土壤環境風險技術評價標準

表2 綜合環境風險指數分級表

2 結果與討論

2.1 重金屬分布特征

通過對礦區周圍農田進行采樣，5種重金屬（Sb、Cd、Zn、As、Pb）平均含量及變異系數（表3）表明，其中Sb、Cd、Zn、As、Pb五種重金屬平均含量超過當地土壤重金屬背景值，超過倍數分別為7.57、6.81、4.31、2.61、1.65。研究區域變異系數從大到小排列順序為：As、Sb、Pb、Cd、Zn均大于0.1說明研究區域受人為因素的影響很強。

表3 研究區表層土壤重金屬含量特征

2.2 土壤重金屬潛在生態風險評價

表4為研究區域內不同方向土壤重金屬RI值。研究區域土壤綜合生態風險指數RI為539.33，呈很強生態風險狀態，不同方向重金屬環境生態風險綜合指數大小順序為 ：RI北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI東南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI東北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI東（385.81）。正北、正西兩個方向呈很強生態風險狀態，其余方向呈強烈生態風險狀態。

2.3 農田土壤重金屬來源分析

礦業活動是礦區周圍土壤重金屬污染的主要來源。本研究中采用主成分分析，對重金屬污染來源進行判斷。

對研究區域內，土壤重金屬As、Cd、Zn、Sb、Pb進行KMO檢驗，結果表明研究區域內土壤重金屬的KMO值為0.571，大于0.5可進行主成分分析，前三種主成分特征值累積為90.227%。

研究區域內污染重金屬主要分為三類。第一類重金屬包括Cd、Zn荷載分別為0.971和0.918，重金屬Cd、Zn超標率分別為100%和98.31%，屬于面源型污染，研究區域是傳統的礦業活動區，存在數量眾多的鋅礦冶煉企業，研究表明Cd、Zn礦常以伴生形式存在，對Zn礦進行利用的同時，重金屬Cd和Zn會隨礦業活動產生粉塵，在礦區周圍土壤中進行積累。

第二類重金屬主要為Sb，荷載為0.95，重金屬Sb濃度較高區域主要集中在場地正西、正北、西南、西北四個方向，環繞河谷地區，重金屬Sb在土壤中的沉積，可能來自于水體中Sb向土壤中遷移，其中重金屬Pb在一、二主成分中均有存在，荷載分別為0.581和0.572，說明礦業活動和水體中重金屬遷移，均對重金屬Pb在土壤中累積有影響。

表4 土壤重金屬的生態風險評價結果

第三主成分為重金屬As，荷載為0.959，高濃度區域主要集中在正西和西南兩個方向，場地中堆積著體量不等的尾礦，礦砂隨地表徑流和雨水沖刷進入土壤，造成重金屬As累積。

3 結論

（1）研究區域內礦區土壤重金屬Cr、Mn、Hg，呈現無污染或基本清潔狀態。研究區域內Sb、As、Zn、Pb、Cd五種礦區土壤重金屬含量均超過當地土壤重金屬背景值。

（2）研究區域整體呈很強生態風險狀態，不同方向重金屬環境生態風險綜合指數大小順序為：RI北（845.31）＞RI西（700.16）＞RI東南（506.00）＞RI西北（491.61）＞RI東北（450.81）＞RI西南（395.57）＞RI東（385.81）。重金屬Cd、Sb為主要潛在生態風險污染物，潛在風險指數分別為369.41、117.23。

（3）研究區域內，土壤重金屬Cd、Zn的來源和礦業活動產生“三廢”相關，土壤重金屬Sb的污染與水體中重金屬遷移有關，重金屬As的污染與尾礦庫中礦砂在土壤中沉積有關，重金屬Pb除受礦業“三廢”影響外，與水體中重金屬遷移也有關。